物理3-5知识点、练习(含答案)

1 物理选修物理选修 3 53 5 知识点知识点 相关练习 相关练习 一 动量守恒定律一 动量守恒定律 1 1 动动量量守守恒恒定定律律的的条条件件 系统所受的总冲量为零 不受力 所受外力的矢量和为零或外力 的作用远小于系统内物体间的相互作用力 即系统所受外力的矢量和为零 理解 内力的冲量对系统动量是否守恒没有影响没有影响 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 2 2 动动量量守守恒恒定定律律的的表表达达式式 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 规定正方向 p1 p2 3 3 碰碰撞撞 1 完全非弹性碰撞 获得共同速度 动能损失最多动量守恒 2 弹性碰撞 动量守恒 碰撞前后动能相等 动量守恒 动能守恒 特例 1 A B 两物体发生弹性碰撞 设碰前 A 初速度为 v0 B 静止 则碰后速度 vB 特例 2 对于一维弹性碰撞弹性碰撞 若两个物体质量相等质量相等 则碰撞后两个物体互换速度 即碰后 A 的速度等于碰前 B 的速度 碰后 B 的速度等于碰前 A 的速度 例例 1 质量为 M 的木块在光滑水平面上以速度 v1向右运动 质量为 m 的子弹以速率 v2水 平向左射入木块 假设子弹射入木块后均未穿出 且在第 N 颗子弹射入后 木块恰好停下 来 求 N 的数值 解 取水平向右为正方向 对木块与 N 颗子弹组成的系统 由动量守恒定律得 Mv1 Nmv2 0 N Mv1 mv2 二 量子理论的建立二 量子理论的建立 黑体和黑体辐射黑体和黑体辐射 1 1 量量子子理理论论的的建建立立 1900 年德国物理学家普朗克普朗克提出振动着的带电微粒的能量只能是某 个最小能量值 的整数倍 这个不可再分的能量值 叫做能量子 h h 为普朗克 常数 6 63 10 34J S 2 2 2 黑黑体体 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射 这种物体就是 绝对黑体 简称黑体 3 3 黑黑体体辐辐射射 黑体辐射的规律为 温度越高各种波长的辐射强度都增加 同时 辐射强度 的极大值向波长较短的方向移动 普朗克的能量子理论很好的解释了这一现象 三 光电效应三 光电效应 光子说光子说 光电效应方程光电效应方程 1 1 光光电电效效应应 表表明明光光子子具具有有能能量量 1 光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步 但是它并不能解释光电效应的 现象 在光 包括不可见光 的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应 发射出来 的电子叫光电子 实验图在课本 2 光电效应的研究结果 新教材 新教材 存在饱和电流 这表明入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 存在 遏止电压 截止频率 光电子的能量与入射光的频率有关 而与入射光的强 弱无关 当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 效应具有瞬时性 光电子 的发射几乎是瞬时的 一般不超过 10 9s 2 2 光光子子说说 爱爱因因斯斯坦坦 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率为 的光的 能量子为 h 这些能量子被成为光子 3 3 光光电电效效应应方方程程 E EK K h W WO O 掌握掌握 Ek UcEk Uc 图象的物理意义图象的物理意义 同时 h截止 WO Ek 是光电子的最大初动能最大初动能 W 是逸出功 即从金属表面金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所 做的功 四 康普顿效应 表明光子具有动量 四 康普顿效应 表明光子具有动量 1 1 1918 1922 年康普顿 美 在研究石墨对 X 射线的散射时发现 光子在介质中和物质微 粒相互作用 可以使光的传播方向发生改变 这种现象叫光光的的散散射射 2 2 在光的散射过程中 有些散射光的波长比入射光的波长略大大 