附录3：教学时间安排、各章复习要点.doc

1 24 三 教学时间安排三 教学时间安排 主题主题单元单元课时课时说明说明 碰撞与动碰撞与动 量守恒量守恒 动量 动量守恒定律及其探究验证 弹性碰撞和非弹性碰撞 反冲运动 3 2 波粒二象波粒二象 性性 量子论的建立 黑体与黑体辐射 光电效 应 光子说 光电效应方程 康普顿效应 光的波粒二象性 物质波 概率波 不确定 关系 2 原子结构原子结构 原子核式结构模型 氢原子光谱 氢原子的 能级 1 原子核原子核 原子核的组成 放射性 原子核的衰变 半衰期 放射性同位素 核力与结合能 质量亏损 核反应方程 重核裂变和核聚变 四 各章复习要点四 各章复习要点 主题一 碰撞与动量守恒主题一 碰撞与动量守恒 考点学习要求 考点学习要求 9999 动量 动量 动量守恒定律动量守恒定律 理解动量的概念 知道动量是矢量 会计算一维动量的变化 理解动量守恒定律 知道动量守恒定律的普遍意义 并通过动量守恒定律体会自然界的 和谐与统一 会用牛顿运动定律导出动量守恒定律 知道定律成立的条件 能运用动量守恒定律解 释有关现象并解决有关问题 100100 验证 验证动量守恒定律动量守恒定律 实验 探究 实验 探究 通过实验探究一维碰撞中的不变量 101101 碰撞 碰撞 反冲运动反冲运动 了解不同类型的碰撞 知道弹性碰撞和非弹性碰撞的主要特征 并解释 解决一维碰 撞的相关问题 通过探究一维弹性碰撞问题 使学生体验科学探究的过程 掌握科学探究的方法 了解反冲运动 会用动量守恒定律解决反冲运动问题 教材特点分析 教材特点分析 动量守恒定律统领整个 3 5 模块 粒子散射实验 康普顿效应 质子的发现 中子 的发现 核反应 人类认识微观世界的思路与方法 1 根据事实提出要探索和研究的问 2 24 题 2 用一定能量的粒子去轰击原子或原子核 根据实验事实 提出新理论 3 经 实践检验 修正理论 动量守恒和能量守恒是自然界普遍适用的基本规律 无论是宏观领 域还是微观领域 我们都可以用上述观点来解决具体的问题 概念规律方法 概念规律方法 一 一 动量 动量守恒定律 1 动量 动量 1 定义 定义 p mv k mEp2 2 动量是状态量 动量是状态量 动量是物体机械运动的一种量度 是状态量 通常说物体的动量是物体在某一时刻的 动量 计算物体的动量时应取这一时刻的即时速度 3 动量的相对性 动量的相对性 由于物体的运动速度与参照物的选择有关 所以物体的动量也跟参照物的选择有 关 选择不同的参照物时 同一物体的动量可以不同 通常在不说明参照物的情况下 物 体的动量是指物体相对于地面的动量 4 动量的矢量性 动量的矢量性 物体动量的方向与物体的即时速度方向相同 动量的运算应使用平行四边形法则 如果物体运动变化前后的动量都在同一直线上 那么选定正方向后 动量的方向可以用正 负号表示 动量的运算就简化为代数运算了 5 动量的单位 动量的单位 在国际单位制中 动量单位是千克 米 秒 2 动量守恒定律 动量守恒定律 1 内容 内容 相互作用的物体如果不受外力作用 或者它们所受的外力之和为零 它们的总动量保 持不变 2 条件 条件 0 合合 F 3 表达式 表达式 常见形式为 pp 22112211 vmvmvmvm 0 p 21 pp 3 动量守恒定律的性质 动量守恒定律的性质 1 动量守恒定律的矢量性 动量守恒定律的矢量性 由于速度是矢量 定律的表达式应是一个矢量式 对于一维情况 可根据所设坐标的方向确定速度的正负 而将矢量式化为代数式 对 两个物体组成的系统 在一般情况下 定律可表达为 m1v1 m2v2 mlvl m2v2 2 动量守恒定律中速度的同时性 动量守恒定律中速度的同时性 3 24 物体系统在相互作用过程中 任一瞬间的动量都保持不变 相互作用前的动量和 m1v1 m2v2 中的 v1 v2 都应该是作用前同一时刻的即时速度 相互作用后的动 量和 m1v1 m2v2 中的 v1 v2 都应该是作用后同一时刻的即时速度 3 动量守恒定律中速度的相对性 动量守恒定律中速度的相对性 动量的大小和方向与参照系的选择有关 应用动量守恒列方程时 应该注意各物体的 速度必须相对同一惯性参照系的速度 通常以地面为参照系 4 系统性 系统性 动量守恒定律的研究是相互作用的物体组成的系统 5 普适性 普适性 动量守恒定律是自然界普遍规律之一 不仅适用于宏观物体的低速运动 对微观现象 和高速运动仍然适用 4 对动量守恒定律进一步理解 对动量守恒定律进一步理解 1 对守恒条件的理解 对守恒条件的理解 标准条件 系统 总动量保持不变 的条件是系统 不受外力作用 或 所受外力 之和为零 近似条件 若系统所受外力远小于内力 且作用时间很短 即外力的冲量可以忽略 则可以近似认为系统的总动量守恒 即 但为有限值 且 0F0 t 某一方向动量守恒的条件 系统所受外力矢量和不为零 但在某一方向上的力为零 则系统在这个方向上的动量守恒 必须注意区别总动量守恒与某一方向动量守恒 列式时 要特别注意把速度投影到这个方向上 同时要注意各量的正负 说明 内力的冲量对系统动量是否守恒没有影响 但可改变系统内物体的动量 内力 的冲量是系统内物体间动量传递的原因 而外力的冲量是改变系统总动量的原因 譬如 通常情况下的摩擦力的冲量在时间极短时就可忽略 子弹沿水平方向打入竖直下落的木块 子弹与木块在竖直方向的动量就近似守恒 2 对守恒的理解 对守恒的理解 系统 总动量保持不变 不是仅指系统的初 末两个时刻的总动量相等 而是指系统 在整个过程中任意两个时刻的总动量都相等 但决不能认为系统内的每一个物体的动量都 保持不变 