原子和原子核

第十五章原子和原子核●考点指要知识点要求程度1.α粒子散射实验.原子的核式结构.Ⅰ2.氢原子的能级结构.Ⅱ3.氢原子的电子云.光子的发射和吸收.Ⅰ4.天然放射现象.α射线、β射线、γ射线.半衰期.Ⅰ5.原子核的人工转变.原子核的组成.核反应方程，放射性同位素及其应用.Ⅰ6.放射性污染和防护.Ⅰ7.核能、质量亏损.爱因斯坦的质能方程.Ⅱ8.核反应堆.核电站.Ⅰ9.重核的裂变.链式反应.轻核的聚变.Ⅰ10.可控热核反应.Ⅰ●复习导航本章以人们认识微观世界的过程为线索，介绍了历史上著名的实验及根据实验得出的关于原子结构和原子核组成的基础知识.高考对该部分知识要求较低，但每年均有试题涉及.其中以原子能级、核反应方程和质能方程等命题频率较高.其次对物理学史、著名实验和重要的物理学理论等，近几年高考中也时有出现.其他知识点，试题呈交替出现情况.因此，对本章的复习应注意既突出重点，又不丢细节.本章知识分成两个单元组织复习：(Ⅰ)原子结构.能级;(Ⅱ)原子核反应.核能.第Ⅰ单元原子结构·能级●知识聚焦一、原子的核式结构1.α粒子散射现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进，少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°.2.原子的核式结构卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析，于1911年提出了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，原子的全部正电荷和几乎所有的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.原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数.原子的半径大约是10-10m，原子核的大小约为10-15m～10-14m.二、玻尔的原子模型1.玻尔假说提出的背景：经典电磁理论在解释原子结构时碰上了无法克服的困难，原子为什么是稳定的？原子光谱为什么不是连续光谱？玻尔假说的贡献，就是成功解释了经典理论无法解释的这些问题.玻尔假说的核心，是引入了量子化理论，从而找到了描绘微观世界的一条重要规律.2.玻尔假说的内容：(1)轨道量子化：原子核外电子的可能轨道是某些分立的数值.(2)能量状态量子化；原子只能处于与轨道量子化对应的不连续的能量状态中，在这些状态中，原子是稳定的，不辐射能量.(3)跃迁假说：原子从一种能级向另一种能级跃迁时，吸收（或辐射）一定频率的光子，光子能量E=hν=E2-E1.三、氢原子能级氢原子在各个能量状态下的能量值，叫做它的能级.最低的能级状态，即电子在离原子核最近的轨道上运动的状态叫做基态，处于基态的原子最稳定.其他能级叫激发态.四、原子光谱及应用1.原子光谱：元素在稀薄气体状态下的光谱是分立的线状谱，由一些特定频率的波组成，又叫原子光谱.2.原子光谱的应用：每种元素的原子光谱都有自己的一组特定谱线，应用光谱分析可以确定物质成分.五、电子云玻尔模型引入了量子化观点，但不完善.在量子力学中，核外电子并没有确定的轨道，玻尔的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的地方.把电子的概率分布用图象表示时，用小黑点的稠密程度代表概率的大小，其结果如同电子在原子核周围形成云雾，称为“电子云”.●疑难辨析1.氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和.由En＝和E1＝eV可知，氢原子各定态的能量值均为负值.因此，不能根据氢原子的能级公式En＝得出氢原子各定态能量与n2成反比的错误结论.2.原子的跃迁条件：hν＝E初－E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用而使原子电离，则不受此条件的限制.如基态氢原子的电离能为eV，只要大于或等于eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大.3.原子处于激发态是不稳定的，会自发地向基态或其他较低能级跃迁.由于这种自发跃迁的随机性，一个原子会有多种可能的跃迁.若是一群原子处于激发态，则各种可能跃迁都会发生，所以我们会同时得到该种原子的全部光谱线.●典例剖析［例1］在α粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中，下列的哪些说法是正确的A.α粒子一直受到金原子核的斥力作用 B.α粒子的动能不断减小C.α粒子的电势能不断增大 D.α粒子发生散射，是与电子碰撞的结果【解析】α粒子一直受到原子核的斥力作用，动能先减小后增大，电势能先增大后减小.α粒子的质量M远大于电子质量mｅ（M＝4×1837me)，与电子相碰后运动状态基本保持不变.所以，应选答案A.【思考】(1)只有很少的一部分α粒子发生大角度散射的事实，说明了原子具有什么样的结构?(2)图15—1—1为该实验中金原子核和两个α粒子的径迹，哪幅图是正确的?图15—1—1(3)若将实验中的金箔改为铝箔，而其他条件不变，α粒子的散射角如何变化?【思考提示】（1）原子有一个很小的核.（2）A图正确.（3）同等情况的α粒子的散射角将变小.【设计意图】通过本例说明α粒子的散射规律.(1)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线.(2)计算这几条光谱线中最长的波长.图15—1—2【解析】(1)由于这群氢原子的自发跃迁辐射，会得到三条光谱线，如能级图15图15—1—2(2)三条光谱线中波长最长的光子能量最小，发生跃迁的两个能级的能量差最小，根据氢原子能级的分布规律可知，氢原子一定是从n=3的能级跃迁到n=2的能级.设波长为λ，由ｈ＝E3－E2得λ＝m＝×10-7m【说明】(1)原子物理中的计算问题数据较为冗繁，运算很易出错.这里的计算问题在高考题中一般是以填空题的形式出现.所以在运算中一定既要细心又要有耐心才行，不然就可能因为最后结果有误而前功尽弃.(2)注意公式中各量的单位，计算频率、波长时，能量单位“电子伏(eV)”要化成“焦(J)”.【设计意图】通过本例说明氢原子能级及利用该能级计算氢原子从一能级跃迁到另一能级时吸收或放出光子的能量、频率、波长的方法.●反馈练习★夯实基础1.对α粒子散射实验装置的描述①主要实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜②金箔的厚薄对实验无影响③如果改用铝箔就不能发生散射现象④实验装置放在真空中以上说法正确的是A.①② B.③④ C.①④ D.②③【解析】α粒子散射实验是指用α粒子轰击很薄的金箔（或铝箔）物质层，通过观察α粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息.为准确观察α粒子偏转情况，荧光屏和显微镜能够围绕金箔转动，且整个装置放在真空容器中.【答案】C2.在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是A.原子的绝大部分质量和全部正电荷集中在一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处在一系列不连续的能量状态中【解析】由于原子的全部正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上，当α粒子穿过原子时，接近或正碰原子核的机会极少，所以只能有少数的α粒子发生大角度偏转.【答案】A3.氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是A.电子绕核旋转的半径增大 B.电子的动能减少C.氢原子的电势能增大 D.氢原子的能级减小【解析】氢原子辐射出一个光子是由绕核运转的电子由外层轨道向内层轨道跃迁产生的，即由高能级向低能级跃迁产生的，故A、C错D对.由ke2/rn2＝mvn2/rn得：Ekn=mvn2=ke2/2rn，B错.【答案】D4.