第1章 1碰撞知识点讲解汇总附练习 高中物理选修35 Word版含答案.docx

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第1章1碰撞知识点讲解汇总附练习高中物理选修35Word版含答案

1．碰撞

学习目标

知识脉络

1.知道碰撞的特点.

2.会用实验探究碰撞前后物体动能的变化．（重点）

3.知道弹性碰撞和非弹性碰撞，会用能量的观点分析弹性碰撞和非弹性碰撞．（重点、难点）

碰撞现象

碰撞现象

做相对运动的两个（或几个）物体相遇而发生相互作用，在很短的时间内，它们的运动状态会发生显著变化，这一过程叫做碰撞．

1．发生碰撞的两个物体的运动方向一定都发生变化．（×）

2．两个物体之间发生碰撞后，它们的运动方向可能相同．（√）

3．碰撞只能是两个物体之间发生的相互作用．（×）

图111

如图111所示，质量为m，速度为v的小球与挡板发生碰撞，碰后以大小不变的速度反向弹回．

（1）小球的运动状态是否发生了改变？

（2）小球的动能是否发生了变化？

【提示】　

（1）由于小球的运动方向发生了改变，故小球的运动状态发生了改变．

（2）由于小球的速度大小没有变化，故小球的动能没有变化．

碰撞的特点

1．时间特点：

碰撞现象中，相互作用的时间极短，相对物体运动的全过程可忽略不计．

2．相互作用力特点：

在碰撞过程中，系统的内力远大于外力．

3．位移特点：

在碰撞过程中，由于在极短的时间内物体的速度发生突变，物体发生的位移极小，可认为碰撞前后物体处于同一位置．

1．（多选）碰撞现象的主要特点有（　　）

A．物体相互作用时间短

B．物体相互作用前速度很大

C．物体相互作用后速度很大

D．物体间相互作用力远大于外力

【解析】　碰撞过程发生的作用时间很短作用力很大，远大于物体受到的外力，与物体作用前后的速度大小无关，故A、D正确．

【答案】　AD

2．（多选）钢球A以一定的速度沿光滑水平面向静止于前面的另一相同大小的钢球B运动，下列对两球相互作用过程说法正确的是（　　）

【导学号：

22482000】

A．两球相互作用的过程始终没有动能的损失

B．钢球A减速运动时，系统动能不变

C．两球速度相等的瞬间，系统动能最小

D．两球速度相等的瞬间，系统势能最大

【解析】　两球相互作用过程中由于存在相互作用的弹力，两球均发生形变，有弹性势能，系统动能有损失，两球速度相等瞬间，系统动能损失最大，弹性势能最大．

【答案】　CD

处理碰撞问题的几点提醒

（1）作用时间很短．

（2）运动状态变化显著．

（3）位移变化非常小．

碰撞中动能的变化

1．实验装置：

气垫导轨、数字计时器（图114）．导轨上附有滑块和光电门，如图112所示．滑块上装有挡光条和弹簧片，如图113所示．

图113　　　　　　　图114

2．探究过程

（1）先用天平测出带弹簧片的滑块1、滑块2的质量m1、m2，然后用手推动滑块1使其获得初速度v1，与静止的滑块2发生正碰，测定碰撞前、后两滑块的速度大小，并算出两滑块碰撞前、后的动能Ek1、Ek2和E′k1、E′k2，比较Ek1＋Ek2和E′k1＋E′k2的大小．

（2）换用不带弹簧片的两滑块重复

（1）．

（3）将滑块上的弹簧片换成橡皮泥，使有橡皮泥的两端正对，重复实验

（1）．

3．实验结论

对于不同的碰撞情况，动能的变化情况不同，在第一种情况下，两滑块碰撞前、后的动能之和大致不变，在第二、三种情况下，碰后两滑块的动能之和变小了，而第三种情况动能损失的更多．

3．（多选）在利用气垫导轨探究碰撞中的动能变化时，下列哪些因素可导致实验误差（　　）

A．导轨安放不水平

B．小车上挡光条倾斜

C．两小车质量不相等

D．两小车碰后连在一起

【解析】　导轨安放不水平，小车速度将受重力的影响，从而导致实验误差；挡光条倾斜会导致挡光条宽度不等于挡光阶段小车通过的位移，使计算速度出现误差．故本题应选A、B.

【答案】　AB

4．某同学利用气垫导轨做“探究碰撞前、后物体动能变化”的实验，气垫导轨装置如图115所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成．

图115

（1）下面是实验的主要步骤：

①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；

②向气垫导轨通入压缩空气；

③接通光电计时器；

④把滑块2静止放在气垫导轨的中间；

⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；

⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧有固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门后依次被制动；

⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间：

滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1＝10.01ms，通过光电门2的挡光时间Δt2＝49.99ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35ms；

⑧测出挡光片的宽度d＝5mm，测得滑块1（包括撞针）的质量为m1＝300g，滑块2（包括弹簧）质量为m2＝200g；

（2）数据处理与实验结论：

①实验中气垫导轨的作用是：

A.____________________________________，

B．___________________________________________________________.

