高三物理选修3-5知识梳理

高三物理选修3-5知识梳理 1、  最先提出动量具有守恒性思想的是法国科学家笛卡儿，但他忽略了动量的方向性，牛顿把他的定义做了修改，而明确地用质量与速度的乘积定义动量，即；动量是矢量，它的方向与速度方向相同；它与动能的关系是：，但动能是标量。它们变化的关系是：物体的动量变化，动能不一定变化（因为可能只是方向变化）；物体的动能变化，则动量一定变化（因为它的大小发生了变化） 2、  动量守恒定律：如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为零，这个系统的总动量保持不变，即动量守恒 3、  动量守恒的条件：系统不受力；或所受外力的矢量和为零；或内力远大于外力且外力作用时间很短；或外力在某方向的矢量和为零，该方向的动量守恒 4、  动量守恒定律的适用范围：它是一个独立的实验规律，它适用于目前为止物理学研究的一切领域，对微观、高速的物体同样适用（牛顿定律不再适用） 5、  碰撞：碰撞过程中机械能守恒的碰撞叫弹性碰撞；机械能不守恒的碰撞叫非弹性碰撞；机械能损失最大的碰撞叫完全非弹性碰撞（碰后粘在一起）；微观粒子间的碰撞是弹性碰撞 6、  弹性碰撞后的速度推导：设两物体的质量分别为m1和m2，碰前的速度分别为，碰撞后两物体的速度分别为 ，则由动量守恒和机械能守恒得                    ①                         ② 由①得           ③ 由②得        ④ ③④相除得              ⑤ 由①和⑤得   ⑥         ⑦ 注意两点：（1）当m1=m2时          （交换速度）                        （2）当时，   7、散射：与宏观物体碰撞不同的是，微观粒子相互接近时并不发生直接接触，故微观粒子的碰撞又叫散射 8、反冲：一个静止的物体在内力的作用下分裂为两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动，这个现象叫反冲。章鱼的运动利用了反冲的原理；喷气式飞机和火箭的飞行也应用了反冲的原理，它们都是靠喷出气流的反冲作用而获得巨大速度的，现代的喷气式飞机的飞行速度能够超过1000m/s 9、火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比叫做火箭的质量比，这个参数一般小于10，否则火箭结构的强度就成了问题，但是，这样的火箭还是达不到发射人造地球卫星的7.9m/s的速度；为了解决这个问题，苏联科学家齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的概念，实际应用中的火箭一般不会超过四级，因为级数太多时，连接机构和控制机构的质量会增加得很多，工作的可靠性也会降低 10、1964年6月，我国自行研制的运载火箭首次升空，1970年4月24日，我国第一颗人造卫星一次发射成功，我国的火箭技术已经跨入了世界先进行列 11、人造地球卫星的发射轨道尽可能在赤道附近，且发射方向和地球自转方向一致（why?） 12、要使物体的动量发生一定的变化，可以用较大的力作用较短的时间，也可以用较小的力作用较长的时间 13、我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射，热辐射的强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性 14、常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致；一些物体在光线照射下看起来比较黑，就是因为它吸收电磁波的能力强，而反射电磁波的能力弱；如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体 15、黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 16、黑体辐射的实验规律的解释：德国的维恩、英国的瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式；维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大；瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射为无穷大，这是荒谬的，由于波长很小的辐射处在紫外线波段，故该荒谬的结果被认为是物理学理论的灾难，当时被成为“紫外灾区” 17、为了很好地解释黑体辐射，普朗克提出了“能量子”的说法，他认为振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍（即能量是量子化的，而不是连续的），这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子，即ε=hυ（υ为电磁波的频率，h为普朗克常量，h=6.63×10-34J·s） 18、“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”，其中一朵乌云与黑体辐射有关（它的研究导致量子论的出现），另一朵与光的速度有关（它的研究导致了相对论的出现） 19、借助于能量子的假说，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得很好 20、光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象（逸出的电子是原子核外层的电子，而β衰变中的电子是原子核内的中子转变而来的） 21、赫兹在研究电磁波的实验中发现了光电效应现象，这是最早发现的该现象；德国的P· 勒纳德、英国的J．J．汤姆生等相继进行了实验研究，证实了这个现象 22、光电效应的结果：（1）存在着饱和电流，入射光越强，饱和电流越大；（2）存在着遏止电压（使光电流减小到零的反向电压）和截止频率（或极限频率）（入射光的频率低于极限频率时不能发生光电效应，不同的金属的极限频率不同）；（3）效应具有瞬时性 23、逸出功：使电子脱离某种金属所做的功的最小值，叫做这种金属的逸出功 24、爱因斯坦对光电效应的解释：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为υ的光的能量子为hυ，这些能量子叫光子；爱因斯坦光电效应方程：hυ=Ek+W0     （1）光电子的初动能Ek与入射光的频率υ成线性关系，与光强无关，只有当hυ＞W0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率     （2）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的     （3）光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比 25、光电效应显示了光的粒子性 26、一个重要关系式：（其中UC为遏止电压，W0为逸出功）（如何推导？） 