广西专用高考物理二轮复习 专题九 第2课时 光学和原子物理

第2课时光学和原子物理1．折射率与全反射(1)折射率：光从真空射入某种介质，入射角的正弦与折射角的正弦之比叫做介质的折射率，公式为n＝eq\f(sinθ1,sinθ2).实验和研究证明，某种介质的折射率等于光在真空中的传播速度c跟光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝eq\f(c,v).(2)临界角：折射角等于90°时的入射角，称为临界角．当光从折射率为n的某种介质射向真空(空气)时发生全反射的临界角为C，则sinC＝eq\f(1,n).(3)全反射的条件：①光从光密介质射向光疏介质；②入射角大于或等于临界角．2．光的干涉和衍射(1)光的干涉现象和衍射现象证明了光的波动性，光的偏振现象说明光波为横波．相邻两明条纹(或暗条纹)间的距离与波长成正比，即Δx＝eq\f(l,d)λ，利用双缝干涉实验可测量光的波长．(2)干涉和衍射的产生条件①双缝干涉产生亮、暗条纹的条件：屏上某点到双缝的路程差等于波长的整数倍时，该点干涉加强，出现亮条纹；当路程差等于半波长的奇数倍时，该点干涉减弱，出现暗条纹．②发生明显衍射的条件：障碍物或小孔的尺寸跟光的波长相差不多或比光的波长小．3．能级和能级跃迁(1)轨道量子化核外电子只能在一些分立的轨道上运动rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)(2)能量量子化原子只能处于一系列不连续的能量状态En＝eq\f(E1,n2)(n＝1,2,3，…)(3)吸收或辐射能量量子化原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或发射一定频率的光子，该光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.4．原子核的衰变衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰变实质2个质子和2个中子结合成一整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰变规律质量数守恒、电荷数守恒5.α射线、β射线、γ射线之间的区别名称α射线β射线γ射线实质氦核流电子流光子速度约为光速的eq\f(1,10)约为光速的99%光速电离作用很强较弱很弱贯穿能力很弱较强最强6.核反应、核能、裂变、轻核的聚变(1)在物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律．(2)质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2或ΔE＝Δmc2.(3)核物理中，把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变．(4)核能的计算：①ΔE＝Δmc2，其中Δm为核反应方程中的质量亏损；②ΔE＝Δm×931.5MeV，其中质量亏损Δm以原子质量单位u为单位．(5)原子核的人工转变卢瑟福发现质子的核反应方程为：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H查德威克发现中子的核反应方程为：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,)6C＋eq\o\al(1,0)n约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e7．光电效应及其方程(1)光电效应的规律：入射光的频率大于金属的极限频率才能产生光电效应；光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与入射光的强度无关；光电流的强度与入射光的强度成正比；光电子的发射几乎是瞬时的，一般不大于10－9s.(2)光电效应方程：Ek＝hν－W.1．光线通过平板玻璃砖后，不改变光线行进方向及光束性质，但会使光线发生侧移，侧移量的大小跟入射角、折射率和玻璃砖的厚度有关．2．对于几何光学方面的问题，应用光路图或有关几何图形进行分析，并与公式配合将一个物理问题转化为一个几何问题，能够做到直观、形象、易于发现隐含条件．3．在配平核反应方程时，一般要求先满足质量数守恒，后满足电荷数守恒.题型1光的折射和全反射例1如图1所示，有一束平行于等边三棱镜截面ABC的单色光从空气射向E点，并偏折到F点．已知入射方向与边AB的夹角为θ＝30°，E、F分别为边AB、BC的中点，则()图1A．该棱镜的折射率为eq\r(3)B．光在F点发生全反射C．