第四章 原子结构和波粒二象性 章末总结 课件-2025-2026学年高二下学期物理选择性必修第三册（43页PPT）

(共43张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
培优帮丨章末总结
析课标 素养清单
物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责
任
1.了解黑体辐射，知 道能量子概念，了解 普朗克提出的能量子 假说的内容及意义。 1.通过了解黑体辐 射实验规律的历 程，理解普朗克提 出的能量子假说的 重要意义。 1.黑体辐射实验规律、 光电效应实验规律、氢 原子光谱实验规律等科 学实验，都打开了新的 科学天地的大门，充分 显示了实验探究对科学 创新的重要作用。 从黑体辐射实
验，到普朗克
能量子的假
说；从光电效
应实验现象，
到爱因斯坦光
电效应方程；
物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责
任
2.了解光电效应和康 普顿效应，掌握爱因 斯坦光电效应方程的 应用。 2.通过了解电子的 发现过程和人类探 索原子结构的历 程，感悟科学推理 及论证的思维方 法。 2.通过对电子的发现过 程的了解，感悟科学探 究的思想方法，明确实 验探究在物理学中的地 位。 从电子的发
现，到人类探
究原子及其结
构并提出原子
的核式结构模
型；
续表
物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责
任
3.理解卢瑟福提出的 原子核式结构模型， 并能运用其分析有关 问题。 3.通过分析氢原子 光谱实验规律，认 识理论和实验的关 系，感悟玻尔原子 理论的创新在推动 科学发展中的重要 作用。 3.了解验证粒子的波动 性假说的实验，认识实 验对理论的支撑作用， 通过量子力学的建立过 程，感悟理论和实验的 探索是推动科学发展的 强大动力。 从氢原子光谱
实验规律，到
玻尔理论假
设；从德布罗
意物质波的假
说，到量子力
学的建立……
续表
物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责
任
4.能运用玻尔原子理 论对氢原子光谱进行 解释，掌握氢原子能 级跃迁规律，能分析 求解相关问题。 4.通过了解量子力 学建立的过程，体 会人类探索自然的 科学思想方法。 人类在追求科
学本质的路
上，严谨认
真，实事求
是，持之以
恒，
续表
物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责
任
5.知道实物粒子具有 波动性，了解微观世 界量子化的特征。形 成完善、科学的物质 观念和能量观念。 不迷信权威，
不惧怕挫折，
这种探索自然
的科学精神和
内在源动力，
是必须具备的
学科核心素
养。
续表
图4-3
例1 用金属铷作为光电管的阴极，观测光电效应现
象，实验装置示意图如图4-3甲所示，实验中测得铷
的遏止电压与入射光频率 之间的关系如图乙所示，
图线与横轴交点的横坐标为 。已知普
朗克常量 。则下列说法正确的
是( )
D
A.欲测遏止电压，应选择电源左端为正极
B.当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数一定持续增大
C.增大入射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大
D.如果实验中入射光的频率 ，则产生的光电子的最大初动能
【解析】由图甲可知，若电源左端是正极，在光电管两极间产生的电场促使光电子
射向阳极，无法达到遏止效果，故A错误；当电源左端为正极时，将滑动变阻器的
滑片从图示位置向右滑动的过程中，光电管两端电压增大，若光电流未饱和，则光
电流增大，若光电流已达到饱和值，则不再增大，由此可知，电流表示数可能持续
增大，也可能先增大，后不变，故选项B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率
和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，故选项C错误；根据图像可知，铷的截
止频率，根据 ，则可求出铷的逸出功大小
，根据公式 ，当入
射光的频率为 时，最大初动能为
，故选项D正确。
