2013年高考物理复习七(热、光、核物理、振动和波).pdf
高考物理知识复习（七） - 热、光、核物理、振动和波 1、光学：美国迈克耳逊用旋转棱镜法较准确的测出了光 速， 反射定律 (物像关于镜面对称)；由偏折程度直接判断各色光的 n 折射定律 介 空 介 sinC 90sin sin sin n o v Ci 光学中的一个现象一串结论 色散现象n v (波动性 ) 衍射C临干涉间距 ( 粒子性 ) E光子 光电效应 红 黄 紫 小 大 大 小 大 (明显 ) 小 ( 不明显 ) 容易 难 小 大 大 小 小( 不明显 ) 大( 明显 ) 小 大 难 易 结论： (1)折射率 n、 ； (2)全反射的临界角C； (3)同一介质中的传播速率v； (4)在平行玻璃块的侧移x (5)光的频率,频率大 ,粒子性明显 .； (6)光子的能量E=h则光子的能量越大。越容易产生光电效应现象 (7)在真空中光的波长,波长大波动性显著； (8)在相同的情况下，双缝干涉条纹间距x 越来越窄 (9)在相同的情况下，衍射现象越来越不明显 全反射的条件：光密到光疏；入射角等于或大于临界角 全反射现象：让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到直边上,可以看到一部分光线从玻璃直边上折射到 空气中 ,一部分光线反射回玻璃砖内.逐渐增大光的入射角,将会看到折射光线远离法线,且越来越弱 .反射光 越来越强 ,当入射角增大到某一角度C 临时,折射角达到90 0,即是折射光线完全消失 ,只剩下反射回玻璃中的 光线 .这种现象叫全反射现象.折射角变为90 0 时的入射角叫临界角 应用 : 光纤通信 (玻璃 sio 2) 内窥镜 海市蜃楼沙膜蜃景炎热夏天柏油路面上的蜃景 水中或玻璃中的气泡看起来很亮. 理解：同种材料对不同色光折射率不同；同一色光在不同介质中折射率不同。 几个结论： 1 紧靠点光源向对面墙平抛的物体，在对面墙上的影子的运动是匀速运动。 2、两相互正交的平面镜构成反射器,任何方向射入某一镜面的光线经两次反射后一定与原入射方向平行反向。 3、光线由真空射入折射率为n的介质时，如果入射角满足tg=n，则反射光线和折射光线一定垂直。 4、由水面上看水下光源时，视深ndd/'；若由水面下看水上物体时，视高ndd '。 5、光线以入射角i 斜射入一块两面平行的折射率为n、厚度为 h 的玻璃砖后， 出射光线仍与入射光线平行， 但存在侧移量) sin cos 1(dsinx 22 in i i两反射光间距 i i 22 ' sin-n dsin2 x 双缝干涉 : 条件 f 相同，相位差恒定( 即是两光的振动步调完全一致) 当其反相时又如何? 亮条纹位置 : Sn；暗条纹位置 : 2 1)(2n S （n0,1,2,3,、 、 、 ） ； 条纹间距： 1)-L(n da L xd 1-n a d L X (S : 路程差 (光程差 )；d 两条狭缝间的距离；L：挡板与屏间的距离) 测出 n 条亮条纹间的距离a 薄膜干涉 :由膜的前后两表面反射的两列光叠加，实例：肥皂膜、空气膜、油膜、牛顿环、光器件增透膜 (厚度是绿光在薄膜中波长的1/4, 即增透膜厚度d /4) 衍射 :现象 ,条件单缝圆孔 柏松亮斑 (来历 ) 任何物体都能使光发生衍射致使轮廓模糊 三种圆环区别：单孔衍射( 泊松亮斑 ) 中间明而亮 ,周围对称排列亮度减弱,条纹宽变窄的条纹 空气膜干涉环间隔间距等亮度的干涉条纹 牛顿环内疏外密的干涉条纹 干涉、衍射、多普勒效应(太阳光谱红移宇宙在膨胀 )、偏振都是波的特有现象,证明光具 有波动性；衍射表明了光的直线传播只有一种近似规律；说明任何物理规律都受一定的条件限制的. （ 1）光的电磁说麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是 一种电磁波这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。 电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射 线、 射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。 无线电波红外线可见光紫外线X 射线射线 组成频率波波长：大小波动性：明显不明显 频率：小大粒子性：不明显明显 产生机理在振荡电路中， 自 由 电 子作 周 期性运动产生 原子的外层电子受到激发产生的 原子的内层电 子受到激发后 产生的 原子核受到激 发后产生的 红外线、紫外线、X 射线的主要性质及其应用举例。 种类产生主要性质应用举例 红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热 紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2 X 射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤 实验证明： 物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长m和物体温度T 之间满足关系m T = b （b 为常数）。 