这种现象叫康康普普顿顿效效应应 3 3 光光子子的的动动量量 p h 3 五 光的波粒二象性五 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 1 1 光光的的波波粒粒二二象象性性 干涉 衍射和偏振干涉 衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波 光电效应和康光电效应和康 普顿效应普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子 由于光既有波动性 又有粒子性 只能 认为光具有波粒二象性 但不可把光当成宏观观念中的波 也不可把光当成宏观观念中的 粒子 少量的光子表现出粒子性 大量光子运动表现为波动性 光在传播时显示波动性 少量的光子表现出粒子性 大量光子运动表现为波动性 光在传播时显示波动性 与物质发生作用时 往往显示粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子与物质发生作用时 往往显示粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子 性显著 性显著 P41P41 电子干涉条纹对概率波的验证 电子干涉条纹对概率波的验证 2 2 光光子子的的能能量量E h 光光子子的的动动量量p h 表示式也可以看出 光的波动性和粒子性并不 矛盾 表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量 频率 和波长 由以上两式和波速公式 c 还可以得出 E p c 3 3 物物质质波波 1924 年德布罗意 法 提出 实物粒子和光子一样具有波动性 任何一个运动运动 着的物体都有一种与之对应的波 波长 h p 这种波叫物质波 也叫德布罗意波 P38 电子的衍射图样 电子显微镜的分辨率为何远远高于光学显微镜 4 4 概概率率波波 从光子的概念上看 光波是一种概率波 5 5 不不确确定定关关系系 x 表示粒子位置的不确定量 p 表示粒子在 x 方向上的 动量的不确定量 为何粒子位置的不确定量 x 越小 粒子动量的不确定量 p 越大 用单缝衍射进行解释 P43P43 图图 例例 2 2011 广东高考 光电效应实验中 下列表述正确的是 A 光照时间越长光电流越大 B 入射光足够强就可以有光电流 C 遏止电压与入射光的频率有关 D 入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析 光电流的大小与光照时间无关 A 项错误 如果入射光的频率小于金属的极限 频率 入射光再强也不会发生光电效应 B 项错误 遏止电压 Uc 满足 eUc h h 0 从 表达式可知 遏止电压与入射光的频率有关 C 项正确 只有当入射光的频率大于极限频 率 才会有光电子逸出 D 项正确 答案 CD 4 例例 3 普朗克常量 h 6 63 10 34 J s 铝的逸出功 W0 6 72 10 19 J 现用波长 200 nm 的光照射铝的表面 结果保留三位有效数字 求光电子的最大初动能 解析 解析 Ek h W0 c Ek 3 23 10 19 J 例例 4 2011 福建高考 1 爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释 光电效应的规律而获得 1921 年诺贝尔物理学奖 某种金属逸出光电子的最 大初动能 Ekm与入射光频率 的关系如图 1 所示 其中 0为极限频率 从图 中可以确定的是 填选项前的字母 图 1 A 逸出功与 有关 B Ekm与入射光强度成正比 C 当 0时 会逸出光电子 D 图中直线的斜率与普朗克常量有关 D 六 原子核式模型机构六 原子核式模型机构 1 1 1897 年汤姆生 英 发现了电子汤姆生 英 发现了电子 提出原子的枣糕模型 揭开了研究原子结构的序幕 谁发现了阴极射线 2 2 1909 年起英国物理学家卢瑟福做了 粒子轰击金箔的实验 即 粒子散射实验 实 验装置见必修本 P257 得到出乎意料的结果 绝大多数绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方 向前进 少数少数 