氢原子从第4能级跃迁到第2能级发出蓝光，那么，当氢原子从第5能级跃迁到第2能级应发出A.Ｘ射线 B.红光 C.黄光 D.紫光【解析】由于E5－E2＞E4－E2，所以该光子的能量比蓝光的大.【答案】D图15—1—35.氢原子能级图的一部分如图15—1—3所示，a、b、c分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和λa、λb图15—1—3①λb=λa+λc②③λb=λa·λc④Eb=Ea+Ec以上关系正确的是A.①③ B.②④ C.只有① D.③④【解析】由玻尔理论知，Eb=Ea+Ec,又因为h得，.故②④对，选B.【答案】B6.用经典的电磁理论解释卢瑟福的原子核式结构，会产生的错误结论是：(1)_________，(2)_______.【答案】（1）原子应是不稳定的（2）原子光谱应为连续光谱★提升能力7.玻尔模型给出氢原子核外电子的两个可能轨道的半径之比为r1∶r2＝1∶4，则两轨道上电子的周期之比T1∶T2＝______，线速度大小之比为______.【解析】电子绕核运动时应有k·r ①k ②由①式可得T1∶T2＝1∶8，由②式可得v1∶v2=2∶1【答案】1∶82∶18.欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是①用eV的光子照射②用11eV的光子照射③用14eV的光子照射④用11eV的电子碰撞A.①② B.②③ C.①③④ D.②③④【解析】由原子的跃迁条件知①对，基本氢原子的电离能为eV，只要大于或等于eV的光子都能被氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子能量越大，原子电离后的自由电子的动能越大，故③对.对于入射粒子和原子碰撞情况，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，也可以使原子受激发而向较高能级跃迁，故④对,应选C.【答案】C9.已知钠的极限频率为×1014Hz，今用一群处于n＝4的激发态的氢原子的发射光谱照射钠，试通过计算说明，氢光谱中有几条谱线可使钠发生光电效应?【解析】钠的逸出功W=hν=×10-34××1014J=eV氢原子n=1至n=4的能级：n=1,E1＝－eVn=2,E2＝＝eVn=3,E3＝＝eVn=4,E4＝＝eV由n=4，跃迁到n=1放出的光子的能量E4,1＝－eV－（－）eV＝eV＞eV同理，E3,1＝－eV－（－）eV＝eV＞eVE2,1＝－eV－（－）eV＝eV＞eVE4,2＝－eV－（－）eV＝eV＞eVE3,2＝－eV－（－）eV＝eV＜eVE4,3＝－eV－（－）eV＝eV＜eV所以，处于n=4的激发态的氢原子的光谱中，只有E4,1、E3,1、E2,1、E4,2四条谱线可使钠发生光电效应.【答案】有四条谱线可使钠发生光电效应第Ⅱ单元原子核反应·核能●知识聚焦核反应虽然有成千上万，但是根据其特点可分为四种基本类型：衰变、人工转变、轻核聚变和重核裂变.一、衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变.放射性元素衰变时放出的射线共有三种：α射线、β射线和γ射线，其射线的本质和性质如下表：种类本质电离本领穿透本领α射线He最强最弱(空气中几厘米或一张薄纸)β射线e较弱很强(几毫米的铝板)γ射线光子最弱最强(几厘米的铅板)按照衰变时放出粒子不同又分为α衰变和β衰变，其核反应方程如：U→Th＋He（α衰变）Th→Pa＋e（β衰变)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间.它表示放射性元素衰变的快慢.半衰期是由核本身的因素决定的，与它所处的物理状态或化学状态无关.不同的放射性元素半衰期不同.二、人工转变原子核在其他粒子作用下变成另一种原子核的变化称为人工转变.利用原子核的人工转变，人们发现了质子、中子，认清了原子核的结构，并且制造了上千种放射性同位素，在工业、农业、医疗和科研的许多方面得到广泛的应用.著名的方程式如：N＋He→O＋H（卢瑟福，发现质子）Be＋He→6C＋U(查德威克，发现中子)三、重核裂变重核裂变：是重核分裂成中等质量的核的反应过程.如：U＋U→54Xe＋Sr＋10n.由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应.发生链式反应的条件是：裂变物质的体积＞临界体积.裂变的应用：原子弹、原子反应堆.四、轻核聚变轻核聚变是轻核结合成质量较大的核的反应过程.如：H＋H→He＋U.发生聚变反应的条件是：超高温(几百万度以上)——热核反应.聚变的应用：氢弹、可控热核反应.五、核能1.核力：为核子间作用力.其特点为短程强引力：作用范围为×10-15m，只在相邻的核子间发生作用.2.核能：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，叫做原子核的结合能，亦称核能.3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化.核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损.●疑难辨析1.原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子?实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的.2.质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实为基础，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反应方程.另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“→”连接并指示反应方向，而不能用等号“＝”连接.相当于3.ΔΕ＝Δmc2是计算核能的常用方法.在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算.若质量单位取原子质量单位u，则：相当于MeV——MeV——该结论亦可在计算中直接应用.1u＝×10-27kg另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能.因而在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒来计算核能.●典例剖析［例1］Th（钍）经过一系列α和β衰变，变成Pb（铅），下列说法正确的是A.铅核比钍核少8个质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变【解析】由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为：x==6再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足：2x-y=90-82=8所以y=2x-8=4即答案D是正确的.【思考】（1）每发生一次α衰变或β衰变，生成的新核与衰变前的核相比在元素周期表中的位置如何变化？（2）某种放射性元素发生β衰变后，其化学性质是否发生变化？（3）如何利用磁场和电场确定α射线和β射线？【思考提示】（1）发生一次α衰变，质子数减2，产生的新核在元素周期表中向前移两位.发生一次β衰变，质子数增1，产生的新核在元素周期表中向后移一位.（2)发生β衰变后元素变成了另外一种元素，化学性质发生了变化.(3)α射线垂直进入电场后沿着电场方向偏转，γ射线垂直进入电场后，逆着电场方向偏转.α射线、β射线垂直进入磁场后，可根据左手定则确定.【设计意图】通过本例说明α衰变和β衰变的规律.［例2］已知氘核质量为u，中子质量为u，He核的质量为u.(1)写出两个氘核聚变成He的核反应方程.(2)计算上述核反应中释放的核能.(3)若两氘核以相等的动能MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He核和中子的动能各是多少?