光从空气进入棱镜，波长变小D．从F点出射的光束与入射到E点的光束平行解析如图分析可知，入射角i＝60°，折射角r＝30°，所以折射率n＝eq\f(sini,sinr)＝eq\f(sin60°,sin30°)＝eq\r(3)，A正确；在F点，光的入射角r′＝30°，所以，折射角i′＝i＝60°，所以B、D错误．由n＝eq\f(c,v)知v＝eq\f(c,n)，又v＝λf，得λ＝eq\f(c,nf)，故光从空气进入棱镜，波长变小，C正确．答案AC以题说法光的几何计算问题往往是光路现象与光的反射、折射、全反射(临界点)及几何图形关系的综合问题．解决此类问题应注意以下几方面：(1)依据题目条件，正确分析可能的全反射及临界角．(2)通过分析、计算确定光传播过程中可能的折射光线、反射光线，把握光的“多过程”现象．(3)准确作出光路图．(4)充分考虑三角形、圆的特点，运用几何图形中的角关系、三角函数、相似形、全等形等，仔细分析光传播过程中产生的几何关系．如图2所示为一顶角是120°的等腰三角形玻璃ABC.现从AB中点E平行BC入射一束红光，全部从AC中点F平行BC出射，则可知 ()图2A．该玻璃砖的折射率n＝1B．可以用插针法来确定这两条光线的位置C．将入射光束向A侧或B侧平移，则光不会从另一侧平行出射D．若改用绿光入射，则一定会从底边BC出射答案B解析光路图如图所示，第一次折射时，入射角为60°，折射角为30°，由折射定律计算可得该玻璃砖的折射率n＝eq\r(3)，选项A错．可以用插针法来确定这两条光线的位置，选项B正确．将入射光束向A侧或B侧平移，入射角不变，折射角不变，则光会从另一侧平行出射，选项C错．若改用绿光入射，有可能在底边BC发生全反射，不从底边BC出射，选项D错．题型2对光的本性的理解例2光在科学技术、生产和生活中有着广泛的应用，下列选项符合实际应用的是()A．在光导纤维束内传送图象是利用光的色散现象B．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的干涉现象C．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象D．用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的衍射现象解析在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象，用三棱镜观察白光看到的彩色图样是利用光的折射现象，选项A、B错误．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象，用透明的标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的干涉现象，选项C正确，D错误．答案C下面四种现象中，哪些不是光的衍射现象造成的 ()A．通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹B．不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑C．太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子D．用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现明暗相间的圆环答案C解析通过游标卡尺观测两卡脚间狭缝中发光的日光灯管，会看到平行的彩色条纹，是光的单缝衍射现象造成的．不透光圆片后面的阴影中心出现一个亮斑，是圆板衍射现象．太阳光照射下，架在空中的电线在地面上不会留下影子，是没有电线的本影，不是光的衍射现象造成的．用点光源照射小圆孔，后面屏上会出现明暗相间的圆环，是圆孔衍射现象．题型3玻尔原子模型和能级跃迁例3已知氢原子的能级为：E1＝－13.60eV，E2＝－3.40eV，E3＝－1.51eV，E4＝－0.85eV，现用光子能量介于10.00eV～12.70eV之间的某单色光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是 ()A．该照射光的光子可能会被处于基态的氢原子吸收B．该照射光的光子一定会被吸收C．若可以吸收该光子，则可判断激发后的氢原子发射不同能量的光子最多有3种D．若可以吸收该光子，则可判断激发后的氢原子发射不同能量的光子最多有6种解析E2－E1＝10.20eV，E3－E1＝12.09eV，由于光子能量介于10.00eV～12.70eV，所以可能会被处于基态的氢原子吸收从而跃迁到能级2或能级3上，A正确；若此光子不符合能级差值，则不会被氢原子吸收，B错误；若吸收该光子，激发后的氢原子处于能级2或能级3上，则此时氢原子跃迁到基态发出的光子最多有三种，分别为3→2、3→1、2→1，C正确，D错误．