基本问题类型和研究方法基本问题类型和研究方法 1 应用动量守恒定律解题的基本步骤 应用动量守恒定律解题的基本步骤 1 1 分析题意 确定研究系统和一段过程 分析题意 确定研究系统和一段过程 在分析相互作用的物体总动量是否守恒时 通常把这些被研究的物体总称为系统 要 明确所研究的系统是由哪几个物体组成的 2 2 进行受力分析 确认是否满足守恒的条件 进行受力分析 确认是否满足守恒的条件 弄清哪些是系统内部物体之间相互作用的力 即内力 哪些是系统外的物体对系统内 物体的作用力 即外力 3 3 明确所研究的相互作用过程 确定过程的始 末状态 明确所研究的相互作用过程 确定过程的始 末状态 即系统内各个物体的初动量和末动量的量值或表达式 4 4 建立动量守恒方程 建立动量守恒方程 规定好正方向 灵活运用动量守恒定律的各种表达式建立动量守恒方程 5 5 求解验证讨论 求解验证讨论 计算结果如果是正的 说明该量的方向和正方向相同 如果是负的 则和选定的正方 4 24 向相反 如果是几个方程联立解 那么各方程所选取的正方向应该相同 2 运用动量守恒定律的常见问题 运用动量守恒定律的常见问题 1 人船模型 人船模型 1 模型 两个原来均处于静止状态的物体发生相互作用 并且它们所受的合外力为 零 2 规律 系统动量守恒 任意一个时刻的总动量均为零 两个物体的动量大小总相 等 即 mv MV 上式两边同乘一个 t 得 mv t MV t 两边再求和可得 mv t MV t 则有 ms MS 或者 m M s S 2 临界问题 临界问题 在应用动量守恒定律解题时 常会遇到相互作用的物体相距最近 避免相撞 何时开 始反向运动等临界问题 这类问题要注意挖掘隐含的临界条件 例 1 如图所示 具有一定质量的小球 A 固定在轻杆一端 另 一端悬挂在小车支架的 O 点 用手将小球拉起使轻杆呈水平 在小车 处于静止的情况下放手使小球摆下 在 B 处与固定在车上的油泥撞击 后粘合在一起 则此后小车的运动情况是 C A 向右运动 B 向左运动 C 静止不动 D 无法判定 例 2 两个质量相等的滑冰人甲和乙都静止在光滑的水平冰面上 其中一人向另一 人抛出一个篮球 另一人接球后再抛回 如此反复进行几次后甲 乙两人最后的速率关系 为 B A A 若甲最先抛球 则一定是若甲最先抛球 则一定是 V甲 甲 V乙乙 B B 若乙最后接球 则 若乙最后接球 则 一定是一定是 V甲 甲 V乙乙 C C 只有甲先抛球 乙最后接球 才有 只有甲先抛球 乙最后接球 才有 V甲 甲 V乙乙 D D 无论怎样抛球与接球 总有 无论怎样抛球与接球 总有 V甲 甲 V乙乙 例 3 两条磁性极强的磁铁分别固定在两辆小车上 水平面光滑 已知甲车和磁铁总质 量为 0 5Kg 乙车和磁铁的总质量为 1 0Kg 两磁铁 N 极相对 两车相向运动 某时刻甲车速度 大小为 2m s 乙车速度大小为 3m s 方向相反并在同一直线上 求 1 当甲车开始反向时 乙车的速度 2 由于磁性极强 故两车不会相碰 那么两车的距离最近时 乙车的速度 答案 1 2m s 方向与乙车运动方向相同 2 4 3m s 方向与乙车运动方向相同 例 4 如图所示甲 乙两人做抛球游戏 甲站在一辆平板 车上 车与水平地面间摩擦不计 甲与车的总质量 M 100 kg 另有一质量 m 2 kg 的球 乙站在车的对面的地上 身旁有若干 质量不等的球 开始车静止 甲将球以速度v 相对地面 水平 抛给乙 乙接到抛来的球后 马上将另一质量为 m 2m 的球以 相同速率 v 水平抛回给甲 甲接住后 再以相同速率 v 将此球水平抛给乙 这样往复进行 乙每次抛回给甲的球的质量都等于他接到的球的质量为 2 倍 求 5 24 1 甲第二次抛出球后 车的速度大小 2 从第一次算起 甲抛出多少个球后 再不能接到乙抛回来的球 答案 v 10 5 例 5 如图所示 AB 为一光滑水平横杆 杆上套一质量为 M 的小圆环 环上系一长为 L 质量不计的细绳 绳的另一端拴一质量为 m 的小球 现将绳拉直 且与 AB 平行 由静止释放小球 则当线绳 与 A B 成 角时 圆环移动的距离是多少 解析 虽然小球 细绳及圆环在运动过程中合外力不为零 杆的支持力与两圆环及小 球的重力之和不相等 系统动量不守恒 但是系统在水平方向不受外力 因而水平动量守 恒 设细绳与AB成 角时小球的水平速度为v 圆环的水平速度为V 则由水平动量守恒 有 MV mv 且在任意时刻或位置V与v均满足这一关系 加之时间相同 公式中的V和v可分别 用其水平位移替代 则上式可写为 Md m L Lcos d 解得圆环移动的距离 d mL 1 cos M m 例例 6 6 甲 乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏 甲 乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏 甲与他所乘的冰车的总质量为甲与他所乘的冰车的总质量为 M 30kg30kg 乙与他所乘的冰车 乙与他所乘的冰车 的总质量为的总质量为 M 30kg 30kg 游戏时 甲推着一个质量为 游戏时 甲推着一个质量为 m 15kg15kg 的的 箱子 和他一起以箱子 和他一起以 V0 2m s 2m s 的速度滑行 乙以同样大小的速度迎面而来 如图 为避免相的速度滑行 乙以同样大小的速度迎面而来 如图 为避免相 撞 甲突然将箱子沿冰面推给乙 箱子滑到乙处时 乙迅速把它抓住 若不计冰面的摩擦撞 甲突然将箱子沿冰面推给乙 箱子滑到乙处时 乙迅速把它抓住 若不计冰面的摩擦 力 问甲至少要以多大的速度 