光学热学和原子物理

专题八光学、热学和原子物理傅明峰（211500）（时间：90分钟，分值：100分）一、不定项选择题（本题共分）1．关于原子结构的认识历程，下列说法正确的有()A．汤姆生发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转确定了原子核有复杂结构C．对原子光谱的研究开辟了深入探索原子结构的道路D．玻尔原子理论无法解释较复杂原子的光谱现象，说明玻尔提出的原子定态概念是错误的2．物理学是一门以实验为基础的科学，任何学说和理论的建立都离不开实验。下面给出了几个在物理学发展史上有重要地位的物理实验，以及与之相关的物理学发展史实的说法，其中正确的是（）A．α粒子散射实验是原子核式结构理论的实验基础B．光电效应实验表明光具有波动性C．电子的发现揭示了原子不是构成物质的最小微粒D．天然放射现象的发现证实了玻尔原子理论是正确的3.下列说法正确的是（

）A.光的波粒二象性学说是由牛顿的微粒说与惠更斯的波动说组成的B.光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说C.光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量上E=h中，频率表示波的特征，E表示粒子的特征D.光波不同于宏观观念中那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波4．根据热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是()A．气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大B．物体的温度为0℃时，物体分子的平均动能为零C．分子势能一定随分子间距离的增大而增大D．给物体加热，物体的内能不一定增加5．关于气体的压强，下列说法中正确的是（）A．温度升高，气体分子的平均速率增大，气体的压强一定增大B．其它的压强等于器壁单位面积上、单位时间内所受气体分子冲量的大小C．当某一密闭容器自由下落时，容器中气体的压强将变为零D．密闭容器内的气体的压强是由大量气体分子频繁撞击器壁产生6．下列说法正确的是（）A．光的偏振现象说明光是纵波B．全息照相利用了激光相干性好的特性C．光导纤维传播光信号利用了光的全反射原理D．光的双缝干涉实验中，若仅将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变大7．一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始状态，用W1表示外界对气体做的功，用W2表示气体对外界做的功，用Q1表示气体吸收的热量，用Q2表示气体放出的热量，则整个过程中一定有()A．Q1－Q2＝W2－W1B．Q1＝Q2C．W2＝W1D．Q1＞Q2图8．某棱镜顶角θ=°，一束白光以较大的入射角从棱镜的一个侧面射入，通过棱镜后从另一个侧面射出，在光屏上形成由红到紫的彩色光带如图所示，当入射角i逐渐减小到零的过程中，彩图色光带变化情况是（）色光紫蓝绿黄橙红折射率临界角°°°°°° A．紫光最先消失，最后只剩下橙光、红光 B．紫光最先消失，最后只剩下黄光、橙光和红光 C．红光最先消失，最后只剩下紫光、靛光和蓝光D．红光最先消失，最后只剩下紫光、靛光和蓝光和绿光9．下列观点正确的是()A．用电磁波照射某原子，使它从能量为E1的基态跃迁到能量为E2的激发态，电子动能减小，势能增大，原子能量不变B．用电磁波照射某原子，使它从能量为E1的基态跃迁到能量为E2的激发态，则该电磁波的频率等于(E2－E1)/hC．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D．氢原子的核外电子从n＝4能级轨道向低能级轨道跃迁所辐射的光子的频率最多有8种10．用波长为的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是。由此可知，钨的极限频率是（普朗克常量h=·s），光速c=s，结果取两位有效数字）（）A．Ｂ．C．D．11．在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，都不同程度地含有放射性元素，有些含有铀、钍的花岗岩会释放出α、β、γ射线，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是()A．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内质量数减少2B．发生β衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内中子数减少1C．β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流D．在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱12．