押题精选14 近代物理初步-2021年高考物理108所名校押题精选（解析版）

押题精选 14 近代物理初步 1．肆虐全球的新冠肺炎由新冠病毒引发，新冠病毒直径约 60-140nm，通常需要借助电子显微镜才能看到。 如图所示为某型号电子显微镜，竖直圆筒的上下两端分别装着电极，电子在两电极间从上向下加速，电子 的动量越大，显微镜的分辨率就越高。假设电子由静止开始加速，下列说法正确的是（ ） A．圆筒上端为正极，下端为负极 B．两极间电压越大，电子离开电极时的波长越长 C．若两极间电压不变，增大圆筒长度可提高显微镜的分辨率 D．若将电子改为质子，以相同电压加速时质子显微镜分辨率更高 【答案】D 【详解】A．电子在两电极间从上向下加速，说明电场方向从下向上，下端为正极，上端为负极，选项 A 错误； B．两极间电压越大，电子离开电极时的速度越大，电子的动量越大，根据 hp   可知波长越小，选项 B 错误； C．若两极间电压不变，根据 2 2 0 1 1 2 2 qU mv mv  电子离开电极时的速度不变，显微镜的分辨率不变，选项 C错误； D．由于质子的质量远远大于电子的质量，以相同电压加速时，质子和电子获得的动能相同，根据 2 kp mE 可知质子的动量更大，因此质子显微镜分辨率更高，选项 D正确。 故选 D。 2．2016年诺贝尔物理学奖颁发给了三位美国科学家，以表彰他们将拓扑概念应用于物理研究所做的贡献。 我们知道，按导电性能不同传统材料大致可分为导体和绝缘体两类，而拓扑绝缘体性质独特，它是一种边 界上导电、体内绝缘的新型量子材料。例如，在通常条件下石墨烯正常导电，但在温度极低、外加强磁场 的情况下，其电导率（即电阻率的倒数）突然不能连续改变，而是成倍变化，此即量子霍尔效应（关于霍 尔效应，可见下文注释）。在这种情况下，电流只会流经石墨烯边缘，其内部绝缘，导电过程不会发热，石 墨烯变身为拓扑绝缘体。但由于产生量子霍尔效应需要极低温度和强磁场的条件，所以其低能耗的优点很 难被推广应用。2012年 10月，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队，首次在实验中发现了量子反常霍尔 效应，被称为中国“诺贝尔奖级的发现”。量子反常霍尔效应不需要外加强磁场，所需磁场由材料本身的自发 磁化产生。这一发现使得拓扑绝缘材料在电子器件中的广泛应用成为可能。注释：霍尔效应是指将载流导 体放在匀强磁场中，当磁场方向与电流方向垂直时，导体将在与磁场、电流垂直的方向上形成电势差。根 据以上材料推断，下列说法正确的是（ ） A．拓扑绝缘体导电时不具有量子化的特征 B．霍尔效应与运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力无关 C．在量子反常霍尔效应中运动电荷不再受磁场的作用 D．若将拓扑绝缘材料制成电脑芯片有望解决其工作时的发热问题 【答案】D 【详解】A．由题意知石墨烯变身为拓扑绝缘体，其电导率（即电阻率的倒数）突然不能连续改变，而是成 倍变化，具有量子化的特征，选项 A错误； B．霍尔效应是指将载流导体放在匀强磁场中，当磁场方向与电流方向垂直时，粒子在洛伦兹力作用下，发 生偏转，从而导致在与磁场、电流垂直的方向上形成电势差，所以霍尔效应与运动电荷在磁场中所受的洛 伦兹力有关，选项 B错误； C．量子反常霍尔效应虽然不需要外加强磁场，所需磁场由材料本身的自发磁化产生，所以运动电荷仍受磁 场的作用，选项 C错误； D．由题意当电流只会流经石墨烯边缘时，其内部绝缘导电过程不会发热，即变成为拓扑绝缘体，所以若将 拓扑绝缘材料制成电脑芯片有望解决其工作时的发热问题，选项 D正确。 故选 D。 3．为防范新冠病毒的蔓延，额温枪成为重要的防疫装备。有一种红外测温仪的原理是：任何物体在高于绝 对零度（-273℃）以上时都会向外发出红外线，额温枪通过红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光 信号转化为电信号，计算出温度数据。已知人体温正常时能辐射波长为 10um的红外光，如图甲所示，用该 红外光照射光电管的阴极 K时，电路中有光电流产生，得到的电流随电压变化图像如图乙所示，已知 h=6.63×10-34J·s，e=1.6×10-19C，c=3×108m/s，则（ ） A．