相对于地面 将箱子推出 才能避免与乙相撞 力 问甲至少要以多大的速度 相对于地面 将箱子推出 才能避免与乙相撞 分析 本题的关键是正确选择系统 甲与箱子作为一个系统 在甲推箱子过程中 在 水平方向不受外力 只有相互作用的内力 箱子与乙作为一个系统 在乙接到箱子的过程 中 也只有内力 不受外力作用 将甲 箱子 乙作为一个系统 该系统动量也守恒 另一个关键点是甲 乙两小孩不相碰的临界条件是 甲推出箱子后与乙接到箱子后的 速度相等 解答 甲与箱子系统动量守恒 以甲与箱子原运动方向为正方向 M m V0 MV1 Mv 乙与箱子的动量也守恒 mV MV0 m M V2 要使两小孩不相碰 需满足条件 V1 V2 解得 V 5 2m s 二 二 验证验证动量守恒定律动量守恒定律实验探究实验探究 通过实验探究和理论分析理解动量守恒定律 如通过实验探究不受外力或受合外 力为零的系统 两个相互作用的滑块碰撞前后系统的总动量是否保持不变 并运用动 量守恒定律分析一维碰撞现象和反冲问题 如 解释火箭为什么会升空 宇航员如何 实现在太空行走 等等 6 24 例 1 质量为 M 的船静止在湖上 船身长为 L 船两头分别站着质量为 m1和 m2的 人 m1 m2 若这两人互换位置 则船身移动的位移大小是多少 例 2 一门旧式大炮 炮身的质量是 1000kg 水平发射一枚质量是 2 5kg 的炮弹 如果炮弹从炮筒飞出的速度是 600m s 则炮身后退的速度为 提示 动量近似守恒的条件 合外力不为零但为有限值 且 t 0 且过程中导致 系统内物体动量转移的内力远大于外力 譬如此题情况下的地面摩擦力的冲量在时间极 短时就可忽略 解 把炮身和炮弹看成一系统 系统在发射过程中水平方向上受地面摩擦力 因时 间极短 其冲量可忽略 则水平方向动量近似守恒 有 0 mv MV 解得 V mv M 1 5m s 负号表示炮身的速度与炮弹的速度方向相反 例 3 A B 两滑块在一水平长直气垫导轨上相碰 用频闪照相机在 t0 0 t1 t t2 2 t t3 3 t 各时刻闪光四次 摄得如图所示照片 其中 B 像有重叠 且在第一 次闪光时 滑块 A 恰好通过 x 55cm 处 mB 3mA 2 由此可判断 答案 B A 碰前 B 静止 碰撞发生在 60cm 处 t 2 5 t 时刻 B 碰后 B 静止 碰撞发生在 60cm 处 t 0 5 t 时刻 C 碰前 B 静止 碰撞发生在 60cm 处 t 2 5 t 时刻 D 碰后 B 静止 碰撞发生在 60cm 处 t 2 5 t 时刻 A A A A B B 0 10 20 30 40 50 60 70 x cm 例 4 如图 a 所示 在水平光滑轨道上停着甲 乙两辆实验小车 甲车系一穿过打 点计时器的纸带 当甲车受到水平向右的冲量时 随即启动打点计时器 甲车运动一段距 离后 与静止的乙车发生正碰并粘在一起运动 纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车运动 情况如图 8 7 13 b 所示 电源频率为 50 Hz 则碰撞前甲车运动速度大小为 m s 甲 乙两车的质量比 m甲 m乙 解析 碰前甲车做匀速运动 由纸带可求得甲车碰前的速度为 v1 m s 0 6 m s 碰后甲 乙一起做匀速运动 速度为v2 02 0 102 1 2 1 T s smT s 02 0 108 0 2 2 0 4 m s 由动量守恒定律得 m甲v1 m甲 m乙 v2 甲 乙两车质量之比为 2 12 0 42 0 60 41 mv mvv 甲 乙 7 24 答案 0 6 2 1 例 5 在 碰撞中的动量守恒 实验中 已测得 A B 两小球质 量 mA mB 由实验所得结果如图所示 图中 M P N 为小球落点位 置 O 是斜槽末端重垂线的投影点 则图中 O 是 球 填 A 或 B 球心的投影点 A B 两球的质量之比是 解析 在该实验中 O 点是被碰小球碰后做平抛运动的起点 的投影 而被碰小球是质量小的球 故 O 是 A 球球心的投影点 由图 可知 10 cm 18 cm 24 cm 则碰撞过程中 A B 两OMOPN O 球的动量守恒 则有 mB mB mA 所以 A B 两球的质量之比为 OPOMN O 3 1 24 1018 NO OMOP m m B A 答案 A 1 3 三 三 弹性碰撞和非弹性碰撞 反冲运动弹性碰撞和非弹性碰撞 反冲运动 1 碰撞 碰撞 1 什么是碰撞现象 什么是碰撞现象 在两个或几个物体相遇时 若它们之间的相互作用仅持续一个极为短暂的时间 这种 现象称为碰撞 譬如 两小球的相碰 子弹射入木块 车辆的挂接 如 系在绳子两端的物体将弯曲 的绳子拉紧 分子 原子之间的相互作用过程 如 中子轰击原子核 等 2 碰撞现象的特点 碰撞现象的特点 作用时间短 相互作用力大 外力通常可以忽略不计 物体的状态 速度 动量 变化明显 但作用前后没有明显的位移 通常可以忽略 3 碰撞过程 碰撞过程 以弹性正碰为例 设两小球 A B 的质量分别为 m1 m2 碰前速度为 v1 v2 碰后速 度为 v1 v2 碰撞过程中的几个状态如图所示 a b c d e 4 三种碰撞模型的特点和规律 三种碰撞模型的特点和规律 弹性碰撞非弹性碰撞完全非弹性碰撞 系统 受力特点 只有弹力除弹力外 还有摩擦力等耗散力 只有摩擦力等耗散力 碰撞过程 及形变特 点 有完整的压缩阶段和完 整的恢复阶段 无永久 形变 有完整的压缩阶段 有 部分恢复阶段 有永久 形变 只有压缩阶段 没有恢复 阶段 永久形变最大 碰撞后 物体的速 度 不相同 v1 v2 不相同 v1 