可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可根据接收恒星发出的光的频率，分析其表面温度。 (2) 光五种学说：原始微粒说 ( 牛顿 ), 波动学说 (惠更斯 ), 电磁学说 ( 麦克斯韦 ), 光子说 (爱因斯坦 ), 波粒两相性学说(德布罗意波 )概率波 氢原子的能级图 n E/eV 0 1 -13.6 2 -3.4 3 -1.51 4 -0.85 E1 E2 E3 各种电磁波产生的机理,特性和应用 ,光的偏振现象说明光波是横波,也证明光的波动性. 激光的产生特点应用(单色性 ,方向性好 ,亮度高 ,相干性好 ) 光电效应实验装置,现象 ,所得出的规律 ( 四) 爱因斯坦提出光子学说的背景 爱因斯坦光电效应方程：mVm 2 /2 hf W0一个光子的能量E hf ( 决定了能否发生光电效应) (3) 光电效应规律:实验装置、现象、总结出四个规律 任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个 极限频率的光不能产生光电效应。 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。 入射光照到金属上时，光子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10 -9 s 当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比。 (4) 康普顿效应(石墨中的电子对x 射线的散射现象)这两个实验都证明光具粒子性光波粒二象性 : ?情况体现波动性( 大量光子 ,转播时 ,大 ), ?粒子性光波是概率波(物质波 ) 任何运动物体都有与之对应 (这种波称为德布罗意波) 2、原子、原子核知识归类 整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子 (电子、质子、中子、正电 子、粒子、光子 )；四变 (衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程 (核反应方程、质能方程)。 4 条守恒定律 (电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。 1.汤姆生模型 (枣糕模型 )汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。从而打开原子的大门. 2.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）卢瑟福粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说 粒子散射实验是用粒子轰击金箔， 实验现象： 结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来 的方向前进 ,但是有少数粒子发生了较大的偏转.这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。 卢瑟福由粒子散射实验提出：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空间运动。 由粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。 而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾原子是否稳定,其发出的光谱是否连续 3.玻尔模型 (引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数 )玻尔补充三条假设 定态 - 原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态 ), 电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量.。 ( 本假设是针对原子稳定性提出的) 跃迁 - 原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射 ( 或吸收 )一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定) ( 本假设针对线状谱提出) 能量和轨道量子化- 定态不连续 ,能量和轨道也不连续;( 即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的,因此电子的可能轨道分布也是不连续的) (针对原子核式模型提出，是能级假设的补充) 光子的发射与吸收(特别注意跃迁条件): 原子发生定态跃迁时,要 辐射 (吸收 )一定频率的光子:hf E初-E 末 轨道量子化rn=n 2 r1r1=0.53×10 -10m 能量量子 化： 2 1 n E E n E1=-13.6eV 原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h =Em-En 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。 （如在基态， 可以吸收E 13.6eV 的任何光子， 所吸收的能量除用于电 离外，都转化为电离出去的电子的动能）。 玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成 功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、 库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。 氢原子的激发态和基态的能量(最小 )与核外电子轨道半径间的关系是:En=E1/n2，rn=n2r1， 其中E1=13.6eV, r1=5.3×10 10 m, (大量 )处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式共有C 2 n =n (n1)/2种 E51=13.06 E41=12.75 E31=12.09 E21=10.2；(有规律可依 ) E52=2.86 E42=2.55 E32=1.89；E53=0.97 E43=0.66；E54=0.31 氢原子在n能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK。(类似于卫星模型) 由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的2 倍，故总能量 (负值 )降低。 量子数 天然放射现象 1.天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。 核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始 衰变 (用电磁场研究 )： 2.各种放射线的性质比较 种类本质质量（u ）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性 射线氦核 4 +2 0.1 最强最弱，纸能挡住 射线电子 1/1840 -1 0.99 较强较强，穿几mm铝板 射线光子 0 0 1 最弱最强，穿几cm 铅版 三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较： 四种核反应类型 (衰变 ,人工核转变 ,重核裂变 ,轻核骤变 ) 衰变：衰变： e 4 2 234 90 238 92 HThU(实质：核内Hen2H2 4 2 1 0 1 1 )衰变形成外切 (同方向旋 )， 衰变：ePaTh 0 1 234 91 234 90 (实质：核内的中子转变成了质子和中子eHn 0 1 1 1 1 0 ) 衰变形成内切 (相反方向旋 )，且大圆为、粒子径迹。 + 衰变：eSiP 0 1 30 14 30 15 （核内enH 0 1 1 0 1 1 ） 衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。 人工转变： HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 (发现质子的核反应)(卢瑟福 )用粒子轰击氮核 ,并预言中子的存在 nCHeBe 1 0 12 6 4 2 9 4 (发现中子的核反应)(查德威克 )钋产生的射线轰击铍 nPHeAl 1 0 30 15 4 2 27 13 (人工制造放射性同位素) 正电子的发现 (约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)粒子轰击铝箔 重核的裂变：n3KrBanU 1 0 92 36 141 56 1 0 235 92 在一定条件下 (超过临界体积 )，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。 轻核的聚变：nHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 （需要几百万度高温，所以又叫热核反应） 所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。） 2.半衰期 TVEEEn kp eSiP 0 1 30 14 30 15 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规 律）计 算式 为： T t t NN 2 1 0 N 表示 核的 个数， 此式 也可 以演 变成 T t t mm 2 1 0 或 T t t nn 2 1 0 ，式中m 表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数。