将图甲的电源反接，一定不会产生电信号 B．人体温度升高，辐射红外线的强度减弱，光电流强度增大 C．波长 10µm的红外光在真空中的频率为 3×1014Hz D．由图乙数据可知该光电管的阴极金属逸出功约为 0.1eV 【答案】D 【详解】A．将图甲的电源反接，如果所加电压低于 0.02V，电子仍能达到 A板，也会产生电信号，A错误； B．人体温度升高，辐射红外线的强度增强，光电流强度增大，B错误； C．根据 c    可知波长 10µm的红外光在真空中的频率 8 13 6 3 10 Hz 3 10 Hz 10 10 c         C错误； D．根据光电效应方程 kh W E   又又图乙可知 0 kUe E   代入数据可得逸出功 0.1eVW  D正确。 故选 D。 4．2021年 3月中旬，我国大部分地区经历了近 10年来最强的沙尘暴，给人们的生活带来了极大不便。假 设一团沙尘暴中所含物质种类及每种物质质量均不变，关于这团沙尘暴，以下说法正确的是（ ） A．该沙尘暴的内能是其中所有空气的气体分子的无规则运动的动能和势能以及其它物质颗粒无规则运动的 动能和势能的总和 B．该沙尘暴从温度较低的内蒙古高原吹到温度较高的黄淮地区，温度逐渐升高、风势逐渐减弱，则其内能 逐渐减小 C．沙尘暴中的沙尘颗粒具有波动性 D．沙尘暴中的所有沙尘颗粒所做的无规则运动是布朗运动 【答案】C 【详解】A．内能是指物体内所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和，而不是物体宏观运动的动能和 势能的总和，故 A错误； B．从低温到高温，内能增加，内能的宏观表现是温度，温度越高，内能越大，温度越低，内能越小，故 B 错误； C．任何运动的物体都具有波粒二象性，故 C正确； D．沙尘暴的运动是气流运动形成的，而布朗运动只能用显微镜观察，肉眼是看不到的，故 D错误。 故选 C。 5．智能手机带有光线传感功能，可以自动调整亮度，光线传感器的工作原理是光电效应。下面关于光电效 应的说法正确的（ ） A．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 B．在研究光电效应饱和电流时，由 I nesv 可知，光电管所加电压越大，电子获得的速度v越大，饱和电 流越大 C．入射光频率为 v时，刚好发生光电效应现象，将入射光频率变为 3v时，此时光电流的遏止电压为 2h e  D．用一束单色光分别照射 A、B两种金属，若照射 A得到光电子的最大初动能比照射 B得到光电子的最大 初动能大，则金属 A的截止频率比金属 B的截止频率高 【答案】C 【详解】A．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，A错误； B．在研究光电效应饱和电流时，光电管所加电压与饱和电流无关，饱和电流与光照强度有关，光照强度越 大，饱和电流越大，B错误； C．入射光频率为 时，刚好发生光电效应现象，由光电效应规律可知 0W h 将入射光频率变为3 时，由爱因斯坦光电效应方程可得 03kE h W  解得 2kE h 由动能定理可得 k CE eU 解得此时光电流的遏止电压为 2 C hvU e  C正确； D．根据光电效应方程 0kE h W  光子能量一定，光电子的最大初动能大，说明金属的截止频率低，D错误。 故选 C。 6．太赫兹辐射通常是指频率在 0.1~10 THz（1THz=1012Hz）、即频率在微波与红外线之间的电磁辐射，其频 率高于微波，低于红外线、紫外线，远低于 X射线。太赫兹波对人体安全, 可以穿透衣物等不透明物体, 实 现对隐匿物体的成像。近年来太赫兹技术在国家安全、信息技术等诸多领域取得了快速发展，被誉为“改变 未来世界十大技术”之一。由上述信息可知，太赫兹波（ ） A．其光子的能量比红外线光子的能量更大 B．比微波更容易发生衍射现象 C．比紫外线更难使金属发生光电效应 D．比 X射线穿透性更强 【答案】C 【详解】A．太赫兹波的频率比红外线的频率低，所以其光子的能量比红外线光子的能量更小，故 A错误； B．太赫兹波的频率比微波的频率高，波长比微波的短，所以比微波更不容易发生衍射现象，故 B错误； C．太赫兹波的频率比紫外线的频率低，所以比紫外线更难使金属发生光电效应，故 C正确； D．