v2 相同 v1 v2 v 碰撞过程守恒守恒守恒 图 8 24 中 系统动量 22112211 vmvmvmvm 22112211 vmvmvmvmvmmvmvm 212211 碰撞过程 中 系统机械 能 守恒 碰撞前后动能相 等 2 22 2 11 2 22 2 11 2 1 2 1 2 1 2 1 vmvm vmvm 不守恒 碰撞后动能减 小 2 1 2 1 2 1 2 1 2 22 2 11 2 22 2 11 vmvm vmvmQ 不守恒 碰撞中动能损失 最多 2 21 2 22 2 11 2 1 2 1 2 1 vmm vmvmQ 注意 无论哪种碰撞 在碰撞过程中都必须同时遵守动量守恒定律和能量守恒定律 5 对弹性碰撞的研究 对弹性碰撞的研究 2 反冲运动 反冲运动 1 什么是反冲运动 什么是反冲运动 反冲运动是指物体通过分离出一部分物质 如 高速喷射的气体 液体 高速弹出的 固体等 并使之向某个方向高速运动 而物体本身将获得一个相反方向的速度 这实际上是相互作用的物体之间作用力与反作用力产生的效果 譬如 炮弹从炮筒中飞出 炮身要向后退 火箭向后喷出气体 火箭获得向前的速 度 2 特点及规律 特点及规律 反冲运动的过程中 系统一般不受外力或外力的作用远小于物体间的相互作用力 因此这个过程动量守恒 如果系统在某一方向不受外力 则在这个方向上适用动量守恒 反冲运动过程中 有别的能量 通过一对内力做功 转化成机械能 因此机械能不 守恒 例 1 1998 年 全国 在光滑水平面上 动能为 E0 动量大小为 p0的小钢球 1 与静 止小钢球 2 发生碰撞 碰撞前后球 1 的运动方向相反 将碰撞后球 1 的动能和动量的大小 分别记为 E1 p1 球 2 的动能和动量的大小分别记为 E2 p2 则必有 A E1 E0B p1E0D p2 p0 例 2 质量相等的 A B 两球在光滑水平面上沿同一直线 同一方向运动 A 球的动 量是 9kg m s B 球的动量是 5kg m s 当 A 球追上 B 球时发生碰撞 则碰撞后 A B 两 球的动量的可能值是 A p A 5kg m s p B 7kg m sB p A 4kg m s p B 10kg m s C p A 6kg m s p B 8kg m sD p A 8kg m s p B 6kg m s 例 3 如图 光滑的水平面上静止放着表面光滑的表面是球面的滑块 A 小球 B 以 速度 v0向右运动 冲上滑块 并且越过了滑块 不考虑 A B 在接触处相互作用时的机械 能损失 则滑块将 A 可能向右做匀速直线运动B 可能向左做匀速直线运动 C 可能停在原位置右侧C 可能停在原位置左侧 例 4 2007 年全国理综 24 用放射源钋的 射线轰击铍时 能发射出一种穿透 力极强的中性射线 这就是所谓铍 辐射 1932 年 查德威克用铍 辐射 分别照射 9 24 轰击 氢和氨 它们可视为处于静止状态 测得照射后沿铍 辐射 方向高速运动的 氨核和氦核的质量之比为 7 0 查德威克假设铍 辐射 是由一种质量不为零的中性粒子构 成的 从而通过上述实验在历史上首次发现了中子 假设铍 辐射 中的中性粒子与氢或 氦发生弹性正碰 试在不考虑相对论效应的条件下计算构成铍 辐射 的中性粒子的质量 质量用原子质量单位 u 表示 1 u 等于 1 个 12C 原子质量的十二分之一 取氢核和氦核的 质量分别为 1 0 u 和 14 u 解 设构成铍 辐射 的中性粒子的质量和速度分别为 m 和 v 氢核的质量为 mH 构成铍 辐射 的中性粒子与氢核发生弹性正碰 碰后两粒子的速度分别为 v 和 vH 由 动量守恒与能量守恒定律得 mv mv mHvH 22 2 HH 111 222 mvmvm v 解得 H H 2mv v mm 同理 对于质量为 mN的氮核 其碰后速度为 N N 2mv v mm 可求得 N NHH HN m vm v m vv 根据题意可知 vH 7 0vN 解得 m 1 2u 例 5 云室处在磁感应强度为 B 的匀强磁场中 一静止的质量为 M 的原于核在云室 中发生一次衰变 粒子的质量为 电量为 q 其运动轨迹在与磁场垂直的平面内 m 现测得粒子运动的轨道半径 R 试求在衰变过程中的质量亏损 分析与解分析与解 该衰变放出的粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 其轨道半径 R 与运动 速度的关系 由洛仑兹力和牛顿定律可得 v R v mqvB 2 由衰变过程动量守恒得 衰变过程亏损质量很小 可忽略不计 vmMmv 0 又衰变过程中 能量守恒 则粒子和剩余核的动能都来自于亏损质量即 222 2 1 2 1 vmMmvmc 联立 解得 2 2 2 cmMm qBRM m 点评点评 动量守恒和能量守恒是自然界普遍适用的基本规律 无论是宏观领域还是微观 领域 我们都可以用上述观点来解决具体的问题 主题二 波粒二象性主题二 波粒二象性 考点学习要求 考点学习要求 10 24 102 量子论的建立 量子论的建立 黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射 了解黑体和黑体辐射 体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识 103 光电效应 光电效应 光子说光子说 光电效应方程光电效应方程 知道光电效应 通过实验了解光电效应实验规律 了解爱因斯坦光子说 并能够用它来解释光电效应现象 知道爱因斯坦光电效应方程 并能利用它解决一些简单问题 104 康普顿效应 