物理3-5知識點、練習(xí)(含答案)

物理選修3-5知識點 、相關(guān)練習(xí)一、動量守恒定律1、 動量守恒定律的條件：系統(tǒng)所受的總沖量為零（不受力、所受外力的矢量和為零或外力的作用遠(yuǎn)小于系統(tǒng)內(nèi)物體間的相互作用力），即系統(tǒng)所受外力的矢量和為零。理解：內(nèi)力的沖量對系統(tǒng)動量是否守恒沒有影響，但可改變系統(tǒng)內(nèi)物體的動量。內(nèi)力的沖量是系統(tǒng)內(nèi)物體間動量傳遞的原因，而外力的沖量是改變系統(tǒng)總動量的原因。2、動量守恒定律的表達(dá)式m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/ （規(guī)定正方向） p1=p2 3、碰撞（1）完全非彈性碰撞：獲得共同速度，動能損失最多動量守恒， ；（2）彈性碰撞：動量守恒，碰撞前后動能相等；動量守恒， ；動能守恒， ； 特例1：A、B兩物體發(fā)生彈性碰撞，設(shè)碰前A初速度為v0，B靜止，則碰后速度，vB= 特例2：對于一維彈性碰撞，若兩個物體質(zhì)量相等，則碰撞后兩個物體互換速度（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1、質(zhì)量為M的木塊在光滑水平面上以速度v1向右運(yùn)動，質(zhì)量為m的子彈以速率v2水平向左射入木塊，假設(shè)子彈射入木塊后均未穿出，且在第N顆子彈射入后，木塊恰好停下來，求N的數(shù)值。解：取水平向右為正方向，對木塊與N顆子彈組成的系統(tǒng)，由動量守恒定律得：Mv1Nmv20，N。二、量子理論的建立 黑體和黑體輻射1、量子理論的建立：1900年德國物理學(xué)家普朗克提出振動著的帶電微粒的能量只能是某個最小能量值的整數(shù)倍，這個不可再分的能量值叫做能量子= h。h為普朗克常數(shù)（6.6310-34J.S）2、黑體：如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。3、黑體輻射：黑體輻射的規(guī)律為：溫度越高各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，同時，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動。（普朗克的能量子理論很好的解釋了這一現(xiàn)象）三、光電效應(yīng) 光子說 光電效應(yīng)方程 1、光電效應(yīng)（表明光子具有能量）（1）光的電磁說使光的波動理論發(fā)展到相當(dāng)完美的地步，但是它并不能解釋光電效應(yīng)的現(xiàn)象。在光（包括不可見光）的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫光電子。（實驗圖在課本）（2）光電效應(yīng)的研究結(jié)果：新教材：存在飽和電流，這表明入射光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多；存在遏止電壓： ；截止頻率：光電子的能量與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)，當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應(yīng)；效應(yīng)具有瞬時性：光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9s。2、光子說（愛因斯坦）：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為h。這些能量子被成為光子。3、光電效應(yīng)方程：EK = h- WO （掌握Ek/Uc圖象的物理意義）同時，h截止 = WO（Ek是光電子的最大初動能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）四、康普頓效應(yīng)（表明光子具有動量）1、1918-1922年康普頓（美）在研究石墨對X射線的散射時發(fā)現(xiàn)：光子在介質(zhì)中和物質(zhì)微粒相互作用，可以使光的傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫光的散射。2、在光的散射過程中，有些散射光的波長比入射光的波長略大，這種現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)。3、光子的動量： p=h/五、光的波粒二象性 物質(zhì)波 概率波 不確定關(guān)系1、光的波粒二象性：干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實表明光是一種粒子，由于光既有波動性，又有粒子性，只能認(rèn)為光具有波粒二象性。但不可把光當(dāng)成宏觀觀念中的波，也不可把光當(dāng)成宏觀觀念中的粒子。少量的光子表現(xiàn)出粒子性，大量光子運(yùn)動表現(xiàn)為波動性；光在傳播時顯示波動性，與物質(zhì)發(fā)生作用時，往往顯示粒子性；頻率小波長大的波動性顯著，頻率大波長小的粒子性顯著。（P41 電子干涉條紋對概率波的驗證）2、光子的能量E=h，光子的動量p=h/表示式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長。由以上兩式和波速公式c=還可以得出：E = p c。3、物質(zhì)波：1924年德布羅意（法）提出，實物粒子和光子一樣具有波動性，任何一個運(yùn)動著的物體都有一種與之對應(yīng)的波，波長=h / p，這種波叫物質(zhì)波，也叫德布羅意波。