【解析】应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反应方程为：H＋H→He＋n由题给条件可求出质量亏损为：Δm＝u×2－（＋）u＝u所以释放的核能为ΔE＝Δmc2＝×MeV＝MeV.因为该反应中释放的核能全部转化为机械能——即转化为He核和中子的动能.若设He核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得m1v1－m2v2＝0Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE解方程组，可得：Ek1＝（2Ek0＋ΔE）＝×（2×＋）MeV＝MeV，Ek2＝（2Ek0＋ΔE）＝×（2×＋）MeV＝MeV.【说明】本题是一个综合性的题目，它涉及到核反应方程的书写、核能的计算、动量守恒定律和能量守恒定律等内容，另外此类题目计算繁杂，单位换算也较多，运算过程应细心谨慎.【设计意图】通过本例说明综合应用质量方程及有关的力学规律分析计算原子核反应过程中的核能的方法.●反馈练习★夯实基础1.如图15—2—1所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，则此时磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线与实验相符的有图15—2—1磁场方向到达O点射线到达P点射线ABCD竖直向上竖直向下垂直纸面向内垂直纸面向外β射线α射线γ射线γ射线α射线β射线β射线γ射线【解析】由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转.故D错.α、β射线垂直进入磁场发生偏转，由左手定则知，A、B错.【答案】C图15—2—22.如图15—2—2所示，x为一未知放射源，P为薄铝箔，当x放射源稳定时，计数器的计数率（单位时间内的接受射线的次数）稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走图15—2—2A.纯β粒子放射源B.纯γ粒子放射源C.α粒子和β粒子的混合放射源D.α粒子和γ粒子的混合放射源【答案】D3.联合国环境公署对科索沃地区的调查表明，北约对南联盟进行的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹.贫铀是从金属中提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且残留物可长期危害环境.下列关于其残留物长期危害环境的理由正确的是①由于爆炸后的弹片存在放射性，对环境产生长期危害②爆炸后的弹片不会对人体产生危害③铀238的衰变速率很快④铀的半衰期很长A.①② B.③ C.①④ D.②④【解析】贫铀弹主要成分为铀238，是放射性元素，且半衰期长.故①、④对，选C.【答案】C年美国的贝特和德国的魏扎克研究发现，太阳在高温和高速运动的条件下内部进行着热核反应.太阳里的这种热核反应现在已经能在地球上通过人工的方法来完成，那就是氢弹的制造.氢弹就是模仿太阳里热核反应制造的.其反应原理为：H＋H→He＋U，使用氘(H)和氚(H)在极高的温度下使这两个氢原子核聚变成氦原子(He)，并放出一个中子(U)，同时产生数百倍于原子弹的能量①氘和氚是质量数不同、质子数相同的氢的两种元素②通常所说的氢元素是指H③H、H、H是氢的三种同位素，是同一元素的三种原子④H与H的化学性质几乎完全相同以上说法正确的是A.①② B.①③ C.①④ D.②③④【解析】同位素是指同一元素中质量数（中子数）不同的原子.【答案】D5.一个原子核经一次α衰变和一次β衰变生成稳定的核Z，其衰变过程为，下面关系式中，正确的是①a=e+4 ②c=e③d=f-1 ④b=f+2A.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④【解析】α衰变：,β衰变：知，a=e+4,c=e,d=f-1,b=f+1【答案】A年8月12日，俄罗斯“库尔斯克”号多功能核动力潜艇在巴伦支海域遇难，艇上118名官兵全部葬身海底，消息传出后全世界为之震惊.该艇重达×104t,长150m，属于949级（“奥斯卡级”），是对付编队航母的主要舰艇，是世界上最大的核潜艇之一.（1）该潜艇的动力来源为A.放射性元素衰变释放的能量B.中子击中铀238的人工转变放出的能量C.重核裂变释放的能量D.轻核聚变释放的能量(2)下式为核动力反应堆中的一个反应式，请完成该反应方程式：U＋n→Nd+Zr+n+e+(中为反中微子，质量和电荷数均为零）【解析】核反应方程遵守质量数，电荷数守恒.【答案】(1)C(2)Zr7.关于核力，下列说法中正确的是①原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用②核力既可能是引力，又可能是斥力③核力对核子做正功，原子核要释放核能④原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用A.①③ B.②④ C.①② D.③④【解析】核力是把原子核内各核子紧紧地拉在一起的引力，故②错.核力只在×10-15m短距离起作用，所以①对④错.核力结合成原子核时，核力对核子做正功，放出一定的能量，③对，选A.【答案】A8.匀强磁场中有一个静止的氮核N，被与磁场方向垂直、速度为v的α粒子击中形成复合核，然后沿相反方向释放出一个速度也为v的质子，则①质子与反冲核的动能之比为17∶25②质子与反冲核的动量大小之比为1∶5③质子与反冲核的动量大小之比为8∶17④质子与反冲核在磁场中旋转频率之比为17∶8以上说法正确的是A.①② B.③④ C.①③ D.②④【解析】粒子轰击N形成复合核，再释放一质子形成反冲核的过程中动量守恒，故②对，由Ek=知，①对，由T=知④错.【答案】A9.图15—2—3所示为云室内用α粒子轰击氮核发现质子时拍摄的照片.则______是发生核反应前α粒子的径迹，______是质子的径迹，______是新核的径迹；核反应方程为______.图15—2—3【解析】由发现质子的核反应方程：N+He→O+H知，α粒子碰后径迹不再存在，分叉前径迹b为α粒子碰前径迹.因氧核质量大，故其径迹短粗.H质量小，故其径迹细长.所以a为新核径迹，c为质子径迹.【答案】bcaHｅ＋N→H＋O10.如图15—2—4所示为卢瑟福用α粒子轰击氮原子核实验的示意图，容器C中充进_______，F为铝箔，S为荧光屏，M为显微镜，通过显微镜，看到荧光屏上出现的闪光是______击中荧光屏产生的，容器中除了充入物质外，还有_______.图15—2—4【解析】卢瑟福发现质子的核反应方程：N+He→O+H【答案】氮气质子放射性物质★提升能力11.现在科学家们正在设法探寻“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”组成，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和电量，但电荷的符号相反，例如正电子就是电子的“反粒子”.据此，若有反质子存在，它的质量数应为_______，元电荷的电量是×10-19C，则反质子的带电量为_______.【解析】质子的质量数为1，带电量为×10-19C,所以反质子的质量数为1，带电量也为×10-19C,电性相反.【答案】1×10-19C12.铀核(U)裂变生成钡（Ba）和氪（Kr），已知U、Ba、Kr和中子的质量分别是u,u,u和u.（1）写出铀裂变反应方程，并计算一个铀235裂变时放出的能量；（2）我国秦山核电站功率为3×105kW，假设铀235能够完全裂变，其中一半的核能转化为电能，以上述裂变反应来估算电站一年消耗多少铀235？【解析】（1）U＋n→Ba+Kr+3n,由质能方程：ΔE＝Δmc2可计算出一个铀235裂变放出能量为×10-11J.（2）由N××10-11J=Pt,m=×102kg【答案】（1）U＋n→Ba+Kr+3n×10-11J（2）×102kg※图15—2—513.