答案AC以题说法关于原子跃迁要注意以下四方面：(1)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱条数N＝eq\f(nn－1,2).(2)只有光子能量恰好等于跃迁所需的能量(hν＝Em－En)时，光子才被吸收．(3)“直接跃迁”只能对应一个能级差，发射一种频率的光子．“间接跃迁”能对应多个能级差，发射多种频率的光子．(4)入射光子能量大于电离能(hν＝E∞－En)时，光子一定能被原子吸收并使之电离，剩余能量为自由电子的动能．如图3所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为2.49eV的金属钠，下列说法正确的是 ()图3A．这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝2所发出的光波长最短B．这群氢原子能发出两种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝1所发出的光频率最大C．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为11.11eVD．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为9.60eV答案D解析有的氢原子可直接从n＝3跃迁到n＝1，释放出[－1.51－(－13.60)]eV＝12.09eV的能量，有些可从n＝3跃迁到n＝2，释放出[－1.51－(－3.40)]eV＝1.89eV的能量，再跃迁到n＝1，释放出[－3.40－(－13.60)]eV＝10.20eV的能量，所以，这群氢原子能发出三种频率不同的光，由能级图及跃迁方程hν＝Em－En可知，从n＝3跃迁到n＝2所发出的光的频率最小，波长最长，选项A、B错误；由光电效应方程可知，氢原子从n＝3跃迁到n＝1时发出的光使金属钠表面发出的光电子的初动能最大，为(12.09－2.49)eV＝9.60eV，选项C错误，D正确．题型4核反应和核能的计算例4某科学家提出了年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为：eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋ΔE1，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋ΔE2方程式中ΔE1、ΔE2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,2)Heeq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N质量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001以下判断正确的是 ()A．X是eq\o\al(3,2)He，ΔE1<ΔE2B．X是eq\o\al(4,2)He，ΔE1<ΔE2C．X是eq\o\al(3,2)He，ΔE1>ΔE2D．X是eq\o\al(4,2)He，ΔE1>ΔE2解析本题考查核反应方程及质能方程．根据质量数、电荷数守恒可知，X为eq\o\al(4,2)He，第一个核反应方程中亏损的质量为Δm1＝(1.0078＋12.0000－13.0057)u＝0.0021u，第二个核反应方程中亏损的质量为Δm2＝(1.0078＋15.0001－12.0000－4.0026)u＝0.0053u，显然第二个核反应亏损的质量多，放出的能量多，B项正确．答案B以题说法1.原子核的衰变(1)衰变实质：α衰变是原子核中的2个质子和2个中子结合成一个氦核并射出；β衰变是原子核中的中子转化为一个质子和一个电子，再将电子射出；γ衰变伴随着α衰变或β衰变同时发生，不改变原子核的质量数与电荷数，以光子形式释放出衰变过程中产生的能量．(2)衰变的快慢由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关；半衰期是统计规律，对个别、少数原子无意义．2．核反应方程的书写(1)核反应过程一般不可逆，所以核反应方程中用“→”表示方向而不能用等号代替．(2)核反应方程遵循质量数、电荷数守恒，但核反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能．