康普顿效应 了解康普顿效应 了解光子理论对康普顿效应的解释 认识到康普顿效应进一步证明了光的粒子性 105 光的波粒二象性 光的波粒二象性 物质波物质波 概率波概率波 不确定关系不确定关系 根据事实说明光具有波粒二象性 了解光在哪些不同情况下会表现出粒子性或波动性 知道光是一种概率波 了解德布罗意假说内容 知道德布罗意关系式 知道实物粒子具有波动性 不要求用 德布罗意关系式进行定量计算 知道电子云 初步了解不确定性关系 了解人类探索光本质所经历的曲折过程 知道人类对世界的探究是不断深入的 特点 新教材增加了黑体辐射 能量量子化 康普顿效应 老教材中这三个内容是以阅读材料 的形式呈现 不确定性关系 概念规律方法 概念规律方法 一 一 量子论的建立量子论的建立 黑体与黑体辐射黑体与黑体辐射 黑体辐射作为普朗克提出量子说的基础物理现象 例 1 07 江江苏苏卷 卷 2006 年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家 以表彰他们发现了 宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化 他们的出色工作被誉 为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点 下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中 正确的是 答案 A C D A 微波是指波长在 10 3m 到 10m 之间的电磁波 微波和声波一样都只能在介质中传播 黑体的热辐射实际上是电磁辐射 普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说 二 光电效应 二 光电效应 光子说光子说 光电效应方程光电效应方程 1 现象现象 在一定频率光的照射下 从金属表面发射电子的现象 发出的电子叫光电子 2 规律规律 光电效应的瞬时性 10 9秒 每种金属都有一个极限频率 当入射光的频率大于极限频率时 才能发生光电效应 光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只随入射光的频率增大而增大 11 24 当入射光的频率大于极限频率时 光电流的强度与入射光的强度成比 3 光子说 光子说 光源发出的光是不连续的 而是一份一份的 每一份光叫做一个光子 光子的能量 跟光的频率成正比 即 E h 光子论对光电效应的解释 4 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光电效应方程 Ek h W 应用 应用 对基本概念的理解对基本概念的理解 例 2 03 上海 爱因斯坦由光电效应的实验规律 猜测光具有粒子性 从而提出光子 说 从科学研究的方法来说 这属于 答案 C A 等效替代 B 控制变量 C 科学假说 D 数学归纳 例 3 已知能使某金属产生光电效应的极限频率为 0 答案 A B A 当用频率为 2 0的单色光照射该金属时 一定能产生光电子 B 当用频率为 2 0的单色光照射该金属时 所产生的光电子的最大初动能为 h 0 C 照射光的频率 大于 0时 若 增大 则逸出功增大 D 照射光的频率 大于 0时 若 增大一倍 则光电子的最大初动能也增大一倍 例 4 现有 a b c 三束色光 其波长 a b c 用 b 光照射某种金属时 恰能发 生光电效应 若分别用 a 光束和 c 光束照射该金属 则可以断定 答案 A A a 光束照射时 不能发生光电效应 B c 光束照射时 不能发生光电效应 C a 光束照射时 释放的光电子数目多 D c 光束照射时 释放的光电子的最大初动能最小 例 5 03 上海 在右图所示的光电管的实验中 发现用一定频率的 A 单色光照射光电 管式 电流表指针会发生偏转 而用另一频率的 B 单色光照射时不发生光电效应 那么 答案 AC A A 光的频率大于 B 光的频率 B B 光的频率大于 A 光的频率 C 用 A 光照射光电管时流过电流表 G 的电流方向是 a 流向 b D 用 A 光照射光电管时流过电流表 G 的电流方向是 b 流向 a 例 6 研究光电效应规律的装置如图所示 以频率为 的光照射光电管阴极 K 时 有光 电子产生 由于光电管 K A 间加的是反向电压 光电子从阴极 K 发射后将向阳极 A 作减 速运动 光电流 I 由图中电流计 G 测出 反向电压 U 由电压表 V 测出 当电流计示数为 零时 电压表的示数称为反向截止电压 U0 在下列表示光电效应实验规律的图象中 错误 的是 答案 B V G A 光 KA 电子 光电管 A 反向电压 U 和频率 一定 时 光电流 i 与光强 I 的关 系 O I i B 截至电压 U0和频率 的关 系 O U0 光电管 电源 G a b 12 24 例 7 03 天津理综 如图 当电键 K 断开时 用光子能量为 2 5eV 的一束光照射阴极 P 发现电流表读数不为零 合上电键 调节滑线变阻器 发现当电压表读数小于 0 60V 时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于 0 60V 时 电流表读数为零 由此可 知阴极材料的逸出功为 答案 A A 1 9eV B 0 6eV C 2 5eV D 3 1eV 三 康普顿效应三 康普顿效应 1923 年康普顿在做 X 射线通过物质 散射的实验时 发现散射线中除有与入 射线波长相同的射线外 还有比入射线 波长更长的射线 其波长的改变量与散 射角有关 