人教版高中物理选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性第4节氢原子光谱和玻尔的原子模型课件（56页PPT）

(共56张PPT)
[学习目标]
1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。
2.知道氢原子光谱的实验规律，知道什么是光谱分析。
3.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。 了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。
4.能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型。 了解玻尔模型的不足之处及其原因。
1.光谱：用____或光栅可以把物质发出的光按____ (频率)展开，获得波长(频率)和________的记录，即光谱。
2.分类
(1)线状谱：光谱是一条条的____。
(2)连续谱：光谱是________的光带。
3.特征谱线：气体中中性原子的发光光谱都是______，说明原子只发出几种________的光。不同原子的亮线位置____，说明不同原子的________不一样，光谱中的亮线称为原子的_________。
棱镜
波长
强度分布
亮线
连在一起
线状谱
特定频率
不同
发光频率
特征谱线
4.应用：利用原子的特征谱线，可以鉴别物质和确定物质的_________，这种方法称为________，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-13 kg时就可以被检测到。
5.太阳光谱
(1)特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱。
(2)对太阳光谱的解释：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球的这些谱线看起来就弱了，这样就形成了明亮背景下的暗线。
组成成分
光谱分析
[易错辨析]
(1)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。( )
(2)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分。( )
(3)利用发射光谱的线状谱和吸收光谱都可以鉴别物质。( )
×
√
√
[例1]　(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是(　　)
A.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C.进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续光谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
解析　太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续光谱，A错误；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯都是稀薄气体发出的光，产生的光谱都是线状谱，B正确；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续光谱是不能用来做光谱分析的，C正确；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，D错误。
BC
[例2]　(多选)下列关于特征谱线的几种说法，正确的有(　　)
A.线状谱中的亮线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线
B.线状谱中的亮线是特征谱线，吸收光谱中的暗线不是特征谱线
C.线状谱中的亮线不是特征谱线，吸收光谱中的暗线是特征谱线
D.同一元素的吸收光谱中的暗线与线状谱中的亮线是相对应的
解析　线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线均为特征谱线，并且实验表明各种元素在吸收光谱中的每一条暗线都跟这种元素在线状谱中的一条亮线相对应，所以A、D正确。
AD
1.氢原子光谱的特点：氢原子只能发出一系列_________的光。
特定波长
3.巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征，即辐射波长的____特征。
4.经典理论的困难
(1)核式结构模型的成就：正确地指出了原子核的存在，很好地解释了_____________。
(2)经典理论的困难：经典物理学既无法解释原子的_____性，又无法解释原子光谱的____特征。
分立
α粒子散射实验
稳定
分立
[例3]　对于巴耳末公式，下列说法正确的是(　　)
A.所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应
B.巴耳末公式只确定了氢原子发光中的可见光部分的光波长
C.巴耳末公式确定了氢原子发光中的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光
D.巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长
解析　巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长，不能描述氢原子发出的各种波长，也不能描述其他原子发光中的光的波长，A、D错误；巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴耳末线系，该线系包括可见光和紫外光，B错误，C正确。
C
A.巴耳末系的4条谱线位于红外区
B.公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱
C.公式中n只能取大于或等于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱
D.在巴耳末系中n值越大，对应的波长λ越短
解析　此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线时得到的，A错误；公式中n只能取大于或等于3的整数，λ不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，B错误，C正确；根据公式可知，n值越大，对应的波长λ越短，D正确。
CD
[总结提升]
巴尔末公式的几点提醒
(1)巴尔末公式只反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子。
(2)公式中n只能取大于或等于3的整数，不能连续取值，因此波长也只能是分立的值。
(3)公式是巴尔末对氢原子在可见光区的四条谱线分析总结得出的。
1.轨道量子化
(1)原子中的电子在_________的作用下，绕原子核做________。
(2)电子运行轨道的半径不是任意的，也就是说电子的轨道是______的。
(3)电子在这些轨道上绕核的运动是____的，不产生________。
2.定态
