课件27张PPT。1 实验:探究碰撞中的不变量一、实验目的
该实验的目的是探究碰撞过程中的不变量,我们需要在包括物体质量和速度在内的整体关系中探究哪些量是不变的,所以实验中一方面需要控制碰撞必须是一维碰撞,另一方面还要测量物体的质量和速度,并通过计算探究不变量存在的可能性。
二、实验原理
(1)探究思路:
①一维碰撞:两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿这一直线运动,这种碰撞叫作一维碰撞。②探究不变量:在一维碰撞的情况下,设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v1'、v2',如果速度与我们规定的正方向相同,取正值,相反取负值,依次研究以下关系是否成立:
a.m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2';探究以上各关系式是否成立,关键是准确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1、v2、v1'、v2'。(2)实验方案设计:
方案一:用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞。实验装置如图所示。
?
①质量的测量:用天平测量质量。
②速度的测量:利用公式 ,式中Δx为滑块(挡光片)的宽度,Δt为计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门所对应的时间。
③利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量。④实验方法: a.用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲)。
b.在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙),可以得到能量损失很小的碰撞。
c.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞。方案二:利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞。
①质量的测量:用天平测量。
②速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前小球对应的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后小球对应的速度。③实现不同碰撞情境的措施:用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失。方案三:利用小车在光滑长木板上碰撞另一辆静止的小车实现一维碰撞。实验装置如图所示。
?
①质量的测量:用天平测量质量。
②速度的测量: ,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量;Δt为小车经过Δx所用的时间,可由打点间隔算出。这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况。
③碰撞的实现:两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。碰撞时,撞针插入橡皮泥中,两小车连在一起运动。三、实验器材
方案一:
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块两个(带挡光片)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
方案二:
带细线的小球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
方案三:
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等。四、实验步骤
不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
(1)用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2,填入预先设计好的表格中。
(2)安装实验装置。
(3)使物体发生碰撞。
(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度,填入预先设计好的表格中。
(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)(4)。
(6)进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的“不变量”。
(7)整理器材,结束实验。【注意事项】
1.保证两物体发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前沿同一直线运动、碰撞后仍沿同一直线运动。
2.气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器。切忌振动、重压,严防碰伤和划伤,绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑动。
3.若利用气垫导轨进行实验,调整气垫导轨时注意利用水平仪确保导轨水平。
4.利用摆球进行实验时,可以将实验仪器靠在一个大型的量角器上,这样可以较准确地读出小球摆动的角度,以减小误差。
5.若利用摆球进行实验,两小球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直面内。
6.碰撞有很多情形,我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变,才符合要求。五、数据处理 2.结论:在实验误差允许的范围内,碰撞前、后不变的量是物体的质量m与速度v乘积的矢量和,即m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'。【误差分析】 一二一、实验原理与操作
【例题1】 某同学用如图所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来探究碰撞过程中的不变量,图中PQ是斜槽,QR为水平槽。实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹。重复上述操作10次,得到10个落点痕迹。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次。图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,B球落点痕迹如图所示,其中刻度尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,刻度尺的零点与O点对齐。一二(1)碰撞后B球的水平射程应取为 cm。?
(2)在以下选项中,本次实验必须进行的测量是 。?
A.水平槽上未放B球时,A球落点位置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后,A球落点位置到O点的距离
C.A球与B球的质量
D.G点相对于水平槽面的高度一二解析:(1)本题利用了高度相同、小球运动时间相同,在比例式中,可以用位移代替速度,即变难测物理量为易测物理量,围绕10个落点所在的范围作最小的圆,其圆心即为平均落点,xB=64.8 cm。
(2)还应测出未放B球时,A球落点位置到O点的距离,A球和B球碰后,A球落点位置到O点的距离及A、B两球的质量。
答案:(1)64.8 (2)ABC一二二、数据处理与误差分析
【例题2】某同学运用以下实验器材,设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量:打点计时器、低压交流电源(频率为50 Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。
该同学设计的实验步骤如下:
A.用天平测出小车A的质量为mA=0.4 kg,小车B的质量为mB=0.2 kg
B.更换纸带重复操作三次
C.小车A靠近打点计时器放置,在车后固定纸带,把小车B放在长木板中间
D.把长木板平放在桌面上,在一端固定打点计时器,连接电源
E.接通电源,并给小车A一定的初速度vA
(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来 。?一二(2)打点计时器打下的纸带中,比较理想的一条如图所示,根据这些数据完成下表。(3)根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为 。一二解析:(1)按照先安装,后实验,最后重复的顺序,该同学正确的实验步骤为ADCEB。
(2)碰撞前后均为匀速直线运动,由纸带上的点迹分布求出速度。碰后小车A、B合为一体,求出AB整体的共同速度。注意打点计时器的频率为50 Hz,打点时间间隔为0.02 s,通过计算得下表。(3)由表中数值可看出mv一行中数值相同,可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvA+mBvB=(mA+mB)v。一二答案:(1)ADCEB (2)见解析 (3)mAvA+mBvB=(mA+mB)v123451.(实验原理考查)利用气垫导轨做探究碰撞中的不变量的实验时,不需要测量的物理量是( )
A.滑块的质量 B.挡光时间
C.挡光片的宽度 D.滑块移动的距离
解析:根据实验原理可知,滑块的质量、挡光时间、挡光片的宽度都是需要测量的物理量,其中滑块的质量用天平测量,挡光时间用光电计时器测量,挡光片的宽度可事先用刻度尺测量。只有移动的距离不需要测量,故选项D正确。
答案:D123452.(实验仪器操作考查)(多选)若用打点计时器做实验,下列哪些操作是正确的( )
A.相互作用的两小车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了改变两车的质量
B.相互作用的两小车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了碰撞后粘在一起
C.先接通打点计时器电源,再释放拖动纸带的小车
D.先释放拖动纸带的小车,再接通打点计时器的电源
解析:一个小车装上撞针,另一个小车装上橡皮泥,目的是使两小车碰撞后粘在一起有共同速度,便于测量碰后的速度,而不是改变小车质量,选项A错误,选项B正确;打点计时器的使用原则是先接通电源后释放小车,选项C正确,选项D错误。
答案:BC123453.(实验原理考查)(多选)在利用悬绳悬挂等大小球探究碰撞中的不变量的实验中,下列说法正确的是( )
A.悬挂两球的细绳长度要适当,且等长
B.由静止释放小球,以便较准确计算小球碰前速度
C.两小球必须都是刚性球,且质量相同
D.两小球碰后可以粘在一起共同运动
解析:两绳等长能保证两球正碰,以减小实验误差,所以选项A正确;由于计算碰撞前速度时用到了 ,即初速度要求为0,选项B正确;本实验中对小球的性能无要求,选项C错误;两球正碰后,有各种运动情况,选项D正确。
答案:ABD123454.(实验原理考查)(多选)在探究碰撞中的不变量的实验中,对于最终的结论m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2',下列说法正确的是( )
A.仅限于一维碰撞C.式中的v1、v2、v1'、v2'都是速度的大小
D.式中的不变量是m1和m2组成的系统的质量与速度乘积之和
解析:这个实验是在一维情况下设计的实验,其他情况未做探究;系统的质量与速度的乘积之和在碰撞前后为不变量是实验的结论,其他探究的结论情况不成立,而速度是矢量,应考虑方向,故选项A、D正确。
答案:AD123455.(实验数据处理考查)下图为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的频率为10 Hz。开始两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用细绳连接,细绳烧断后,两个滑块向相反方向运动。已知滑块 A、B的质量分别为200 g、300 g,根据照片记录的信息,可知细绳烧断后,A滑块做 运动,其速度大小为 m/s。本实验中得出的结论是 ?? 。?12345解析:由题图可知,细绳烧断后,A、B均做匀速直线运动,开始时:vA=0,vB=0,规定向右方向为正方向,则
A、B被弹开后,
vA'=-0.09 m/s,vB'=0.06 m/s
mAvA'=0.2×(-0.09) kg·m/s=-0.018 kg·m/s
mBvB'=0.3×0.06 kg·m/s=0.018 kg·m/s
由此可得0=mBvB'+mAvA'
结论是两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等。
答案:匀速直线 0.09 两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等课件35张PPT。2 动量和动量定理读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第6页“动量”部分,理解动量的确切含义和表达式,会计算一维情况下的动量变化。
1.物体的质量及其运动速度的乘积称为该物体的动量。公式:p=mv,单位:kg·m/s,读作“千克米每秒”。
2.动量的特征是什么?
答案:(1)动量是状态量,它与某一时刻相关。
(2)动量是矢量,其方向与物体运动速度的方向相同。
3.动量有什么物理意义?
答案:速度从运动学角度量化了机械运动的状态,动量则从动力学角度量化了机械运动的状态。
4.什么是动量的变化量?
答案:物体在某段时间内末动量p'与初动量p的矢量差(也是矢量),
Δp=p'-p(矢量式)。读一读·思一思辨一辨·议一议二、动量定理
阅读教材第7~8页“动量定理”部分,理解冲量的概念;理解动量定理的确切含义。
1.冲量
(1)定义:力F与力的作用时间t的乘积叫作力的冲量。
(2)写出其表达式和单位。
答案:表达式:I=F(t'-t)。单位:在国际单位制中,冲量的单位是牛·秒,符号是N·s。
(3)矢量性:冲量是矢量,恒力的冲量方向跟恒力的方向相同。读一读·思一思辨一辨·议一议2.动量定理
(1)内容:物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受力的冲量。这个关系叫做动量定理。
(2)表达式:F(t'-t)=mv'-mv或I=p'-p。
(3)说明:对于变力的冲量,动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)动量相同的物体运动方向不一定相同。 ( )
解析:动量相同指动量的大小和方向均相同,而动量的方向就是物体运动的方向,故动量相同的物体运动方向一定相同。
答案:×
(2)动量定理不仅适用于恒力,也适用于变力。 ( )
解析:如果物体受到变力的作用则不能直接用F(t'-t)求变力的冲量,这时可以求出该力作用下物体动量的变化量Δp,等效代换变力的冲量I。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)冲量与功的区别是什么?
答案:冲量表示作用力在时间上的累积效果;功表示作用力在空间上的累积效果。
(2)动量始终保持在一条直线上时如何运算?
答案:选定一个正方向,动量、动量的变化量,用带正、负号的数值表示,从而将矢量运算简化为代数运算(此时的正、负号仅表示方向,不表示大小)。
(3)运输易碎物品时包装箱内为什么放置碎纸、泡沫塑料等柔软填充物?
答案:物体的动量变化量一定时,力的作用时间越短,力就越大,反之就越小。运输易碎物品包装箱内放置碎纸、泡沫塑料等柔软填充物是为了增大作用时间以减小物品受到的作用力。探究一探究二探究三对动量的理解
问题导引
?
如图所示,质量为m的小球以速度v与挡板发生碰撞,若以大小不变的速度反向弹回,碰撞前后动量是否相等?
要点提示:不相等,这是由于碰撞前、后动量方向发生了变化。探究一探究二探究三名师精讲
1.动量
(1)动量是状态量,进行动量运算时,要明确是哪一物体在哪一状态(时刻)的动量,p=mv中的速度v是瞬时速度。
(2)动量的相对性:物体的动量与参考系的选择有关。选不同的参考系时,同一物体的动量可能不同,通常在不说明参考系的情况下,物体的动量是指物体相对地面的动量。探究一探究二探究三2.(1)动量的变化量Δp=p'-p是矢量式,Δp、p'、p间遵循平行四边形定则,如图所示。
?
(2)Δp的计算
①当p'、p在同一直线上时,可规定正方向,将矢量运算转化为代数运算;
②当p'、p不在同一直线上时,应依据平行四边形定则运算。探究一探究二探究三3.与动能的区别与联系
(1)区别:动量是矢量,动能是标量。
(2)联系:动量和动能都是描述物体运动状态的物理量,大小关系为 。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】 一质量m=0.2 kg的皮球从高H=0.8 m处自由落下,与地面相碰后反弹的最大高度h=0.45 m。试求:球与地面相互作用前、后时刻的动量以及球与地面相互作用过程中的动量变化。
解析:以向下的方向为正,则由 得
与地面接触时的速度v1=4 m/s
此时的动量大小p1=mv1=0.8 kg·m/s,方向向下,为正。
球刚离开地面时的速度v2=3 m/s
此时的动量大小p2=mv2=0.6 kg· m/s,方向向上,为负。
所以Δp=p2-p1=(-0.6 kg·m/s)-0.8 kg·m/s=-1.4 kg·m/s,负号表示方向向上。
答案:p1=0.8 kg·m/s,方向向下 p2=0.6 kg·m/s,方向向上 Δp=1.4 kg·m/s,方向向上探究一探究二探究三归纳总结动量变化量的求解方法
1.若初、末动量在同一直线上,则在选定正方向的前提下,可化矢量运算为代数运算。
2.若初、末动量不在同一直线上,运算时应遵循平行四边形定则。探究一探究二探究三变式训练1关于物体的动量,下列说法中正确的是( )
A.运动物体在任一时刻的动量方向,一定是该时刻的速度方向
B.物体的动能不变,其动量一定不变
C.动量越大的物体,其速度一定越大
D.物体的动量越大,其惯性也越大
解析:动量具有瞬时性,任一时刻物体动量的方向,即为该时刻物体的速度方向,选项A正确;动能不变,若速度方向变化,动量也发生了变化,B项错误;物体动量的大小由物体质量及速度大小共同决定,不是由物体的速度唯一决定,故物体的动量大,其速度不一定大,选项C错误;惯性由物体质量决定,物体的动量越大,其质量并不一定越大,惯性也不一定越大,故选项D错误。
答案:A探究一探究二探究三对冲量的理解
问题导引
如图所示,同样的鸡蛋从同一高度落到沙坑和水泥地上,我们会看到不同的效果,为什么会这样呢?