而与入射线波长和散射物质 都无关 只有当入射波长 0与 c 称为 电子的 Compton 波长 可比拟时 康普 顿效应才显著 因此要用 X 射线才能观 察到康普顿散射 用可见光观察不到康 普顿散射 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果 具体解释如下 1 若光子和外层电子相 碰撞 光子有一部分能量传给电子 散射光子的能量减少 于是散射光的波长大于入射光的 波长 2 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞 光子将与整个原子交换能量 由于光子质量 远小于原子质量 根据碰撞理论 碰撞前后光子能量几乎不变 波长不变 3 因为碰撞 中交换的能量和碰撞的角度有关 所以波长改变和散射角有关 光电效应表明光子具有能量 康普顿效应表明光子既有能量又有动量 例 8 如图所示为康普顿效应示意图 光子与一个静 止的电子发生碰撞 图中标出了碰撞后电子的运动方向 设碰前光子频率为 v 碰后为 v 则关于光子碰后的 运动方向和频率的说法中正确的是 答案 B 图图 17 3 5 康普顿效应康普顿效应 U0 C 光强 I 和频率 一定时 光 电流 i 与反向电流 U 的关系 O U i 10 9 S D 反向电压 U 和频率 一定 时 光电流 i 与光强 I 的关 系 O t i V A P K 13 24 A 可能沿图中 方向 B 可能沿图中 方向 C v v D v v 四 光的波粒二象性 四 光的波粒二象性 物质波 概率波 不确定关系物质波 概率波 不确定关系 1 光的波粒二象性 光的波粒二象性 光子能量 E h 光子动量 P h 光子质量 m E c2 h c 2 物质波 物质波 任何一个运动着的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都 有一种波与它对应 波长 是 h p 3 3 不确定性关系 不确定性关系 是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结 果 不确定关系式表明 微观粒子的坐标测得愈准确 x 0 动量就愈不准确 p 微观粒子的动量测得愈准确 p 0 坐标就愈不准确 x 但这里要注意 不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准 也不 是说微观粒子的动量测不准 更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准 而是说微观粒子 的坐标和动量不能同时测准 为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准 这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量 这本质上是微观粒子具有 波粒二象性的必然反映 不确定关系是自然界的一条客观规律 不是测量技术和主观能力的 问题 不确定关系提供了一个判据 当不确定关系施加的限制可以忽略时 则可以用经典 理论来研究粒子的运动 当不确定关系施加的限制不可以忽略时 那只能用量子力学理论 来处理问题 4 微观粒子和宏观物体的特性对比 微观粒子和宏观物体的特性对比 宏观物体微观粒子 具有确定的坐标和动量 可用牛顿力学描述没有确定的坐标和动量 需用量子力学描述 有连续可测的运动轨道 可追踪各个物体的 运动轨迹 有概率分布特性 不可能分辨出各个粒子的 轨迹 体系能量可以为任意的 连续变化的数值能量量子化 不确定性关系无实际意义遵循不确定性关系 例 9 2006 年上海卷 人类对光的本性的认识经历了曲折的过程 下列关于光的本性 的陈述符合科学规律或历史事实的是 答案 BCD A 牛顿的 微粒说 与爱因斯坦的 光子说 本质上是一样的 B 光的双缝干涉实验显示了光具有波动性 C 麦克斯韦预言光是一种电磁波 D 光具有波粒二象性 粒子不一定出现在粒子不一定出现在 A1 A2的的 位置位置 14 24 主题三 原子结构主题三 原子结构 教材特征分析教材特征分析 本主题向大家展示了科学家探索原子结构的艰辛历程和所应用的科学研究方法 1897 年 汤姆孙用测定比荷实验法发现了电子 导致了人们对原子内部结构的探索 汤姆孙建 立了原子的枣糕模型 但它不能解释 粒子散射实验 于是 卢瑟福于 1911 年提出了原 子的核式结构模型 成功地解释了 粒子散射实验 但它在解释原子光谱现象时遇到困难 1913 年玻尔提出了量子化的原子模型 成功地解释了氢原子光谱现象 但对于其他元素更 为复杂的光谱 该模型却却不能很好的解释 人们从量子化的原子模型的成功与不足中认 识到玻尔理论是一种半经典的量子论 还必须对它进行改造和完善 建立一种新的理论 从汤姆孙到卢瑟福再到玻尔 科学家对原子结构的认识和探索是不断深入的 图 90 考点学习要求 考点学习要求 106106 原子核式结构模型 原子核式结构模型 知道 粒子散射实验的原理及实验结果 通过卢瑟福原子核式结构模型的建立过程 体会科学家进行科学探究的方法 107107 氢原子光谱 氢原子光谱 通过对氢原子的光谱分析 了解光谱分析在科学技术中的应用 108108 原子的能级 原子的能级 了解原子的能级结构 了解原子能级的量子化 了解微观世界中的量子化现象 概念规律方法 概念规律方法 一 原子核式结构模型一 原子核式结构模型 1 粒子散射实验 装置 如图所示 现象 绝大部分 粒子穿过金箔后沿原方向进行 少数 粒子发生大角度偏转 极 少数 粒子的偏转角超过了 