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的中微子(νe)而获得了2022年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615吨四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶．中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程为νe＋eq\o\al(37,17)Cl→eq\o\al(37,18)Ar＋eq\o\al(0,－1)e，已知eq\o\al(37,17)Cl核的质量为u，eq\a\vs4\al(\o\al(37,18)Ar)核的质量为u，eq\o\al(0,－1)e的质量为u，1u质量对应的能量为MeV.根据以上信息，可以判断()A．中微子不带电B．中微子就是中子\o\al(37,17)Cl和eq\o\al(37,18)Ar是同位素D．参与上述反应的中微子的最小能量约为MeV二、填空题（本题共分）13．（分）图用圆弧状玻璃砖做测定玻璃折射率的实验时，先图在白纸上放好圆弧状玻璃砖，在玻璃砖的一侧竖直插上两枚大头针P1、P2，然后在玻璃砖的另一侧观察，调整视线使P1的像被P2的像挡住，接着在眼睛所在的一侧插两枚大头针P3和P4，使P3挡住P1和P2的像，P4挡住P3以及P1和P2的像，在纸上已标出大头针位置和圆弧状玻璃砖轮廓如图所示（O为两圆弧圆心，图中已画出经过P1、P2点的入射光线）（1）在图上补画出所需的光路；（2）为了测出玻璃璃砖的折射率，需要测量入射角和折射角，请在图中的AB分界面上画出这两个角；（3）用所测物理量计算折射率的公式n=。14．(分)“用油膜法估测分子的大小”实验的方法及步骤如下：①向体积V油＝1mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝500mL；②用注射器吸取①中配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n＝100滴时，测得其体积恰好是V0＝1mL；图③先往边长为30cm～40cm的浅盘里倒入2cm深的水，然后将_______均匀地撒在水面上；图④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状；⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内小方格的个数N，小方格的边长l＝20mm.(1)步骤③中应填写：_____________________；(2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′是________mL；(3)油酸分子直径是________m.三、计算题（本题共分）15．（分）历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为MeV的质子eq\o\al(1,1)H轰击静止的eq\o\al(A,Z)X，生成两个动能均为MeV的eq\o\al(4,2)He.(1MeV＝×10－13J)(1)写出上述核反应方程；(2)质量亏损为多少kg。图16．（分）理论研究表明，微观粒子间的碰撞同样遵循动量守恒定律和能量守恒定律．现有一粒子P与静止的处于基态的氢原子发生碰撞，碰后两者的速度相同．已知粒子P的质量是氢原子质量的k倍，如图所示是氢原子能级图．问粒子P碰前的动能最少为多大时，才有可能使氢原子从基态跃迁到激发态．图17．(1)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功×105J，气体内能减少×105J，则此过程中气体________(填“吸收”或“放出”)的热量是________J．此后，保持气体压强不变，升高温度，气体对外界做了×105J的功，同时吸收了×105J的热量，则此过程中，气体内能增加了________J；(2)已知铁的摩尔质量M＝×10－2kg/mol，密度ρ＝×103kg/m3，阿伏加德罗常数NA＝×1023mol－1，求1cm3铁中含有的铁原子数．(保留两位有效数字)118．（分）如图所示，置于空气中的一不透明容器内盛满某种透明液体。容器底部靠近器壁处有一竖直放置的6．0cm长的线光源。靠近线光源一侧的液面上盖有一遮光板，另一侧有一水平放置的与液面等高的望远镜，用来观察线光源。开始时通过望远镜不能看到线光源的任何一部分。将线光源沿容器底向望远镜一侧平移至某处时，通过望远镜刚好可以看到线光源底端，再将线光源沿同一方向移动8．0cm，刚好可以看到其顶端。求此液体的折射率n。遮光板遮光板望远镜线光源图参考解答：1．C提示：卢瑟福通过α粒子散射实验设想原子内的正电荷集中在很小的核内，A错；玻尔理论有局限性，但不能说是错误的，D错；α粒子散射实验说明了原子的核式结构，故B错．只有C说法是正确的．2．AC提示：卢瑟福在α粒子散射实验得到的结论基础上提出原子核式结构理论，A对；光电效应实验表明光具有粒子性，B错；正是由于汤姆生发现电子，才否定了原子不是构成物质的最小微粒，C多；天然放射现象的发现并不是证实了玻尔原子理论是正确的，D是错误。