?
要点提示:作用时间不同导致作用力不同。探究一探究二探究三名师精讲
1.对冲量的理解
(1)冲量是过程量:冲量描述的是作用在物体上的力对一段时间的积累效应,与某一过程相对应。
(2)冲量的矢量性:冲量是矢量,在作用时间内力的方向不变时,冲量的方向与力的方向相同,如果力的方向是变化的,则冲量的方向与相应时间内物体动量变化量的方向相同。探究一探究二探究三2.冲量的计算
(1)若物体受到恒力的作用,力的冲量的数值等于力与作用时间的乘积,冲量的方向与恒力方向一致;若力为同一方向均匀变化的力,该力的冲量可以用平均力计算;若力为一般变力,则不能直接计算冲量。
(2)若知F-t图象,图线与时间轴围成的面积就是力的冲量。如图所示。
?
(3)冲量的计算公式I=Ft既适用于计算某个恒力的冲量,又可以计算合力的冲量。如果计算分力的冲量,必须明确是哪个分力的冲量;若计算合力的冲量,一个物体的动量变化Δp与合力的冲量具有等效代换关系。探究一探究二探究三求各力的冲量或者合力的冲量,首先判断是否是恒力,若是恒力,可直接用力与作用时间的乘积,若是变力,要根据力的特点求解,或者利用动量定理求解。
特别提醒(1)计算冲量时,一定要明确是计算分力的冲量还是合力的冲量。如果是计算分力的冲量,还必须明确是哪个分力的冲量。
(2)作用力和反作用力的冲量大小相等、方向相反,即I=-I'。探究一探究二探究三典例剖析
【例题2】 如图所示,在倾角α=37°的斜面上,有一质量为5 kg的物体沿斜面滑下,物体与斜面间的动摩擦因数μ=0.2,求物体下滑2 s的时间内,物体所受各力的冲量。
(g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)【思考问题】 物体受几个力的作用?各力的方向如何?
提示:物体受重力,方向竖直向下;支持力,方向垂直于斜面向上;摩擦力,方向沿斜面向上。探究一探究二探究三解析:重力的冲量:IG=G·t=mg·t=5×10×2 N·s=100 N·s,方向竖直向下。
支持力的冲量:IF=F·t=mgcos α·t=5×10×0.8×2 N·s=80 N·s,方向垂直斜面向上。
摩擦力的冲量:IFf=Ff·t=μmgcos α·t=0.2×5×10×0.8×2 N·s=16 N·s,方向沿斜面向上。
答案:见解析
归纳总结计算恒力的冲量必须明确力的方向,如果有多个力,则分别计算,单独注明。探究一探究二探究三变式训练2如图所示,一质量m=3 kg 的物体静止在光滑水平面上,受到与水平方向成60°角的力作用,F的大小为9 N,经2 s时间,求:(g取10 m/s2)?
(1)物体重力冲量大小。
(2)物体受到的支持力冲量大小。
(3)力F的冲量大小。
(4)合外力的冲量大小。探究一探究二探究三解析: 对物体受力分析如图所示,则?
(1)重力的冲量
IG=mgt=3×10×2 N·s=60 N·s。
(2)支持力的冲量IFN=FNt=(mg-Fsin 60°)t(3)力F的冲量IF=Ft=9×2 N·s=18 N·s。
(4)合外力的冲量I合=Fcos 60°·t=9×0.5×2 N·s=9 N·s。
答案:(1)60 N·s (2)44.4 N·s (3)18 N·s (4)9 N·s探究一探究二探究三对动量定理的理解及应用
问题导引
如图所示,跳高比赛时,在运动员落地处为什么要放很厚的海绵垫子?
?
要点提示:人落到海绵垫子上时,可经过较长的时间使速度减小为零,在动量变化相同的情况下,人受到的冲击力减小,从而对运动员起到保护作用。探究一探究二探究三名师精讲
动量定理的理解和应用
1.动量定理的理解
(1)动量定理的表达式mv'-mv=F·Δt是矢量式,等号包含了大小相等、方向相同两方面的含义。
(2)动量定理反映了合外力的冲量是动量变化的原因。
(3)公式中的F是物体所受的合外力,若合外力是变力,则F应是合外力在作用时间内的平均值。探究一探究二探究三2.动量定理的应用
(1)定性分析有关现象:
①物体的动量变化量一定时,力的作用时间越短,力就越大;力的作用时间越长,力就越小。
②作用力一定时,力的作用时间越长,动量变化量越大;力的作用时间越短,动量变化量越小。
(2)应用动量定理定量计算的一般步骤:
①选定研究对象,明确运动过程。
②进行受力分析和运动的初、末状态分析。
③选定正方向,根据动量定理列方程求解。
应用动量定理解题时首先对物体受力分析,明确各个分力和合力是正确应用动量定理的前提。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】同一人以相同的力量跳远时,跳在沙坑里比跳在水泥地上安全,这是由于( )
A.人跳在沙坑的动量比跳在水泥地上的小
B.人跳在沙坑的动量变化比跳在水泥地上的小
C.人跳在沙坑受到的冲量比跳在水泥地上的小
D.人跳在沙坑受到的冲力比跳在水泥地上的小
【思考问题】 同一人以相同的力量跳远时,落在沙坑里跟跳落在水泥地上时着地速度大小一样吗?
提示:由于跳远的远近一样,着地速度大小是相同的。探究一探究二探究三解析:落地前的速度是一定的,初动量是一定的,所以选项A错误;落地后静止,末动量一定,人的动量变化是一定的,选项B错误;由动量定理可知人受到的冲量等于人的动量变化,所以两种情况下人受到的冲量相等,选项C错误;落在沙坑里力作用的时间长,落在水泥地上力作用的时间短,根据动量定理,在动量变化一定的情况下,时间t越长,则受到的冲力F越小,故选项D正确。
答案:D探究一探究二探究三归纳总结应用动量定理的四点注意事项
(1)明确物体受到冲量作用的结果是导致物体动量的变化。冲量和动量都是矢量,它们的加、减运算都遵循平行四边形定则。
(2)列方程前首先要选取正方向,与规定的正方向一致的力或动量取正值,反之取负值,而不能只关注力或动量数值的大小。
(3)分析速度时一定要选取同一个参考系,未加说明时一般是选地面为参考系,同一道题目中一般不要选取不同的参考系。
(4)公式中的冲量应是合外力的冲量,求动量的变化量时要严格按公式,且要注意是末动量减去初动量。探究一探究二探究三变式训练3质量m=70 kg的撑竿跳高运动员从h=5.0 m高处落到海绵垫上,经Δt1=1 s后停止,则该运动员身体受到的平均冲力约为多少?如果是落到普通沙坑中,经Δt2=0.1 s停下,则沙坑对运动员的平均冲力约为多少?(g取10 m/s2)
解析:以全过程为研究对象,初、末动量的数值都是0,所以运动员的动量变化量为零,根据动量定理,合力的冲量为零,根据自由落体运动的知识,物体下落到地面上所需要的时间是t=1 s
从开始下落到落到海绵垫上停止时,mg(t+Δt1)-FΔt1=0
代入数据,解得F=1 400 N
下落到沙坑中时,mg(t+Δt2)-F'Δt2=0
代入数据,解得F'=7 700 N。
答案:1 400 N 7 700 N探究一探究二探究三变式训练4高空作业须系安全带,如果质量为m的高空作业人员不慎跌落,从开始跌落到安全带对人刚产生作用力前人下落的距离为h(可视为自由落体运动)。此后经历时间t安全带达到最大伸长,若在此过程中该作用力始终竖直向上,则该段时间安全带对人的平均作用力大小为( )解析:设作业人员下落h时的速度为v,根据自由落体运动规律可得v2=2gh。对于安全带伸长到最长过程,设竖直向上为正方向,根据动量定理得Ft-mgt=0-(-mv),解以上两式可得 +mg,选项A正确。
答案:A12341.(对冲量的理解)关于冲量,下列说法正确的是( )
A.冲量是物体动量变化的原因
B.作用在静止的物体上的力的冲量一定为零
C.动量越大的物体受到的冲量越大
D.冲量的方向就是物体运动的方向
解析:力作用一段时间便有了冲量,而力作用一段时间后,物体的运动状态发生了变化,物体的动量也发生了变化,因此说冲量使物体的动量发生了变化,A选项正确;只要有力作用在物体上,经历一段时间,这个力便有了冲量I=Ft,与物体处于什么状态无关,物体运动状态的变化情况,是所有作用在物体上的力共同产生的效果,所以B选项不正确;物体所受冲量I=Ft与物体动量的改变量有关,与物体动量的大小无关,C选项不正确;冲量的方向与物体运动的变化方向有关,与物体运动的方向无关,故D选项不正确。
答案:A12342.(动量定理的应用)(多选)古时有“守株待兔”的寓言,设兔子的头部受到大小等于自身重力的打击力时即可致死。若兔子与树桩发生碰撞,作用时间为0.2 s,则被撞死的兔子的奔跑速度可能是(g取10 m/s2)( )
?
A.1 m/s B.1.5 m/s
C.2 m/s D.2.5 m/s
解析:根据题意建立模型,设兔子与树桩的撞击力为F,兔子撞击后速度为零,根据动量定理有Ft=mv,所以 =gt=10×0.2 m/s=2 m/s,即兔子奔跑的速度至少为2 m/s。
答案:CD12343.(冲量的计算)质量为1 kg的物体做直线运动,其速度图象如图所示。则物体在前10 s内和后10 s内所受合力的冲量分别是( )
A.10 N·s,10 N·s
B.10 N·s,-10 N·s
C.0,10 N·s
D.0,-10 N·s
解析:根据动量定理,物体所受合力的冲量等于其动量的变化量。故0~10 s内,v1=5 m/s,v2=5 m/s,
则Δp1=0,所以I1=0;
10~20 s内,v1=5 m/s,v2=-5 m/s,
故Δp2=mv2-mv1=[1×(-5)-1×5] kg·m/s=-10 kg·m/s=-10 N·s,选项D正确。
答案:D12344. (动量变化量的计算)3颗均为0.05 kg的子弹以600 m/s的水平速度击中竖直挡板,由于挡板不同位置材质不同,子弹击中挡板后的运动情况不同,A水平穿过挡板,穿过后的速度是200 m/s,B被挡板反向弹回,弹回时速度大小为200 m/s,C进入挡板后停在挡板之内,求3颗子弹动量的变化量。(规定向右的方向为正方向)1234解析:A的初动量pA=mv1=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s,
末动量pA'=mv1'=0.05 kg×200 m/s=10 kg·m/s
A子弹动量的变化量
ΔpA=pA'-pA=10 kg·m/s-30 kg·m/s=-20 kg·m/s,ΔpA<0,
动量变化量的方向向左。
B的初动量pB=mv2=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s,
末动量pB'=mv2'=0.05 kg×(-200 m/s)=-10 kg·m/s,
B子弹动量的变化量
ΔpB=pB'-pB=-10 kg·m/s-30 kg·m/s=-40 kg·m/s,ΔpB<0,
动量变化量的方向向左。
C的初动量pC=mv3=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s,末动量为0,
C子弹动量的变化量ΔpC=pC'-pC=0-30 kg·m/s=-30 kg·m/s,ΔpC<0,
动量变化量的方向向左。
答案:见解析课件33张PPT。3 动量守恒定律读一读·思一思辨一辨·议一议一、系统 内力和外力
阅读教材第12页“系统 内力和外力”部分,理解它们的概念。
1.相互作用的两个或两个以上的物体组成的研究对象称为一个力学系统。
2.系统内两物体间的相互作用力称为内力。
3.系统以外的物体对系统的作用力称为外力。读一读·思一思辨一辨·议一议二、动量守恒定律
阅读教材第12~13页“动量守恒定律”部分,理解动量守恒的条件。
1.动量守恒定律的内容:如果一个系统不受外力,或者所受外力的矢量和为0,这个系统的总动量保持不变。
2.动量守恒定律成立的条件有哪些?
答案:(1)系统不受外力或者所受外力的合力为零。
(2)系统外力远小于内力时,外力的作用可以忽略,系统的动量守恒。
(3)系统在某个方向上的合外力为零时,系统在该方向上动量守恒。读一读·思一思辨一辨·议一议3.动量守恒定律的表达式:
(1)m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'(作用前后动量相等)。
(2)Δp=0(系统动量的增量为零)。
(3)Δp1=-Δp2(相互作用的两个物体组成的系统,两物体动量的增量大小相等、方向相反)。读一读·思一思辨一辨·议一议三、动量守恒定律的理解和简单应用
阅读教材第14~16页,加深对动量守恒定律的理解,学会用动量守恒定律解决实际问题。
1.动量守恒定律的“五性”是什么?
答案:(1)系统性:注意判断是哪几个物体构成的系统的动量守恒。
(2)矢量性:是矢量式,解题时要规定正方向。
(3)相对性:系统中各物体在相互作用前后的速度必须相对于同一惯性系,通常为相对于地面的速度。
(4)同时性:初动量必须是各物体在作用前同一时刻的动量;末动量必须是各物体在作用后同一时刻的动量。
(5)普适性:不仅适用两个物体或多个物体组成的系统,也适用于宏观低速物体以及微观高速粒子组成的系统。读一读·思一思辨一辨·议一议2.应用动量守恒定律解题有什么基本思路?