(1)当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量，即原子的能量是______的，这些量子化的能量值叫作____。
库仑引力
圆周运动
量子化
稳定
电磁辐射
量子化
能级
定态
基态
激发态
3.频率条件：当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m＜n)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝_______，这个式子称为频率条件，又称辐射条件。反之，当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。
4.跃迁
(1)原子由一个能量状态变为另一个能量状态的过程称为跃迁。
(2)跃迁特点：电子从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式逐渐改变半径大小的，而是从一个轨道“跳跃”到另一个轨道。
En－Em
[例5]　(多选)按照玻尔理论，下列表述正确的是(　　)
A.核外电子运动的轨道半径可取任意值
B.氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大
C.电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)
D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，可能辐射能量，也可能吸收能量
解析　根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大，B正确；由跃迁规律可知，C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，D错误。
BC
[例6]　 (多选)氢原子的核外电子由一个轨道向另一轨道跃迁时，可能发生的情况是(　　)
A.原子吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大
B.原子放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量减小
C.原子吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大，原子的能量增大
D.原子放出光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量减小
解析　原子吸收光子时，电子的轨道半径增大，电场力做负功，电子动能减小，原子的电势能增大，根据玻尔理论得知，原子的能量增大，故C正确，A错误；原子放出光子时，电子的轨道半径减小，电场力做正功，电子动能增大，原子的电势能减小，根据玻尔理论得知，原子的能量减小，故B错误，D正确。
CD
[总结提升]
解决玻尔原子模型问题的四个关键
(1)电子在可能轨道上绕核做圆周运动时，不向外辐射能量。
(2)原子辐射或吸收的能量由跃迁前后的两个能级差决定。
(3)处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的。
(4)原子的能量(电子的动能和电子与原子核间电势能之和)与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小。
1.玻尔理论对氢光谱的解释
(1)氢原子能级图(如图所示)
(3)解释巴耳末公式
巴耳末公式中的正整数n和2，正好代表能级跃迁之前和跃迁之后所处的_________的量子数n和2。
(4)解释气体导电发光
通常情况下，原子处于基态，非常稳定。当气体放电管中的气体导电时，其中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到______，处于激发态的原子是______的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出____，最终回到基态。
定态轨道
激发态
不稳定
光子
(5)解释氢原子光谱的不连续性
原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个________。由于原子的能级是____的，所以放出的光子的能量也是____的。因此，原子的发射光谱只有一些____的亮线。
(6)解释不同原子具有不同的特征谱线
不同的原子具有不同的结构，____各不相同，因此辐射(或吸收)的________也不相同。
能级之差
分立
分立
分立
能级
光子频率
2.玻尔理论的局限性
(1)成功之处
玻尔的原子理论第一次将________引入原子领域，提出了__________的概念，成功地解释了______光谱的实验规律。
(2)局限性
保留了________的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的_____运动。
(3)电子云
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述某时刻电子在某点附近单位体积内出现____的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像____一样分布在原子核周围，故称______。
量子观念
定态和跃迁
氢原子
经典粒子
轨道
概率
云雾
电子云
[例7]　如图所示为氢原子能级示意图的一部分，关于氢原子，下列说法正确的是(　　)
C
A.一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级，可能放出3种不同频率的光子
B.从n＝4能级跃迁到n＝3能级，氢原子会吸收光子，能量增大
C.从n＝4能级跃迁到n＝3能级，氢原子会向外放出光子，能量减少
D.处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的
解析　一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级，最多能放出两种不同频率的光子，方式为：由能级3到能级2，再由能级2到能级1，所以A错误；从n＝4能级跃迁到n＝3能级，即由高能级向低能级跃迁，氢原子会放出光子，能量减少，所以C正确，B错误；处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是不一样的，所以D错误。
[例8]　 (多选)已知氢原子的能级图如图所示，现用光子能量介
于10～12.9 eV范围的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列
说法正确的是(　　)
BC
A.在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种
B.在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种
C.照射后可能观测到氢原子放出不同波长的光有6种
D.照射后可能观测到氢原子放出不同波长的光有3种
解析　根据跃迁规律hν＝En－Em(m＜n)和能级图，可知A错误，B正确；由于E5－E1＝13.06 eV＞12.9 eV，所以氢原子吸收光子后能跃迁到最高为n＝4的能级，能放出的光子的波长有C＝6种，故C正确，D错误。