27、光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象 28、康普顿效应：石墨对X射线散射时，在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分λ0外，还有波长大于λ0的成分，这个现象叫——；他的学生中国的留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性 29、康普顿用光子的概念十分成功地解释了这种效应：X射线的光子具有动量，当它与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒和动量守恒，解得散射光波波长的变化值△λ与实验相吻合 30、光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了能量之外还有动量 31、光子质量是它的相对论质量（），由于它不能静止下来，所以它没有静止质量 32、光子的动量：为（如何推导？p=mc）在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小，所以波长变大 33、ε=hυ和是描述光的性质的基本关系式，能量ε和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ或频率υ是描述物质的波动性的典型物理量；普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁 34、法国的德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，他提出假设：实物粒子也具有波动性，能量和动量跟它所对应的波的频率和波长之间同样遵循光波的关系，这种波后来叫德布罗意波，也叫物质波 35、德国物理学家劳厄提议，利用晶体中排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验X射线的波动性，实验获得了成功，证实了X射线就是波长为十分之几纳米的电磁波 36、戴维孙和G．P．汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到它的衍射图样，从而证实了电子的波动性 37、宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，故它们对应的德布罗意波的波长就很小，所以根本无法观察到它的波动性 38、衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领，电子显微镜的分辨率比较高，是由于电子被加速，它的动量很大，它的德布罗意波的波长很短，衍射的影响就小多了；由于电压越高电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨本领也就越强，所以电子显微镜的分辨本领大小常用它的加速电压来表示；如果显微镜用质子流，它们加速后的速度相同，则它的分辨本领比电子显微镜更高 39、任意时刻的确定位置和速度以及时空中的确定轨道，是经典物理学中粒子运动的基本特征；与经典的粒子不同，经典的波在空间中是弥散开来的，其特征是具有频率和波长，也就是具有时空的周期性；可见，在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现 40、光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质；德国的玻恩指出：一个光子通过狭缝后虽然不能肯定该光子落到哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落到各点的概率是不一样的，落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小，可见，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以说，光波是一种概率波；对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波 41、单缝衍射时，屏上各点的亮度实际上反映了粒子到达这点的概率 42、为了更准确地测定通过狭缝的粒子的位置，我们可以选用更窄的狭缝，但是狭缝越窄，屏上中央亮纹就越宽，这表明，尽管更窄的狭缝可以更准确地测得粒子的位置，但粒子动量的不确定量却更大了 43、不确定性关系：如果以△x表示粒子位置的不确定量，以△p表示粒子在x方向上的动量的不确定量，则有△x△p≥ （其中h是普朗克常量） 44、在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动；我们虽然不可能准确地知道单个粒子的运动情况，但是我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律 45、通常情况下，气体是不导电的；但在强电场中，气体能够被电离而导电 46、J．J．汤姆生发现了电子，其子G．P．汤姆孙发现了电子的衍射现象 47、电子电荷的精确测定是在1910年由密立根通过著名的“油滴实验”做出的 48、汤姆孙的原子模型：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。