答案:(1)明确研究对象合理选择系统。
(2)判断系统动量是否守恒。
(3)规定正方向及初、末状态。
(4)运用动量守恒定律列方程求解。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)用铁锤打击放在铁砧上的铁块,打击过程中,铁锤和铁块的总动量守恒。 ( )
解析:在竖直方向上合力不为零,铁锤和铁块的总动量不守恒。
答案:×
(2)在相互作用且动量守恒的某系统内,一个物体的动量增加时,另一个物体的动量一定减少,系统的总动量不变。 ( )
解析:不能这样理解,只能说系统内各物体动量变化量的矢量和为零。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)如图所示,在风平浪静的水面上,停着一艘帆船,船尾固定一台电风扇,正在不停地把风吹向帆面,船能向前行驶吗?为什么?答案:不能。把帆船和电风扇看作一个系统,电风扇和帆船受到空气的作用力大小相等、方向相反,这是一对内力,系统总动量守恒,船原来是静止的,总动量为零,所以在电风扇吹风时,船仍保持静止。读一读·思一思辨一辨·议一议(2)动量守恒定律和牛顿运动定律的适用范围是否一样?
答案:动量守恒定律比牛顿运动定律的适用范围要广,自然界中,大到天体的相互作用,小到质子、中子等基本粒子间的相互作用都遵循动量守恒定律,而牛顿运动定律有其局限性,它只适用于低速运动的宏观物体,对于运动速度接近光速的物体,牛顿运动定律不再适用。探究一探究二探究三对动量守恒定律的理解
问题导引
在光滑的水平面上有一辆平板车,一个人站在车上用大锤敲打车的左端,如图所示。在连续的敲打下,这辆车能持续地向右运动吗?说明理由。
?
要点提示:当把锤头打下去时,锤头向右摆动,系统总动量要为零,车就向左运动;举起锤头时,锤头向左运动,车就向右运动。用锤头连续敲击时,车只是左右运动,一旦锤头不动,车就会停下来,所以车不能持续向右运动。探究一探究二探究三名师精讲
1.对动量守恒定律的理解
(1)研究对象:两个或两个以上相互作用的物体组成的系统。
(2)对系统“总动量保持不变”的理解
①系统在整个过程中任意两个时刻的总动量都相等,不能误认为只是初、末两个状态的总动量相等。
②系统的总动量保持不变,但系统内每个物体的动量可能都在不断变化。
③系统的总动量指系统内各物体动量的矢量和,总动量不变指的是系统的总动量的大小和方向都不变。探究一探究二探究三2.动量守恒定律成立条件
(1)F合=0(严格条件);
(2)F内远大于F外(近似条件);
(3)某方向上合力为0,在这个方向上成立。
动量作为矢量,是有方向的物理量,那么系统动量守恒必须明确是在哪一方向上守恒。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】 (多选)如图所示,光滑水平面上两小车中间夹一压缩了的轻弹簧,两手分别按住玩具小车,使它们静止,对两车及弹簧组成的系统,下列说法中正确的是( )
A.两手同时放开后,系统总动量始终为零
B.先放开左手,后放开右手,此后动量不守恒
C.先放开左手,后放开右手,总动量向左
D.无论是否同时放手,只要两手都放开后,在弹簧恢复原长的过程中,系统总动量都保持不变,但系统的总动量不一定为零
【思考问题】 同时放开两手和一先一后放开有什么区别?
提示:同时放开两手,系统总动量始终为零;如果一先一后放开两手,则系统就在某一方向上获得一冲量,系统就不再符合动量守恒的条件了。探究一探究二探究三解析:当两手同时放开时,系统的合外力为零,所以系统的动量守恒,又因为开始时总动量为零,故系统总动量始终为零,选项A正确;先放开左手,左边的小车就向左运动,当再放开右手后,系统所受合外力为零,故系统的动量守恒,放开右手时总动量方向向左,放开右手后总动量方向也向左,故选项B错误,C、D正确。
答案:ACD
归纳总结分析动量是否守恒,首先要明确所研究的系统,分清外力和内力。如果外力矢量和为0,则系统的动量守恒。探究一探究二探究三变式训练1(多选)如图所示,A、B两物体质量之比mA∶mB=3∶2,原来静止在平板小车C上,A、B间有一根被压缩的弹簧,地面光滑。当两物体被同时释放后,则( )
A.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,则A、二、B组成系统的动量守恒
B.若A、B与平板车上表面间的动摩擦因数相同,则A、B、C组成系统的动量守恒
C.若A、B所受的摩擦力大小相等,则A、二、B组成系统的动量守恒
D.若A、B所受的摩擦力大小相等,则A、B、C组成系统的动量守恒探究一探究二探究三解析:若μA=μB,但mA∶mB=3∶2,故FfA∶FfB=3∶2,A、二、B组成的系统合外力不为零,所以A、二、B组成的系统动量不守恒,A项错误;当FfA=FfB时,A、二、B组成的系统合外力为零,动量守恒,C项正确;当把A、B、C作为系统时,由于地面光滑,故不论A、B与C之间摩擦力大小情况如何,系统受到的合外力均等于0,所以A、B、C组成的系统动量守恒,故B、D项正确。
答案:BCD探究一探究二探究三动量守恒定律的应用
问题导引
三国演义“草船借箭”中(如图所示),若草船的质量为m1,每支箭的质量为m,草船以速度v1返回时,对岸士兵万箭齐发,n支箭同时射中草船,箭的速度皆为v,方向与船行方向相同。由此,草船的速度会增加吗?这种现象如何解释?(不计水的阻力)
?
要点提示:增加。草船与箭组成的系统动量守恒。
根据m1v1+nmv=(m1+nm)v1'知v1'>v1。探究一探究二探究三名师精讲
1.应用动量守恒定律的解题步骤
(1)确定相互作用的系统为研究对象;
(2)分析研究对象所受的外力;
(3)判断系统是否符合动量守恒条件;
(4)规定正方向,确定初、末状态动量的正、负号;
(5)根据动量守恒定律列式求解。
2.动量守恒定律不同表现形式的含义
(1)p=p':系统相互作用前的总动量p等于相互作用后的总动量p'。
(2)Δp1=-Δp2:相互作用的两个物体组成的系统,一个物体的动量变化量与另一个物体的动量变化量大小相等、方向相反。
(3)Δp=0:系统总动量增量为零。
(4)m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2':相互作用的两个物体组成的系统,作用前的动量和等于作用后的动量和。探究一探究二探究三3.某一方向上动量守恒问题
动量守恒定律的适用条件是普遍的,当系统所受的合外力不为零时,系统的总动量不守恒,但是合外力在某个方向上的分量为零时,那么在该方向上系统的动量分量是守恒的。
4.爆炸类问题中动量守恒定律的应用
(1)物体间的相互作用突然发生,作用时间极短,爆炸产生的内力远大于外力(如重力、空气阻力等),此种情况下可以利用动量守恒定律求解。
(2)由于爆炸过程中物体间相互作用的时间极短,作用过程中物体的位移很小,因此可认为此过程物体位移不发生变化。
动量守恒定律的研究对象是相互作用的物体组成的系统。系统的动量是否守恒,与选择哪几个物体作为系统和分析哪一段运动过程有直接关系。探究一探究二探究三典例剖析
【例题2】 如图所示,质量mB=1 kg的平板小车B在光滑水平面上以v1=1 m/s的速度向左匀速运动。当t=0时,质量mA=2 kg的小铁块A以v2=2 m/s的速度水平向右滑上小车,A与小车间的动摩擦因数为μ=0.2。若A最终没有滑出小车,g取10 m/s2。求:A在小车上停止运动时,小车的速度大小和方向。【思考问题】 A在小车上相对小车停止运动时,小车的运动状态如何?
提示:A相对小车静止,A、B将以共同的速度运动。探究一探究二探究三解析:A在小车上停止运动时,A、B将以共同的速度运动,设此时的速度为v,取v1的方向为正方向,由动量守恒定律得-mAv2+mBv1=(mA+mB)v
代入数据可解得v=-1 m/s。
负号表示v的方向与v1方向相反,即向右。
答案:1 m/s 向右
归纳总结处理动量守恒应用题“三部曲”
(1)判断题目涉及的物理过程是否满足动量守恒的条件。
(2)确定物理过程及其系统内物体对应的初、末状态的动量。
(3)确定正方向,选取恰当的动量守恒的表达式列式求解。探究一探究二探究三变式训练2如图所示,进行太空行走的宇航员A和B的质量分别为80 kg和100 kg,他们携手远离空间站,相对空间站的速度为0.1 m/s。A将B向空间站方向轻推后,A的速度变为0.2 m/s,求此时B的速度大小和方向。解析:轻推过程中,A、B系统的动量守恒,以空间站为参考系,规定远离空间站的方向为正方向,则v0=0.1 m/s,vA=0.2 m/s
根据动量守恒定律(mA+mB)v0=mAvA+mBvB
代入数据可解得vB=0.02 m/s,方向为远离空间站方向。
答案:0.02 m/s 远离空间站方向探究一探究二探究三动量守恒定律和机械能守恒定律的比较
问题导引
动量守恒的系统其机械能一定守恒吗?
要点提示:不一定,由于系统所受外力的矢量和为0,但并非不受力,而且还存在内力,这些力可能存在除重力、弹力外其他力做功的情况,因此机械能不一定守恒。探究一探究二探究三名师精讲
动量守恒定律与机械能守恒定律的比较探究一探究二探究三对于涉及相互作用的系统的能量转化问题时,可综合应用动量守恒定律、机械能守恒定律、动能定理、能量守恒定律、功能关系列出相应方程分析解答。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】 光滑水平面上放着一质量为m0的槽,槽与水平面相切且光滑,如图所示,一质量为m的小球以v0向槽运动,若开始时槽固定不动,求小球上升的高度(槽足够高);若槽不固定,则小球又上升多高?【思考问题】 槽固定与不固定时两种情况下系统动量都守恒吗?
提示:固定时动量不守恒;不固定时系统在水平方向上动量守恒。探究一探究二探究三探究一探究二探究三变式训练3如图所示,A、B两个木块的质量分别为0.5 kg和0.3 kg,A、B与水平面间的摩擦不计,上表面粗糙。质量为0.08 kg的铁块,以25 m/s的速度从A的左端向右滑动,最后铁块与B的共同速度大小为2.5 m/s,求:
(1)A的最终速度;
(2)铁块刚滑上B时的速度。解析:设A的最终速度为vA、铁块刚滑上B时的速度为v1。
(1)对从开始到铁块离开A这一过程应用动量守恒定律得mv0=mv1+(mA+mB)vA①
对从铁块滑上B到铁块与B有共同速度这一过程应用动量守恒定律得mv1+mBvA=(m+mB)v2②
对①②组成的方程组代入数据解得vA=2.1 m/s,v1=4 m/s。
(2)从第(1)小题得铁块刚滑上B时的速度为4 m/s。
答案:(1)2.1 m/s (2)4 m/s1.(动量守恒的条件判断)把一支枪水平固定在小车上,小车放在光滑的水平面上,枪发射出一颗子弹时,关于枪、子弹和车,下列说法正确的是( )
A.枪和子弹组成的系统动量守恒
B.枪和车组成的系统动量守恒
C.三者组成的系统因为子弹和枪筒之间的摩擦力很小,使系统的动量变化很小,可忽略不计,故系统动量近似守恒
D.三者组成的系统动量守恒,因为系统只受重力和地面支持力这两个外力作用,这两个外力的合力为零
解析:由于枪水平放置,故三者组成的系统除受重力和支持力(两外力平衡)外,不受其他外力,动量守恒。子弹和枪筒之间的力应为系统的内力,对系统的总动量没有影响,故选项C错误。分开枪和车,则枪和子弹组成的系统受到车对其的外力作用,车和枪组成的系统受到子弹对其的外力作用,动量都不守恒,正确选项为D。
答案:D1231232.(动量守恒定律的应用)如图所示,质量为m0的小车置于光滑的水平面上,车的上表面粗糙,有一质量为m的木块以初速度v0水平地滑至车的上表面,若车足够长,则( )
A.木块的最终速度为
B.由于车表面粗糙,小车和木块所组成的系统动量不守恒
C.车表面越粗糙,木块减少的动量越多
D.车表面越粗糙,小车获得的动量越多
解析:由m和m0组成的系统水平方向动量守恒易得A正确;m和m0动量的变化与小车上表面的粗糙程度无关,因为车足够长,最终各自的动量与摩擦力大小无关。
答案:A1233.(动量守恒定律的应用)将两个完全相同的磁铁(磁性极强)分别固定在质量相等的小车上,水平面光滑。开始时甲车速度大小为3 m/s,乙车速度大小为2 m/s,方向相反并在同一直线上,如图所示。
(1)当乙车速度为零时,甲车的速度多大?方向如何?
(2)由于磁性极强,故两车不会相碰,那么两车的距离最小时,乙车的速度是多大?方向如何?123解析:两个小车及磁铁组成的系统在水平方向不受外力作用,两车之间的磁力是系统内力,系统动量守恒。设向右为正方向。
(1)由动量守恒得:mv甲-mv乙=mv甲',代入数据解得v甲'=v甲-v乙=(3-2) m/s=1 m/s,方向向右。
(2)两车相距最小时,两车速度相同,设为v',
由动量守恒得mv甲-mv乙=mv'+mv'。答案:(1)1 m/s 向右 (2)0.5 m/s 向右 课件30张PPT。4 碰撞读一读·思一思辨一辨·议一议一、弹性碰撞和非弹性碰撞
阅读教材第17~18页,理解弹性碰撞、非弹性碰撞,会应用动量、能量的观点综合分析、解决一维碰撞问题。
1.常见的碰撞类型有哪些?碰撞过程中机械能守恒吗?
答案:(1)弹性碰撞:碰撞过程中机械能守恒。
(2)非弹性碰撞:碰撞过程中机械能不守恒。
2.弹性碰撞的特点是什么?
答案:碰撞时间非常短;碰撞过程中内力远大于外力,系统所受外力可以忽略不计;可认为碰撞前后物体处于同一位置。
3.非弹性碰撞有几种情形?各有什么特点?