②碰撞前滑块1的速度v1为________m/s；碰撞后滑块1的速度v2为________m/s；滑块2的速度v3为________m/s；（结果保留两位有效数字）

③碰撞前两滑块的总动能Ek1＝________J，碰撞后两滑块的总动能Ek2＝________J，Ek1________Ek2（选填“＞”“＝”或“＜”）．

【解析】　

（2）①A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．

B．保证两个滑块的碰撞是正碰．

②滑块1碰撞前的速度v1＝

＝

m/s≈0.50m/s；

滑块1碰撞后的速度v2＝

＝

m/s≈0.10m/s；

滑块2碰撞后的速度v3＝

＝

m/s≈0．60m/s；

③碰撞前的总动能Ek1＝

m1v

＝0.0375J

碰撞后的总动能Ek2＝

m1v

＋

m2v

＝0.0375J

所以碰撞前后总动能相等．

【答案】　

（2）①A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．

B．保证两个滑块的碰撞是正碰．

②0.50　0.10　0.60

③0.0375　0.0375　＝

1利用气垫导轨探究碰撞时，一定要保证碰撞的两物体“水平”和“正碰”.

2只有弹性碰撞时碰撞前后动能之和保持不变，一般情况下的碰撞总动能要减小.

碰撞的分类

1．弹性碰撞

碰撞前后系统总动能不变，这种碰撞称为弹性碰撞．

2．非弹性碰撞

碰撞后的系统总动能减小了，有一部分动能转化为其他形式的能量，这种碰撞称为非弹性碰撞．

3．完全非弹性碰撞

在非弹性碰撞中，如果两物体碰后粘在一起，以相同的速度运动，这种碰撞称为完全非弹性碰撞．

1．弹性碰撞过程中，物体的总机械能守恒．（√）

2．两辆汽车迎面相撞属于弹性碰撞．（×）

3．正、负离子碰撞后共同组成分子的现象属于完全非弹性碰撞．（√）

你能说出弹性碰撞与非弹性碰撞的本质区别吗？

现实生活中，哪些碰撞可近似看作弹性碰撞？

（请举例说明）

【提示】　两种碰撞的本质区别是碰撞前后系统动能是否守恒．现实生活中的碰撞，多数是非弹性碰撞．乒乓球拍击打乒乓球、网球拍击打网球、台球间的碰撞可近似看作弹性碰撞．

弹性碰撞与非弹性碰撞的区别

弹性碰撞

非弹性碰撞

碰后形变情况

完全恢复

不能完全恢复

能量损失情况

没有能量损失，碰撞前后系统的动能相等

一部分动能转变为其他形式的能，碰撞前后系统的动能不再相等

5．如图116所示，两小球在同一轨道槽内发生了碰撞，两小球都是弹性小球，则它们的碰撞属于（　　）

【导学号：

22482001】

图116

A．完全非弹性碰撞B．弹性碰撞

C．非弹性碰撞D．碰撞前后动能保持不变

【解析】　两小球都是弹性小球，属于弹性碰撞，故选项B正确．

【答案】　B

6．（多选）下面对于碰撞的理解，正确的是（　　）

A．碰撞是指相对运动的物体相遇时，在极短时间内它们的运动状态发生显著变化的过程

B．在碰撞现象中，一般来说物体所受的外力作用可以忽略

C．正、负离子碰撞后共同组成分子的现象属于完全非弹性碰撞

D．根据碰撞过程中动能是否守恒，碰撞可分为正碰和斜碰

【解析】　碰撞的主要特点是：

相互作用时间短，作用力峰值大，因而其他外力可以忽略不计，在极短时间内物体的运动状态发生明显变化，故A、B对；根据碰撞前后动能是否不变，碰撞分为弹性碰撞和非弹性碰撞，其中动能不变的碰撞称为弹性碰撞，故C对、D错．

【答案】　ABC

1．弹性碰撞是一种理想化碰撞，现实中的多数碰撞实际上都属于非弹性碰撞．

2．当两物体碰撞后不再分开，此时系统动能损失最大，称为完全非弹性碰撞．

3.光的波粒二象性

学习目标

知识脉络

1.知道什么是康普顿效应及康普顿散射实验原理．（重点）

2．理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波.