太赫兹波的频率远低于 X射线的频率，其光子能量远低于 X射线的光子能量，所以比 X射线穿透性更 弱，故 D错误。 故选 C。 7．2021年央视春晚首次采用 5G信号“云”传播方式，使“云”观众、“云”演员和春晚互动起来，与 4G信号相 比，5G信号使用频率更高的电磁波，每秒传送的数据量是 4G的 50～100倍，5G信号网络的高性能很好的 实现了观众的良好体验。相比 4G信号（ ） A．5G信号的光子能量更大 B．5G信号的衍射更明显 C．5G信号的传播速度更大 D．5G信号的波长更长 【答案】A 【详解】A．因为 5G使用的电磁波频率比 4G高，根据 E h 可知，5G使用的电磁波比 4G光子能量更大， 选项 A正确； B．发生明显衍射的条件是障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小；因 5G使用的电磁波 频率更高，即波长更短，故 5G越不容易发生明显衍射，选项 B错误； C．光在真空中的传播速度都是相同的；5G的频率比 4G高，即 5G的折射率比 4G大，根据光在介质中的 传播速度为 cv n  ，折射率越大的光在介质中的传播速度越小，选项 C错误； D．频率越高的电磁波波长越短，因 5G使用的电磁波频率更高，所以 5G信号的波长更短，选项 D错误。 故选 A。 8．2021年 1月 21日，包括中国科研人员在内的一支国际团队“拍摄”到了基于冷冻镜断层成像技术的新冠 病毒的 3D影像测得新冠病毒的平均尺度是100nm，如图所示。波长为100nm的光，其光子动量大小数量 级为（普朗克常量为 346.63 10 J s  ）（ ） A． 2510 kg m / s  B． 2710 kg m / s  C． 2910 kg m / s  D． 3110 kg m / s  【答案】B 【详解】根据德布罗意波长公式 = h p  解得 34 27 9 6.63 10 6.63 10 kg m/s 100 10 hp            所以 B正确；ACD 错误； 故选 B。 9．1985年华裔物理学家朱棣文成功利用激光冷冻原子，现代激光致冷技术可实现 10-9K的低温。一个频率 为 的光子被一个相向运动的原子吸收，使得原子速度减为零，已知真空中光速为 c，根据上述条件可确定 原子吸收光子前的（ ） A．速度 B．动能 C．物质波的波长 D．物质波的频率 【答案】C 【详解】C．光子碰撞前动量 1p h c   光子被吸收过程，动量守恒，由题意知原子碰前的动量大小与光子动量大小相等，即 2 1p p ，又满足 2 hp   联立可求得原子吸收光子前的物质波的波长 = c  ，C正确； BD．由 2 2 2 pE m  及 =E h 可知，要求得原子吸收光子前的动能 E、物质波的频率 ，还需知道原子的质量 m，BD错误。 A．由 21= 2 E mv 可知无法求出原子吸收光子前的速度，A错误； 故选 C。 10．光电鼠标轻便舒适，深受使用者喜爱，光电鼠标中的一个重要元件是光电管，它的原理是光电效应。 频率为 的入射光照射某金属A时刚好发生光电效应，照射某金属 B时光电子的最大初动能为 2 3 h 。已知 普朗克常量为 h，电子电荷量大小为 e，下列说法正确的是（ ） A．增大照射金属A的入射光的强度，可以增大光电子的最大初动能 B．金属A的逸出功为金属 B逸出功的 2倍 C．金属 B的遏止电压为 3 h e  D．若用频率为 2 的光分别照射A、B两种金属，光电子的最大初动能之比为 3：5 【答案】D 【详解】A．由爱因斯坦光电效应方程 k 0E h W ν 可知光电子的最大初动能与入射光强度无关，A错误； B．由题意结合爱因斯坦光电效应方程 k 0E h W ν ，可得金属A的逸出功 AW h 而金属 B的逸出功 3BW h  所以金属A的逸出功为金属 B逸出功的 3倍，C错误； C．由遏止电压的定义可知 c keU E 金属 B的遏止电压为 c 2 3B hU e   C错误； D．由 k 0E h W ν 可知，用频率为2 的光照射金属A时，光电子的最大初动能 kAE h 用频率为 2 的入射光照射金属 B时，光电子的最大初动能 k 5 3B hE   所以用频率为 2 的入射光分别照射A、 B两种金属时，光电子的最大初动能之比为 3：5，故 D正确。 