（P38 電子的衍射圖樣；電子顯微鏡的分辨率為何遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡）4、概率波：從光子的概念上看，光波是一種概率波。5、不確定關(guān)系： ，x表示粒子位置的不確定量，p表示粒子在x方向上的動量的不確定量。 （為何粒子位置的不確定量x越小，粒子動量的不確定量p越大，用單縫衍射進(jìn)行解釋？ P43 圖）例2.(2011廣東高考)光電效應(yīng)實驗中，下列表述正確的是()A光照時間越長光電流越大B入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流C遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)D入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子解析：光電流的大小與光照時間無關(guān)，A項錯誤；如果入射光的頻率小于金屬的極限頻率，入射光再強(qiáng)也不會發(fā)生光電效應(yīng)，B項錯誤；遏止電壓Uc，滿足eUchh0，從表達(dá)式可知，遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)，C項正確；只有當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率，才會有光電子逸出，D項正確。答案：CD例3普朗克常量h6.631034 Js，鋁的逸出功W06.721019 J，現(xiàn)用波長200 nm的光照射鋁的表面(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。求光電子的最大初動能?解析： EkhW0c/Ek3.231019 J例4 (2011福建高考)(1)愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖1所示，其中0為極限頻率。從圖中可以確定的是_。(填選項前的字母) 圖1A逸出功與有關(guān)BEkm與入射光強(qiáng)度成正比C當(dāng)0時，會逸出光電子D圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)D六、原子核式模型機(jī)構(gòu)1、1897年湯姆生（英）發(fā)現(xiàn)了電子，提出原子的棗糕模型，揭開了研究原子結(jié)構(gòu)的序幕。（誰發(fā)現(xiàn)了陰極射線？）2、1909年起英國物理學(xué)家盧瑟福做了粒子轟擊金箔的實驗，即粒子散射實驗（實驗裝置見必修本P257）得到出乎意料的結(jié)果：絕大多數(shù)粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180。（P53 圖）3、盧瑟福在1911年提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說：在原子的中心有一個很小的核 ，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。按照這個學(xué)說，可很好地解釋粒子散射實驗結(jié)果，粒子散射實驗的數(shù)據(jù)還可以估計原子核的大?。〝?shù)量級為10-15m）和原子核的正電荷數(shù)。 原子序數(shù)=核電荷數(shù)=質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù)。七、氫原子的光譜1、光譜的種類：（1）發(fā)射光譜：物質(zhì)發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜。熾熱的固體、液體及高溫高壓氣體發(fā)光產(chǎn)生連續(xù)光譜； 稀薄氣體發(fā)光產(chǎn)生線狀譜，不同元素的線狀譜線不同，又稱特征譜線。 （2）吸收光譜：連續(xù)譜線中某些頻率的光被稀薄氣體吸收后產(chǎn)生的光譜，元素能發(fā)射出何種頻率的光，就相應(yīng)能吸收何種頻率的光，因此吸收光譜也可作元素的特征譜線。2、氫原子的光譜是線狀的（這些亮線稱為原子的特征譜線），即輻射波長是分立的。3、基爾霍夫開創(chuàng)了光譜分析的方法：利用元素的特征譜線（線狀譜或吸收光譜）鑒別物質(zhì)的分析方法。八、原子的能級1、盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生矛盾（矛盾為：a、原子是不穩(wěn)定的；b、原子光譜是連續(xù)譜），1913年玻爾（丹麥）在其基礎(chǔ)上，把普朗克的量子理論運(yùn)用到原子系統(tǒng)上，提出玻爾理論。2、玻爾理論的假設(shè)：（1）原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。氫原子的各個定態(tài)的能量值，叫做它的能級。原子處于最低能級時電子在離核最近的軌道上運(yùn)動，這種定態(tài)叫做基態(tài)；原子處于較高能級時電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動的這些定態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。（2）原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為En）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為Em）時，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即 h= En - Em，（能級圖見3-5第64頁）（3）原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。