答案:(1)非弹性碰撞:受非弹性力作用,使部分机械能转化为内能的碰撞称为非弹性碰撞。
(2)完全非弹性碰撞:是非弹性碰撞的特例,这种碰撞的特点是碰后粘在—起(或碰后具有共同的速度),其动能损失最大。读一读·思一思辨一辨·议一议二、对心碰撞和非对心碰撞 散射
阅读教材第19~20页,理解正碰(对心碰撞)和斜碰(非对心碰撞),知道散射和中子的发现过程。
1.对心碰撞:碰撞前后,两个物体的速度都沿同一条直线,动量守恒(填“守恒”或“不守恒”),也叫正碰。
2.非对心碰撞:碰撞前后,两个物体的速度都不与(填“与”或“不与”)原来的速度在同一条直线上。
3.散射的定义是什么?
答案:微观粒子相互接近时并不像宏观物体那样“接触”,因此微观粒子的碰撞又叫作散射。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)发生弹性碰撞时,被撞物体可能碎成几块。( )
解析:发生弹性碰撞的物体不发生永久性的形变,不裂成碎片,不粘在一起,不发生热传递及其他变化。
答案:×
(2)台球桌上的两个台球碰撞时可以近似看成是正碰。 ( )
解析:正碰又叫对心碰撞,碰撞前后,两个物体的速度都沿同一条直线,它们的动量也都在这条直线上,在这个方向上动量守恒。两个台球的碰撞一般不是在同一条直线上,因此不一定是对心碰撞。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)碰撞过程中动量守恒的原因是什么?
答案:因相互作用时间短暂,因此一般满足F内?F外的条件。
(2)碰撞中,总动能减少最多的情况是什么?
答案:在发生完全非弹性碰撞时总动能减少最多。这种碰撞的特点是碰后粘在一起或具有共同速度。探究一探究二对碰撞问题的认识和理解
问题导引
?
右图为一种游戏器具——超级碰撞球。多颗篮球般大小的钢球用钢缆悬挂在屋顶。拉开最右边钢球到某一高度,然后释放,碰撞后,仅最左边的球被弹起,摆至最大高度后落下来再次碰撞,致使最右边钢球又被弹起。硕大钢球交替弹开,周而复始,情景蔚为壮观。上述现象如何解释?
要点提示:质量相等的两物体发生弹性正碰,碰撞中的动量、动能都守恒,碰后二者交换速度。探究一探究二名师精讲
1.对碰撞的广义理解
物理学里所研究的碰撞,包括的范围很广,只要通过短时间作用,物体的动量发生了明显的变化,都可视为碰撞。例如:两个小球的撞击,子弹射入木块,系在绳子两端的物体将松弛的绳子突然拉直,铁锤打击钉子,列车车厢的挂接,中子轰击原子核等均可视为碰撞问题。需注意的是必须将发生碰撞的双方(如两小球、子弹和木块、铁锤和钉子、中子和原子核等)包括在同一个系统中,才能对该系统应用动量守恒定律。探究一探究二2.碰撞过程的五个特点
(1)时间特点:在碰撞、爆炸现象中,相互作用的时间很短。
(2)相互作用力的特点:在相互作用过程中,相互作用力先是急剧增大,然后急剧减小,平均作用力很大。
(3)动量守恒条件的特点:系统的内力远远大于外力,所以系统即使所受合力不为零,外力也可以忽略,系统的总动量守恒。
(4)位移特点:碰撞、爆炸过程是在一瞬间发生的,时间极短,在物体发生碰撞、爆炸的瞬间,可忽略物体的位移,认为物体在碰撞、爆炸前后仍在原位置。
(5)能量特点:碰撞前总动能Ek与碰撞后总动能Ek'满足Ek≥Ek'。探究一探究二3.处理碰撞问题的三个原则
(1)系统动量守恒,即p1+p2=p1'+p2'。
(2)系统动能不增加,即Ek1+Ek2≥Ek1'+Ek2'或
(3)速度要合理:
①碰前两物体同向,则v后>v前,碰后,原来在前面的物体速度一定增大,且v前'≥v后'。
②两物体相向运动,碰后两物体的运动方向不可能都不改变。探究一探究二4.对弹性碰撞的定量分析
发生弹性碰撞的两个物体,既遵守动量守恒定律又遵守机械能守恒定律。设参与碰撞的两个物体质量分别为m1和m2,碰撞前两个物体的速度分别为v1和v2,碰撞后两个物体的速度分别为v1'和v2',则由动量守恒定律有探究一探究二注意以下几种特殊情况:
(1)当m1=m2时,则有v1'=0,v2'=v1,此关系说明在碰后实现了动量和动能的全部转移,即两物体交换了速度。
(2)当m1?m2时,则有v1'=v1,v2'=2v1,即碰后质量为m1的物体速度几乎不变,质量小的物体将以m1的速度的两倍向前运动,如同子弹碰到尘埃。
(3)m1?m2,v1'=-v1,v2'≈0。碰后质量为m1的物体被按原速率弹回,质量为m2的物体几乎不动。如同弹性小球碰到坚硬光滑的地面原速反弹。
无论是弹性碰撞还是非弹性碰撞,碰撞过程都是动量守恒,但是机械能不一定守恒,特别是完全非弹性碰撞:动能损失最大,碰撞后两物体粘在一起以相同的速度运动或静止。探究一探究二典例剖析
【例题1】 如图,光滑水平直轨道上两滑块A、B用橡皮筋连接,A的质量为m。开始时橡皮筋松弛,B静止,给A向左的初速度v0。一段时间后,B与A同向运动发生碰撞并粘在一起。碰撞后的共同速度是碰撞前瞬间A的速度的两倍,也是碰撞前瞬间B的速度的一半。求:
(1)B的质量;
(2)碰撞过程中A、B系统机械能的损失。
【思考问题】 开始时橡皮筋松弛,AB碰撞时橡皮筋松弛吗?系统的机械能损失转化成了什么?
提示:始末状态弹性势能不变,机械能没有转化为弹性势能,而是转化成了内能,系统动量守恒。探究一探究二探究一探究二归纳总结处理碰撞问题的几个关键点
(1)选取动量守恒的系统:若有三个或更多个物体参与碰撞时,要合理选取所研究的系统。
(2)弄清碰撞的类型:弹性碰撞、完全非弹性碰撞还是其他非弹性碰撞。
(3)弄清碰撞过程中存在的关系:能量转化关系、几何关系、速度关系等。探究一探究二变式训练1如图所示,在光滑水平面上放置A、B两物体,质量均为m,其中B物体带有不计质量的弹簧静止在水平面内。A物体以速度v0向右运动,并压缩弹簧。求:
(1)弹簧压缩量达到最大时A、B两物体的速度vA和vB;
(2)弹簧弹性势能的最大值Ep。探究一探究二变式训练2两滑块a、b沿水平面上同一条直线运动,并发生碰撞;碰撞后两者粘在一起运动;经过一段时间后,从光滑路段进入粗糙路段。两者的位置x随时间t变化的图象如图所示。求:
?
(1)滑块a、b的质量之比;
(2)整个运动过程中,两滑块克服摩擦力做的功与因碰撞而损失的机械能之比。探究一探究二解析:(1)设a、b的质量分别为m1、m2,a、b碰撞前的速度分别为v1、v2。由题给图象得
v1=-2 m/s①
v2=1 m/s②答案:(1)1∶8 (2)1∶2 探究一探究二爆炸和碰撞问题的比较
问题导引
汽车在公路上行驶时,驾驶员一定要系上安全带,你知道安全带有什么用途吗?
?
要点提示:汽车安全带在碰撞时对乘员进行约束,避免碰撞时乘员与方向盘及仪表板等发生二次碰撞,或避免碰撞时乘员冲出车外。探究一探究二名师精讲
爆炸与碰撞的比较探究一探究二爆炸过程和碰撞过程都可认为是系统动量守恒,但是爆炸过程动能增加,碰撞过程动能不增加,只有理想化的弹性碰撞认为动能不变,而一般情况下系统动能都是减少的。探究一探究二典例剖析
【例题2】 一辆质量m1=3.0×103 kg 的小货车因故障停在车道上,后面一辆质量m2=1.5×103 kg 的轿车来不及刹车,直接撞入货车尾部失去动力。相撞后两车一起沿轿车运动方向滑行了x=6.75 m停下。已知车轮与路面的动摩擦因数μ=0.6,求碰撞前轿车的速度大小。(重力加速度g取10 m/s2)
解析:由牛顿运动定律答案:27 m/s 探究一探究二变式训练3(多选)向空中发射一物体,不计空气阻力,当物体的速度恰好沿水平方向时,物体炸裂为a、b两块。若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向,则( )
A.b的速度方向一定与原速度方向相反
B.从炸裂到落地这段时间里,a飞行的水平距离一定比b的大
C.a、b一定同时到达地面
D.炸裂的过程中,a、b中受到的爆炸力的冲量大小一定相等探究一探究二解析:物体炸裂过程发生在物体沿水平方向运动时,由于物体沿水平方向不受外力,所以沿水平方向动量守恒,根据动量守恒定律有(mA+mB)v=mAvA+mBvB
当vA与原来速度v同向时,vB可能与vA反向;另外一种情况是vA的大小没有确定,题目只讲a的质量较大,但若vA很小,则mAvA可能小于原动量(mA+mB)v,这时vB的方向会与vA方向一致,即与原来方向相同,所以选项A错误。
a、b两块在水平飞行的同时,竖直方向做自由落体运动,即做平抛运动,落地时间由高度决定,所以选项C是正确的。
由于水平飞行距离x=v·t,a、b两块炸裂后的速度vA、vB大小不一定相等,而落地时间t又相等,所以水平飞行距离无法比较大小,所以选项B错误。
根据牛顿第三定律,a、b所受爆炸力FA=-FB,力的作用时间相等,所以冲量I=F·t的大小一定相等,所以选项D是正确的。
答案:CD探究一探究二归纳总结(1)在碰撞过程中,系统的动量守恒,但机械能不一定守恒。
(2)在爆炸过程中,系统的动量守恒,机械能一定不守恒。
(3)宏观物体碰撞时一般相互接触,微观粒子的碰撞不一定接触,但只要符合碰撞的特点,就可认为是发生了碰撞。12341.(对心碰撞的几种情况)(多选)在光滑水平面上,两球沿球心连线以相等速率相向而行,并发生碰撞,下列现象可能的是( )
A.若两球质量相同,碰后以某一相等速率互相分开
B.若两球质量相同,碰后以某一相等速率同向而行
C.若两球质量不同,碰后以某一相等速率互相分开
D.若两球质量不同,碰后以某一相等速率同向而行
解析:光滑水平面上两小球的对心碰撞符合动量守恒的条件,因此碰撞前、后两小球组成的系统总动量守恒。碰撞前两球总动量为零,碰撞后也为零,动量守恒,所以选项A是可能的;若碰撞后两球以某一相等速率同向而行,则两球的总动量不为零,而碰撞前的总动量为零,所以选项B不可能;碰撞前、后系统的总动量的方向不同,所以动量不守恒,选项C不可能;碰撞前总动量不为零,碰后也不为零,方向可能相同,所以,选项D是可能的。
答案:AD12342.(对心碰撞的能量问题)(多选)关于碰撞的说法,正确的是( )
A.发生正碰的系统,总动能一定不变
B.发生正碰的系统,总动能可能减小
C.发生斜碰的系统,总动能一定减小
D.发生斜碰的系统,总动能可能不变
解析:无论是发生正碰还是斜碰,都有弹性碰撞和非弹性碰撞两种可能,故选项A、C错误。
答案:BD12343.(非弹性碰撞模型分析)如图所示,在光滑水平面上,用等大异向的F1、F2分别同时作用于A、B两个静止的物体上,已知mAA.静止 B.向右运动
C.向左运动 D.无法确定
解析:选取A、B两个物体组成的系统为研究对象,根据动量定理,整个运动过程中,系统所受的合外力为零,所以动量改变量为零。初始时刻系统静止,总动量为零,最后粘合体的动量也为零,即粘合体静止,所以选项A正确。
答案:A12344.(爆炸的模型分析)在沙堆上有一木块,质量m0=5 kg,木块上放一爆竹,质量m=0.10 kg。点燃爆竹后木块陷入沙中深5 cm,若沙对木块运动的阻力恒为58 N,不计爆竹中火药质量和空气阻力。求爆竹上升的最大高度。
解析:火药爆炸时内力远大于重力,所以爆炸时动量守恒,设v、v'分别为爆炸后爆竹和木块的速率,取向上的方向为正方向,
由动量守恒定律得
mv-m0v'=0①
木块陷入沙中做匀减速运动到停止,其加速度为1234答案:20 m 课件27张PPT。5 反冲运动 火箭读一读·思一思辨一辨·议一议一、反冲运动
阅读教材第22页“反冲运动”部分,了解反冲运动的特点。
1.什么是反冲运动?其特点是什么?
答案:如果一个静止的物体在内力的作用下分裂为两部分,一部分向某个方向运动,另一部分必然向相反的方向运动。这个现象叫作反冲。其特点:(1)物体的不同部分在内力作用下向相反的方向运动。(2)反冲运动中,相互作用力一般较大,通常可以用动量守恒定律来处理。
2.举例说明日常生活中常见反冲现象的应用及防止。
答案:(1)应用:农田、园林的喷灌装置是利用反冲使水从喷口喷出时,一边喷水一边旋转。
(2)防止:用枪射击时,由于枪身的反冲会影响射击的准确性,所以用步枪射击时要把枪身抵在肩部,以减少反冲的影响。读一读·思一思辨一辨·议一议二、火箭
阅读教材第23页“火箭”部分,了解火箭的工作原理。
1.工作原理:利用反冲运动,火箭燃料燃烧产生的高温、高压燃气从尾喷管迅速喷出时,使火箭获得巨大的速度。
2.影响火箭获得速度大小的因素有哪些?