1.(光谱和光谱分析)利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法正确的是(　　)
A.利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B.利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C.高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D.同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线，由于光谱的不同，它们没有关系
B
解析　高温物体的光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，选项A错误；某种物质发光的线状谱中的亮线是与原子发出的某频率的光有关，通过这些亮线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，选项B正确；高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸收而形成暗线，这些暗线与所经物质有关，选项C错误；某种物质发出某种频率的光，当光通过这种物质时它也会吸收这种频率的光，因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应，选项D错误。
解析　巴耳末公式是根据氢原子光谱总结出来的；氢原子光谱的不连续性反映了氢原子发光的分立性，即辐射波长的分立特征，选项C、D正确。
CD
3.(玻尔原子理论的基本假设)(多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有(　　)
A.原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量
B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的
C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子
D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率
ABC
解析　A、B、C三项都是玻尔提出来的假设，其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应，是经典理论与量子化概念的结合。电子跃迁时辐射的光子的频率与能级间的能量差有关，与电子绕核做圆周运动的频率无关。故A、B、C正确，D错误。
4.(能级和能级跃迁)氢原子的能级结构如图所示，下列说法正确的是(　　)
D
A.氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能增大，电势
能减小
B.大量处于n＝3激发态的氢原子，向低能级跃迁时可辐射出
2种不同频率的光
C.用11 eV的光子照射，能使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D.氢原子由n＝2能级向n＝1能级跃迁时会辐射能量为10.2 eV的光子，氢原子中电子的动能增加
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[基础巩固练]
1.关于光谱，下列说法正确的是(　　)
A.一切光源发出的光谱都是连续谱
B.一切光源发出的光谱都是线状谱
C.稀薄气体发出的光谱是线状谱
D.做光谱分析时，利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成
解析　炽热的固体、液体和高压气体发出的光谱是连续光谱，稀薄气体发出的光谱是线状谱，所以A、B错误，C正确；在鉴别物质和确定物质的化学组成时，是利用原子的特征谱线进行分析，原子的特征谱线是线状谱，所以D错误。
C
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2.(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是(　　)
A.光谱包括发射光谱、连续谱、线状谱、原子光谱、吸收光谱五种光谱
B.往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的线状谱
C.利用太阳光谱可以分析太阳的化学组成
D.各种原子的发射光谱都是线状谱
解析　光谱包括发射光谱和吸收光谱两种，其中发射光谱分为连续谱和线状谱，线状谱和吸收光谱都能体现不同原子的特征，称为原子光谱，各种原子的发射光谱都是线状谱，选项A错误，D正确；往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的线状谱，选项B正确；太阳光谱是吸收光谱，其中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的，说明太阳大气层中存在与这些暗线相对应的元素，但是不能分析太阳的化学组成，选项C错误。
BD
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3.(多选)关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系，下列说法正确的是(　　)
A.经典电磁理论很容易解释原子的稳定性
B.根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上
C.根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的
D.原子的核式结构模型彻底否定了经典电磁理论
BC
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解析　根据经典电磁理论，电子在绕核做加速运动的过程中，要向外辐射电磁波，因此能量要减少，电子的轨道半径要减小，最终会落到原子核上，因而原子是不稳定的。电子在转动过程中，随着运动半径不断减小，运动频率不断增大，辐射电磁波的频率不断变化，因而大量原子发光的光谱应该是连续谱。事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续谱，而是线状谱，故A错误，B、C正确；经典电磁理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用于解释原子世界的现象，故D错误。
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4.与原子光谱有关的物理知识，下列说法正确的是(　　)
B
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A.有些原子的发射光谱是线状谱，有些原子的发射光谱
是连续谱
B.太阳光谱中的许多暗线与太阳大气中存在的金属元素的特征谱线相对应
C.巴耳末发现氢原子的可见光谱有分立特征，但氢原子的不可见光谱有连续特征
D.有些电子绕原子核运动的变化是连续的，所以我们看到了原子的连续光谱
解析　各种原子的发射光谱都是线状谱，A错误；太阳光谱中的许多暗线与太阳大气中存在的金属元素的特征谱线相对应，于是我们知道太阳大气中存在哪些金属元素，B正确；可见光谱与不可见光谱都有分立特征，没有连续特征，C错误；电子绕原子核运动的变化都是不连续的，我们看到的原子光谱都是线状谱，D错误。