3、玻爾計算公式：rn =n2 r1 , En = E1/n2 (n=1,2,3?)r1 =0.53?10-10 m , E1 = -13.6eV ,分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動時的能量。（選定離核無限遠(yuǎn)處的電勢能為零，電子從離核無限遠(yuǎn)處移到任一軌道上，都是電場力做正功，電勢能減少，所以在任一軌道上，電子的電勢能都是負(fù)值，而且離核越近，電勢能越小。）4、從高能級向低能級躍遷時放出光子；從低能級向高能級躍遷時可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加熱的方法，使分子熱運(yùn)動加劇，分子間的相互碰撞可以傳遞能量）。原子從低能級向高能級躍遷時只能吸收一定頻率的光子；而從某一能級到被電離可以吸收能量大于或等于電離能的任何頻率的光子。5、一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N= 。6、玻爾模型的成功之處在于它引入了量子概念（提出了能級和躍遷的概念，能解釋氣體導(dǎo)電時發(fā)光的機(jī)理、氫原子的線狀譜），局限之處在于它過多地保留了經(jīng)典理論（經(jīng)典粒子、軌道等），無法解釋復(fù)雜原子的光譜。 7、現(xiàn)代量子理論認(rèn)為電子的軌道只能用電子云來描述。8、光譜測量發(fā)現(xiàn)原子光譜是線狀譜和夫蘭克赫茲實驗證實了原子能量的量子化（即原子中分立能級的存在）例5 (1)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子。光電子從金屬表面逸出的過程中，其動量的大小_(選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是_。(2)已知氫原子處在第一、第二激發(fā)態(tài)的能級分別為3.40 eV和1.51 eV，金屬鈉的截止頻率為5.531014 Hz，普朗克常量h6.631034 Js。請通過計算判斷，氫原子從第二激發(fā)態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)過程中發(fā)出的光照射金屬鈉板，能否發(fā)生光電效應(yīng)。解析：(1)見答案。(2)氫原子放出的光子能量EE3E2，代入數(shù)據(jù)得E1.89 eV金屬鈉的逸出功W0hc，代入數(shù)據(jù)得W02.3 eV因為EW0，所以不能發(fā)生光電效應(yīng)。答案：(1)減小光電子受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)(2)見解析例6如圖所示為氫原子能級圖，試回答下列問題：(1)一群處于能級n4的氫原子躍遷后可能輻射出幾種頻率的光子？(2)通過計算判斷：氫原子從能級n4躍遷到能級n2時輻射出的光子的最大頻率有多大？解析：(1)最多可能輻射出C6種頻率的光子。(2)由氫原子能級圖可知，從能級n4躍遷到能級n2，輻射出的光子中，能量最大值為EmaxE4E22.55 eV所以輻射的光子中最大頻率為maxHz6.151014 Hz。九、原子核的組成1、1919年盧瑟福用粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子即氫原子核。核反應(yīng)方程_。2、盧瑟福預(yù)想到原子內(nèi)存在質(zhì)量跟質(zhì)子相等的不帶電的中性粒子，即中子。查德威克經(jīng)過研究，證明：用天射線轟擊鈹時，會產(chǎn)生一種看不見的貫穿能力很強(qiáng)（10-20厘米的鉛板）的不帶電粒子，用其轟擊石蠟時，竟能從石蠟中打出質(zhì)子，此貫穿能力極強(qiáng)的射線即為設(shè)想中的中子。核反應(yīng)方程_ _。3、質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的和。具有相同質(zhì)子數(shù)的原子屬于同一種元素；具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的原子互稱同位素。4、天然放射現(xiàn)象（貝克勒爾）（1）人類認(rèn)識原子核有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和它的變化規(guī)律，是從天然放射現(xiàn)象開始的。（2）1896年貝克勒耳發(fā)現(xiàn)放射性，在他的建議下，瑪麗居里和皮埃爾居里經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)了新元素釙和鐳。（3）用磁場來研究放射線的性質(zhì)（圖見3-5第74頁）：射線帶正電，偏轉(zhuǎn)較小，粒子就是氦原子核，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用很強(qiáng)，使底片感光作用很強(qiáng)；射線帶負(fù)電，偏轉(zhuǎn)較大，是高速電子流，貫穿本領(lǐng)很強(qiáng)（幾毫米的鋁板），電離作用較弱；射線中電中性的，無偏轉(zhuǎn)，是波長極短的電磁波，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)（幾厘米的鉛板），電離作用很小。 十、原子核的衰變 半衰期1、原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓凶鲈雍说乃プ儭Ｔ谒プ冎须姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)都是守恒的（注意：質(zhì)量并不守恒。）