解析：德布罗意提出的光的波粒二象性学说与17世纪牛顿的微粒说和惠更斯的波动说不同，当时他们均把光当作宏观世界中的粒子或波，且这两种观点相互对立，而现在的光的波粒二象性学说是建立麦克斯韦的光的电磁说和爱因斯坦的光子说的基础上，由光子说中提出的光子能量的计算公式E=h可知，反映粒子的特征的E与反映波动特征的相联系，故上述选项中正确的是C、D．4．AD提示：根据分子动理论，温度是物体分子平均动能大小的标志，则气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大，故选项A正确；物体的温度为0℃时，物体分子的平均动能不为零，故选项B错误；分子的势能不一定随分子间距离的增大而增大，故选项C错误；根据热力学第一定律，给物体加热，物体的内能不一定增加，故选项D也正确．5．BD提示：温度升高，气体分子的平均速率增大，但压强与温度和体积均有关，若体积也增大，则压强不一定增大，或根据eq\F(PV,T)为恒量可知，仅从温度升高，无法判定压强变化，A错；由压强的公式P＝eq\F(F,S)＝eq\F(Ft,St)，即压强等于单位时间、单位器壁面积上气体分子的平均冲量，B对；密闭容器内的气体压强是大量气体分子频繁撞击器壁产生，容器处于完全失重状态时，气体分子依然频繁撞击器壁，压强不可能为零，C错，D对。6．BC提示：光的偏振现象说明光是横波，A项错；光的双缝干涉实验中，相邻亮条纹间距，因为，红光的波长大于紫光的波长，故将入射光从红光改为紫光，则相邻亮条纹间距一定变小，D也错。7．A.提示：对一定质量的理想气体，经过一系列的状态变化后又回到原状态，表明整个过程中内能变化为零，即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消，所以A选项正确；当然，若Q1＝Q2，则必有W2＝W1；若Q1＞Q2，则必定有W2＞W1；若Q1＜Q2，则必定有W2＜W1.所以B、C、D都是不一定的，故选A。8．A提示：屏上的彩色光带最上端为红色，最下端为紫色，当入射角i减小时，光线在棱镜右侧面的入射角变大，因紫光临界角最小，所以紫光最先达到临界而发生全反射，故紫色最先在屏上消失，当入射角减小到i′=0时，仅剩下红光和橙光未达到临界角而射出，到达光屏，故选A。9．BC提示：原子的量子数越大，总能量越大，A错；由跃迁条件知B对；C是玻尔假设中的一条，正确；D项应为6种，D项错误．10．B提示：根据光电效应方程，在恰好发生光电效应时最大出动能为0，有，且，综合化简得8Hz，B正确。11．BD提示：α衰变是两个质子与两个中子作为一个整体从原子核中抛射出来，即2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He，发生α衰变时，核内质量数减少4，选项A错误；β衰变是原子核内一个中子转化成一个质子和一个电子，即eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e，发生β衰变时，核内中子数减少1，核子数不变，选项B正确而C错误；由三种射线性质可得，选项D正确．12．AD提示：在核反应中，电荷数守恒，质量数守恒，可以判断中微子所带电荷数是零，质量数是零，故A项正确，而中子的质量数是1，故B项错误；同位素是电荷数相等，质量数不等的同种元素，而eq\o\al(37,17)Cl和eq\o\al(37,18)Ar是两种不同的元素，故C项错误；由爱因斯坦质能方程得中微子的质量m＝＋－u＝u，而1u质量对应的能量为MeV，所以中微子的最小能量是E＝×MeV≈MeV，故D项正确.13．解答（1）、（2）做图如图所示iir图（3）由折射定律可得14．答案：(1)痱子粉或石膏粉；(2)2×10－5；(3)×10－10。解析：(1)为了显示单分子油膜的形状，需要在水面上撒痱子粉或石膏粉．(2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′＝eq\f(V0,n)eq\f(V油,V总)＝eq\f(1,100)×eq\f(1,500)mL＝2×10－5mL.(3)根据大于半个方格的算一个，小于半个方格的舍去，油膜形状占据的方格数大约为115个，故面积S＝115×20×20mm2＝×104油酸分子直径d＝eq\f(V′,S)＝eq\f(2×10－5×103,×104)mm≈×10－7mm＝×10－1015．答案：(1)eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)X→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He或eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)Li→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He(2)×10－29解析：(1)eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)X→eq\o\al(4,2)He＋eq\