答案:(1)喷气速度:现代液体燃料火箭的喷气速度约为2 000~4 000 m/s。
(2)质量比:指火箭起飞时的质量与火箭除燃料外的箭体质量之比。喷气速度越大,质量比越大,火箭获得的速度越大。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)我国近年来研制的大型客机C919以及WZ-10直升机就是利用反冲运动的原理,发动机喷出高温高压的燃气使飞机获得了巨大的反推力而运动。 ( )
解析:喷气式客机是利用高速喷出的燃气而获得反作用力的,而直升机是螺旋桨直接跟空气作用而获得反作用力的。
答案:×
(2)公园里的湖面上有一条小船静止,一人站在船头,现在人开始走向船尾,则小船会沿船头方向前进。 ( )
解析:人和船组成的系统动量守恒,开始时总动量为零,人向后走,船就会向前走。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
生活中常见的有关反冲运动的现象多吗?试举出几个例子。
答案:生活中的反冲现象很多。如:(1)放冲天炮时,就是火药的反冲作用使它向天上飞的。(2)用软的水管浇水时,当水放得很大时,水管头部就有向后的力,这是水的反冲作用。(3)拿着高压水管刷车的时候你会发现有很大的力推你,这个力是液体(水)的反冲所致。探究一探究二对反冲运动的理解
问题导引
大炮的炮身总是做得很重或者是固定在炮台上,这是为什么?
要点提示:大炮发射时,高温高压的燃气把炮弹高速推出,由于反冲作用,炮身向后运动,这不但容易造成伤害,也会使炮弹命中率降低。炮身做得很重,或固定在炮台上,可降低反冲作用的影响。探究一探究二名师精讲
1.反冲运动的三个特点
(1)物体的不同部分在内力作用下向相反方向运动。
(2)反冲运动中,相互作用力一般较大,通常可以用动量守恒定律来处理。
(3)反冲运动中,由于有其他形式的能转变为机械能,所以系统的总动能增加。探究一探究二2.反冲运动的处理方法
(1)反冲运动过程中系统不受外力或所受外力之和为零,满足动量守恒的条件,可以用动量守恒定律分析解决问题。
(2)反冲运动过程中系统虽然受到外力作用,但内力远远大于外力,外力可以忽略,也可以用动量守恒定律分析解决问题。
(3)反冲运动过程中系统虽然所受外力之和不为零,系统的动量并不守恒,但系统在某一方向上不受外力或外力在该方向上的分力之和为零,则系统的动量在该方向上的分量保持不变,可以在该方向上用动量守恒分析解决问题。探究一探究二3.讨论反冲运动应注意的三个问题
(1)速度的方向性:对于原来静止的整体,当被抛出部分具有速度时,剩余部分的反冲是相对于抛出部分来说的,两者运动方向必然相反。在列动量守恒方程时,可任意规定某一部分的运动方向为正方向,则反方向的这一部分的速度就要取负值。
(2)速度的相对性:反冲运动的问题中,有时遇到的速度是相互作用的两物体的相对速度。但是动量守恒定律中要求速度是对同一参考系的速度(通常为对地的速度)。因此应先将相对速度转换成对地的速度,再列动量守恒方程。
(3)变质量问题:在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动,如在火箭的运动过程中,随着燃料的消耗,火箭本身的质量不断减小,此时必须取火箭本身和在相互作用的短时间内喷出的所有气体为研究对象,取相互作用的这个过程为研究过程来进行研究。探究一探究二反冲运动过程中系统动量守恒,列动量守恒式的时候速度必须是相对同一参考系的。探究一探究二典例剖析
【例题1】 一火箭喷气发动机每次喷出m=200 g 的气体,气体离开发动机时速度v=1 000 m/s(相对地面),设火箭质量m0=300 kg,发动机每秒喷气20次。当第三次气体喷出后,火箭的速度多大?
【思考问题】 (1)发动机每次喷出气体后火箭的速度都会发生变化吗?
提示:每次喷出气体后火箭的速度都会增加一些,需要逐次求出速度,一步一步去解题。
(2)为简化步骤,本题能将三次喷气当成一次去列式求解吗?
提示:由于每次喷气相对地面的速度是相同的,因此可选整体为研究对象,运用动量守恒来求解。探究一探究二解析:解法一:喷出气体运动方向与火箭运动方向相反,系统动量可认为守恒。答案:2 m/s 探究一探究二归纳总结(1)火箭在运动过程中,随着燃料的燃烧,火箭本身的质量不断减小,故在应用动量守恒定律时,必须取在同一相互作用时间内的火箭和喷出的气体为研究对象。注意反冲前、后各物体质量的变化。
(2)明确两部分物体初、末状态的速度的参考系是否为同一参考系,如果不是同一参考系要设法予以调整,一般情况要转换成对地的速度。
(3)列方程时要注意初、末状态动量的方向。反冲物体速度的方向与原物体的运动方向是相反的。探究一探究二变式训练1一质量为m0的航天器远离太阳和行星,正以速度v0在太空中飞行,某一时刻航天器接到加速的指令后,发动机瞬间向后喷出质量为m的气体,气体向后喷出的速度大小为v1,求加速后航天器的速度大小为 。(v0、v1均为相对同一参考系的速度)?探究一探究二反冲运动的典型应用——人船模型
问题导引
?
如图所示,长为l、质量为m0的小船停在静水中,一个质量为m的人立在船头,若不计水的阻力,当人从船头走到船尾的过程中,船和人相对地面的位移各是多少?探究一探究二探究一探究二名师精讲
1.“人船模型”问题的特征
两个原来静止的物体发生相互作用时,若所受外力的矢量和为零,则动量守恒。在相互作用的过程中,任一时刻两物体的速度大小之比等于质量的反比。这样的问题归为“人船模型”问题。
2.处理“人船模型”问题的关键
(1)利用动量守恒,确定两物体速度关系,再确定两物体通过的位移的关系。
由于动量守恒,所以任一时刻系统的总动量为零,动量守恒式可写成m1v1=m2v2的形式(v1、v2为两物体的瞬时速率),表明任意时刻的瞬时速率都与各物体的质量成反比。所以全过程的平均速度也与质量成反比。进而可得两物体的位移大小与各物体的质量成反比,即探究一探究二(2)解题时要画出各物体的位移关系草图,找出各长度间的关系。
(3)适用条件:
“人船模型”是利用平均动量守恒求解的一类问题。适用条件是
①系统由两个物体组成且相互作用前静止,系统总动量守恒。
②在系统内发生相对运动的过程中至少有一个方向的动量守恒,注意两物体的位移是相对同一参考系的位移。
“人船模型”问题中,两物体的运动特点是“人”走“船”行、“人”停“船”停。探究一探究二典例剖析
【例题2】有一只小船停在静水中,船上一人从船头走到船尾。如果人的质量m=60 kg,船的质量m0=120 kg,船长为l=3 m,则船在水中移动的距离是多少?水的阻力不计。
【思考问题】 (1)选人船系统为研究对象,那么如何作出人在船上行走时的过程示意图呢?
提示:
?
(2)人从船头走到船尾的过程中,系统动量守恒吗?
提示:系统动量守恒,人起步前系统的总动量为0,当人加速前进时,船加速后退,人停下来,船也停下来。探究一探究二探究一探究二探究一探究二变式训练2载人气球静止于高h的空中,气球的质量为m0,人的质量为m,若人沿绳梯滑至地面,则绳梯至少为多长?1231.(反冲现象的应用)运送人造地球卫星的火箭开始工作后,火箭做加速运动的原因是( )
A.燃料燃烧推动空气,空气反作用力推动火箭
B.火箭发动机将燃料燃烧产生的气体向后喷出,气体的反作用力推动火箭
C.火箭吸入空气,然后向后推出,空气对火箭的反作用力推动火箭
D.火箭燃料燃烧发热,加热周围空气,空气膨胀推动火箭
解析:火箭工作的原理是利用反冲运动,是火箭燃料燃烧产生的高温高压燃气从尾喷管迅速喷出时,使火箭获得反冲速度,与周围的空气无关,故答案为B选项。
答案:B1232.(人船模型的理解)如图所示,一光滑地面上有一质量为m0的足够长的木板AB,一质量为m的人站在木板的A端,关于人由静止开始运动到木板的B端(M、N表示地面上原A、B对应的点),下列图示正确的是( )123解析:根据动量守恒定律,m0、m系统动量守恒,对于题中的“人船模型”,各自对地的位移为xm0、xm,且有m0xm0=mxm,xm0+xm=l板长(有时也称为平均动量守恒),以M点为参考,人向右运动,船向左运动,D图是正确的。
答案:D1233.(类“人船模型”问题)一个质量为m0,底面边长为b的三角形劈块静止于光滑水平面上,如图所示,有一质量为m的小球由斜面顶部无初速滑到底部的过程中,劈块移动的距离为 。?课件22张PPT。1 能量量子化读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第27页“黑体与黑体辐射”部分,知道热辐射、黑体的确切含义,理解黑体辐射的实验规律。
1.热辐射: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,所以叫作热辐射。
2.黑体: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。
3.一般材料的物体辐射电磁波的情况与哪些因素有关?
答案:除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
4.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与黑体的温度有什么规律?
答案:(1)随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加。
(2)随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第28页“能量子”部分,知道能量子的概念,理解微观世界中能量是量子化的。
1.定义:普朗克认为,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,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
2.能量子有大小吗?如何表示?
答案:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s。
3.如何理解能量的量子化?
答案:在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)热的物体向外辐射电磁波,冷的物体只吸收电磁波。 ( )
解析:任何物体在任何温度下都会发生热辐射,这是由于物体中分子、原子受到激发而发射电磁波的现象。
答案:×
(2)黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的。 ( )
解析:由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的。
答案:×
(3)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与材料的种类及表面状况无关。 ( )
解析:黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与其他因素无关。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)黑体是理想化的物理模型,那么现实中可以近似看作黑体的都必须一定是黑色的物体吗?
答案:黑体是理想化的物理模型,但并不是只有看上去是黑色的物体才能被近似当成黑体,有些可以看作黑体的物体由于自身有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小口。
(2)在火炉旁边有什么感觉?投入炉中的铁块颜色怎样变化?说明了什么问题?
答案:在火炉旁会感到热,这是由于火炉不断地向外辐射能量。投入炉中的铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色,直至成为黄白色,这表明同一物体热辐射的强度与温度有关。探究一探究二对黑体和黑体辐射的理解
问题导引
很多地方用红外热像仪监测人的体温,只要被测者从仪器前走过,便可知道他的体温是多少,你知道其中的道理吗?要点提示:根据热辐射规律可知,人的体温的高低,直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度。因此通过监测被测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温。探究一探究二名师精讲
对黑体和黑体辐射的理解
?
(1)对黑体的理解:绝对的黑体实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替。如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个小孔就成了一个绝对黑体。
(2)对黑体辐射的理解:任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称为热辐射。探究一探究二(3)一般物体与黑体的比较 探究一探究二(4)对热辐射的理解
①在任何温度下,任何物体都会发射电磁波,并且其辐射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。
在室温下,大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波——红外光。很多物体被加热到500 ℃左右时,开始发出暗红色的可见光。随着温度的不断上升,物体逐渐亮起来,而且热辐射中较短波长的成分越来越多,即能引起视觉的电磁波越来越多,大约在1 500 ℃时变成明亮的白炽光。
这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。
②在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同。例如,将钢加热到约800 ℃时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光。探究一探究二黑体是理想化的物理模型,对入射电磁波只吸收不反射。探究一探究二典例剖析
【例题1】 对黑体的认识,下列说法正确的是( )
A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与黑体的温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体探究一探究二解析:由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的,所以选项A错误;由于黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,所以选项B错误,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此是小孔成了一个黑体,而不是空腔成了一个黑体,所以选项D错误。
答案:C
归纳总结要把握黑体的含义,即黑体完全吸收电磁波而不反射电磁波,同时本身也辐射电磁波,因而黑体并不一定是黑的。要理解黑体辐射的特点,即黑体辐射的电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,与其他因素无关。探究一探究二变式训练1(多选)下列叙述正确的是( )
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
解析:根据热辐射的定义知,选项A正确;根据热辐射和黑体辐射的特点知,一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料种类和表面状况有关,而黑体辐射只与黑体的温度有关,故选项B错误,选项C正确;根据黑体的定义知选项D正确。
答案:ACD探究一探究二对能量子的认识
问题导引
德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究,于1900年推导出了普朗克公式。德国物理学家鲁本斯把它与实验数据进行了比较,发现与实验结果“令人满意地相符”。但所有推导都是建立在一个最重要的假设基础之上,这个假设是什么呢?
要点提示:能量量子化假设。探究一探究二名师精讲
1.普朗克的量子化假设
(1)能量子:
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。例如,可能是ε或2ε、3ε……当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的。这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子公式:ε=hν
ν是电磁波的频率,h是一个常量,后人称之为普朗克常量,其值为h=6.63×10-34 J·s。
(3)能量的量子化:
在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫作能量的量子化。探究一探究二2.在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为:物体的运动是连续的,能量变化是连续的,不必考虑量子化;在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
物体在发射或接收能量的时候,只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态,而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。探究一探究二典例剖析
【例题2】光是一种电磁波,可见光的波长的大致范围是400~700 nm。求400 nm、700 nm电磁辐射的能量子的值各是多少?
【思考问题】 求解本题的关键是什么?