以上 各式左边的量都表示时间t 后的剩余量。 半衰期 (由核内部本身的因素决定,与物理和化学状态无关)、同位素等重要概念放射性标志 3.放射性同位素的应用 利用其射线：射线电离性强 ,用于使空气电离,将静电泄出 ,从而消除有害静电。射线贯穿性强 ,可用于 金属探伤 ,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA 发生突变 ,可用于生物工程，基因工程。 作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。 进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。 一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短， 废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。 重要的物理现象或史实跟相应的科学家 3、机械振动、机械波 ： 基本的概念，简谐运动中的力学运动学条件及位移，回复力，振幅，周期，频率及在一次全振动过程中各 物理量的变化规律。 简谐振动：回复力：F = 一 KX 加速度：a=一 KX/m 单摆：T= 2 L g (与摆球质量 ,振幅无关 ) 弹簧振子 T= 2 m K (与振子质量有关 ,与振幅无关 ) 等效摆长、等效的重力加速度影响重力加速度有： 纬度 ,离地面高度 在不同星球上不同,与万有引力圆周运动规律（或其它运动规律）结合考查 系统的状态 (超、失重情况 ) 单摆的等时性伽利略单摆的周期公式惠更斯 电流的磁效应奥斯特电磁感应定律法拉第 首先用电场线描述电场法拉第电子电量的测定密立根 分子电流假说安培预言了电磁波的存在麦克斯韦 建立了电磁场理论麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在赫兹 光的微粒说牛顿光的波动说惠更斯 光的电磁说麦克斯韦光的干涉现象杨氏 电子的发现汤姆生中子的发现查德威克 质子的发现卢瑟福人工放射性同位素发现小居里夫妇 粒子散射实验卢瑟福圆满解释氢光谱玻尔 原子的核式结构模型卢瑟福天然放射性的发现贝克勒耳 光电效应规律光子说爱因斯坦质能方程爱因斯坦 相对论爱因斯坦 所处的物理环境有关,有电磁场时的情况 静止于平衡位置时等于摆线张力与球质量的比值 注意等效单摆 (即是受力环境与单摆的情况相同) T=2 g L g= 2 2 T L4 应 用 ： T1=2 g L O g L-L 2T O 2 2 2 2 1 2 T-T L4 g 沿光滑弦 cda 下滑时间 t1=toa= g R 2 g R2 沿 cde圆弧下滑 t2或弧中点下滑t3： g R 2g R 4 2 4 T tt 32 共振的现象、条件、防止和应用 机械波 :基本概念 ,形成条件、 特点：传播的是振动形式和能量,介质的各质点只在平衡位置附近振动并不随波迁移。 各质点都作受迫振动，起振方向与振源的起振方向相同，离源近的点先振动， 没波传播方向上两点的起振时间差=波在这段距离内传播的时间波源振几个周期波就向外传几个波长 波长的说法：两个相邻的在振动过程中对平衡位置“位移”总相等的质点间的距离 一个周期内波传播的距离两相邻的波峰 (或谷 )间的距离 过波上任意一个振动点作横轴平行线，该点与平行线和波的图象的第二个交点之间的距离为一个波长 波从一种介质传播到另一种介质,频率不改变 , 波长、波速、频率的关系：V= f = T (适用于一切波 ) 波速与振动速度的区别波动与振动的区别： 研究的对象：振动是一个点随时间的变化规律，波动是大量点在同一时刻的群体表现， 图象特点和意义联系： 波的传播方向质点的振动方向（同侧法、带动法、上下波法、平移法） 知波速和波形画经过（t）后的波形（特殊点画法和去整留零法） 波的几种特有现象：叠加、干涉、衍射、多普勒效应，知现象及产生条件 电磁波：LC 振荡电路：产生高频率的交变电流. T 2 LC 电场能电场线密度电场强度E电容器极板间电压u电容器带电量q 磁场能磁感线密度磁感强度B线圈中电流 i (2)电磁振荡的产生过程 放电过程：在放电过程中，q、 u、 E 电场能 i、 B、 E磁场能，电容器的电场能逐渐转变成 线圈的磁场能。放电结束时，q=0， E电场能=0，i 最大， E磁场能最大，电场能完全转化成磁场能。 充电过程：在充电过程中，q、 u、 E 电场能 I、 B、 E磁场能，线圈的磁场能向电容器的电 场能转化。充电结束时，q、E电场能增为最大， i、E磁场能均减小到零，磁场能向电场能转化结束。 反向放电过程: q、u、E电场能 i、B、 E磁场能，电容器的电场能转化为线圈的磁场能。放 电结束时， q=0， E电场能=0，i 最大， E磁场能最大，电场能向磁场能转化结束。 