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5.(多选)关于光子的发射和吸收过程，下列说法正确的是(　　)
A.原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差
B.原子不能从低能级向高能级跃迁
C.原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级，放出光子后从较高能级跃迁到较低能级
D.原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差值
解析　由玻尔理论知，原子处于激发态不稳定，可自发地向低能级跃迁，以光子的形式放出能量，光子的吸收是光子发射的逆过程，原子在吸收光子后，会从较低能级向较高能级跃迁，但不管是吸收光子还是发射光子，光子的能量总等于两能级之差，即hν＝En－Em(mCD
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6.已知可见光的光子能量范围为1.63～3.10 eV，大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时辐射出的光子能量在可见光范围的有(　　)
B
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A.1条 B.2条 C.3条 D.6条
解析　n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时辐射出的光子能量分别为0.66 eV、2.55 eV、12.75 eV、 1.89 eV、12.09 eV、10.2 eV，所以处于可见光范围的有2条，故A、C、D错误，B正确。
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7.氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63～3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　)
A
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A.12.09 eV B.10.20 eV
C.1.89 eV D.1.51 eV
解析　因为可见光光子的能量范围是1.63～3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n＝3能级，要给氢原子提供的能量最少为E＝－1.51 eV－(－13.6 eV)＝12.09 eV，选项A正确。
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[能力提升练]
9. (多选)如图为氢原子的能级示意图，下列说法正确的是(　　)
ABD
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A.从n＝2能级跃迁到n＝1能级电子动能增加
B.一群处于n＝4能级的氢原子向基态跃迁时，能放出6种不同频率的光
C.用能量为10.5 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D.用能量为14.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子电离
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10.(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。He＋ 离子相对基态的能级图(设基态能量为0)如图所示。用电子碰撞He＋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50 eV ，则He＋离子辐射的光谱中，波长最长的谱线对应的跃迁为(　　)
C
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A.n＝4→n＝3 能级
B.n＝4→n＝2 能级
C.n＝3→n＝2 能级
D.n＝3→n＝1 能级
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11.如图为氢原子的能级图。当氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时，辐射光子a；当氢原子从n＝3的能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光子b，则下列判断正确的是(　　)
C
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A.光子a的能量大于光子b的能量 B.光子a的波长小于光子b的波长
C.光子a的频率小于光子b的频率 D.b光比a光更容易发生衍射现象
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12.氢原子的能级示意图如图所示，某光电管的阴极材料的逸出功为2.21 eV，要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后辐射的光照射到该光电管的阴极上，只有4条光谱线能使之发生光电效应，则应给氢原子提供的能量为(　　)
D
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A.1.89 eV B.10.20 eV
C.12.09 eV D.12.75 eV
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解析　给氢原子提供1.89 eV的能量时，氢原子无法跃迁，故A不符合题意；给氢原子提供10.20 eV的能量时，氢原子能够跃迁到n＝2能级，之后辐射的光只存在1条谱线，故B不符合题意；给氢原子提供12.09 eV的能量时，氢原子能够跃迁到n＝3能级，之后辐射的光最多存在3条谱线，故C不符合题意；给氢原子提供12.75 eV的能量时，氢原子能够跃迁到n＝4能级，之后4→1、3→1、2→1和4→2跃迁时辐射的光子能量都大于2.21 eV，可以使光电管阴极材料发生光电效应，故D符合题意。
B
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[拓展培优练]
13.如图为氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子跃迁时，能发出多个能量不同的光子。
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(1)求其中频率最大光子的能量；
(2)若用此光照射到逸出功为2.75 eV的光电管上，求加在该光
电管上的反向遏止电压。
答案　(1)12.75 eV　(2)10 V
解析　(1)根据玻尔理论知，从n＝4到n＝1能级跃迁释放光子的能量最大，对应的光子频率最大，为Em＝hν＝E4－E1＝12.75 eV。
(2)根据Ek＝hν－W0，0－Ek＝－eUc
解得Uc＝10 V。