提示:根据已知条件求每一个能量子的能量。归纳总结这类习题数量级比较大,注意运算当中提高运算准确率。探究一探究二变式训练2(多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点,以下说法正确的是( )
A.以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B.辐射和吸收的能量是某一最小值的整数倍
C.吸收的能量可以是连续的
D.辐射和吸收的能量是量子化的
解析:带电微粒的辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的,是不连续的。故选项A、B、D正确,选项C错误。
答案:ABD1231.(对黑体辐射规律的理解)(多选)下列关于黑体辐射的实验规律叙述正确的是( )
A.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加
B.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
C.黑体热辐射的强度与波长无关
D.黑体辐射无任何规律
解析:黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都增加,同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。故A、B对。
答案:AB1232.(能量子的理解及ε=hν的应用)二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射,这种长波辐射的波长范围约是1.4×10-3~1.6×10-3 m,相应的频率范围是 ,相应的光子能量的范围是 。(已知普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空中的光速c=3.0×108 m/s。结果取两位有效数字)?
解析:由c=λν得 。则求得频率范围为1.9×1011~2.1×1011 Hz。又由ε=hν得能量范围为1.3×10-22~1.4×10-22 J。
答案:1.9×1011~2.1×1011 Hz 1.3×10-22~1.4×10-22 J1233.(能量子的理解及ε=hν的应用)“神光Ⅱ”装置是我国自主研发的高功率固体激光系统,利用它可获得能量为2 400 J、波长λ=0.35 μm的紫外激光。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则该紫外激光所含光子数为多少?
解析:紫外激光的波长已知,由此可求得紫外激光能量子的值,再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J,即可求得紫外激光所含光子数。
紫外激光能量子的值为答案:4.23×1021 课件28张PPT。2 光的粒子性读一读·思一思辨一辨·议一议一、光电效应的实验规律
阅读教材第31页“光电效应的实验规律”部分,知道光电效应的概念,理解光电效应的实验规律。
1.光电效应的概念是什么?
答案: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。
2.什么是光电子?
答案:光电效应中发射出来的电子。读一读·思一思辨一辨·议一议3.光电效应的实验规律有哪些?
答案:(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。
(2)存在着遏止电压和截止频率:入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
(3)光电效应具有瞬时性:光电效应中产生电流的时间不超过10-9 s。
4.什么是逸出功?
答案:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。读一读·思一思辨一辨·议一议二、爱因斯坦的光电效应方程
阅读教材第32页“爱因斯坦的光电效应方程”部分,知道光子说,理解光电效应方程。
1.什么是光子说?
答案:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子。
2.爱因斯坦的光电效应方程表达式是什么?有什么物理意义?
答案:(1)表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。
(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。读一读·思一思辨一辨·议一议三、康普顿效应(见教材第35页)
1.什么是光的散射?
答案:光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。
2.什么是康普顿效应?
答案: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。
3.康普顿效应的意义是什么?
答案: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。
4.写出光子的动量的表达式:___________。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大。 ( )
解析:同一频率的光照射到不同金属上时,因各种金属的逸出功不相同,产生的光电子的最大初动能也不相同,逸出功越小,电子摆脱金属的束缚也越容易,电子脱离金属表面时的初动能越大。
答案:×
(2)康普顿散射的主要特征是散射光的波长有些与入射光的相同,有些散射光的波长比入射光的波长长些,且散射光波长的改变量与散射角的大小有关。 ( )
解析:光子和电子相碰撞,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。散射角不同,能量减少情况不同,散射光的波长也有所不同。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程?
答案:爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量,逸出功W0是光子飞出金属表面消耗的能量,Ek是光子的最大初动能,因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律。
(2)发生光电效应时,电路中光电流的饱和值取决于什么?
答案:在光电管中若发生了光电效应,光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关,单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关,因此电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度。探究一探究二正确理解光电效应的相关知识
问题导引
从前面的探究讨论我们知道,将锌板和验电器连在一起,然后用紫外线灯照射锌板,会发生一个奇妙的现象,验电器的金属箔片张开一个角度,这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了。为什么会这样呢?验电器上带何种电荷?
?
要点提示:锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应,发射出光电子,因此锌板会显示正电性,验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。探究一探究二名师精讲
1.光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光照射金属是因,产生光电子是果。
2.光电子的动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。探究一探究二3.光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。
4.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。
5.光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。探究一探究二6.光电效应与经典电磁理论的矛盾
(1)矛盾之一:遏止电压由入射光频率决定,与光的强弱无关
按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压应与光的强弱有关,而实验表明:遏止电压由入射光的频率决定,与光强无关。
(2)矛盾之二:存在截止频率
按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够的能量从而逸出表面,不应存在截止频率。而实验表明:不同金属有不同的截止频率,入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。
(3)矛盾之三:具有瞬时性
按照光的经典电磁理论,如果光很弱,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明:无论入射光怎样微弱,光电效应几乎是瞬时的。探究一探究二光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子。光照射金属是因,产生光电子是果。探究一探究二典例剖析
【例题1】(多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应,则下列说法正确的是( )
A.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子数增加
B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加
C.若改用紫光照射,则可能不会发生光电效应
D.若改用紫光照射,则逸出的光电子的最大初动能增加
解析:光电效应的规律表明:入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小,当入射光频率增加后,产生的光电子最大初动能也增加,而照射光的强度增加,会使单位时间内逸出的光电子数增加,又知紫光频率高于绿光,故选项正确的有A、D。
答案:AD探究一探究二归纳总结入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小,能否发生光电效应与入射光的强弱无关。探究一探究二变式训练1利用光电管研究光电效应实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )
?
A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过
B.用红外线照射,电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片移到最右端时,电流表一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片向左端移动时,电流表示数可能不变探究一探究二解析:因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射,电流表一定有电流通过,选项A错误;因不知阴极K的极限频率,所以用红外线照射,可能发生光电效应,电流表可能有电流通过,选项B错误;由于发生了光电效应,即使A、K间的电压UAK=0,电流表中也有电流通过,所以选项C错误;当滑动变阻器的滑片向左端移动时,阳极吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极时,电流达到最大,即饱和电流,若在移动前,电流已经达到饱和电流,那么再增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确。
答案:D探究一探究二爱因斯坦的光电效应方程
问题导引
用光照射光电管且能产生光电效应,如果给光电管加上反向电压,光电管中就没有电流了吗?
要点提示:由于光电子具有一定的动能,当所加的电压较小时,光电管中仍然有电流,当电压大于遏止电压时,电路中无电流。探究一探究二名师精讲
1.光电效应的四个规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率νc,入射光的频率必须大于νc,才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关。
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关。
(3)当产生光电效应时,单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关。
(4)光电效应几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10-9 s。探究一探究二2.光电效应方程的理解与应用
(1)光电效应方程实质上是能量守恒方程
能量为E=hν的光子被电子吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。
(2)光电效应方程包含了产生光电效应的条件探究一探究二3.Ekm-ν曲线
右图是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线。这里,横轴上的截距是截止频率或极限频率;纵轴上的截距是逸出功的负值;斜率为普朗克常量。特别提醒(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定,与其他因素无关。
(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,但不是正比关系。探究一探究二典例剖析
【例题2】如图所示,当开关K断开时,用光子能量为2.5 eV 的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零。合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为( )
A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
【思考问题】 如何求解光电子的最大初动能?
提示:利用电场力做功公式W=eUc。
解析:由题意知光电子的最大初动能为Ek=eUc=0.60 eV,所以根据光电效应方程Ek=hν-W0可得W0=hν-Ek=(2.5-0.6) eV=1.9 eV。
答案:A
归纳总结光电子克服电场力做功,动能减少,电势能增加。探究一探究二变式训练2(多选)某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象如图所示,由图象可知( )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为2E
解析:题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hν0=W0,即该金属的逸出功等于hν0,选项B正确;根据图线的物理意义,有W0=E,故选项A正确,而选项C、D错误。
答案:AB123451.(光电效应现象)当用一束紫外线照射锌板时,产生了光电效应,这时( )
A.锌板带负电
B.有正离子从锌板逸出
C.有电子从锌板逸出
D.锌板会吸附空气中的正离子
解析:当用一束紫外线照射锌板时,产生了光电效应,有电子从锌板逸出,锌板带正电,选项C正确,A、B、D错误。
答案:C123452.(光电效应规律)用某种单色光照射某种金属表面,发生光电效应。现将该单色光的光强减弱,则下列说法中正确的是( )
①光电子的最大初动能不变 ②光电子的最大初动能减小
③单位时间内产生的光电子数减少 ④可能不发生光电效应
A.①③ B.②③ C.①② D.③④
解析:由光电效应规律知,光电子的最大初动能由入射光的频率和金属的逸出功共同决定,与入射光的强度无关,故①正确;单位时间内产生的光电子数与入射光的强度成正比,光强减弱,则单位时间内产生的光电子数减少,即③也正确。
答案:A123453.(光电效应规律)某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是( )
A.延长光照时间 B.增大光的强度
C.换用波长较短的光照射 D.换用频率较低的光照射
解析:光照射金属时能否产生光电效应,取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率,与入射光的强度和照射时间无关,故选项A、B、D均错误;又因 ,所以选项C正确。
答案:C123454.(光电效应方程的理解与应用)(多选)在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是( )
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率低于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率高于ν的光照射,光电子的最大初动能变大
解析:增大入射光的强度,单位时间内发射的光电子数增加,则光电流增大,选项A正确;光电效应能否发生与照射光频率有关,与照射光强度无关,选项B错误;改用频率较低的光照射时,如果光的频率仍高于极限频率,则仍会发生光电效应,否则,不能发生光电效应,选项C错误;光电子的最大初动能Ek=hν-W0,故改用频率高于ν的光照射,光电子的最大初动能变大,选项D正确。
答案:AD123455.(光电效应方程的理解与应用)(多选)右图是光电效应中光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象。从图中可知( )
A.Ek与ν成正比
B.入射光频率必须高于或等于极限频率νc时,才能产生光电效应
C.对同一种金属而言,Ek仅与ν有关
D.Ek与入射光强度成正比
解析:由Ek=hν-W0知B、C正确,A、D错误。
答案:BC课件23张PPT。3 粒子的波动性读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第37页“光的波粒二象性”部分,知道光既具有波动性又具有粒子性。
应当如何理解光的波粒二象性?
答案:(1)光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
(2)光子的能量ε=hν,光子的动量 。两式左侧的物理量ε和p描述光的粒子性,右侧的物理量ν和λ描述光的波动性,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第37、38页“粒子的波动性、物质波的实验验证”部分,知道实物粒子具有波动性,知道物质波的实验验证。
1.什么是物质波?如何表达?
答案:(1)每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫作物质波。
(2)物质波的波长、频率关系式:2.什么是物质波的实验验证?
答案:(1)1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性。 ( )
解析:光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性。
答案:√
(2)光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子。 ( )
解析:光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著。
答案:×
(3)牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的。 ( )
解析:牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒,爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
光的波动性和粒子性是相互矛盾的,无法统一,这种说法正确吗?
答案:光波在少量的情况下体现粒子性,大量的情况下体现波动性,这说明光的波动性和粒子性不是孤立的,而是有机的统一体。探究一探究二人类对光的本性的研究
问题导引
曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教:光是波还是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一个波,星期二、四、六它是一个粒子,星期天物理学家休息。”那么光的本性到底是什么呢?你是如何理解的?
要点提示:光具有波粒二象性。
光既不同于宏观观念的粒子,也不同于宏观观念的波,但光既具有粒子性又具有波动性,粒子性和波动性都是光本身的属性。探究一探究二名师精讲
1.对光的本性认识史
人类对光的认识经历了漫长的历程,从牛顿的光的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的波动说,从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直到20世纪初,对于光的本性的认识才提升到一个更高层次,即光具有波粒二象性。对于光的本性认识史,列表如下:探究一探究二2.对光的波粒二象性的理解 探究一探究二大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性,光具有波粒二象性。探究一探究二【例题1】 有关光的本性,下列说法正确的是( )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性
D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
解析:光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性。只有选项D正确。
答案:D探究一探究二归纳总结光子是能量为hν的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率ν有关,体现了波动性,所以光子是统一了波粒二象性的微粒。但是它在不同条件下的表现不同,大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性;光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;频率低的光波动性更强,频率高的光粒子性更强。探究一探究二变式训练1(多选)对光的认识,下列说法中正确的是( )
A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
解析:个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性;光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性;光的波动性与粒子性都是光的本质属性,因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律,故正确选项有A、B、D。
答案:ABD探究一探究二对物质波的理解
问题导引
德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性,可是我们观察运动着的汽车,并未感觉到它的波动性。你如何理解该问题,谈谈自己的认识。
要点提示:波粒二象性是微观粒子的特殊规律,一切微观粒子都存在波动性,宏观物体(汽车)也存在波动性,只是因为宏观物体质量大,动量大,波长短,难以观测,而微观粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础。探究一探究二名师精讲
1.任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。3.德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。
一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。探究一探究二典例剖析
【例题2】下列关于德布罗意波的认识正确的是( )
A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性
【思考问题】 为什么宏观物体运动时,其波动性不明显?