图4-4
例2 [教材第97页“练习与应用”第1题改编]
(2025·辽宁省普通高中模拟)17世纪，牛顿提出光
是从光源发出的一种物质微粒，但微粒说在解释
光的一些复杂现象时遇到困难。20世纪初，科学
家们在众多实验基础上逐渐对光的本质有了全新
认识，人们对光的理解更加深入，图4-4的实验示
意图中能说明光的性质的是( )
A
A.①③ B.②③ C.③④ D.②④
【解析】
图序 分析 结论 ① 光的双缝干涉实验，干涉是波特有的性质，所以该 实验可以说明光具有波动性。 能说明光性质的是①
③，选A。
② ③ 光电效应实验，说明光具有粒子性。 ④ 汤姆孙阴极射线实验，验证了阴极射线是带电粒子 流，不能说明光的性质。 例3 下列关于原子结构模型的说法正确的是( )
A
A.汤姆孙发现了电子，并提出了原子结构的“西瓜模型”
B. 粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子
C.卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性
D.玻尔原子模型能很好地解释所有原子光谱的实验规律
【解析】汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了原子内部存在带负电的电子，并提出
原子结构的“西瓜模型”（也叫“枣糕模型”）， 粒子散射实验否定了汤姆孙的原子
结构的“西瓜模型”，但不能解释原子的稳定性，故A正确,B、C错误；玻尔原子模型
能很好地解释原子的稳定性和氢原子光谱的实验规律，但并不能解释所有原子的光
谱规律，故D错误。
图4-5
例4 1885年，巴耳末对当时已知的氢气放电管获得的四条可见光谱进
行研究，发现这些谱线满足 ，这个公式
称为巴耳末公式。巴耳末公式反映了氢原子的线状光谱的特征，如图4
-5所示是氢原子能级图，已知可见光能量在 之间，巴耳
末研究的四条可见光波中波长最长的是氢原子在哪两个能级之间跃迁
辐射的( )
A
A.3到2 B.4到2 C.5到2 D.6到2
【解析】巴耳末系是指氢原子由高能级向 能级跃迁时形成的谱线，巴耳末研究
的四条可见光谱中波长最长的光谱，对应的是两个能级之间能量差值最小的能级，
为3到2，故A正确，B、C、D错误。
图4-5
例5 (浙江高考题)图4-6为氢原子的能级图。大量氢原子处于 的激
发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为
的金属钠。下列说法正确的是( )
B
A.逸出光电子的最大初动能为
B.跃迁到 放出的光子动量最大
C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D.用的光子照射，氢原子跃迁到 激发态
【解析】
例6 已知氢原子的基态能量为，核外电子的第一轨道半径为 ，
电子质量，电荷量为 ，则电子跃迁到第三轨道时，
氢原子的能量、电子的动能和电子的电势能各为多大？
思路点拨 求解本题的关键是建构核外电子绕核做匀速圆周运动的模型，然后用力
学的规律和方法求解。计算中取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电
荷的电场中电势能为负值，并且电子的动能等于电势能绝对值的一半，所以原子的
总能量为负值。
【答案】
【解析】氢原子的能量
电子在第三轨道运动时的半径为 ①
电子绕核做圆周运动的向心力由库仑力提供，有 ②
由①②，可得电子的动能为
由于 ，故电子的电势能为
。
名师点评 电子轨道半径越大，能量也越大，电势能也越大，但动能却越小，且总能
量为负值。如氢原子基态能量为,而 ，此为最大能量。
尖子生 强基自招
命题点1 光电效应方程的应用
例7 （清华大学夏令营试题）在两种金属和 的光电效应实验中，测量反向遏止电
压与入射光子频率 的关系，下图中正确的是( )
D
A. B. C. D.
【解析】根据光电效应方程，以及得， 图
线的斜率 ，恒定不变，故两图线平行，且在横轴上的截距均不为0，故D正确，
A、B、C错误。
【强化训练丨变式题】
1.（“华约”联盟自主招生试题）一铜板暴露在波长为 的紫外光中，观测
到有电子从铜板表面逸出。当在铜板所在空间加一方向垂直于板面、大小为
的电场时，电子能运动到距板面的最大距离为处。已知光速 与普朗
克常量的乘积为 ，则铜板的截止波长约为( )