(3)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能只依据两个守恒规律凭空杜撰出生成物来写核反应方程．下列关于核反应及衰变的表述正确的有 ()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是轻核聚变B．X＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H中，X表示eq\o\al(3,2)HeC．β衰变中产生的β射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的D.eq\o\al(232,90)Th衰变成eq\o\al(208,82)Pb要经过6次α衰变和4次β衰变答案AD解析由轻核聚变定义可知A正确；在核反应过程中电荷数和质量数守恒，设选项B中X的电荷数为N，质量数为M，则N＋7＝8＋1，M＋14＝17＋1，解得N＝2，M＝4，B错误；β衰变的实质是原子核内的中子转化成了一个质子和一个电子，C错误；设eq\o\al(232,90)Th衰变成eq\o\al(208,82)Pb要经过x次α衰变和y次β衰变，则由90－2x＋y＝82，232－4x＝208可得x＝6，y＝4，D正确．(限时：45分钟)1．(·四川·3)光射到两种不同介质的分界面，分析其后的传播情形可知 ()A．折射现象的出现说明光是纵波B．光总会分为反射光和折射光C．折射光与入射光的传播方向总是不同的D．发生折射是因为光在不同介质中的传播速度不同答案D解析光是横波，选项A错误．当光发生全反射时不会出现折射光，选项B错误．当光垂直界面进入另一种介质时，折射光与入射光的传播方向相同，选项C错误．因为光在不同介质中的传播速度不同，所以发生折射，选项D正确．2．(·北京·14)如图1所示，一束可见光射向半圆形玻璃砖的圆心O，经折射后分为两束单色光a和b.下列判断正确的是 ()图1A．玻璃对a光的折射率小于对b光的折射率B．a光的频率大于b光的频率C．在真空中a光的波长大于b光的波长D．a光光子能量小于b光光子能量答案B解析经折射后a光的折射角大于b光的折射角，根据折射率的定义及光路可逆可知，a光的折射率大于b光的折射率，选项A错误；光的折射率越大频率越高，光子的能量越大，真空中的波长越小，即νa＞νb，Ea＞Eb，λa＜λb，所以选项B正确，C、D均错误．3．下列有关光现象的说法中正确的是 ()A．雨后天空出现彩虹是光的干涉现象B．刮胡须的刀片的影子边缘模糊不清是光的衍射现象C．水的视深比实际深度浅些是光的全反射现象D．光导纤维丝内芯材料的折射率比外套材料的折射率大答案BD解析雨后的彩虹是由于空气中悬浮的小水滴对阳光的散射造成的，不属于干涉现象，A错误；刮胡须的刀片的影子边缘模糊不清，是光通过刮胡刀片时形成衍射图样，属于光的衍射，B正确；水的视深比实际深度浅，是由光的折射形成的，C错误；光由折射率较大的介质射向折射率较小的介质时，才会发生全反射，因此，光导纤维内芯材料折射率大于外套材料的折射率，D正确．4.如图2所示，a、b为两束不同频率的单色光，以45°的入射角射到玻璃砖的上表面，直线OO′与玻璃砖垂直且与其上表面交于N点，入射点A、B到N点的距离相等，经玻璃砖上表面折射后两束光相交于图中的P点．下列说法正确的是 ()图2A．在真空中，a光的传播速度大于b光的传播速度B．玻璃对a光的折射率小于玻璃对b光的折射率C．同时增大入射角，则b光在下表面先发生全反射D．对同一双缝干涉装置，a光的相邻亮条纹间距比b光的相邻亮条纹间距宽答案BD解析真空中的光速是相同的，选项A错误；根据题图，在入射角相同的情况下，b光的折射角小，b光的折射率大，选项B正确；玻璃的两个表面平行，无论怎么改变入射角，两束光都不会发生全反射，选项C错误；a光的折射率小，波长长，根据Δx＝eq\f(l,d)λ，可得a光条纹间距宽，选项D正确．5．以下说法正确的是 ()A．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究发现了原子的核式结构B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的C．用绿光照射一光电管，能够发生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应改用紫光照射D．已知能使某金属发生光电效应的单色光的极限频率为ν0，则当频率为2ν0的单色光照射该金属时，光电子的最大初动能为2hν0答案BC解析贝克勒尔通过对天然放射现象的研究发现了原子核具有复杂结构，而不是发现了原子的核式结构，A错误；β衰变的核反应方程为eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋0－1e，B正确；由Ek＝hν－W知，在能发生光电效应的前提下，入射光的频率越大，光电子的最大初动能也越大，C正确；因为Ek′＝hν－W＝2hν0－hν0＝hν0，D错误．