在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线源，从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图15图15—2—5(1)上面的印像纸有几个暗斑?各是什么射线的痕迹?(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比?(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少?(已知：mα=4u,mβ＝ｕ，vα＝，vβ＝c)【解析】(1)2个暗斑，分别是β、γ射线的痕迹，因这两种射线穿透性强.(2)由h=v0ts＝at2a=所以sα∶sβ＝5∶84(3)qBv=qE所以【答案】（1）两个暗斑；分别是β、γ射线的痕迹（2）5∶84(3)章末综合讲练●知识网络●高考试题一、原子结构1.（2022年新课程理科综合）下面列出的是一些核反应方程P→Si+XBe+H→B+YHe+He→Li+Z其中是质子，Y是中子，Z是正电子是正电子，Y是质子，Z是中子是中子，Y是正电子，Z是质子是正电子，Y是中子，Z是质子【解析】由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒可知选项D正确.【答案】D2.（2022年上海高考）卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有A.原子的中心有个核，叫原子核B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中Ｃ.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里Ｄ.带负电的电子在核外绕着核旋转【解析】卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是：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是集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕核旋转，故B错ACD对.【答案】ACD3.(2022年全国高考)按照玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是A.第m个定态和第n个定态的轨道半径rm和rn之比为rm∶rn＝m2∶n2B.第m个定态和第n个定态的能量Em和En之比为Em∶En＝n2∶m2Ｃ.电子沿某一轨道绕核运动，若其圆周运动的频率是ν，则其发光频率也是νＤ.若氢原子处于能量为E的定态，则其发光频率为ν＝【解析】由氢原子核外电子轨道半径公式：rn=n2r1知，rm∶rn=m2∶n2，A正确.氢原子的能量公式：En=E1,所以Em∶En=n2∶m2,B正确，根据玻尔理论，只有核外电子发生能级跃迁时，才可能发射某一频率的光，所以CD错.【答案】AB4.(2022年广东、广西、河南高考）处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为λ1、λ2、λ3的三种单色光，且λ1＞λ2＞λ3，则照射光的波长为A.λ1 B.λ1+λ2+λ3C. D.【答案】D二、原子核5.(1999年全国高考)下列说法正确的是衰变为RU要经过1次α衰变和1次β衰变衰变为Pa要经过1次α衰变和1次β衰变衰变为Ｐb要经过6次α衰变和4次β衰变衰变为RU要经过4次α衰变和4次β衰变【解析】先根据质量数的变化规律确定α衰变的次数，然后再确定β衰变的次数.【答案】C6.（2022年全国高考）目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成.u夸克带电量为e,d夸克带电量为-e,e为基元电荷.下列论断可能正确的是A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成【答案】B图15—17.（2022年上海高考）图15—1中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、图15—1为α射线，b为β射线为β射线，b为γ射线为γ射线，c为α射线为α射线，c为γ射线【答案】BC8.（1998年上海高考）下列核反应过程中正确的是→Th＋H＋He→Ｃ＋U→Pa＋eＤ.→Si＋e【解析】根据核反应所遵从的规律质量守恒、电荷数守恒，可得正确答案应为B.【答案】B9.（2022年春季高考）下面是一核反应方程H+H→He+X用c表示光速，则是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2【答案】D10.（2022年上海高考）完成核反应方程：Th→Pa+_______.Th衰变为Pa的半衰期是min，则64g90Th经过6min还有_______g尚未衰变.【答案】e;211.(2022年全国高考)在下列四个方程中，x1、x2、x3和x4各代表某种粒子.①U＋→Sr＋Xe＋3x1②H＋x2→He＋U③U→Th＋x3④Mg＋He→Al＋x4以下判断中正确的是是中子 是质子Ｃ.x3是α粒子 Ｄ.x4是氘核【解析】首先根据核电荷数守恒算出x1,x2,x3,x4的核电荷数分别为0、1、2、1，从而确定粒子的名称分别为中子、氢、氦、氢，然后再根据质量数守恒确定x1代表中子，x2代表氘核，x3代表α粒子，x4代表质子，故A、C正确.【答案】AC12.(2000年全国高考)最近几年，原子核科学家在超重元素岛的探测方面取得重大进展.1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核Ｘ经过6次α衰变后的产物是Fm.由此，可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是、259 、265、265 、277【解析】核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，这个核反应方程是Ｘ→6He＋Fm所以A＝6×4＋253＝277，Z＝6×2＋100＝112【答案】Ｄ13.(2000年全国高考)裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核U为燃料的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为U + n→ Xe + Sr +3n 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位).已知1ｕ的质量对应的能量为×102MeV，此裂变反应释放出的能量是_______MeV.【解析】裂变前后的质量亏损是Δm＝（＋－－－3×）ｕ.由质能方程E＝mc2有ΔE＝Δmc2，ΔE＝Δm××102MeV＝×102MeV【答案】×10214.(2022年广东、广西、河南高考)如下一系列核反应是在恒星内部发生的，p+C→NN→C+e++νp+C→Np+N→OO→N+e++νp+NC+α其中p为质子，α为α粒子，e+为正电子，ν为一种中微子.已知质子的质量为mp=×10-27kg,α粒子的质量为mα=×10-27kg，正电子的质量为me=×10-31kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c=×108m/s.试计算该系列核反应完成后释放的能量.【解析】为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p→a+2e++2ν设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2=mαc2+2mec2+Q,代入数值可得Q=×10-12J.【答案】×10-12J15.（2022年理科综合）太阳现正处于主序星演化阶段.它主要是由电子和H、He等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2e＋4H→He＋释放的核能，这些核能最后转化为辐射能，根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和H核组成.