。射線是伴隨射線或射線產(chǎn)生的，沒有單獨的衰變（衰變：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級。）衰實質(zhì) 。2、半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間。放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部本身的因素決定，與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，它是對大量原子的統(tǒng)計規(guī)律。N= ， m= 。十一、放射性的應(yīng)用與防護(hù) 放射性同位素1、放射性同位素的應(yīng)用：a、利用它的射線（貫穿本領(lǐng)、電離作用、物理和化學(xué)效應(yīng)）；b、做示蹤原子。2、放射性同位素的防護(hù)：過量的射線對人體組織有破壞作用，這些破壞往往是對細(xì)胞核的破壞，因此，在使用放射性同位素時，必須注意人身安全，同時要放射性物質(zhì)對空氣、水源等的破壞。十二、核力與結(jié)合能 質(zhì)量虧損1、由于核子間存在著強(qiáng)大的核力（核子之間的引力，特點：核力與核子是否帶電無關(guān)短程力，其作用范圍為，只有相鄰的核子間才發(fā)生作用），所以核子結(jié)合成原子核（例_）或原子核分解為核子（例_ _）時，都伴隨著巨大的能量變化。核子結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量叫原子核的結(jié)合能，亦稱核能。2、我們把核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。愛因斯坦在相對論中得出物體的質(zhì)量和能量間的關(guān)系式_，就是著名的質(zhì)能聯(lián)系方程，簡稱質(zhì)能方程。 1u=_kg 相當(dāng)于_MeV （此結(jié)論在計算中可直接應(yīng)用）。十三、原子核的人工轉(zhuǎn)變原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新核的過程，稱為核反應(yīng)（原子核的人工轉(zhuǎn)變）。在核反應(yīng)中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都是守恒的。 舉例：（1）如粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)質(zhì)子；（2）1934年，約里奧居里和伊麗芙居里夫婦在用粒子轟擊鋁箔時，除探測到預(yù)料中的中子外，還探測到了正電子。核反應(yīng)方程_ _這是第一次用人工方法得到放射性同位素。十四、重核的裂變 輕核的聚變1、凡是釋放核能的核反應(yīng)都有質(zhì)量虧損。核子組成不同的原子核時，平均每個核子的質(zhì)量虧損是不同的，所以各種原子核中核子的平均質(zhì)量不同。核子平均質(zhì)量小的，每個核子平均放的能多。鐵原子核中核子的平均質(zhì)量最小，所以鐵原子核最穩(wěn)定。凡是由平均質(zhì)量大的核，生成平均質(zhì)量小的核的核反應(yīng)都是釋放核能的。2、1938年德國化學(xué)家哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)重核裂變，即一個重核在俘獲一個中子后，分裂成幾個中等質(zhì)量的核的反應(yīng)過程,這發(fā)現(xiàn)為核能的利用開辟了道路。鈾核裂變的核反應(yīng)方程_ _。3、由于中子的增殖使裂變反應(yīng)能持續(xù)地進(jìn)行的過程稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為使其容易發(fā)生，最好使用純鈾235。因為原子核非常小，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時，可能還沒有碰到鈾核就跑到鈾塊外面去了，因此存在能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積，即臨界體積。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是裂變物的體積大于臨界體積，并有中子進(jìn)入。應(yīng)用有原子彈、核反應(yīng)堆。（課本關(guān)于核電站不同裝置的作用）4、輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核叫聚變。（例： _）發(fā)生聚變的條件是：超高溫（幾百萬度以上），因此聚變又叫熱核反應(yīng)。 太陽的能量產(chǎn)生于熱核反應(yīng)?？梢杂迷訌梺硪馃岷朔磻?yīng)。應(yīng)用有氫彈、可控?zé)岷朔磻?yīng)。例7、（2011天津）下列能揭示原子具有核式結(jié)構(gòu)的實驗是A光電效應(yīng)實驗B倫琴射線的發(fā)現(xiàn)C粒子散射實驗D氫原子光譜的發(fā)現(xiàn)【解析】：物理學(xué)史、常識考查題，簡單題，其中光電效應(yīng)實驗說明光具有粒子性，A選項錯誤；X射線（倫琴射線）的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生，B選項錯誤；氫原子光譜的發(fā)現(xiàn)解釋了原子的穩(wěn)定性以及原子光譜的分立特征，D選項錯誤；所以選擇C?！敬鸢浮浚篊例8、（2011上海）盧瑟福利用粒子轟擊金箔的實驗研究原子結(jié)構(gòu)，正確反映實驗結(jié)果的示意圖是答案：D例9（201北京）表示放射性元素碘131（）衰變的方程是（ ）A B C D答案：B例10