B
A. B. C. D.
【解析】根据光电效应方程，有，表示截止波长 ，根据
动能定理，有，联立解得 ，B正确。
2.典例列举
例8 (北京大学博雅计划试题)氢原子能级中，从能级向下跃迁到 能级发出
的电磁波为________,氢原子的反冲速度大小为________。（已知氢原子质量为 ，
里德伯常量为 ，普朗克常量为 ）( )
B
A.红外线 B.紫外线 C.红外线 D.紫外线
【解析】赖曼系所有谱线均为紫外线。由里德伯公式有，其中 为
氢原子跃迁发出的电磁波的波长，出射电磁波（光子）的动量大小为 ,联立以上
两式得，由动量守恒定律知, 氢原子的反向动量大小也为,又 ，解
得 。故B选项正确，A、C、D选项错误。
例9 （“北约”联盟自主招生试题）玻尔原子理论的轨道量子化条件可以表述为：电
子绕原子核（可看作静止）做圆周运动的轨道周长为电子物质波波长的整数倍，即
,,2,3， ,其中是第 个能级对应的轨道半径。若已知静电力常量
为、普朗克常量为、电子电荷量为、电子质量为 ，不考虑相对论效应，试求：
（1）氢原子第个能级对应的轨道半径 的表达式；
【答案】
【解析】氢原子第 个能级电子的物质波的波长为
①
库仑力提供电子做匀速圆周运动的向心力，则
②
轨道的量子化条件为 ③
联立①②③式，得第 个能级电子的轨道半径为
④。
（2）氢原子第个能级对应的电子环绕原子核的运动轨道周期 的表达式。
【答案】
【解析】库仑力提供电子做匀速圆周运动的向心力，则
⑤
联立④⑤式，得第个能级对应的电子的运动周期为 。
【强化训练丨变式题】
2.(北京大学自主招生试题)
（1）已知基态的电离能为，为使处于基态的静止的 跃迁到激发
态，入射光子所需的最小能量为多少？
【答案】
【解析】根据题意得的基态能量 。由于类氢离子能级与氢原子的
能级类似，可知的能级公式为
故有
所以入射光子所需的最小能量为
。
（2）静止的 从第一激发态跃迁到基态时，如果考虑到离子的反冲，与不考虑反
冲相比，发射出的光子波长相差的百分比为多少 （离子的能级与 的关系和
氢原子能级公式类似,质子和中子的质量均取 ）
【答案】
【解析】静止的 从第一激发态跃迁到基态时，如果不考虑离子的反冲，设发射
出的光子波长为，则有
解得
如果考虑到离子的反冲，反冲核是氦核,共两个质子和两个中子，设氦核的反冲速度
大小为，发射出的光子波长为，根据动量守恒定律，有
根据能量守恒定律，有
联立上式得
所以两种情况下发射的光子波长相差的百分比为
。
设情境 素养提升
问题情境1 太阳耀斑爆发——科学思维
例10 (2025·河南郑州外国语学校期中)太阳耀斑爆发是一种发生在太阳大气层中的剧
烈太阳活动，2024年5月8日，太阳发生两次射线强耀斑。若太阳辐射 射线到地球
表面的效率为 ，地球表面探测仪正对太阳的面积为 ，探测仪到太阳中心的距离为
，探测仪单位时间内探测到射线的光子数为。已知普朗克常量为， 射线波长
为 ，光速为，太阳均匀地向各个方向辐射射线，则太阳辐射射线的总功率 为
( )