反向充电过程: q、 u、 E电场能 i、 B、 E磁场能,线圈的磁场能向电容器的电场能转化。充 电结束时， q、E电场能增为最大， i、E磁场能均减小到零 ,磁场能向电场能转化结束。 q=Qmi=0 C L + + + + C L q=0 i=Im + + + + q=Qmi=0 C L 充 电 q i 放电 qi 充 电 q i 一 个 周 期 性 变 化 放电 qi C L q=0 i=Im 麦克斯韦的电磁场理论： 变化的磁场产生电场:均匀变化的磁场将产生恒定的电场，周期性变化的磁场将产生同频率周期性变化的电场。 变化的电场产生磁场:均匀变化的电场将产生恒定的磁场,周期性变化的电场将产生同频率周期性变化的磁场。 发射电磁波的条件频率要有足够高。振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间,采用开放电路 . 特点：(1)电磁波是横波。 (2)三个特征量的关系v/T f (3)电磁波可以在真空中传播,向周围空间传播电磁能,能发生反射 ,折射 ,干涉和衍射。 无线电波的发射：LC 振荡器电路产生的高频振荡电流通过L2与 L1的互感作用，使L1也产 生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射。 调制要传递的信号附加到高频等幅振荡电流上的过程叫调制。两种方式：调幅和调频 a调幅使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅。(AM) 中波和短波的波段 b调频使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频。(FM) 和电视广播，微波中的甚高频 (VHF) 和超高频 (UHF) 波段。 电波的接收 (1)电谐振选台。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收 电路中产生的振荡电流最强这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振。 (2)检波由调谐电路接收到的感应电流,是经过调制的高频振荡电流,还不是所需要的信号。 还必须从高 频振荡电流中 “检”出声音或图象信号,从接收到的高频振荡中“检”出所携带的信号 ,叫做检波。 也叫解调。 下图中 L2、D、C2和耳机共同组成检波电路。检波之后的信号再经过放大重现我们就可以听到或看到了。 (如上图 ) 4、热学 1分子动理论： 物质由大量分子组成，(直径数量级，直径数量级10-10m 埃 A 10-9m 纳米 nm， 单分子油膜法dV/S) mol A M N m m o l A V N v NA是联系宏观世界和微观世界的桥梁 分子永不停息做无规则的热运动(扩散、布朗运动是固体小颗粒的无规则运动,它能反映出液体分子的运动) 分子间存在相互作用力， （注意：引力和斥力同时存在，都随距离的增大而减小，但斥力变化得快。 分子力是指引力和斥力的合力。） 热点 ：由 r 的变化讨论分子力、分子动能、分子势能的变化 2物体的内能：决定于物质的量、T 、 v（对于理想气体，认为没有势能，其内能只与温度有关） 一切物体都 有内能 (由微观分子动能和势能决定而机械能由宏观运动快慢和位置决定) 、 有惯性 、有固有频率 、都能辐射红外线、都能对光发生衍射现象、对金属都具有极限频率、 对任何运动物体都有波长与之对应（德布罗意波长） 内能的改变方式：做功（转化）外对其做功；热传递（转移）吸收热量注意（符合法则） 热量只能自发地从高温到低温物体，低到高也可以，但要引起其它变化（热的第二定律） 3热力学三大定律：第一、第二类永动机是怎样的机器？ 热力学第一定律：EW+Q能的转化守恒定律第一类永动机不可能制成. 符号法则：体积增大 ,气体对外做功 ,W 为“一”；体积减小 ,外界对气体做功,W 为“ +” 。 气体从外界吸热 ,Q为“+”；气体对外界放热,Q 为“一”。 温度升高 ,内能增量E 是取“ +” ；温度降低 ,内能减少，E 取“一”。 三种特殊情况：(1) 等温变化E=0，即W+Q=0 (2) 绝热膨胀或压缩：Q=0 即 W=E （3）等容变化：W=0 ，Q= E 热学第二定律（1 ）第二类永动机不可能制成 实质 :涉及热现象 ( 自然界中 ) 的宏观过程都具有方向性,是不可逆的 （2）热传递方向表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其它变化(热传导有方向性) （3 ）机械能与内能转化表述： 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其它变化(机械能与内能转化具有方向性)。 热力学第三定律：热力学零度不可达到。T=t+273.15 气体压强：宏观 F P S 微观：分子频繁撞击 一定质量的理想气体状态方程： 公式： T PV =恒量或 2 22 1 11 T VP T VP