(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M，已知地球半径R＝×106m，地球质量m＝×1024kg，月地中心的距离r＝×1011m，地球表面处的重力加速度g＝10m/s2，1年约为×107s.试估算目前太阳的质量M.(2)已知质子质量mp＝×10-27kg，He质量mα＝×10-27kg，电子质量mｅ＝×10-30kg，光速c＝3×108m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.(3)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能W＝×103J／m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命.(估算结果只要求一位有效数字.)【解析】（1）地球绕太阳的运动近似认为是圆周运动.由GM太＝,又因为g=所以M太＝.M太=2×1030kg(2)由ΔE＝Δmc2=（2me＋4mp－mα）c2＝×10-12J(3)太阳中H减小10%放出总能量E＝×ΔE每秒太阳辐射的总能量E′=4πr2×W太阳保持在主序星阶段寿命t＝t＝1010年【答案】（1）2×1030kg(2)ΔE=×10-12J(3)1010年●素质能力过关检测一、选择题（每小题中只有一个选项符合题目要求）1.近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治疗患者5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，令人惊奇的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”.据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，即将进入各大医院为患者服务，问：γ刀治疗脑肿瘤主要是利用①γ射线具有很强的贯穿本领②γ射线具有很强的电离作用③γ射线具有很高的能量④γ射线能很容易绕过阻碍物到达目的地A.①②③ B.②③ C.①③ D.②③④【解析】根据γ射线的本质和性质来判定.【答案】C2.下列叙述中，符合物理学史实的是A.汤姆生发现了电子，并由此提出了原子的核式结构学说B.卢瑟福做了α粒子散射实验，并据此了解了原子核的组成C.约里奥·居里夫人用α粒子轰击铝核，发现了中子和正电子D.贝克勒耳首先发现了天然放射现象，揭开了人们认识、研究原子核结构的序幕【解析】汤姆生发现了电子，提出了“枣糕式”原子模型，故A错.卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了“核式”原子结构模型.故B错.约里奥·居里夫人用α粒子轰击铝核，发现了人工放射性同位素，故C错.【答案】D3.氢原子从能级A跃迁到能级B吸收频率为ν1的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率为ν2的光子，ν2＞ν1,则当它从能级C跃迁到能级B时A.放出频率为ν2-ν1的光子B.放出频率为ν2+ν1的光子C.吸收频率为ν2-ν1的光子D.吸收频率为ν2+ν1的光子【答案】D4.某原子核A经过一次β衰变形成原子核B，又经过一次α衰变形成原子核C，下列正确的是A.核A的中子数比核C的中子数多3个B.核A的中子数等于核B的中子数C.核A的核子数比核C的核子数多3个D.核B的质子数比核C的质子数多1个【答案】A5.同学们根据中学物理知识讨论“随着岁月的流逝，地球绕太阳公转的周期、日地间的平均距离和地球接受太阳的辐射能的变化的趋势”的问题时，有下列结论，请你判断哪个结论正确①太阳内部进行剧烈的热核反应，辐射大量光子，太阳质量应不断减小②日地间距离应不断增大，地球公转速度应不断减小，公转周期将不断增大③日地间距离应不断减小，地球公转速度应不断增大④地球表面单位面积平均接受的太阳辐射能将不断减小A.①②③ B.①③④ C.①②④ D.②③④【解析】根据爱因斯坦的质能方程知道，太阳向外辐射能量，其质量一定减小，太阳与地球之间的引力将变小，太阳与地球之间的距离R变大，由v=,T=知，v变小，T变大.若每秒太阳辐射总能量为E，则地球表面单位面积平均接受的太阳辐射能为.【答案】C二、填空题6.完成下列核反应方程，并说明反应类型：(1)Rn→Po+_______,属__________.(2)H+H→_______n,属______.(3)Al+n→_______+H,属_______.(4)U+n→Xe+Sr+_______,属_______.【解析】根据电荷数守恒和质量数守恒来完成核反应方程.核反应四种基本类型：衰变，人工转变，轻核聚变和重核裂变.【答案】（1）Heα衰变（2）He轻核聚变（3）Mg人工转变（4）2n重核裂变7.某原子序数为Z，质量数为A的原子核，若用mx表示该原子核的质量，mp表示质子的质量，mn表示中子的质量，c表示真空中的光速，则核子结合成该原子核时的质量亏损Δm＝_______，释放的核能ΔE＝______；平均每个核子释放的核能为＝______.【解析】根据E＝mc2知，ΔE=Δmc2来计算.【答案】Zmp＋（A－Z）mn-mx；［Zmp＋（A－Z）mn-mx］c2；［Zmp＋（A－Z）mn-mx］c2/A8.在匀强磁场中，一个原先静止的原子核，由于放射出一个粒子而得到一张∞字形径迹照片.经测定字形的两个圆半径之比为44∶1，则放射性元素的原子序数为_______.【答案】909.在匀强电场中逆电场线运动的铀核（U）速度减为零时发生α衰变.衰变时vα与电场线垂直，衰变后当α粒子沿E的方向移动位移为ΔL时，残核在与电场线平行的方向上位移ΔL′为_____ΔL，ΔL′与ΔL方向_________.【解析】U→Th+e(α衰变)、Th和He在电场中做类平抛运动.根据a=知：aTh∶aα=90∶117所以ΔL′∶ΔL=90∶117,ΔL′=ΔL.【答案】相同三、计算题10.为确定爱因斯坦质能联系方程ΔE＝Δmc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E1＝MeV的质子去轰击静止的锂核Li，生成两个α粒子，测得这两个α粒子的动能之和为E＝MeV.(1)写出该核反应方程.(2)计算核反应过程中释放出的能量ΔE.(3)通过计算说明ΔE＝Δmc2的正确性.(计算中质子、α粒子和锂核Li的质量分别取：mp＝u，mα＝u，mLi＝u)【解析】(1)H＋Li→2He(2)Δm=+×u=ΔE＝×MeV=MeV(3)反应前后系统总动能的增加为E－E1＝MeV=MeV这与核反应释放的核能在误差允许范围内近似相等，说明ΔE=Δmc2是正确的.【答案】（1）H＋Li→2He；(2)MeV(3)略11.一个静止的氮核N俘获一个速度为×107m/s的中子生成一个复核A，A又衰变成B、Ｃ两个新核，设B、C的速度方向与中子速度方向相同，B的质量是中子的11倍，速度是106m/s，B、C在同一匀强磁场中做圆周运动的半径比RB∶RC＝11∶30.求：(1)C核的速度大小；(2)根据计算判断C核是什么?(3)写出核反应方程式.【解析】(1)由动量守恒定律：Mnvn=mBvB+mcvC所以vC==m/s=3×106m/s(2)由qvB=m得R=RB＝,RC＝所以又因为qC＋qB＝7所以qC＝2，而mC=4所以C核是He(3)N＋n→B＋He【答案】（1）3×106m/s(2)He(3)N+n→B+He年，质子已被发现，英国物理学家卢瑟福曾预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫做中子.1930年发现，在真空条件下用α射线轰击铍(Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子.经过研究发现，这种不知名射线具有如下的特点：①在任意方向的磁场中均不发生偏转；②这种射线的速度小于光速的十分之一；③用它轰击含有氢核的物质，可以把氢核打出来；用它轰击含有氮核的物质，可以把氮核打出来.