提示:宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但具有波动性。探究一探究二解析:运动的物体才具有波动性,A项错;宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有C项正确。
答案:C探究一探究二变式训练2如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s的速度运动,则它们的德布罗意波的波长分别是多大?(中子的质量为1.67×10-27 kg,普朗克常量为6.63×10-34 J·s)
解析:中子的动量为p1=m1v
子弹的动量为p2=m2v将m1=1.67×10-27 kg,v=103 m/s
h=6.63×10-34 J·s,
m2=1.0×10-2 kg
代入上面两式可解得
λ1=4.0×10-10 m,λ2=6.63×10-35 m
答案:4.0×10-10 m 6.63×10-35 m12341.(对光的波粒二象性的理解)(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
解析:光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,选项D正确;大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,选项A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,选项B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,选项C错误。
答案:AD12342.(对光的波粒二象性的理解)(多选)关于光的波粒二象性,下列正确的说法是( )
A.光的频率越高,光子的能量越大,粒子性越显著
B.光的波长越长,光的能量越小,波动性越显著
C.频率高的光子不具有波动性,波长较长的光子不具有粒子性
D.个别光子产生的效果往往显示粒子性,大量光子产生的效果往往显示波动性
解析:光具有波粒二象性,但在不同情况下表现不同,频率越高,波长越短,粒子性越强,反之波动性明显,个别光子易显示粒子性,大量光子显示波动性,故选项A、B、D正确。
答案:ABD12343.(对物质波的理解)(多选)关于物质波,下列说法错误的是( )
A.任何运动的物体(质点)都伴随一种波,这种波叫物质波
B.X射线的衍射实验,证实了物质波假设是正确的
C.电子的衍射实验,证实了物质波假设是正确的
D.宏观物体尽管可以看作物质波,但它们不具有干涉、衍射等现象1234解析:据德布罗意物质波理论知,任何一个运动的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之相对应,这种波就叫物质波,可见,选项A正确;由于X射线本身就是一种波,而不是实物粒子,故X射线的衍射现象,并不能证实物质波理论的正确性,即选项B错误;电子是一种实物粒子,电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性,故选项C正确;由电子穿过铝箔的衍射实验知,少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的,无规律的,但大量电子穿过铝箔后落的位置则呈现出衍射图样,即大量电子的行为表现出电子的波动性,干涉、衍射是波的特有现象,只要是波,都会发生干涉、衍射现象,故选项D错误。
答案:BD12344.(对物质波的理解)(多选)下列说法正确的是( )
A.物质波属于机械波
B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都具有一种波和它对应,这种波叫作物质波
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性
解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,宏观物体也具有波动性,只是干涉、衍射现象不明显,故只有选项C正确。
答案:C课件24张PPT。4 概率波 5 不确定性关系读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第40页“经典的粒子和经典的波”部分,知道经典的粒子和经典的波的特征。
1.什么是经典粒子?它是如何运动的?
答案:(1)经典粒子:粒子有一定的空间大小,具有一定的质量,有的还带有电荷。
(2)运动的基本特征:遵从牛顿运动定律,任意时刻有确定的位置和速度,在时空中有确定的轨道。
2.什么是经典的波?
答案:经典的波在空间是弥散开来的,具有频率和波长,即具有时空的周期性。读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第40、41页“概率波”部分,知道概率波,理解概率波的统计规律。
1.光波是一种概率波吗?为什么?
答案:光的波动性不是光子之间的相互作用的结果,光子本身的波动性是它固有的性质。光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定,所以,从光子的概念上看,光波是一种概率波。
2.物质波也是概率波吗?
答案:对于电子和其他微观粒子,单个粒子的位置是不确定的,但是在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子,这种概率分布导致确定的宏观结果,所以物质波也是概率波。读一读·思一思辨一辨·议一议三、阅读教材第42、43页“不确定性关系”部分,知道三种不确定性关系。
1.什么是不确定性关系?
答案:在经典物理学中,一个质点的位置和动量是可以同时测定的,在微观物理学中,要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的,我们把这种关系叫不确定性关系。
2.写出不确定性关系的表达式,并说明式中各量的意义。
答案:表达式:ΔxΔp≥ ,其中用Δx表示粒子位置的不确定量,用Δp表示在x方向上动量的不确定量,h是普朗克常量。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)微观粒子不受外力作用时光子就会匀速运动。 ( )
解析:光子不同于宏观力学的粒子,不能用宏观粒子的牛顿力学规律分析光子的运动。
答案:×
(2)不确定关系不仅适用于电子和光子等微观粒子,也适用于宏观粒子。 ( )
解析:不确定性关系也适用于宏观粒子,不过这些不确定量微乎其微。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)为什么不能用“轨迹”来描述粒子的运动?
答案:由不确定性关系可知,微观粒子的位置和动量不能同时被确定,也就决定了不能用“轨迹”来描述粒子的运动。
(2)为什么要有物理模型与物理现象?
答案:在经典物理学中,对于宏观对象,我们分别建立粒子模型和波动模型;在微观世界里,也需要建立物理模型,像粒子的波粒二象性模型。探究一探究二对概率波的进一步理解
问题导引
在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处一定没有光子到达吗?
?
要点提示:在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达,只是光子数量“特别少”。探究一探究二名师精讲
1.单个粒子运动的偶然性:我们可以知道粒子落在某点的概率,但不能确定落在什么位置,即粒子到达什么位置是随机的,是预先不确定的。
2.大量粒子运动的必然性:由波动规律,我们可以准确地知道大量粒子运动的统计规律,因此我们可以对宏观现象进行预言。
3.概率波体现了波粒二象性的和谐统一:概率波的主体是光子和实物粒子,体现了粒子性的一面;同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律的支配,体现了波动性的一面。所以说,概率波将波动性和粒子性统一在一起。探究一探究二4.物质波也是概率波
对于电子、实物粒子等其他微观粒子,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。
也就是说,单个粒子位置是不确定的,具有偶然性;大量粒子运动具有必然性,遵循统计规律。
概率波将波动性和粒子性统一在了一起。探究一探究二典例剖析
【例题1】 (多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光的强度占从单缝射入的整个光的强度的95%以上。假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子( )
A.一定落在中央亮纹处
B.一定落在亮纹处
C.可能落在暗纹处
D.落在中央亮纹处的可能性最大
解析:根据光是概率波的理论,一个光子通过单缝落在何处,是不确定的,但落在中央明条纹区域的概率最大,也有可能落在其他亮条纹和暗条纹处,但落在暗条纹处的概率极小。
答案:CD探究一探究二归纳总结(1)在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达,只是光子数量“特别少”,很难呈现出亮度。
(2)要理解统计规律,对统计规律的认识是理解概率波的前提。探究一探究二变式训练1(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像,则( )
?
A.图像(a)表明光具有粒子性
B.图像(c)表明光具有波动性
C.用紫外光观察不到类似的图像
D.实验表明光是一种概率波探究一探究二解析:图像(a)曝光时间短,通过的光子数很少,呈现粒子性,A正确。图像(c)曝光时间长,通过了大量光子,呈现波动性,B正确。该实验表明光是一种概率波,D正确。紫外线本质和可见光本质相同,也可以发生上述现象,C错误。
答案:ABD探究一探究二对不确定性关系的理解
问题导引
对微观粒子的分析能不能用“轨迹”来描述呢?
要点提示:微观粒子的运动遵循不确定关系,也就是说,要准确确定粒子的位置,动量(或速度)的不确定量就更大;反之,要准确确定粒子的动量(或速度),位置的不确定量就更大,也就是说不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。探究一探究二名师精讲
1.粒子位置的不确定性:单缝衍射现象中,入射的粒子有确定的动量,但它们可以处于挡板另一侧的任何位置,也就是说,粒子在挡板另一侧的位置是完全不确定的。
2.粒子动量的不确定性:微观粒子具有波动性,会发生衍射。大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动,而在经过狭缝之后,有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是随机的,所以粒子在垂直入射方向上的动量也具有不确定性,不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。探究一探究二探究一探究二典例剖析
【例题2】 导学号77134074已知 =5.3×10-35 J·s。试求下列情况中速度测定的不确定量:
(1)一个球的质量m=1.0 kg,测定其位置的不确定量为10-6 m;
(2)电子的质量me=9.0×10-31 kg,测定其位置的不确定量为10-10 m(即在原子的数量级)。
解析:(1)m=1.0 kg,Δx1=10-6 m,(2)me=9.1×10-31 kg,Δx2=10-10 m,同理得Δv2≥5.8×105 m/s。
答案:(1)5.3×10-29 m/s (2)5.8×105 m/s探究一探究二归纳总结对不确定性关系的理解
不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准,也不是说微观粒子的动量测不准,更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准,而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。探究一探究二变式训练2质量为m=6.64×10-27 kg的α粒子通过宽度为a=0.1 mm的狭缝后,其速度的不确定量约为多少?若其速度v=3×107 m/s,它能否看成经典粒子?12341.(对概率波的理解)在做双缝干涉实验时,发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处,则b处可能是( )
A.亮纹
B.暗纹
C.既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D.以上各种情况均有可能
解析:按波的概率分布的特点去判断,由于大部分光子都落在b点,故b处一定是亮纹,选项A正确。
答案:A12342.(对概率波的理解)(多选)下列说法中正确的是( )
A.光是一种电磁波
B.光是一种概率波
C.光子相当于高速运动的质点
D.光的直线传播只是宏观近似规律
解析:光是一种电磁波,是电磁波谱中频率(或波长)很窄的一部分,A正确;光又是概率波,单个光子的运动纯属偶然,而大量光子的运动受波动规律支配,B正确;光子是能量粒子,不能看成高速运动的质点,C错误;因光波长很短,比一般物体的尺寸小得多,所以光的衍射非常弱,可看成直线传播,它只是一种近似规律,D正确。
答案:ABD12343.(对不确定性关系的理解)(多选)下列说法正确的是( )
A.宏观物体的动量和位置可准确测定
B.微观粒子的动量和位置可准确测定
C.微观粒子的动量和位置不可同时准确测定
D.宏观物体的动量和位置不可同时准确测定
解析:由不确定性关系知,宏观物体的不确定量较小,一般认为其动量和位置确定。
答案:AC12344.(对物理模型物理现象的理解)(多选)下列对物理模型和物理现象的关系理解正确的是( )
A.物理模型应与日常经验相吻合,并能解释物理现象
B.物理模型可以与日常经验相悖,但应与实验结果一致
C.物理模型不能十分古怪,让人难以理解
D.只要物理模型与实验结果一致,它在一定范围内就能正确代表研究的对象
解析:建立物理模型的目的就是能解释物理现象,与实验结果符合,而不是符合人的日常经验,选项B、D正确。
答案:BD课件33张PPT。1 电子的发现 2 原子的核式结构模型读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第47、48页“阴极射线”和“电子的发现”部分,知道阴极射线和电子的发现历史,理解阴极射线的特点。
1.什么是阴极射线?
答案:科学家用真空度很高的真空管做放电实验时,发现真空管阴极发射出的一种射线,叫作阴极射线。
2.阴极射线的特点有哪些?
答案:(1)在真空中沿直线传播;
(2)碰到物体可使物体发出荧光。
3.电子的发现过程是什么?
答案:汤姆孙让阴极射线分别通过电场或磁场,根据偏转情况,证明了它的本质是带负电的粒子流,并求出了其比荷。
4.密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷。电子电荷量一般取e=1.6×10-19 C,电子质量me=9.1×10-31 kg。?读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第51页“α粒子散射实验”部分,知道什么是α粒子,知道α粒子散射实验的实验现象。
1.α粒子散射实验装置由哪几部分组成的?
答案:α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、放大镜、荧光屏等组成。
2.α粒子散射实验的实验现象是什么?
答案:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90°。
3.什么是卢瑟福的核式结构模型?
答案:1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)阴极射线是由阴极发出的粒子撞击到玻璃管壁上而产生的荧光。 ( )
解析:阴极射线是由阴极直接发出的。
答案:×
(2)在α粒子散射实验装置中,粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。 ( )
解析:实验如果真空度不高也会对实验结果造成极大影响。
答案:√
(3)α粒子散射实验是由卢瑟福在十九世纪独立完成的。 ( )
解析:α粒子散射实验是卢瑟福跟他的学生盖革和马斯顿于1909年进行的。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)人们对阴极射线的本质的认识有两种观点,一种观点认为是电磁辐射,另一种观点认为是带电微粒,你认为应如何判断哪种观点正确?
答案:可以让阴极射线通过电场或磁场,若射线垂直于磁场方向通过磁场后发生了偏转,则该射线是由带电微粒组成的。
(2)有人认为α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到了金箔原子上,好像两个玻璃球的碰撞一样发生的反弹,这种观点正确吗?
答案:α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用,在微观领域库仑斥力非常强大,二者无法碰在一起。探究一探究二探究三阴极射线 电子的发现
问题导引
在如图所示的演示实验中,K和A之间加上近万伏的高电压后,玻璃管壁上观察到什么现象?该现象说明了什么问题?
要点提示:玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影,这说明阴极能够发出某种射线,并且撞击玻璃引起荧光。探究一探究二探究三名师精讲
对阴极射线管装置及其射线的理解
1.装置现象
真空玻璃管两极加上高电压→玻璃管壁上发出荧光
2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。
3.猜想
(1)阴极射线是一种电磁辐射。
(2)阴极射线是带电微粒。
4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转,得知射线带负电并测出了其比荷。
5.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。探究一探究二探究三6.电子发现的意义
电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构。这是人类对物质结构认识的一次飞跃,开创了探索原子结构奥秘的新时代。汤姆孙也由于发现了电子,不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖,而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
阴极射线的本质是带电的粒子流,即电子流。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在其间的高电压下加速飞向阳极,如图所示。若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为( )
A.平行于纸面向左 B.平行于纸面向上
C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里
【思考问题】 射线在磁场内偏转是受什么力?
提示:受洛伦兹力作用。
解析:由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线方向向右,说明电子的运动方向向右,相当于存在向左的电流,利用左手定则,为使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上,磁场方向应为垂直于纸面向外,故选项C正确。
答案:C探究一探究二探究三归纳总结探究阴极射线带电性质的方法
?
(1)在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质。若沿着电场线方向偏转,则粒子带正电;若逆着电场线方向偏转,则粒子带负电。
?
(2)使阴极射线垂直进入磁场,根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针的圆周运动,则粒子带正电;若做逆时针的圆周运动,则粒子带负电。探究一探究二探究三变式训练1(多选)如图所示,一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电直导线AB时,发现射线径迹向下偏转,则( )
A.导线中的电流由A流向B
B.导线中的电流由B流向A
C.若要使电子束的径迹往上偏转,可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关
解析:阴极射线是高速电子流,由左手定则判断可知,磁场垂直纸面向里,由安培定则可知,导线AB中的电流由B流向A,且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选项B、C正确。
答案:BC探究一探究二探究三带电粒子比荷的测定方法
问题导引
带电粒子的比荷有哪些测定方法?