粒子却发生了较大的偏转 并且有极少数 粒子偏转角超过了 90 有 的甚至被弹回甚至被弹回 偏转角几乎达到 180 P53P53 图图 3 3 卢瑟福在 1911 年提出原子的核式结构学说 在原子的中心有一个很小的核 叫做原子 核 原子的全部正电荷全部正电荷和几乎全部质量几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间里绕 着核旋转 按照这个学说 可很好地解释 粒子散射实验结果 粒子散射实验的数据还可以估计估计 原子核的大小 数量级为 10 15m 和原子核的正电荷数 原子序数 核电荷数 质子数 核外电子数 5 七 氢原子的光谱七 氢原子的光谱 1 1 光光谱谱的的种种类类 1 发射光谱 物质发光直接产生的光谱 炽热的固体 液体及高温高压 气体发光产生连续光谱 稀薄气体发光产生线状谱 不同元素的线状谱线不同 又称特 征谱线 2 吸收光谱 连续谱线中某些频率的光被稀薄气体吸收后产生的光谱 元 素能发射出何种频率的光 就相应能吸收何种频率的光 因此吸收光谱也可作元素的特征 谱线 2 2 氢氢原原子子的的光光谱谱是是线线状状的的 这这些些亮亮线线称称为为原原子子的的特特征征谱谱线线 即辐射波长是分立分立的 3 3 基基尔尔霍霍夫夫开开创创了了光光谱谱分分析析的的方方法法 利用元素的特征谱线 线状谱或吸收光谱 鉴别物质的 分析方法 八 原子的能级八 原子的能级 1 1 卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论发生矛盾 矛盾为 a 原子是不稳定的 b 原子光谱是连续谱 1913 年玻尔 丹麦 在其基础上 把普朗克的量子理论运用到 原子系统上 提出玻尔理论 2 2 玻玻尔尔理理论论的的假假设设 1 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 在这些状态中原子是稳定的 电子虽然绕 核运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫做定态 氢原子的各个定态的能量值 叫做它 的能级 原子处于最低能级时电子在离核最近的轨道上运动 这种定态叫做基态基态 原子处 于较高能级时电子在离核较远的轨道上运动的这些定态叫做激发态 2 原子从一种定态 设能量为 En 跃迁到另一种定态 设能量为 Em 时 它辐射 或 吸收 一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能量差决定 即 h h E En n E Em m 能 级图见 3 5 第 64 页 3 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应 原子的定态是不连续不连续 的 因此电子的可能轨道的分布也是不连续不连续的 6 3 3 玻玻尔尔计计算算公公式式 rn n2 r1 En E1 n2 n 1 2 3 r1 0 53 10 10 m E1 13 6eV 分 别代表第一条 即离核最近的离核最近的 可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量 选 定离核无限远处的电势能为零 电子从离核无限远处移到任一轨道上 都是电场力做正功 电势能减少 所以在任一轨道上 电子的电势能都是负值 而且离核越近 电势能越小 4 4 从高能级向低能级跃迁时放出光子 从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子 也可能 是由于碰撞 用加热的方法 使分子热运动加剧 分子间的相互碰撞可以传递能量 原 子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子 而从某一能级到被电离可以吸收能 量大于或等于电离能的任何频率的光子 5 5 一群氢原子处于量子数为 n 的激发态时 可能辐射出的光谱线条数为 N 6 6 玻尔模型的成功之处在于它引入了量子概念 提出了能级和跃迁的概念 能解释气体导 电时发光的机理 氢原子的线状谱 局限之处在于它过多地保留了经典理论 经典粒子 轨道等 无法解释复杂原子的光谱 7 7 现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述 