并且被打出的氢核的最大速度vH和被打出的氮核的最大速度vN之比近似等于15∶2.若该射线中的粒子均具有相同的能量，与氢核和氮核碰前氢核和氮核可认为静止，碰撞过程中没有机械能损失.已知氢核的质量MH与氮核的质量MN之比等于1∶14.（1）写出α射线轰击铍核的核反应方程；（2）试根据上面所述的各种情况，通过具体分析说明该射线是不带电的，但它不是γ射线，而是由中子组成.【解析】（1）核反应方程是Be+He→C+n（2）由①可知，由于该射线在任何方向的磁场中都不发生偏转，因此该射线不带电，是由电中性的粒子流组成的.由②可知，由于γ射线是光子流，而该射线速度不到光速的十分之一，因此它不是γ射线.设组成该射线的粒子质量为m，轰击氢核和氮核时速度为v.由于碰撞过程中没有机械能损失，当被打出的氢核和氮核的速度为最大值时，表明该粒子与氢核及氮核的碰撞为弹性正碰，设与氢核发生弹性正碰后粒子速度为v1，与氮核发生弹性正碰后粒子速度变为v2.根据动量守恒和机械能守恒，在打出氢核的过程中，有mv=mv1+MHvHmv2=mv12+MHvH2解得vH=同理，在打出氮核的过程中，有mv=mv2+MNvNmv2=mv22+MNvN2解得vN=根据vH、vN的表达式及≈，，解得m≈MH【答案】（1）Be+He→C+n；（2）略●教学建议1.单元Ⅰ中涉及的下列物理学史应该让学生记住：(1)汤姆生发现电子，说明了原子是可分的；(2)卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆生模型，卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级10-15m～10-14m;(3)玻尔提出关于原子结构模型(玻尔理论)成功地解释了氢光谱.2.单元Ⅱ涉及的下列重要的物理学史实应该让学生记住：(1)贝克勒耳发现天然放射现象，说明了原子核是可分的，也是可变的.(2)卢瑟福用α粒子轰击氮核，实现了原子核的人工转变，并发现了质子.要记住这个核反应的方程.(3)查德威克用α粒子轰击铍核，发现了中子.这个核反应方程也要记住.3.高考已不要求计算有关半衰期的问题.譬如，习题中常见的计算古木年龄、计算水库容量之类的问题已不再要求.但对半衰期的概念仍要理解.4.要让学生记准一些常用粒子的符号.如质子H、中子U、电子e、正电子e、α粒子He、氘核H等.5.应用质能方程计算核能或质量亏损是单元Ⅱ的重点.学生在此处常犯的错误是：(1)对反应前后的总质量混淆不清；(2)运算中丢三落四，造成结果错误，如按ΔΕ＝Δmc2计算核能.教师应要求学生耐心细致地进行计算，培养他们良好的心理素质.

第十六章物理实验●考点指要一、要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果.二、要求会正确使用的仪器主要有①刻度尺②游标卡尺③螺旋测微器④天平⑤秒表⑥打点计时器⑦弹簧秤⑧温度表⑨电流表⑩电压表eq\o\ac(○,11)多用电表eq\o\ac(○,12)滑动变阻器eq\o\ac(○,13)电阻箱等等.三、要求能在理解的基础上独立完成的学生实验有1.长度的测量2.验证力的平行四边形定则3.研究匀变速直线运动4.研究平抛物体的运动5.验证动量守恒定律6.验证机械能守恒定律7.探索弹力和弹簧伸长的关系8.用单摆测定重力加速度9.用油膜法估测分子的大小10.用描迹法画出电场中平面上的等势线11.描绘小电珠的伏安特性曲线12.测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）13.把电流表改装为电压表14.用电流表和电压表测电池的电动势和内阻15.练习使用示波器16.用多用电表探索黑箱内的电学元件17.传感器的简单应用18.测定玻璃的折射率19.用双缝干涉测光的波长●复习导航物理是一门以实验为基础的学科，物理实验也一直是高考考查的重要内容.从对近几年的高考实验试题的分析可以看出，高考对实验的考查有如下特点.一、注重联系实际操作的考查高考实验试题中有很多题目都是联系实际操作的，如游标卡尺的读数、弹簧秤的读数以及电表的读数等问题，实验电路的连线问题，描绘电场中等势线时几种纸的铺放顺序等等，都是实际操作的全真模拟.如果考生没有动手做过这些实验就不可能答好这些问题.二、近些年增加了对重要的演示实验的考查，用来考查学生的观察能力以全国卷为例，1999年考查了“绳波”的演示实验.2000年考查了“X射线管”，2022年考查了“光的单缝衍射”.对学生实验和演示实验的考查相结合，既突出了物理教学的特点，也对实验复习提出了更全面的要求.三、注重考查对实验的思想、方法及原理的理解譬如，“测玻璃折射率”的实验，课本实验中用的是平行玻璃砖，但高考实验题中给的却是三棱镜.虽然器材不同，但测量的原理、方法却是相同的——确定入射点和出射点，连接这两点画出折射线.考查“研究平抛物体的运动”的实验，所给方格图中的第一点并不是小球平抛的初始位置，这就要求考生要在认真分析的基础上找出解决问题的关键，把匀变速直线运动中的研究方法(Δs＝aT2)迁移到平抛运动中，来研究小球在竖直方向的分运动.对伏安法测电阻的考查更是花样不断翻新.测金属丝的阻值，测电压表的阻值，测电流表的阻值，虽然题目是全新的，但原理还是伏安法.这些都是考查学生对教材中实验原理的理解和对实验方法的迁移运用.还有伏安法测电阻实验中对实验条件的控制方法(滑动变阻器的接法)、实验误差的控制方法(电流表的内、外接)、作图时对个别误点的舍弃、图线的“曲化直”、2000年让考生设计一电路来测量电流表的内阻等等，这一切都说明近年来高考对学生的实验能力提出了更高层次的要求，对实验的考查已从简单的背诵实验转向考查对实验的思想、方法和原理的理解.●实验基础知识一、有效数字简介当用毫米刻度尺量书本时，量得的长度为mm，最末一位数字2是估计出来的，是不可靠数字，但是仍然有意义，仍要写出来.这种带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字.在有效数字中，数、、的含义是不同的，它们分别代表二位、三位、四位有效数字.数表示最末一位数字7是不可靠的，而数和则表示最末一位数字0是不可靠的.因此，小数最后的零是有意义的，不能随便舍去或添加.但是，小数的第一个非零数字前面的零是用来表示小数点位置的，不是有效数字.例如，，，都是两位有效数字.大的数目，如365000，如果不全是有效数字，就不要这样写，可以写成有一位整数的小数和10的乘方的积的形式，如果是三位有效数字，就写成×105，如果是四位有效数字，就写成×105.许多物理量是从直接测量结果中计算出来的.测量结果既然是用有效数字表示的，在计算中就要遵守有效数字的规则：(1)不可靠数字与别的数字相加减、相乘除，所得的结果也是不可靠的.(2)计算结果只能保留一位不可靠数字，但在计算过程中可以保留两位不可靠数字，最后再四舍五入.应该注意的是，物体的个数、实验的次数等是准确数，它们与近似数相乘或相除时，有效数字的位数应等于原来近似数的有效数字位数.例如，8个相同的小球共重g，每个小球重g，商数要取三位有效数字.如果误认为g有一位有效数字，因此商数也取一位有效数字，那就错了.严格地说，有效数字的规则是相当复杂的.中学阶段的物理习题中，如果没有特别要求，必严格按照有效数字的规则去做，通常只取两位或三位有效数字就可以了.但对物理实验中的测量结果，则要严格按照有效数字的规则表达.二、基本仪器的使用(一)测量长度的仪器1.刻度尺(米尺)：最小分度值为1mm，量程不等.常用于测量的刻度尺有钢板尺、钢卷尺、木直尺等.测量时要估读到毫米以下一位，如：l1＝cm,l2＝cm.用刻度尺测量时应注意以下几点：(1)要使刻度尺的刻度线紧贴被测物，眼睛应正对刻度线读数，以避免视差.(2)用零刻度线在端头的刻度尺测量时，为了防止因端头磨损而产生误差，常选择刻度尺的某一刻度线为测量起点，测量的长度等于被测物体的两个端点在刻度尺上的读数之差.2.游标卡尺：根据游标上的分度格数，常把游标卡尺分为10分度的、20分度的和50分度的三种.它们的精度(游标上的最小分度值)分别为mm、mm、mm.