90 个别的甚至被反向弹回 2 卢瑟福核式结构模型的内容 在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中 在原子核里 带负电的电子在核外的空间运动 15 24 例 1 1986 年高考全国卷 卢瑟福提出原子的核式结构学说的根据是 在用 粒子轰击金箔的实验中发现 粒子 答案 B A 全部穿过或发生很小偏转 B 绝大多数穿过 只有少数发生很大偏转 甚至极少数被弹回 C 绝大多数发生很大的偏转 甚至被弹回 只有少数穿过 D 全都发生很大的偏转 例 2 卢瑟福 粒子散射实验的结果 答案 C A 证明了质子的存在 B 证明了原子核是由质子和中子组成的 C 说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上 D 说明原子中的电子只能在某些不连续的轨道上运动 二 氢原子光谱二 氢原子光谱 1 原子光谱 稀薄气体通电时只能发出几种确定频率的光 通过分光镜得到的光谱是 几条分立的亮线 而且不同气体光谱的亮线位置不同 这种分立的线状光谱叫做原子光谱 2 卢瑟福的核式结构与经典电磁理论的矛盾 1 绕核旋旋转的电子要不断向外辐射电磁波 能量不断减小 轨道半径不断减小 2 核式结构得出原子光谱是含一切波长的连续光谱 而实际上原子发光是不连续的 三 玻尔的原子模型 能级三 玻尔的原子模型 能级 1 轨道量子化与能量量子化 轨道量子化与能量量子化 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值 这种现象称为轨道量子化 不同的轨道对应着不同的状态 在这些状态中 尽管电子做变速运动 却不向外辐射能量 因此这些状态是稳定的 原子在不同的状态中具有不 同的能量 所以原子的能量也是量子化的 2 氢原子的轨道和能级氢原子的轨道和能级 原子的可能状态是不连续的 各种状态对应的能 量值叫做能级 右图为氢原子的能级图 能量最低的状态叫基态 其他状态叫激发态 轨道 基态轨道半径为 r1 0 053nm 量子数为 n 的激发态轨道半径为 rn n2r1 基态能量为 E1 13 6eV 3 光子的发射与吸收 光子的发射与吸收 原子处于基态时最稳定 处于较高能级时会自发 地向较低能级跃迁 经过一次会几次到达基态 跃迁时以光子的形式放出能量 原子在吸 收了光子后则从较低能级向较高能级跃迁 原子在始 末两个能级 Em和 En间跃迁时发射 或吸收的光子的频率 由下式决定 h Em En m n 时发射光子 m n 时吸收光子 4 关于原子跃迁的问题 关于原子跃迁的问题 1 区别是 一群原子 还是 一个原子 是 直接跃迁 还是 间接跃迁 是 跃迁 还是 电离 是 入射的光子 还是 入射的电子 2 把握各情况所遵循的规律 如 一群原子 在题设条件下各种跃迁的可能性都有 而 一个原子 只能沿题设条件 16 24 下可能情况的一个途径进行跃迁 直接跃迁 只能对应一个能级差 发射一种频率的光子 间接跃迁 能对应多个 能级差 发射多种频率的光子 跃迁 时辐射或是吸收光子的能量由两个定态的能级差决定 而 电离 时如在第 n 到 n 所需要的能量 即 0 对于氢原子 E1 13 6eV 2 1 n E 2 1 n E 若是 入射的光子 光子的能量需等于两个定态的能级差 才能引起原子跃迁 若是 人射的电子 则要求电子的能量大于或等于两个定态的能级差 才能跃迁 例 1 玻尔在提出他的原子模型中所做的假设有 答案 ABC A 原子处于称为定态的能量状态时 虽然电子做加速运动 但并不向外辐射能量 B 原子的不同能量状态与电子沿不同圆轨道绕核运动相对应 而电子的可能轨道分布是 不连续的 C 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道 需要吸收或辐射一定频率的光子 D 电子跃迁时辐射光子频率等于电子绕核圆运动的频率 例 2 对玻尔理论的评价和议论 正确的是 答案 ABC A 玻尔理论的成功 说明经典电磁理论不适用于原子系统 B 玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律 为量子力学的建立奠定了基础 C 玻尔理论的成功之处是引入量子观念 D 玻尔理论的成功之处 是它保留了经典理论中的一些观点 如电子轨道的概念 例 3 氢原子的能级如图所示 已知见光的光子能量范 围约为 1 62EV 3 11 EV 下列说法错误的是 答案 D A 处于 n 3 能级的氢原子可以吸收任意频率的紫 外线 并发生电离 B 大量氢原子从高能级向 n 3 能级跃迁时 发出的 光具有热效应 C 大量处于 n 4 能级的氢原子向低能级跃迁时 可 能发出 6 种不同频率的光 D 大量处于 n 4 能级的氢原子向低能级跃迁时 可 能发出 3 种不同频率的光 例 4 04 北京 氦原子被电离一个核外 电子 形成类氢结构的氦离子 已知基态的 氦离子能量为 氦离子能级 eVE 4 54 1 的示意图如图所示 在具有下列能量的光子 中 不能被基太氦离子吸收而发生跃迁的是 答案 B A 40 8eV B 43 2eV C 51 0eV D 54 4eV E 0 4 E 3 4eV 3 E 6 0eV 2 E 13 6eV 1 E 54 4eV 13 6 4 3 2 1 3 4 1 51 0 85 0 nE eV 17 24 例 5 2003 年江苏卷 原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时 有可能不发射光子 例如在某种条件下 