8 8 光谱测量发现原子光谱是线状谱和夫兰克 赫兹实验证实了原子能量的量子化 即原子 中分立能级的存在 例例 5 1 钠金属中的电子吸收光子的能量 从金属表面逸出 这就是光电子 光电子 从金属表面逸出的过程中 其动量的大小 选填 增大 减小 或 不变 原因是 2 已知氢原子处在第一 第二激发态的能级分别为 3 40 eV 和 1 51 eV 金属钠的 截止频率为 5 53 1014 Hz 普朗克常量 h 6 63 10 34 J s 请通过计算判断 氢原子从第 二激发态跃迁到第一激发态过程中发出的光照射金属钠板 能否发生光电效应 解析 1 见答案 2 氢原子放出的光子能量 E E3 E2 代入数据得 E 1 89 eV 金属钠的逸出功 W0 h c 代入数据得 W0 2 3 eV 因为 E W0 所以不能发生光电效应 答案 1 减小 光电子受到金属表面层中力的阻碍作用 或需要克服逸出功 7 2 见解析 例例 6 如图所示为氢原子能级图 试回答下列问题 1 一群处于能级 n 4 的氢原子跃迁后可能辐射出几种频率的光子 2 通过计算判断 氢原子从能级 n 4 跃迁到能级 n 2 时辐射出的 光子的最大频率有多大 解析 解析 1 最多可能辐射出最多可能辐射出 C 6 种频率的光子 种频率的光子 2 4 2 由氢原子能级图可知 从能级由氢原子能级图可知 从能级 n 4 跃迁到能级跃迁到能级 n 2 辐射出的光子中 能量最大 辐射出的光子中 能量最大 值为值为 Emax E4 E2 2 55 eV 所以辐射的光子中最大频率为所以辐射的光子中最大频率为 max Hz Emax h 2 55 1 6 10 19 6 63 10 34 6 15 1014 Hz 九 原子核的组成九 原子核的组成 1 1 1919 年卢瑟福用 粒子轰击氮原子核发发现现质质子子即氢原子核 核反应方程 2 2 卢瑟福预想到原子内存在质量跟质子相等的不带电的中性粒子 即中中子子 查德威克经过 研究 证明 用天 射线轰击铍时 会产生一种看不见的贯穿能力很强 10 20 厘米的铅 板 的不带电粒子 用其轰击石蜡时 竟能从石蜡中打出质子 此贯穿能力极强的射线即 为设想中的中子 核反应方程 3 3 质质子子和和中中子子统统称称核核子子 原子核的电荷数等于其质子数 原子核的质量数等于其质子数与 中子数的和 具有相同质子数的原子属于同一种元素 具有相同的质子数和不同的中子数 的原子互称同位素 4 4 天天然然放放射射现现象象 贝贝克克勒勒尔尔 1 人类认识原子核有复杂结构和它的变化规律原子核有复杂结构和它的变化规律 是从天然放射现象开始的 2 1896 年贝克勒耳发现放射性 在他的建议下 玛丽 居里和皮埃尔 居里经过研究 发现了新元素钋和镭 8 3 用磁场来研究放射线的性质 图见 3 5 第 74 页 射线带正电 偏转较小 粒子就是氦原子核 贯穿本领很小 电离作用很强 使底 片感光作用很强 射线带负电 偏转较大 是高速电子流 贯穿本领很强 几毫米的 铝板 电离作用较弱 射线中电中性的 无偏转 是波长极短的电磁波 贯穿本领 最强 几厘米的铅板 电离作用很小 十 原子核的衰变十 原子核的衰变 半衰期半衰期 1 1 原原子子核核由由于于放放出出某某种种粒粒子子而而转转变变为为新新核核的的变变化化叫叫做做原原子子核核的的衰衰变变 在衰变中电荷数和质量数 都是守恒的 注意 质量并不守恒 射线是伴随伴随 射线或 射线产生的 没有单 独的 衰变 衰变 原子核原子核处于较高能级较高能级 辐射光子后跃迁到低能级 衰实质 2 2 半半衰衰期期 放射性元素的原子核有半数发生衰变原子核有半数发生衰变需要的时间 放射性元素衰变的快慢是由 核内部核内部本身的因素决定 与原子所处的物理状态或化学状态无关 它是对大量原子的统计对大量原子的统计 规律规律 N m 十一 放射性的应用与防护十一 放射性的应用与防护 放射性同位素放射性同位素 1 1 放放射射性性同同位位素素的的应应用用 a 利用它的射线 贯穿本领 电离作用 物理和化学效应 b 做示踪原子 2 2 放放射射性性同同位位素素的的防防护护 过量的射线对人体组织有破坏作用 这些破坏往往是对细胞核的 破坏 因此 在使用放射性同位素时 必须注意人身安全 同时要放射性物质对空气 水 源等的破坏 十二 