人称“西瓜模型”或“枣糕模型”，α粒子散射实验完全否定了该模型 49、英国的卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的研究，将α粒子打到金箔上，实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但是少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于900 50、卢瑟福的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动；该结构可以很好地解释α粒子散射实验的结果 51、由不同元素对α粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷Q，还可以估计核的半径；一般的原子核，核的半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m 52、原子光谱有线状谱和连续谱，还有发射光谱和吸收光谱；各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光，这些亮线称为原子的特征谱线（或吸收光谱中的暗线） 53、德国的基尔霍夫解释了太阳光谱中暗线的含义，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再发射出去，所以到达地球的这些谱线看起来就弱了，这样就形成了明亮背景下的暗线；由他开创的光谱分析方法，对鉴别化学元素有着巨大的意义 54、许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探究原子结构的重要途径之一 55、卢瑟福的核式结构模型很好地解释了粒子的散射实验，但是经典物理学无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征 56、玻尔的原子结构假说：（1）轨道量子化与定态（电子的轨道是量子化的，电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射；原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫能级，原子中这些具有确定能量的稳定状态叫定态，能量较低的状态叫基态，其他的状态叫激发态）；（2）频率条件（当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，吸收或放出的光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即，电离除外） 57、玻尔理论的一个重要假设是原子能量的量子化，光谱测量发现了电磁波发射或吸收的分立特征，从而证实了原子中分立的能级的存在。激发原子的手段不只是让它吸收电磁辐射，还有加热或使粒子碰撞等方式，因此，用其他方法也应该能证明原子能量的量子化现象，弗兰克-赫兹实验就是其中之一，他们证实了汞原子内存在的量子态 58、玻尔模型的局限性：他第一次将量子观念引入原子领域，成功地解释了氢原子光谱的实验规律，但是对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱 59、实际上，原子中电子的坐标没有确定的值，我们只能说某时刻电子在某处附近单位体积内出现的概率是多少，而不能把电子的运动看做一个具有确定坐标的质点的轨道运动，我们可以用电子云来描述电子的运动 60、人们从破解天然放射现象，从而逐渐认识原子核的内部复杂结构的 61、法国的贝可勒尔首先发现了天然放射现象，玛丽·居里和皮埃尔·居里对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究，发现了两种能够发出更强射线的新元素钋和镭 62、物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线；原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。放射性元素自发地发出射线的现象，叫天然放射现象 63、射线撞击途中遇到的原子并将其部分能量转移给原子的核外电子，使这个电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫电离，射线的上述作用叫做电离作用 64、α射线是高速氦核流，它的速度可以达到光速的1/10，它的电离能力最强，而穿透能力最弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把她挡住；β射线是高速电子流，它的速度可达光速的99%，它的电离作用较弱，贯穿本领较强，能穿透几厘米厚的铝板；γ射线是能量很高的电磁波，波长很短，在10-10m以下，它的电离作用最小，但贯穿本领最强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土 65、如果一种元素具有放射性，无论它是以单质存在，还是以化合物存在，都具有放射性，放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，这表明射线与核外电子无关，从而说明射线来自原子核，原子核内部是有结构的 66、卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，从氮原子核中打出了质子，核反应式为：          ；他的学生查德威克发现了中子：     67、质子和中子统称为核子，原子核的电荷数等于原子核中质子的数目，用“Z”表示；原子核的质量数为原子核内的质子数和中子数的总和（即核子数），用“A”表示；原子核常用符号表示，原子核的电荷数不是它所带的电荷量质量数也不是它的质量 68、原子核的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质，因此，同位素（质子数相同而中子数不同的原子核）具有相同的化学性质 69、衰变：原子核放出α粒子或β粒子，这种变化叫衰变，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 70、α衰变：       + 71、β衰变：       + ，该衰变的实质是核内的中子转化为一个质子和一个电子，转化方程为：         72、原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续数值，因此也存在着能级，同样是能级越低越稳定。