基于高中物理科學思維培養導向的高考物理試題例析*
——以 2019年高考新課標 Ⅰ卷第14題為例

劉頂松 石建威

(英德市第一中學 廣東 清遠 513000)

高考新課標卷物理試題與教材、課程標準、考試大綱及說明和往年高考試題有千絲萬縷的聯系，值得物理教師思考、深入研究和總結．利用好往年真題進行思考與研究，可以有效促進物理教育教學和教研．下面以 2019年高考全國新課標理綜 Ⅰ卷第 14題為例拋磚引玉．

1 真題賞析——氫原子能級示意圖+氫原子躍遷

【例1】(2019年高考新課標Ⅰ卷第14題)氫原子能級示意圖如圖1所示．光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光為可見光．要使處于基態(n=1)的氫原子被激發后可輻射出可見光光子，最少應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

考點分析:選修 3-5氫原子光譜(Ⅰ)，氫原子的能級結構、能級公式(Ⅰ).

能力考查分析:分析綜合能力、應用數學處理物理問題的能力.

核心素養分析:

(1)物理觀念

物質觀——氫原子、光子.

運動觀——躍遷.

能量觀——光能、動能.

(2)科學思維

模型構建——能級圖(氫原子)、氫原子躍遷.

科學推理——給處于基態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激發至激發態，激發態的氫原子不穩定，在向低能級躍遷時會輻射出光子．

1)要使處于基態(n=1)的氫原子被激發后可輻射出光子，至少要激發到n=2的能級，最少應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(可見光)

3)要使處于基態(n=1)的氫原子被激發后可輻射出可見光光子至少要激發到n=3的能級，最少應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A[1].

(3)科學論證

探究氫原子光譜的實驗規律[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構的一條重要途徑.

圖2 氣體放電管

圖3 氫原子的光譜

(4)質疑創新

如何才能激發處于基態的氫原子？能級差如何計算？可見光的波長范圍是？氫原子的發射光譜是怎樣的光譜？不同原子的發射光譜是否相同？一個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？根據巴耳末公式，指出氫原子光譜在可見光范圍內波長最長的兩條譜線所對應的n，它們的波長各是多少？氫原子光譜有什么特點？光譜分析有什么用途？

2 普通高中物理課程標準(2017年版)相關要求

內容要求:了解人類探索原子及其結構的歷史．知道原子的核式結構模型．通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構[3]．

活動建議:

查閱資料，了解華人科學家在粒子物理領域中的杰出貢獻[3]．

3 《2019年高考考試大綱的說明》相關內容

【例2】(題型示例)用頻率為ν0的光照射大量處于基態的氫原子，在所發射的光譜中僅能觀測到頻率分別為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

點評:本題考查考生對能級躍遷規律的理解、將文字翻譯成圖像和數學表達式的遷移思維、分析綜合能力和應用數學解決物理問題的能力[4]．

4 題源追蹤——以氫原子能級結構示意圖為背景相關試題

【例3】(人教版選修 3-5練習)如果大量氫原子處在n=3的能級，會輻射出幾種頻率的光？其中波長最短的光是在哪兩個能級之間躍遷時發出的[3]？

【例4】(2001年高考全國卷)圖4為氫原子能級圖的一部分，大量原子被激發到n=3的能級上，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．可以吸收可見光(波長為 400～700 nm)的光子，而躍遷到較高的能態

B．可以在吸收 12.1 eV的能量以后，發射出可見光的光子

C．可以在吸收 12.1 eV的能量以后，發射出紅外光的光子

D．可能吸收大于 13.6 eV的能量

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

圖5 例6題圖

A．從高能級向n=1能級躍遷時發出的光的波長比可見光的短

B．從高能級向n=2能級躍遷時發出的光均為可見光

C．從高能級向n=3能級躍遷時發出的光的頻率比可見光的高

D．從n=3能級向n=2能級躍遷時發出的光為可見光

綜上所述，以高考物理試題為案例，通過對比和研究，在科學推理分析的過程中可以幫助學生構建各類經典物理模型，結合教材和生產生活實踐與實驗也可以進行科學論證訓練，提高質疑創新能力，培養學生的物理科學思維.在此基礎上進行教材、試題資源的優化整合，也促進教師課堂教學理念的更新、課堂教學的革新、核心素養的落實和物理教育教學教研能力的提升．