B
A. B. C. D.
本题结合太阳耀斑爆发辐射出的 射线，考查光子的能量公式，引导考生关注天文现
象中的物理知识，用所学知识解决实际问题，提高考生的学习探索兴趣。
【解析】
设探测仪单位时间内探测到的射线的总能量为，一个射线的光子能量为
问题情境2 人体辐射红外线——科学思维
图4-7
例11 （多选）已知人体温度越低辐射红外线的波
长越长，人的体温正常时能辐射波长为 的红
外线。如图4-7甲所示，用该红外线照射光电管的
阴极 时，电路中有光电流产生，图乙所示分别为
、 两人发出的红外线产生的光电流随电压变化
的图像。已知普朗克常量 ，
光速 ，则下列说法正确的是
( )
AC
A.由图乙可以判断出发出的红外线的频率小于 发出的红外线的频率
B.将图甲中电源的正负极反接，回路中的微安表示数一定为零
C.人的体温正常时能辐射红外线的光子能量约为
D.由图乙可知，的体温高于 的体温
本题结合人体温度不同时辐射出的红外线频率不同考查光电效应实验规律及光电效
应方程，引导考生关注物理知识在实际生活中的应用。
【解析】对同种金属材料而言，根据光电效应方程和 可知，
入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，对应的遏止电压越大,结合图乙可以
得出，发出的红外线的频率小于 发出的红外线的频率，故A正确；将图甲中的电
源正负极反接，若光电管两端电压小于遏止电压，回路中还会有电流通过，故B错误；
根据光子能量公式可得人的体温正常时能辐射红外线的光子能量为
，故C正确；人体温度越低，辐射
红外线的波长越长，频率越低，由于发出的红外线的频率小于 发出的红外线的频
率，则的体温低于 的体温，故D错误。
问题情境3 光刻机——科学态度与责任
例12 （多选）光刻机是生产芯片的核心设备，其作用主要是让光源发出的光通过物
镜把设计好的电路图样打在涂抹了光刻胶的硅晶圆上，将电路雕刻在上面。
光的波长越小，能雕刻的尺寸越小，制造的芯片就越精密。目前世界上生产的光刻
机主要是利用紫外线作为光源，紫外线的光子能量范围为 。如图4-8所示
为氢原子的能级图。现有一群处于 能级的氢原子，下列说法正确的是
( )
BCD
图4-8
A.这群氢原子辐射的光中，有四种频率的光为紫外线
B.这群氢原子辐射的光中，波长最长的光子能量为
C.这群氢原子辐射的光中，能使光刻机雕刻尺寸最小的光子能量为
D.在光刻机的物镜和硅晶圆之间充满水，打在硅晶圆上的光的波长将
变短
我们生活中用到的电器基本上都会使用到半导体芯片，因此半导体芯片对我们的生
活意义深远。制作精密半导体芯片的关键机器是光刻机，虽然我国光刻机技术相对
国际先进水平仍有一定距离，但近期我国光刻机研发取得重大进步，正在逐渐缩小
与国际先进水平的距离。本题以光刻机为背景设置题目，旨在鼓励学生关注我国科
技发展，树立科技强国的观念。
【解析】根据能级跃迁知识，从能级跃迁到能级和从 能级跃迁到
能级以及从能级跃迁到能级辐射的光子能量均小于，而从
能级跃迁到能级和从能级跃迁到能级以及从能级跃迁到
能级辐射的光子能量均大于且小于 ，所以这群氢原子辐射的光中，有三
种频率的光为紫外线，故A错误；这群氢原子辐射的光中，当氢原子从 能级向
能级跃迁时，波长最长，此光子能量为
,故B正确；在氢原子辐射的光中，从
能级跃迁到基态释放的光子能量最大，其波长最短，能使光刻机雕刻尺寸最小，
其光子能量为 ,故C正确；在光刻机
的物镜和硅晶圆之间充满水，光频率不变，速度减小，可知光的波长在水中将变短，
打在硅晶圆上的光的波长将变短，得以刻出更精密的芯片，故D正确。
刷真题 体验高考
1.(2024·湖南卷)量子技术是当前物理学应用研究的热点，下列关于量子论的说法正
确的是( )
B
A.普朗克认为黑体辐射的能量是连续的
B.光电效应实验中，红光照射可以让电子从某金属表面逸出，若改用紫光照射也可
以让电子从该金属表面逸出
C.康普顿研究石墨对 射线散射时，发现散射后仅有波长小于原波长的射线成分
D.德布罗意认为质子具有波动性，而电子不具有波动性
【解析】普朗克认为黑体辐射的能量是量子化的，A错误；紫光的频率大于红光的
频率，由爱因斯坦光电效应方程 可知，若改用紫光照射此金属表面,一
定能发生光电效应，即电子可以从金属表面逸出，B正确；康普顿散射实验发现，
射线被较轻物质（石墨、石蜡）等散射后除了有波长与原波长相同的成分外还有波
长较长的成分，C错误；德布罗意认为实物粒子具有波粒二象性，D错误。
图4-9
2.(2025·山东卷)在光电效应实验中，用频率和强
度都相同的单色光分别照射编号为1、2、3的金
属，所得遏止电压如图4-9所示，关于光电子最大
初动能 的大小关系正确的是( )