课本上只介绍了10分度游标卡尺的读数原理，实际上，20分度、50分度的卡尺与它的读数原理是相同的，譬如，50分度游标卡尺上50个分度只有49mm长，比主尺上的50个分度短1mm，则游标上每个分度比主尺上的每个分度短1／50mm＝mm，即它的测量精度为mm.游标卡尺按下列规则读数：(1)以游标零刻线位置为准，在主尺上读取整毫米数.(2)看游标上哪条刻线与主尺上的某一刻线(不用管是第几条刻线)对齐，由游标上读出毫米以下的小数.(3)总的读数为毫米整数加上毫米小数.注意：不管是10分度游标卡尺，还是20分度、50分度游标卡尺，在读数时均不需要向后估读一位.3.螺旋测微器(千分尺).螺旋测微器量程一般为0～25mm，最小分度是mm.读数规则：(1)以鼓轮边缘为准在固定刻度上读出整毫米数.(2)从可动刻度上读出毫米以下的小数.(3)测量长度为上述二者之和.注意：(1)在测微螺杆快要接近被测物体时，要改拧螺旋柄后端的微调旋钮(棘轮)，以免将待测物夹得太紧使测量结果不准确，或损坏螺旋测微器内的精密螺纹.(2)读数时要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否已经露出.(3)由螺旋测微器读数时必须估读一位，即估读到这一位上.(二)测质量的仪器——天平中学物理实验中常用的天平有物理天平和托盘天平.1.天平的主要技术参数：(1)全称量：天平所能称量的最大质量.(2)感量：使天平指针从平衡位置偏转到最小分度所需质量.感量也叫做“分度值”.这一数值愈小，天平愈灵敏.2.天平的使用称量前应按下述步骤进行调整：(1)调水平：调天平底座上的两个调平旋钮，使重锤线的小重锤尖端与底座上的小锥体的尖端正对.(2)调平衡：用镊子把横梁上的游码拨到左边零位，然后通过调节横梁两端的平衡螺丝，使天平指针能在中央刻线两侧等幅摆动.注意：(1)被测物体的质量不能超过天平的全称量.(2)待测物体和砝码的放置应为“左物右码”.(3)取放待测物或加减砝码时应使天平止动.(4)待测物的质量等于砝码的总质量加上游码所示读数.(三)测时间的仪器1.秒表：(略)2.打点计时器：火花打点计时器接220V交流电源，电磁打点计时器接4V~6V交流电源，当交变电流的频率为50Hz时，打点周期为s.使用时应注意：(1)为使打点的频率比较稳定，要求打点计时器振动片的固有频率也是50Hz，使之发生共振现象.振动片的长度可在一定范围内调节，通过改变振动片的长度可调节它的固有频率.(2)实验前要检查打点的清晰情况，必要时应调整振针的高度，且不能让它松动，否则将会出现漏点、双点等现象，还会对纸带产生过大的阻力.(四)测力的仪器——弹簧秤(测力计)学生实验用弹簧秤量程一般为0～5N，最小分度值为N.使用时应注意：(1)所测力不要超过弹簧秤量程.(2)使用前应检查弹簧秤是否需要调零.方法是将弹簧秤竖直挂起，如其指针不指零位，就需要调零，一般是通过移动指针来调零.(3)若弹簧秤零点准确，但挂上钩码检查时，示值误差随钩码的增大而增大，此时应调整弹簧的圈数来解决.示值小于钩码重力应增加弹簧圈数；示值大于钩码重力时，应减少弹簧的圈数.(五)测温度的仪器——温度计中学物理实验中常用的液体温度计有水银温度计、煤油温度计(红色液体)等.1.性能：水银温度计测量范围一般为0～100℃；煤油温度计的测量范围一般是－50℃～100℃.最小分度值一般为1℃.2.使用时应注意：(1)选用的测温范围要适当，待测物体的温度不能超出温度计的最高可测温度.(2)测量液体的温度时，温度计不要与器壁接触.(3)读数时，温度计不应离开被测物体(体温计除外)，而且眼睛要正对液柱的凸(或凹)弯月面的水平切线位置.(4)最好在液柱芯向上升至最高不再上升时或达稳定时进行读数.(六)电学测量仪表1.电流表和电压表学生实验中用的直流电流表的量程为0～A～3A，内阻一般在1Ω以下(毫安表的内阻一般在几欧～几十欧).直流电压表的量程为0～3V～15V，两个量程的内阻分别约为3kΩ和15kΩ.使用时应注意以下几点：(1)选择合适的量程：根据被测电流或电压值的大小选择量程，使得指针偏转超过所选量程的2／3，至少也要超过1／2.如果量程选择太大，指针偏转太小，会造成测量误差太大.量程选择太小，过大的电流或电压会使电表损坏.在不知道被测电流或电压大小的情况下，应选用电表的较大量程，然后再根据指针偏转情况选取合适的量程.(2)电流表应串联在被测电路中，电压表应并联在被测电路两端.电表的“＋”“－”接线柱不能接反，以免损坏电表.(3)读数时应使视线垂直于刻度表面，一般都要估读到电表的最小分格的1／2以下(学生实验用电表J0407、J0408型，3V和3A量程估读到最小分度的1／10，15V量程估读到最小分度的1／5，A量程估读到最小分度的1／2).2.多用电表多用电表是一种比较常用的电学仪表，它可以用来测量交流电压、直流电压、直流电流和电阻，而且每一种可测量的电学量又有多个量程.其结构简单、使用方便，但是准确度稍低.其欧姆档的设计原理是根据闭合电路的欧姆定律I＝，回路中的电流与电阻存在一一对应关系，这样就可以通过电流表的读数来反映被测电阻的大小.使用欧姆档测电阻时应注意以下几点：(1)由于使用多用电表时不管测量项目是什么，电流都要从电表的“＋”插孔(红表笔)流入，从“－”插孔(黑表笔)流出，所以使用欧姆档时，多用电表内部电池的正极接的是黑表笔，负极接的是红表笔.(2)要区分开“机械零点”与“欧姆零点”.“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置.调整的是欧姆档的调零旋钮.(3)测量前应根据估计阻值选用适当的档位.由于欧姆档刻度的非线性，使用欧姆档测电阻时，表头指针偏转过大过小都有较大误差，通常只使用表盘中间一段刻度范围(R中～4R中)为测量的有效范围.譬如，J0411型多用电表欧姆档的R中＝15Ω，当待测电阻约为2kΩ时，则应采用R×100档.(4)每变换一次档位，都要重新进行欧姆调零.(5)由于欧姆档表盘刻度不均匀，难于估读，测量结果只需取两位有效数字.读数时不要忘记乘上相应档位的倍率.(6)测量时待测电阻要跟其他元件和电源断开，不然就不能得到正确的测量结果，甚至还可能损坏电表.(7)多用电表使用完毕后，应将选择开关拨离欧姆档，一般旋至空档或交流电压最高档上.(七)电学实验器材1.滑动变阻器中学实验室内常用滑动变阻器有以下几种规格：0～10Ω，2A；0～50Ω，；0～200Ω，A；0～1750Ω，A.滑动变阻器有两种基本连接方法：限流式接法和分压式接法.下表是对两种连接方式的比较：滑动变阻器的连接方式及特点接法电路图特点适用条件限流式接法1.用电器R0与滑动变阻器R的部分电阻串联，另一部分不起作用.上电压调节范围为～E.R0与R的阻值差不多，且不要求R0上电压能调至零.分压式接法1.用电器R0与滑动变阻器的部分电阻并联后再与另一部分串联.上电压调节范围为0～E.1.要求电压调节能从0开始增大.比R0小，一般取R≤R0.限流式接法的线路连接较简单，调节方便，但调节范围较小；分压式接法的线路连接较复杂，且随着滑动端的移动，R0上的电压并非均匀变化，所以调节起来不如限流式方便.因此，在设计电路的时候，应首先考虑限流式，若切实无法满足题目要求，再选取分压式接法.2.电阻箱中学物理学生分组实验中采用的规格一般为：阻值调节范围0～9999Ω，各档允许通过的最大电流如下表.阻值(Ω)×1×10×100×1000最大电流(A)使用方法及注意事项：(1)不要使通过电阻箱的电流超过其允许的最大电流.(2)电阻箱使用阻值的读数为：每档指示数字乘以相应倍率后相加的总和.(3)实验过程中改变阻值时，不要使电阻箱上电阻值出现零欧姆，以免损坏其他仪表.譬如，当要把90Ω变至100Ω，应先将“×100”档拨至“1”处，再将“×10”档拨至零.3.电源中学物理实验中主要使用干电池、学生电源和蓄电池.干电池每节电动势约V，内阻大约Ω左右)，不能提供较强的电流A以下).学生实验中用于做测定电源的电动势和内电阻等.铅蓄电池的电动势约2V，内阻小约Ω左右)，可以提供较强的电流.在一些需要短时大电流放电的实验中常用，如在研究电磁感应现象的学生实验中、安培力的演示实验中都要用到.学生电源的最大特点是输出电压可调、交直流可变换.它的内阻不但偏大而且是变化的.用于电磁打点计时器和描绘电场中等势线的实验.三、实验的主要思想方法在中学物理实验中涉及的主要思想方法为.