铬原子的能级上的电子跃迁到能级时并不发射光子 而是2 n1 n 将相应的能量转交给能级上的电子 使之能脱离原子 这一现象叫俄歇效应 以这4 n 种方式脱离了原子的电子叫俄歇电子 已知铬原子的能级公式可简化表示为 2 n A En 式中 2 表示不同能级 A 是正的常数 上述俄歇电子的动能是 答案 C 1 n 3 A B C D A 16 3 A 16 7 A 16 11 A 16 13 例 6 2004 江苏 若原子的某内层电子被电离形成空位 其他层的电子跃迁到该空位 位时 会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来 此电磁辐射就是原子的特征 X 射线 内层空位的产生有多种机制 其中的一种称为内转换 即原子中处于激发态的核跃迁回基 态时 将跃迁时释放的能量交给某一内层电子 使此内层电子电离而形成空位 被电离的 电子称内转换电子 的原子核从某一激发态回到基态时 可能将能量Po 214 交给内层电子 如 K L M 层电子 K L M 标记原子中最靠近核的MeVE416 1 0 三个电子层 使其电离 实验测得从原子的 K L M 层电离出的电子的动能分别为Po 214 EL 1 399MEV EM 1 412MEV 则可能发射的特征 X 射线的能量为 MeVEK323 1 答案 A C A 0 013MEVB 0 017MEV C 0 076MEV D 0 093MEV 例 7 07 江江苏苏卷 卷 子与氢原子核 质子 构成的原子称为 氢原子 hydrogen muon atom 它在原子核物理的研究中有重要 作用 图为 氢原子的能级示意图 假定光子能量为 E 的一束光 照射容器中大量处于 n 2 能级的 氢原子 氢原子吸收光子后 发出频率为 1 2 3 4 5 和 6的光 且频率依次增 大 则 E 等于 答案 C A h 3 1 B h 5 6 C h 3 D h 4 例 8 04 全国理综 现有 1200 个氢原子被激发到量子数为 4 的能级上 若这些受激 氢原子最后都回到基态 则在此过程中发出的光子总数是多少 假定处在量子数为 n 的激 发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的 1n 1 答案 A A 2200 B 2000 C 1200 D 24 00 例 9 04 广东 图示为氢原子的能级图 用光子能量为 13 07eV 的光照射一群处于基态 的氢原子 可能观测到氢原子发射的不同波长有多少种 答案 A A 15 B 10 C 4 D 1 18 24 例 10 在 X 射线管中 由阴极发射的电子被加速后打到阳极 会产生包括 X 光在内的各 种能量的光子 其中光子能量的最大值等于电子的动能 已知阳极与阴极之间的电势差 U 普朗克常数 H 电子电量 E 和光速 C 则可知该 X 射线管发出的 X 光的 答案 D A 最短波长为 B 最长波长为 h eUh c eU c C 最小频率为 D 最大频率为 h eU h eU 例 11 根据玻尔理论 某原子的电子从能量为 E 的轨道跃迁到能量为 E 的轨道 辐射 出波长为 的光 以 h 表示普朗克常量 c 表示真空中的光速 则 E 等于 答案 C A E h B E h c c C E h D E h c c 主题四 原子核主题四 原子核 考点学习要求 考点学习要求 109109 原子核的组成 原子核的组成 了解质子 中子的发现过程 了解原子核的组成 知道质量数 质子数 中子数 核子数 核电荷数 原子序数等概念及其数量关系 110110 原子核的衰变 半衰期 原子核的衰变 半衰期 了解天然放射现象 知道放射现象中三种射线的本质及特性 了解衰变 衰变 会写衰变方程 会用半衰期描述衰变的快慢 知道半衰期的统计意义 不要求用半衰期公式进行定量 计算 111111 放射性的应用与防护 放射性的应用与防护 放射性同位素放射性同位素 知道射线的危害与防护 知道放射性同位素的概念 了解放射性同位素的应用 112112 核力与结合能 核力与结合能 质量亏损质量亏损 知道核力的存在 了解核力的性质 能简单解释轻核与重核内中子数 质子数具有不 同比例的原因 知道结合能和质量亏损的概念 了解爱因斯坦质能方程 会用质能方程进行简单计算 113113 核反应方程 核反应方程 知道质子 中子 电子 正电子等基本粒子符号 会写常见核反应方程 114114 重核裂变 重核裂变 核聚变核聚变 知道铀核裂变 知道链式反应的发生条件 会写铀核裂变的核反应方程 会根据质 量亏损计算释放的核能 了解核反应堆的基本原理 知道核电站的工作模式 了解人类和平利用核能的进程 思考科学技术与社会发展的关系 了解聚变的特点及条件 会写聚变方程 了解受控热核反应 关注受控热核反应的研 究及其发展 19 24 概念规律方法 概念规律方法 一 原子核的组成一 原子核的组成 1 组成 组成 原子核由质子和中子组成 统称核子 原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍 2 表示方法 表示方法 X A Z X A 核电荷数 或质子数 Z 代表原子核的电荷量 质量数 质子数与中子数之和 A 代表原子核的质量 例如 或 e 4 2H H 1 1 p 1 1 H 2 1 n 1 0 e 0 1 3 同位素 具有相同质子数 中子数不同的原子在元素周期表中处于同一位置 互称 同位素 二 原子核的衰变 半衰期二 原子核的衰变 半衰期 1 天然放射现象 衰变 天然放射现象 衰变 天然放射现象中的射线 粒子特性 射线 正