高三物理复习专题九机械振动和机械波热学光学和原子物理第2课时光学和原子物理讲义.docx
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高三物理复习专题九机械振动和机械波热学光学和原子物理第2课时光学和原子物理讲义
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＝.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＝.
（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＝.
（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＝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＝（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
X→Y＋He
X→Y＋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
2H＋2n→He
n→H＋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
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：
N＋He→O＋H
查德威克发现中子的核反应方程为：
Be＋He→6C＋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：
Al＋He→P＋n，
P→Si＋e
7．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1
A．该棱镜的折射率为
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＝＝＝，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＝知v＝，又v＝
λf，得λ＝，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2
A．该玻璃砖的折射率n＝1
B．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＝，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＝.
（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3
A．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11.11eV
D．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：
H＋C→N＋ΔE1，H＋N→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
H
He
He
C
N
N
质量/u
1.0078
3.0160
4.0026
12.0000
13.0057
15.0001
以下判断正确的是（ ）
A．X是He，ΔE1<ΔE2
B．X是He，ΔE1<ΔE2
C．X是He，ΔE1>ΔE2
D．X是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
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