6．(·重庆·2)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生如下的裂变反应：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→a＋b＋2eq\o\al(1,0)n则a＋b可能是 ()A.eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(93,36)Kr B.eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)KrC.eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(93,38)Sr D.eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr答案D解析由原子核反应的质量数守恒及电荷数守恒规律知D正确．7．下列说法中正确的是 ()A．氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后，在向低能级跃迁时放出光子的频率可能小于原吸收光子的频率B.eq\o\al(234,90)Th(钍)核衰变为eq\o\al(234,91)Pa(镤)核时，衰变前Th核质量大于衰变后Pa核与β粒子的总质量C．α粒子散射实验的结果证明原子核是由质子和中子组成的D.eq\o\al(82,34)Se→eq\o\al(82,36)Kr＋2eq\o\al(0,－1)e，此核反应方程属于重核裂变答案AB解析如果氢原子吸收光子从n＝1的基态跃迁到n＝3的激发态，则向低能级跃迁时，可能先从n＝3的激发态跃迁到n＝2的激发态，那么放出的光子的频率小于原吸收光子的频率，选项A正确；衰变要释放出能量，所以有质量亏损，选项B正确；α粒子散射实验证明了原子具有核式结构，选项C错误；选项D属于β衰变，选项D错误．8．如图3所示，一束复色光从长方体玻璃砖上表面射入玻璃，穿过玻璃砖后从侧表面射出，变为a、b两束单色光，则以下说法正确的是 ()图3A．玻璃对a光的折射率较大B．在玻璃中b光的波长比a光短C．在玻璃中b光传播速度比a光大D．减小入射角i，a、b光线有可能消失答案BD解析玻璃对a光的折射率较小，在玻璃中b光的波速较小，b光的波长比a光短，选项A、C错误，B正确．减小入射角i，a、b光线在出射界面的入射角增大，有可能大于全反射临界角，a、b光线有可能消失，选项D正确．9．下列说法正确的是 ()A．光导纤维传输信号是利用光的干涉现象B．全息照相利用了激光相干性好的特性C．光的偏振现象说明光是横波D．X射线比无线电波更容易发生干涉和衍射现象答案BC解析光导纤维传输信号是利用光的全反射，A错误；全息照相利用了激光相干性好的特性，B正确；只有横波才能发生偏振现象，C正确；波长越长，越容易发生干涉和衍射现象，因为X射线的波长比无线电波要短得多，所以D错误．10．用a、b两束单色光分别照射到同一双缝干涉装置上，在距双缝恒定距离的屏上得到如图4所示的干涉图样，其中图甲是a光照射时形成的图样，图乙是b光照射时形成的图样，则关于a、b两束单色光，下列说法正确的是 ()图4A．若a光照在某金属上恰好能发生光电效应，则b光照在该金属上肯定能发生光电效应B．在水中a光传播的速度较小C．在相同的环境下，b光更容易发生全反射D．若a光是氢原子的核外电子从第三轨道向第二轨道跃迁时产生的，则b光可能是氢原子的核外电子从第四轨道向第二轨道跃迁时产生的答案ACD11．光电效应的实验规律及对应的理论分析过程，让人们体会到光电效应的神奇并认识到经典理论的局限性．实验电路如图5所示，已知光照条件不变，照射光频率大于光电管中阴极金属K的截止频率，下列选项中分析正确的是 ()图5A．将滑片P向右移动的过程中，灵敏电流计的示数一定持续增大B．将滑片P向右移动的过程中，灵敏电流计的示数可能出现先增大后不变的现象，说明逸出的光电子有最大初动能C．将滑片P向右移动的过程中，灵敏电流计的示数可能出现先增大后不变的现象，说明单位时间内逸出的光电子的数目是一定的D．如果将图中电源正负极对调，滑片P向右移动的过程中，灵敏电流计的示数将会减小，说明光电子逸出的初动能有大有小答案CD解析光电管两端加正向电压，目的是使从K极射出的光电子尽可能都打在A极上，滑片P向右移动的过程中，若光电子都已能打到A极，则再增加光电管两端电压时灵敏电流计示数也不会再增加，说明此时单位时间内逸出的光电子的