康普顿效应

1．光的散射：

光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生偏转，这种现象叫光的散射．

蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的，夜晚探照灯或激光的光柱，是空气中微粒对光散射形成的．

2．康普顿效应

康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除原波长外，还发现了波长随散射角的增大而增大的谱线．X射线经物质散射后波长变长的现象，称为康普顿效应．

3．康普顿的理论

当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律，又遵守动量守恒定律．在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长．

4．康普顿效应的意义

康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面，为光子说提供了又一例证．

1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．（√）

2．康普顿效应进一步说明光具有粒子性．（√）

3．光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化．（×）

4．光子发生散射后，其波长变大．（√）

1．太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的．为什么？

【提示】　地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空中的真空环境下，光不再散射，只向前传播．

2．光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何不同？

【提示】　光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．

1．对康普顿效应的理解

（1）实验现象

X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．

（2）康普顿效应与经典物理理论的矛盾

按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率（即入射光的频率）．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．

（3）光子说对康普顿效应的解释

假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．

①光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．

②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．

2．康普顿的散射理论进一步证实了爱因斯坦的光量子理论，也有力证明了光具有波粒二象性．

1．（多选）美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，以下说法正确的是（　　）

A．康普顿效应说明光子具动量

B．康普顿效应现象说明光具有波动性

C．康普顿效应现象说明光具有粒子性

D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加

【解析】　康普顿效应说明光具有粒子性，B项错误，A、C项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，D项错误．

【答案】　AC

2．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．如图431给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子可能沿__________方向运动，并且波长________（选填“不变”“变短”或“变长”）．

图431

【解析】　因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．

【答案】　1　变长

1动量守恒定律不但适用于宏观物体，也适用于微观粒子间的作用；

2康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.

光的波粒二象性光是一种概率波

1．光的波粒二象性

（1）光既具有波动性又具有粒子性，既光具有波粒二象性．

光的波动性是指光的运动形态具有各种波动的共同特征，如干涉、衍射和色散等都有波动的表现．

光的粒子性是指光与其他物质相互作用时所交换的能量和动量具有不连续性，如光电效应、康普顿效应等．

（2）光子的能量和动量

①能量：

ε＝hν.

②动量：

p＝

.

（3）意义

能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此ε＝hν和p＝

揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．

2．光是一种概率波

光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小，所以光是一种概率波．

1．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．（√）

2．光子数量越大，其粒子性越明显．（×）

3．光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．（√）

4．光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些．（√）

1．由公式E＝hν和λ＝

，能看出波动性和粒子性的联系吗？

【提示】　从光子的能量和动量的表达式可以看出，是h架起了粒子性与波动性之间的桥梁．

2．在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并设法控制光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，曝光时间短时，可看到胶片上出现一些无规则分布的点；曝光时间足够长时，有大量光子通过狭缝，底片上出现一些平行条纹，中央条纹最亮最宽．请思考下列问题：

（1）曝光时间短时，说明什么问题？

【提示】　少量光子表现出光的粒子性，但其运动规律与宏观粒子不同，其位置是不确定的．

（2）曝光时间足够长时，说明什么问题？

【提示】　大量光子表现出光的波动性，光波强的地方是光子到达的机会多的地方．

（3）暗条纹处一定没有光子到达吗？

【提示】　暗条纹处也有光子到达，只是光子到达的几率特别小，很难呈现出亮度．

1．对光的认识的几种学说

学说名称

微粒说

波动说

电磁说

光子说

波粒二象性

代表人物

牛顿

惠更斯

麦克斯韦

爱因斯坦

公认

实验依据

光的直线传播、光的反射

光的干涉、衍射

能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速度

光电效应，康普顿效应

光既有波动现象，又有粒子特征

内容要点

光是一群弹性粒子

光是一种机械波

光是一种电磁波

光是由一份一份光子组成的

光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性

理论领域

宏观世界

宏观世界

微观世界

微观世界

微观世界

2.对光的波粒二象性的理解

实验基础

表现

说明

光的波动性

干涉和衍射

（1）光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述

（2）足够能量的光（大量光子）在传播时，表现出波的性质

（3）波长长的光容易表现出波动性

（1）光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的

（2）光的波动性不同于宏观观念的波

光的粒子性

光电效应、康普顿效应

（1）当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质

（2）少量或个别光子容易显示出光的粒子性

（3）波长短的光，粒子性显著

（1）粒子的含义是“不连续”“一份一份”的

（2）光子不同于宏观观念的粒子

3.光波是一种概率波

在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，不能肯定它落在哪一点，但屏上各处明暗条纹的不同亮度，说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的．光子落在明条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小．

这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，因此说光是一种概率波．

3．关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是（　　）

【导学号：

22482062】

A．光的频率越高，衍射现象越容易看到

B．光的频率越高，粒子性越显著

C．大量光子产生的效果往往显示粒子性

D．光的波粒二象性否定了光的电磁说

【解析】　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误．光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B正确、A错误．大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C错误．

【答案】　B

4．（多选）在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设现在只让一个光子能通过单缝，那么该光子（　　）

A．一定落在中央亮纹处

B．一定落在亮纹处

C．可能落在亮纹处

D．可能落在暗纹处

【解析】　根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达95%以上．当然也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在暗处的概率很小而已，故只有C、D正确．

【答案】　CD

对光的波粒二象性的两点提醒

1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．

2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．

对光子落点的理解

1．光具有波动性，光的波动性是统计规律的结果，对某个光子我们无法判断它落到哪个位置，我们只能判断大量光子的落点区域．

2．在暗条纹处，也有光子达到，只是光子数很少．

3．对于通过单缝的大量光子而言，绝大多数光子落在中央亮纹处，只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处．