原子核发生衰变时常常伴随着能量的产生，以γ光子的形式辐射出来，因此，γ射线经常是伴随着α射线和β射线产生的 73、半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间；它表示衰变的快慢 74、衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观事件是不可预测的”，故对于一个特定的放射性物质的原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变；然而，量子理论可以对大量原子核的行为做出统计预测，放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律 75、半衰期是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件都没有关系。 76、半衰期的应用：碳14测年技术 77、探测射线的方法：射线有如下效应：（1）粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和汽会产生云雾，过热液体会产生气泡；（2）使照相底片感光；（3）使荧光物质产生荧光 78、威耳逊云室：α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向，由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗；β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，而且常常弯曲；γ粒子的电离本领更小，在云室中一般看不到它的径迹。 79、气泡室：原理同云室，所不同的是气泡室里装的是液体 80、盖革-米勒计数器：不同的射线在计数器中产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，不能区分射线的种类，此外，如果同时有大量粒子，或两个粒子射来的时间间隔小于200μs，它也不能区分它们 81、核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程；在核反应中，质量数和电荷数均守恒；卢瑟福发现质子是人类第一次实现的原子核的人工转变 82、放射性同位素的应用：（1）工业部门可以使用射线来测厚度——根据射线的穿透能力；（2）辐射烟雾报警器；（3）用于治疗癌症（人体组织对射线的耐受能力是不同的，细胞分裂越快的组织，它对射线的耐受能力就越弱）；（4）γ射线育种；（5）γ射线消毒、保鲜；（6）作为示踪原子 83、核力的特点：（1）核力是强相互作用（强力）的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多；（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内，核力在大于0.8×10-15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，而在距离小于0.8×10-15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；（3）每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。至今，人们对核力的了解还很不够 84、弱相互作用（弱力）是引起原子核β衰变的原因，它也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小 85、四种基本相互作用：电磁力、万有引力、强相互作用和弱相互作用 86、自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多，这个现象能够用核力与电磁力的不同特点来解释。在宇宙演化的过程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地流了下来 87、原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，需要能量，这个能量叫做原子的结合能     友情提醒：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量，也就是核子结合成原子核时发出的能量 88、原子核越大，它的结合能越高，故有意义的是它的结合能与核子数之比，称为比结合能，也叫平均结合能，比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定；中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定 89、质量亏损：△m=m前-m后，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，表明的确存在着原子核的结合能；使较重的核分裂成中等大小的核，或把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，这样都可以释放出能量 90、原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸；原子核的链式反应也可以在人工控制下进行，当前普遍使用的是“热中子（慢中子）核反应堆，中子的速度不能太快，必需要减速，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）；为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能量很强，称之为控制棒；为了防止发射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，核反应堆中的核废料需要装入特制的容器内，深埋地下 91、核聚变又叫热核反应，即它必需在很高温度下才能发生；太阳的巨大能量就是核聚变产生的；氢弹首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸 92、核变化有四种：人工转变（如质子和中子的发现）；衰变；核裂变；核聚变 93、本部分常常和动量守恒综合在一起，微观粒子间的碰撞都是弹性碰撞，故动量和能量都守恒，列式时质量亏损可以忽略 94、由于质量亏损而释放的能量的计算的一般步骤：（1）先求质量亏损，即△m=m前-m后，（单位可能是kg，也可能是u）；（2）写表达式：△E=△mc2；（3）将△m代入上式计算（若质量单位是kg，则△E=△mc2，能量单位为J；若质量单位是u，则由1u相当于931MeV的能量，则△E=△m×931MeV/u，能量的单位是MeV，它和J之间的关系为：1MeV=1.6×10-13J）