等效法：等效方法是物理学研究的重要方法，也是物理实验中常用的方法.如“碰撞中的动量守恒”实验中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；画电场中等势线分布时用电流场模拟静电场；等等.累积法：把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量，提高测量的精确程度.如测单摆振动的周期，应测量单摆多次全振动的时间除以全振动次数，以减少个人反应时间造成误差的影响.在初中物理中也曾经学过用累积法测细铜线的直径.控制变量法：在多因素的实验中，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响.如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定，研究加速度和力的关系；再保持力一定，研究加速度和质量的关系.留迹法：把瞬息即逝的现象(位置、轨迹、图象等)记录下来.如通过纸带上打出的小点记录小车的位置；用描迹法画出平抛物体的运动轨迹；用沙摆显示振动的图象.四、实验的一般原则虽然各个物理实验的原理、方法、使用的器材不相同，但实验仍有一些共同的原则.分析找出实验的一般原则，有利于掌握实验的思想、方法，提高对实验的认识.现分作以下四个方面分别谈实验应遵守的一般原则.(一)选择仪器根据实验的原理和实验室条件选择仪器是进行正确测量的前提.一般遵循以下三个原则：可行性原则：要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标.譬如，当要求测量一个电阻器的阻值时，就要根据要求的测量精度、实验室条件及本人已有的理论知识，确定是采用电桥，还是采用欧姆表或伏安法.当采用伏安法测量时，还要根据电阻的规格(额定功率)选择电压表、电流表的量程.准确性原则：根据实验的需要，选用精度合适的测量工具.但对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好.正如称一吨煤用磅秤即可，没有必要用精密天平称量一样.譬如，在“测定金属丝电阻率”的实验中，为保证测量结果的有效数字位数合适(2～3位)，测金属丝直径要用螺旋测微器，而测金属丝长度用毫米刻度尺即可，伏安法测金属丝电阻用级电表(学生实验用)即可满足实验要求.操作性原则：实验时调节方便、便于操作.如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响.(二)仪器放置按规定放置好仪器是保证测量结果正确和实验便捷的前提.放置规范：不同的仪器有不同的放置要求，如多用电表要平卧；学生用的电流表、电压表应斜置；水银气压计要竖直悬挂；平抛实验用的斜槽末端要水平等等.操作顺手：仪器摆放要便于操作，防止实验中手忙脚乱.如开关、变阻器要放在便于手操作的位置；使用天平要“左物右码”.便于读数：实验人员要面对仪器、仪表的刻度，视线与刻度盘垂直.实验时能否有条理地把各种仪器正确放置好，也是实验素养高低的重要体现.(三)初始状态设置测量前先设置好仪器仪表的初始状态，否则将可能损坏仪器，甚至会造成事故.连接电路时，电路开关要处于断开状态；开关闭合前变阻器的滑片位置要合理(限流时阻值大，分压时阻值小)；仪表要先调零，再选好档位(不好确定时先选高档位).(四)操作程序设计实验操作程序的安排要科学合理，譬如，在“力的合成”实验中，要先用两只弹簧秤互成角度地把结点拉至某点，再用一只弹簧秤拉至同一点；使用打点计时器做“验证机械能守恒定律”的实验时，要先接通电源再松开纸带；电路连线时，应从电源正极开始，先连干路再连支路；使用欧姆表时要先调“机械零点”再调“欧姆零点”等等.程序混乱将会导致测量困难或测量错误.五、实验数据的处理数据处理是对原始实验记录的科学加工.通过数据处理，往往可以从一堆表面上难以察觉的、似乎毫无联系的数据中找出内在的规律.在中学物理中只要求掌握数据处理的最简单的方法.(一)列表法在记录和处理数据时，常常将数据列成表格.数据列表可以简单而又明确的表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间的规律性的联系.列表的要求是：(1)写明表的标题或加上必要的说明.(2)必须交待清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位，单位写在标题栏中.(3)表中的数据要是能正确反映测量结果的有效数字.(二)作图法用作图法处理实验数据是物理实验中最常用的方法之一.用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均的效果.由图线的斜率、截距、包围面积等可以研究物理量之间的变化关系，找出规律.作图的规则：(1)作图一定要用坐标纸.坐标纸的大小要根据测量数据有效数字的多少和结果的需要来定.(2)要标明轴名、单位，在轴上每隔一定相等的间距按有效数字位数标明数值.(3)图上连线要用直尺(直线、折线)或曲线尺(光滑曲线)，连线时不一定通过所有的数据点，而要使数据点在线的两侧合理的分布.(4)在图上求直线的斜率时，要选取线上相距较远的两点.不一定要取原来测的数据点.(5)作图时常设法使图线线性化，即“将曲改直”.就可将不易看出二者关系的曲线改画成关系明朗的直线.(三)平均值法现行教材中只介绍算术平均值，即把测定的若干组数相加求和，然后除以测量次数.必须注意，求取平均值时应该按原来测量仪器的准确度决定保留的位数.六、实验误差的分析测量值总是有规律的朝着某一方向偏离真实值(总是偏大或总是偏小)的误差，称为系统误差.系统误差的主要原因是仪器设备本身不够精确或实验原理、方法不够完善.由于偶然因素的影响，造成测量值无规则的起伏称为偶然误差.偶然误差是由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的.例如，用有毫米刻度的尺子量物体的长度，毫米以下的数值只能用眼睛来估计，各次测量的结果就不一致，有时偏大，有时偏小，多次测量偏大和偏少的机会相同.因此，多次测量求平均值可减小偶然误差.●学生实验复习一、长度的测量1.常用的游标卡尺最多可测量______的长度.主尺的最小分度是______，十等分的游标尺上的每一个小等分的长度是______，精度为______.另一种卡尺的精度为mm，它的游标尺有______个等分刻度，这些刻度的总长度是______，每一刻度比主尺最小刻度相差______mm.【答案】十几个厘米1mmmmmm2019mm2.用游标卡尺(图16—1—1甲)测一根金属管的内径和外径时，卡尺上的游标位置分别如图（乙）和图（丙）所示.这根金属管的内径读数是______cm，外径读数是______cm，管壁厚是______cm.图16—1—1【答案】3.有一游标卡尺，主尺的最小分度是1mm，游标上有20个小的等分刻度.用它测量一工件的长度，如图16—1—2所示，图示的读数是______mm.图16—1—2【答案】4.用如图16—1—3所示卡尺测量一个金属圆筒所用材料的体积.应该用测脚aa′测_______.应该用测脚bb′测______.应该用测脚ｃ测______.图16—1—3【答案】圆筒的外径与高圆筒内径筒的深度5.有一种游标卡尺，主尺的最小分度是1mm，游标尺上有50个等分刻度，此游标卡尺的总长度为_______mm，用这种游标卡尺测长度可以准确到_______mm.用此卡尺测一木球直径时，游标卡尺零刻度是在cm和cm两刻度线之间，若游标卡尺的第19条刻度线与主尺刻度线对齐，则此木球的直径为_______cm.【答案】49;;6.准确度为mm的游标卡卡尺，游标卡尺刻度总长度为9mm，若其最末一个刻度线与主尺的44mm刻度线对齐，则游标尺的第5条刻度线所对着的主尺刻度为mm mmmm mm【答案】B7.已知游标卡尺的主尺最小分度是1mm，游标卡尺上有10个小的等分刻度，它们的总长等于9mm，用此游标卡尺测得物体长度为cm，这时游标卡尺上的第_______条刻度线与主尺上的_______mm刻度线对齐.【解析】根据游标卡尺读数原理知：cm表明游标卡尺零刻度在23mm多一点的位置，cm表示游标卡