故选 D。 11．2020年 2月，中国科学家通过冷冻电镜捕捉到新冠病毒表面 S蛋白与人体细胞表面 ACE2 蛋白的结合 过程，首次揭开了新冠病毒入侵人体的神秘面纱。电子显微镜是冷冻电镜中的关键部分，它与光学显微镜 相比具有更高的分辨率，其原因是电子的物质波波长远小于可见光波长。在电子显微镜中，电子束相当于 光束，通过由电场或磁场构成的电子透镜实现会聚和发散作用。其中的一种电子透镜由两个金属圆环 M、N 组成，其结构如图甲所示，图乙为图甲的截面示意图。显微镜工作时，两圆环的电势 N M  ，图乙中虚 线表示两圆环之间的等势面（相邻等势面间电势差相等）。现有一束电子经电压 U加速后，沿着平行于两金 属圆环轴线的方向进入金属圆环 M。根据题目信息和所学知识，下列推断正确的是 A．电子比可见光的波动性强，衍射更为明显 B．增大电子的加速电压 U，可提升该显微镜的分辨率 C．该电子透镜对入射的电子束能起到发散作用 D．电子在穿越电子透镜的过程中速度不断减小 【答案】B 【详解】A．电子物质波的波长比可见光的波长短，因此不容易发生明显衍射，A错误； B．波长越短，衍射现象越不明显，根据德布罗意物质波波长关系式 h h p mv    可知，增大电子的加速电 压 U，电子的速度增大，波长减小，则显微镜的分辨率增大，B正确； C．由于两圆环的电势 N M  ，根据等势面的特点可知，电场线垂直于等势面向且凹侧向外，并由 N指向 M方向，如下图所示，则电子受力指向中间电场线，所以该电子透镜对入射的电子束能起到会聚作用，C 错误； D．如上图所示，电子在穿越电子透镜的过程中，电场力一直对电子做正功，所以电子速度不断增大，D错 误。 故选 B。 12．某学校科技活动小组设计了一个光电烟雾探测器（如图甲），当有烟雾进入探测器时（如图乙），来自 光源 S的光会被烟雾散射进入光电管 C，当光射到光电管中的钠表面时会产生光电流，当光电流大于 10-8A 时，便会触发报警系统报警。已知钠的极限频率为 6.0×1014Hz，普朗克常量 h=6.63×10-34J·s，光速 c=3.0×108m/s，则下列说法正确的是（ ） A．要使该探测器正常工作，光源 S发出的光波波长不能小于 5.0×10-7m B．若光电管发生光电效应，那么光源的光变强时，并不能改变光电烟雾探测器的灵敏度 C．光电管 C中能发生光电效应是因为光发生了全反射现象 D．当报警器报警时，钠表面每秒释放出的光电子最少数目是 N=6.25×1010个 【答案】D 【详解】A．根据光电效应方程有 0 0km cE h W h h       则光源 S发出的光波最大波长 8 7 14 0 3 10 m 5 10 m 0.5μm 6.00 10max c     ＝ ＝ ＝ ＝ 即要使该探测器正常工作，光源 S发出的光波波长不能大于 0.5μm，选项 A错误； B．光源 S发出的光波能使光电管发生光电效应，那么光源越强，被烟雾散射进入光电管 C的光越多，越 容易探测到烟雾，即光电烟雾探测器灵敏度越高，选项 B错误； C．光电管 C中能发生光电效应是因为照射光电管的光束能量大于其逸出功而使其发射出电子，选项 C错 误； D．光电流等于 10-8A时，每秒产生的光电子的个数 8 10 19 10 1 6.25 10 1.6 10 Itn e       = 个= 个 选项 D正确。 故选 D。 13．如图所示，真空中有一平行板电容器，电容为 C，两极板 M、N 分别由银和钠(其极限频率分别为 v1 和 v2)制成，板间距离为 d．现用频率为 v(v2＜v＜v1)的单色光持续照射两极板内表面，设电子的电荷量为 e， 则电容器两个极板最终带电情况是( ) A．N 极板带负电，带电荷量为  2h v v c e B．N 极板带正电，带电荷量为  2h v v c e C．M 极板带负电，带电荷量为  1h v v c e D．M 极板带正电，带电荷量为  1h v v c e 【答案】B 【详解】AD．现用频率为 v（v2＜v＜v1）的单色光持续照射两板内表面，根据光电效应的条件，知单色光 只有照射钠板才能发生光电效应．可知 N极板将带正电，M极板带负电，选项 AD错误； BC．通过光电效应方程知，光电子的最大初动能 EK=hv-hv2．临界状态是电子减速到负极板时速度刚好减速 为零．