核力与结合能十二 核力与结合能 质量亏损质量亏损 1 1 由由于于核核子子间间存存在在着着强强大大的的核核力力 核子之间的引力 特点 核力与核子是否带电无关 短 程力 其作用范围为 只有相邻的核子间才发生作用 所以核子结合成原子核 例 或原子核分解为核子 例 时 都伴随着巨 大的能量变化 核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量叫原子 核的结合能 亦称核能 9 2 2 我们把核子结合生成原子核 所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些 这种现象叫做质量亏损 爱因斯坦在相对论中得出物体的质量和能量间的关系式 就是著名的质能联系方程 简称质能方程 1u kg 相当于 MeV 此结论在计算中可直接应用 十三 原子核的人工转变十三 原子核的人工转变 原子核在其他粒子的轰击下产生新核的过程 称为核反应 原子核的人工转变 在核反 应中电荷数和质量数都是守恒的 举例 1 如 粒子轰击氮原子核发现质子 2 1934 年 约里奥 居里和伊丽芙 居里夫妇在用 粒子轰击铝箔时 除探测到预料 中的中子外 还探测到了正电子正电子 核反应方程 这是第一次用 人工方法得到放射性同位素 十四 重核的裂变十四 重核的裂变 轻核的聚变轻核的聚变 1 1 凡凡是是释释放放核核能能的的核核反反应应都都有有质质量量亏亏损损 核子组成不同的原子核时 平均每个核子的质量亏 损是不同的 所以各种原子核中核子的平均质量不同 核子平均质量小的 每个核子平均 放的能多 铁原子核中核子的平均质量最小 所以铁原子核最稳定 凡是由平均质量大的凡是由平均质量大的 核 生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的核 生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的 2 2 1938 年德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现重重核核裂裂变变 即一个重核在俘获一个中子后 分 裂成几个中等质量的核的反应过程 这发现为核能的利用核能的利用开辟了道路 铀核裂变的核反应方 程 3 3 由由于于中中子子的的增增殖殖使使裂裂变变反反应应能能持持续续地地进进行行的的过过程程称称为为链式式反反应应 为使其容易发生 最好使用 纯铀 235 因为原子核非常小 如果铀块的体积不够大 中子从铀块中通过时 可能还没 有碰到铀核就跑到铀块外面去了 因此存在能够发生链式反应的铀块的最小体积 即临界 体积 发生链式反应的条件是裂变物的体积大于临界体积 并有中子进入 应用有原子弹 核反 应堆 课本关于核电站不同装置的作用 10 4 4 轻轻核核结结合合成成质质量量较较大大的的核核叫叫聚聚变变 例 发生聚变的条件是 超高温 几百 万度以上 因此聚变又叫热核反应 太阳的能量产生于热核反应 可以用原子弹来引起 热核反应 应用有氢弹 可控热核反应 例例 7 7 2011 天津 下列能揭示原子具有核式结构的实验是 A 光电效应实验B 伦琴射线的发现C 粒子散射实验D 氢原子光谱的 发现 解析 物理学史 常识考查题 简单题 其中光电效应实验说明光具有粒子性 A 选 项错误 X 射线 伦琴射线 的发现是 19 世纪末 20 世纪初物理学的三大发现 X 射线 1896 年 放射线 1896 年 电子 1897 年 之一 这一发现标志着现代物理学的产生 B 选 项错误 氢原子光谱的发现解释了原子的稳定性以及原子光谱的分立特征 D 选项错误 所以选择 C 答案 C 例例8 8 20112011上海 上海 卢瑟福利用粒子轰击金箔的实验研究原子结构 正确反映实验结 果的示意图是 答案 D 例例 9 201 北京 北京 表示放射性元素碘 131 衰变的方程是 131 53 I A B 1311274 53512 ISbHe 1311310 53541 IXee C D 1311301 53530 IIn 1311301 53521 ITeH 答案 B 例例 10 碘 131 核 不稳定 会发生 衰变 其半衰变期为 8 天 碘 131 核的衰变方程 衰变后的元素用 X 表示 经过 天 75 的碘 131 核