B
A. B.
C. D.
【解析】根据光电子最大初动能与遏止电压的关系有 ，根据图像可得各金
属遏止电压大小的关系为，故 ，本题选B。
图4-10
3.(2025·甘肃卷)利用电子与离子的碰撞可以研究
离子的能级结构和辐射特性。 离子相对基态
的能级图（设基态能量为0）如图4-10所示。用
电子碰撞 离子使其从基态激发到可能的激发
态，若所用电子的能量为，则 离子可能
辐射的光谱中，波长最长的谱线对应的跃迁为
( )
C
A.能级 B. 能级
C.能级 D. 能级
【解析】根据题意可知，用能量为的电子碰撞离子，可使 离子跃迁到
能级或能级，由 结合题图数据可知，波长最长
的谱线对应的跃迁为 能级。故选C。
4.(2024·辽宁卷，多选)射线光电子能谱仪是利用 光照射材料表面激发出光电子，
并对光电子进行分析的科研仪器，用某一频率的 光照射某种金属表面，逸出了光电
子，若增加此 光的强度，则( )
BD
A.该金属逸出功增大 B. 光的光子能量不变
C.逸出的光电子最大初动能增大 D.单位时间逸出的光电子数增多
【解析】金属的逸出功是金属自身的固有属性，仅与金属自身有关，增加此 光的强
度，该金属逸出功不变，故A错误；增加此光的强度， 光的频率不变，根据
可知，光子能量不变，故B正确；根据爱因斯坦光电效应方程 ，
结合B项分析知，逸出的光电子最大初动能不变，故C错误；增加此 光的强度，单
位时间照射到金属表面的光子变多，则单位时间逸出的光电子数增多，故D正确。
5.(全国卷Ⅲ高考题,多选)在光电效应实验中，分别用频率为、的单色光、 照
射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为和 ，光电子的最大初动能分别为
和。 为普朗克常量。下列说法正确的是( )
BC
A.若,则一定有
B.若,则一定有
C.若,则一定有
D.若，则一定有
【解析】设该金属的逸出功为，根据爱因斯坦光电效应方程有 ，同
种金属的不变，则逸出光电子的最大初动能随 的增大而增大，B项正确；又
，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有 ，
遏止电压随的增大而增大，A项错误；又有，因 相同，则D项错误。
图4-11
6.(2023·山东卷)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原
子钟组发射升空，对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重
要意义。如图4-11所示为某原子钟工作的四能级体系，原子吸收
频率为 的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ，然后自发辐射
出频率为 的光子，跃迁到钟跃迁的上能级2，并在一定条件下
D
A. B. C. D.
可跃迁到钟跃迁的下能级1，实现受激辐射，发出钟激光，最后辐射出频率为 的光
子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率 为( )
【解析】
7.[链接教材第86页图4.4-5](2024·浙江6月卷)玻尔氢原子电子轨道示意图如图4-12所
示，处于能级的原子向低能级跃迁，会产生三种频率为、和 的光，下
标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为，光速为 。下列说法正确的是( )
B
图4-12
A.频率为的光，其动量为
B.频率为和 的两种光分别射入同一光电效应装
置，均产生光电子，其最大初动能之差为
C.频率为和的两种光分别射入双缝间距为 、
双缝到屏的距离为 的干涉装置，产生的干涉条纹间
距之差为
D.若原子从跃迁至 能级，入射光的频率
【解析】
8.(江苏高考题)、两种光子的能量之比为 ,它们都能使某种金属发生光电效应,
且所产生的光电子最大初动能分别为、。求、 两种光子的动量之比和该金属
的逸出功。
【答案】;
【解析】光子能量,动量,且
得，则
用光照射时，光电子的最大初动能
同理，
解得 。