基于高中物理科學(xué)思維培養(yǎng)導(dǎo)向的高考物理試題例析*
——以 2019年高考新課標(biāo) Ⅰ卷第14題為例

劉頂松 石建威

(英德市第一中學(xué) 廣東 清遠(yuǎn) 513000)

高考新課標(biāo)卷物理試題與教材、課程標(biāo)準(zhǔn)、考試大綱及說(shuō)明和往年高考試題有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，值得物理教師思考、深入研究和總結(jié)．利用好往年真題進(jìn)行思考與研究，可以有效促進(jìn)物理教育教學(xué)和教研．下面以 2019年高考全國(guó)新課標(biāo)理綜 Ⅰ卷第 14題為例拋磚引玉．

1 真題賞析——?dú)湓幽芗?jí)示意圖+氫原子躍遷

【例1】(2019年高考新課標(biāo)Ⅰ卷第14題)氫原子能級(jí)示意圖如圖1所示．光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光為可見(jiàn)光．要使處于基態(tài)(n=1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見(jiàn)光光子，最少應(yīng)給氫原子提供的能量為( )

A．12.09 e V B.10.20 eV

C．1.89 eV D．1.5l eV

圖1 例1題圖

考點(diǎn)分析:選修 3-5氫原子光譜(Ⅰ)，氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)公式(Ⅰ).

能力考查分析:分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題的能力.

核心素養(yǎng)分析:

(1)物理觀念

物質(zhì)觀——?dú)湓?、光?

運(yùn)動(dòng)觀——躍遷.

能量觀——光能、動(dòng)能.

(2)科學(xué)思維

模型構(gòu)建——能級(jí)圖(氫原子)、氫原子躍遷.

科學(xué)推理——給處于基態(tài)的氫原子用光照或高速電子碰撞的形式提供足夠的能量會(huì)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的氫原子不穩(wěn)定，在向低能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)輻射出光子．

1)要使處于基態(tài)(n=1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出光子，至少要激發(fā)到n=2的能級(jí)，最少應(yīng)給氫原子提供的能量為

E=ΔEmin=

[-3.40-(-13.60)] eV=10.20 eV

2)n=3躍遷至n=2，有

ΔE= [-1.51-(-3.40)] eV=1.89 eV (可見(jiàn)光)

n=4躍遷至n=3，有

ΔE= [-0.85-(-1.51)] eV=0.66 eV

n=4躍遷至n=2，有

ΔE= [-0.85-(-3.40)] eV=2.55 eV(可見(jiàn)光)

3)要使處于基態(tài)(n=1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見(jiàn)光光子至少要激發(fā)到n=3的能級(jí)，最少應(yīng)給氫原子提供的能量為

E=ΔEmin=

[-1.51-(-13.60)] eV=12.09 eV

故選擇選項(xiàng)A[1].

(3)科學(xué)論證

探究氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律[2].從氫氣放電管(圖2)可以獲得氫原子光譜(圖3)，光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的一條重要途徑.

圖2 氣體放電管

圖3 氫原子的光譜

(4)質(zhì)疑創(chuàng)新

如何才能激發(fā)處于基態(tài)的氫原子？能級(jí)差如何計(jì)算？可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是？氫原子的發(fā)射光譜是怎樣的光譜？不同原子的發(fā)射光譜是否相同？一個(gè)氫原子躍遷和一群氫原子躍遷有何不同？躍遷和電離有何不同？根據(jù)巴耳末公式，指出氫原子光譜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)波長(zhǎng)最長(zhǎng)的兩條譜線所對(duì)應(yīng)的n，它們的波長(zhǎng)各是多少？氫原子光譜有什么特點(diǎn)？光譜分析有什么用途？

2 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)相關(guān)要求

內(nèi)容要求:了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史．知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型．通過(guò)對(duì)氫原子光譜的分析，了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)[3]．

活動(dòng)建議:

查閱資料，了解華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域中的杰出貢獻(xiàn)[3]．

3 《2019年高考考試大綱的說(shuō)明》相關(guān)內(nèi)容

【例2】(題型示例)用頻率為ν0的光照射大量處于基態(tài)的氫原子，在所發(fā)射的光譜中僅能觀測(cè)到頻率分別為ν1,ν2,ν3的3條譜線，且ν3>ν2>ν1，則

A．ν0<ν1

B．ν3=ν2+ν1

C．ν0=ν3+ν2+ν1

點(diǎn)評(píng):本題考查考生對(duì)能級(jí)躍遷規(guī)律的理解、將文字翻譯成圖像和數(shù)學(xué)表達(dá)式的遷移思維、分析綜合能力和應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的能力[4]．

4 題源追蹤——以氫原子能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖為背景相關(guān)試題

【例3】(人教版選修 3-5練習(xí))如果大量氫原子處在n=3的能級(jí)，會(huì)輻射出幾種頻率的光？其中波長(zhǎng)最短的光是在哪兩個(gè)能級(jí)之間躍遷時(shí)發(fā)出的[3]？

【例4】(2001年高考全國(guó)卷)圖4為氫原子能級(jí)圖的一部分，大量原子被激發(fā)到n=3的能級(jí)上，由于電子躍遷，氫原子將輻射出K種能量不同的光子，其中光子能量最大值為ε，由能級(jí)圖可知( )

A．K=2，ε=10.2 eV

B．K=2，ε=12．1 ev

C．K=3，ε=12．1 eV

D．K=3，ε=15．1 eV

圖4 例4題圖

A．可以吸收可見(jiàn)光(波長(zhǎng)為 400～700 nm)的光子，而躍遷到較高的能態(tài)

B．可以在吸收 12.1 eV的能量以后，發(fā)射出可見(jiàn)光的光子

C．可以在吸收 12.1 eV的能量以后，發(fā)射出紅外光的光子

D．可能吸收大于 13.6 eV的能量

【例6】(2009年高考全國(guó)卷Ⅱ)氫原子的部分能級(jí)如圖5所示．已知可見(jiàn)光的光子能量在 1.62 eV到 3.11 eV之間．由此可推知，氫原子( )

圖5 例6題圖

A．從高能級(jí)向n=1能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的短

B．從高能級(jí)向n=2能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光均為可見(jiàn)光

C．從高能級(jí)向n=3能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光的頻率比可見(jiàn)光的高

D．從n=3能級(jí)向n=2能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光為可見(jiàn)光

綜上所述，以高考物理試題為案例，通過(guò)對(duì)比和研究，在科學(xué)推理分析的過(guò)程中可以幫助學(xué)生構(gòu)建各類經(jīng)典物理模型，結(jié)合教材和生產(chǎn)生活實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)行科學(xué)論證訓(xùn)練，提高質(zhì)疑創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)思維.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教材、試題資源的優(yōu)化整合，也促進(jìn)教師課堂教學(xué)理念的更新、課堂教學(xué)的革新、核心素養(yǎng)的落實(shí)和物理教育教學(xué)教研能力的提升．