根据动能定理有： eU=EKm=hv-hv2 平行板电容器的电容为 C，由 Q=CU，所以 2( )ch v vQ e   ． 两个极板的带电量是相等的． 选项 B正确，C错误． 14．以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面 逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电 子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意 如图．用频率为 v的普通光源照射阴极 k，没有发生光电效应，换同样频率为 v的强激光照射阴极 k，则发 生了光电效应；此时，若加上反向电压 U，即将阴极 k接电源正极，阳极 A接电源负极，在 k、A之间就形 成了使光电子减速的电场，逐渐增大 U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压 U 可能是下列的（其中 W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量） A．U= hv e - w e B．U= 2hv e - w e C．U=2hv-W D．U= 5hv 2e - w e 【答案】B 【详解】一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为 的强光照射阴极 K，发生了光电效 应，即吸收的光子能量为 nhv，n=2、3、4 …，根据 eU nhν W  ，可知 nhv WU e e   ，所以 B正确． 15．弗兰克-赫兹实验是研究汞原子能量是否具有量子化特点的重要实验。实验原理如图甲所示，灯丝 K发 射出初速度不计的电子，K与栅极 G间的电场使电子加速，G、A间加有电压为 0.5V的反向电场，使电子 减速，电流表的示数大小间接反映了单位时间内能到达 A极电子的多少。在原来真空的容器中充稀薄汞蒸 气后，发现 K、G间电压 U每升高 4.9V时，电流表的示数 I就会显著下降，如图乙所示。科学家猜测电流 的变化与电子和汞原子的碰撞有关，玻尔进一步指出该现象应从汞原子能量量子化的角度去解释。依据本 实验结果下列判断合理的是（ ） A．电子运动过程中只可能与汞原子发生一次碰撞 B．汞原子基态和第一激发态的能级之差可能为 4.9eV C．K、G间电子的动能越大，越容易使汞原子发生跃迁 D．K、G间电压越大，单位时间内到达 A极的电子数越多 【答案】B 【详解】A．电子运动过程中有可能与汞原子发生一次，也有可能没发生碰撞，还可能发生多次碰撞， A 错误； B．由于电压 U每升高 4.9V时，电流表的示数 I就会显著下降，说明汞原子基态和第一激发态之间的能极 之差等于 4.9eV，B正确； C．K、G间电子的动能越大，根据乙图，不一定更使汞原子发生跃迁，C错误； D．K、G间电压越大，由乙图可知，单位时间内到达 A极的电子数不一定越多，D错误。 故选 B。 16．如图所示放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发光，从其中的氢气放电管观察氢原子的光谱，发 现它只有一些分立的不连续的亮线，下列说法正确的是（ ） A．亮线分立是因为氢原子有时发光，有时不发光 B．有几条谱线，就对应着氢原子有几个能级 C．核式结构决定了氢原子有这种分立的光谱 D．光谱不连续对应着氢原子辐射光子能量的不连续 【答案】D 【详解】放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发，这是因为原子发生了跃迁，同时辐射出光子，形成 光谱，但是因为原子在不同能级之间跃迁时，形成不同波长的光，而形成的光谱是已经发生了跃迁的能级 形成的，由于不同能级之间发生跃迁的条件不一样，几条光谱线并不对应着氢原子有几个能级，同时氢原 子的光谱是一些分立的不连续的亮线，故 ABC错误，D正确。 故选 D。 17．2021年 1月 12日消息，北斗三号氢原子钟性能碾压 GPS系统的原子钟，是世界上最先进的原子钟。 如图所示为氢原子能级图，让一束单色光照射到大量处于基态（量子数 n=1）的氢原子上，被激发的氢原子 只辐射出三种不同波长的光 a、b、c，波长λa