要点提示:两种方法——电偏转、磁偏转探究一探究二探究三名师精讲
密立根油滴实验
(1)实验装置
密立根实验的装置如图所示:
?
①两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接,使上板带正电,下板带负电。油滴从喷雾器喷出后,经上面金属板中间的小孔,落到两板之间的匀强电场中。
②大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时,因摩擦而带负电,油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降。观察者可在强光照射下,借助显微镜进行观察。探究一探究二探究三(2)实验方法
①两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得,从而确定极板间的电场强度E。但是由于油滴太小,其质量很难直接测出。密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量。没加电场时,由于空气的黏性,油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落,可测得速度v1.
②再加一足够强的电场,使油滴做竖直向上的运动,在油滴以速度v2匀速运动时,油滴所受的静电力与重力、阻力平衡。根据空气阻力遵循的规律,即可求得油滴所带的电荷量。
密立根油滴实验测得带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍,从而证实了电荷是量子化的,并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。探究一探究二探究三典例剖析
【例题2】为求得电子的比荷,设计实验装置如图所示。其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。若M1、M2之间不加任何电场或磁场,可在荧光屏上P点观察到一个亮点。
?
在M1、M2两极板间加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。保持电压U不变,对M1、M2区域再加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。探究一探究二探究三(1)外加磁场方向如何?
(2)请用U、B、L等物理量表示出电子的比荷 。
【思考问题】 为什么加一合适的磁场B,能使荧光屏正中心处重现亮点?
提示:是因为电子受电场力和洛伦兹力,二力平衡。探究一探究二探究三探究一探究二探究三探究一探究二探究三变式训练2密立根油滴实验进一步证实了电子的存在,揭示了电荷的非连续性。如图所示是密立根油滴实验的原理示意图,设小油滴的质量为m,调节两极板间的电势差U,当小油滴悬浮不动时,测出两极板间的距离为d。则可求出小油滴的电荷量q= 。探究一探究二探究三α粒子散射实验和核式结构模型
问题导引
汤姆孙发现电子之后,人们立刻进行建立各种原子模型的尝试,你都知道有哪些典型的模型呢?
要点提示:汤姆孙的“枣糕模型”、卢瑟福的核式结构模型。探究一探究二探究三名师精讲
1.关于α粒子散射实验的相关问题
(1)α粒子的实质:α粒子 是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子,实质是失去两个电子的氦原子核,带有两个单位的正电荷,质量约为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍。探究一探究二探究三(2)实验装置:
?
①α粒子源:钋放在带小孔的铅盒中,放射出高能α粒子,带两个单位的正电荷,质量约为氢原子质量的4倍。
②金箔:特点是金原子的质量大,且易延展成很薄的箔。
③放大镜:能绕金箔在水平面内转动。
④荧光屏:荧光屏装在放大镜上。
⑤整个实验过程在真空中进行。金箔很薄,α粒子很容易穿过。探究一探究二探究三(3)实验过程:α粒子经过一条细通道,形成一束射线,打在很薄的金箔上,由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用,一些α粒子会改变原来的运动方向。带有放大镜的荧光屏可以沿图中虚线转动,以统计向不同方向散射的α粒子的数目。
(4)α粒子散射实验的实验现象:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90°。探究一探究二探究三2.原子核的电荷与尺度
(1)原子内的电荷关系:各种元素的原子核的电荷数与原子内含有的电子数相等,非常接近它们的原子序数。
(2)原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数就等于原子核中的质子数。
(3)原子核的大小:原子核半径R的数量级为10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m。因而原子内部十分“空旷”。
原子核半径R的数量级为10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m。原子核半径只相当于原子半径的十万分之一,如果将原子比作足球场,那么原子核仅相当于一只蚂蚁大小,可见原子内部十分“空旷”。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】 右图为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图,图中的显微镜可在圆周轨道上转动,通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法正确的是( )
A.在图中的A、B两位置分别进行观察,相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B.在图中的B位置进行观察,屏上观察不到任何闪光
C.卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似
D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹探究一探究二探究三【思考问题】 α粒子发生散射的主要原因是什么?
提示:α粒子发生散射是因为受到原子核库仑斥力的作用,距离原子核远近不同所受斥力大小也不同。
解析:α粒子散射实验现象:绝大多数α粒子沿原方向前进,少数α粒子有大角度散射。所以A处观察到的粒子数多,B处观察到的粒子数少,所以选项A、B错误。α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用,所以选项D错误,C正确。
答案:C探究一探究二探究三变式训练3在卢瑟福α粒子散射实验中,只有少数α粒子发生了大角度偏转,其原因是( )
A.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里
B.正电荷在原子内是均匀分布的
C.原子中存在着带负电的电子
D.原子的质量在原子核内是均匀分布的
解析:原子的核式结构正是建立在α粒子散射实验结果基础上的,C、D的说法没有错,但与题意不符。
答案:A123451.(对阴极射线的认识)(多选)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )
A.阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B.阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C.不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D.汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量
解析:阴极射线实质上就是高速电子流,所以在电场中偏向正极板一侧,A正确。由于电子带负电,所以其在磁场中受力情况与正电荷不同,B错误。不同材料所产生的阴极射线都是电子流,所以它们的比荷是相同的,C错误。在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量,最早测出电子电荷量的是美国物理学家密立根,D正确。
答案:AD123452.(带电粒子比荷的测定)关于密立根“油滴实验”,下列说法正确的是( )
A.密立根利用电场力和磁场力平衡的方法,测得了带电体的最小带电荷量
B.密立根利用电场力和重力平衡的方法,推测出了带电体的最小带电荷量
C.密立根利用磁偏转的知识推测出了电子的电荷量
D.密立根“油滴实验”直接验证了电子的质量不足氢离子质量的千分之一
答案:B123453.(对α粒子散射实验的理解)X表示金原子核,α粒子射向金核被散射,若它们入射时的动能相同,其偏转轨道可能是下图中的( )解析:α粒子离金核越远其所受斥力越小,轨道弯曲程度就越小,故选项D正确。
答案:D123454.(原子的核式结构模型)(多选)关于原子的核式结构模型,下列说法正确的是( )
A.原子中绝大部分是“空”的,原子核很小
B.电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C.原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D.原子核的半径的数量级是10-10 m
解析:因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而原子核又很小,所以原子内绝大部分区域是“空”的,A正确,C错误;电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力,B正确;原子核半径的数量级是10-15 m,原子半径的数量级是10-10 m,D错误。
答案:AB123455.(对核式结构模型的理解)在α粒子散射实验中,当α粒子最接近金原子核时,下列说法正确的是( )
A.动能最小
B.电势能最小
C.α粒子和金原子核组成的系统的能量最小
D.加速度最小
解析:在α粒子散射实验中,当α粒子接近金原子核时,金原子核对α粒子的作用力是斥力,对α粒子做负功,电势能增加,动能减小,当α粒子离金原子核最近时,它们之间的库仑力最大,α粒子的动能最小。由于受到的金原子核外电子的作用相对较小,与金原子核对α粒子的库仑力相比,可以忽略,因此只有库仑力做功,所以机械能和电势能整体上是守恒的,故系统的能量可以认为不变。综上所述,正确选项应为A。
答案:A课件24张PPT。3 氢原子光谱读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第54页“光谱”部分,知道光谱、线状谱以及连续谱的概念,理解每种原子都有自己的特征谱线。
1.什么是光谱?
答案:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。
2.光谱有哪些分类?
答案:有些光谱是一条条的亮线,这样的亮线叫谱线,这样的光谱叫线状谱。有的光谱看起来不是一条条分立的谱线,而是连在一起的光带,这样的光谱叫作连续谱。
3.什么是原子的特征谱线?
答案: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。不同原子的亮线位置不同,说明不同原子的发光频率是不一样的,因此这些亮线称为原子的特征谱线。读一读·思一思辨一辨·议一议4.什么是光谱分析?有何优点?
答案:(1)定义:利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法称为光谱分析。
(2)优点:灵敏度高,样本中一种元素的含量达到10-10 g时就可以被检测到。读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第55页“氢原子光谱的实验规律”部分,知道研究光谱的意义,理解巴耳末公式及其意义。
1.研究光谱有哪方面的意义?
答案:光是由原子内部电子的运动产生的,因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。
2.写出巴耳末公式并说明其意义。
答案:(1)公式: 式中R叫作里德伯常量,实验值为R=1.10×107 m-1。
(2)意义:巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值,不能取连续值。巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱,即辐射波长的分立特征。读一读·思一思辨一辨·议一议三、阅读教材第56页“经典理论的困难”部分,了解经典物理理论在解释卢瑟福的核式结构模型方面遇到的困难。
1.卢瑟福的核式结构模型的成功之处是什么?
答案:卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在;很好地解释了α粒子散射实验。
2.说出经典理论存在的困难。
答案:经典物理学既无法解释原子的稳定性,又无法解释原子光谱的分立特征。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)火焰上燃烧的钠盐汽化后的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是吸收光谱。 ( )
解析:钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱。
答案:×
(2)氢原子光谱跟氧原子光谱是不同的。 ( )
解析:不同的原子发出的谱线不同,每一种原子都有自己的特征谱线。
答案:√
(3)帕邢系谱线对应的光波在真空中的波速小于光速。( )
解析:帕邢系形成的谱线在红外区域,而红外线属于电磁波,在真空中以光速传播。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
根据经典的电磁理论,原子的光谱是怎样的?而实际看到的原子的光谱是怎样的?
答案:根据经典电磁理论,原子可以辐射各种频率的光,即原子光谱应该是连续的,而实际上看到的原子的光谱总是分立的线状谱。探究一探究二光谱分类和光谱分析
问题导引
能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分?
要点提示:不能。月球不能发光,它只能反射太阳光,故其光谱是太阳的光谱,对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。探究一探究二名师精讲
1.光谱的分类和比较探究一探究二2.太阳光谱
(1)太阳光谱的特点:在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线,是一种吸收光谱。
(2)产生原因:当阳光透过太阳的高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,这就形成了连续谱背景下的暗线。探究一探究二3.光谱分析
由于每种原子都有自己的特征谱线,可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法称为光谱分析。
(1)优点:灵敏度高,样本中一种元素的含量达到10-10 g时就可以被检测到。
(2)应用:a.发现新元素;b.鉴别物体的物质成分。
(3)用于光谱分析的光谱:线状谱和吸收光谱。
连续谱不能用于光谱分析,光谱分析只能用特征谱线来分析。探究一探究二典例剖析
【例题1】 (多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是( )
A.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C.进行光谱分析时,可以用线状谱,不能用连续光谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
【思考问题】 光谱分析用的是什么谱线?
提示:是线状谱或吸收光谱这一类的特征谱线。探究一探究二解析:太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱,正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致,白炽灯发出的是连续谱,选项A错误;月球本身不会发光,靠反射太阳光才能使我们看到它,所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分,选项D错误;光谱分析只能是线状谱和吸收光谱,连续谱是不能用来进行光谱分析的,所以选项C正确;煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱,选项B正确。
答案:BC
特别提醒某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的,两者均可用作光谱分析。探究一探究二变式训练1(多选)关于太阳光谱,下列说法正确的是( )
A.太阳光谱是吸收光谱
B.太阳光谱中的暗线,是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的
C.根据太阳光谱中的暗线,可以分析太阳的物质组成
D.根据太阳光谱中的暗线,可以分析地球大气层中含有哪些元素
解析:太阳是一个高温物体,它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时,会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收,从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱,所以分析太阳光谱可知太阳大气层的物质组成。
答案:AB探究一探究二氢原子光谱的规律和应用
问题导引
氢原子是自然界中最简单的原子,对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息,对于研究更复杂的原子的结构有指导意义。从氢气放电管可以获得氢原子光谱,如图所示,氢原子的光谱为线状谱。
?
试分析氢原子光谱的分布特点。
要点提示:在氢原子光谱图中的可见光区内,由右向左,相邻谱线间的距离越来越小,表现出明显的规律性。探究一探究二探究一探究二典例剖析
【例题2】 (多选)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式 ,对此,下列说法正确的是( )
A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式
B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性
C.巴耳末依据氢原子光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性,其波长的分立值并不是人为规定的
【思考问题】 巴耳末公式是怎样总结出来的?
提示:巴耳末公式是利用在可见光区的14条谱线总结出的氢原子谱线规律。探究一探究二解析:巴耳末公式是根据氢原子光谱总结出来的。氢原子光谱的不连续性反映了氢原子发光的分立性,即辐射波长的分立特征,选项C、D正确。
答案:CD探究一探究二变式训练2氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( )12341.(光谱和光谱分析)对原子光谱,下列说法正确的是( )
A.原子光谱是连续的
B.由于原子都是由原子核和电子组成的,所以各种原子的原子光谱是相同的
C.各种原子的原子结构不同,但各种原子的原子光谱可能是相同的
D.分析物质发光的光谱,可以鉴别物质中含哪些元素
解析:原子光谱为线状谱,A错误;各种原子都有自己的特征谱线,故B、C均错误;据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成,D正确。
答案:D12342.(光谱和光谱分析)利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分,关于光谱分析,下列说法中正确的是( )
A.利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分
B.利用物质的线状谱就可以鉴别其组成成分
C.高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D.我们观察月亮射来的光的光谱,可以确定月亮的化学组成
解析:由于高温物体的光谱包括了各种频率的光,与其组成成分无关,故A错误;某种物质发光的线状谱中的明线与某种原子发出的某频率的光有关,通过这些亮线与原子的特征谱线对照,即可确定物质的组成成分,B正确;高温物体发出的光通过其它物质后某些频率的光被吸收而形成暗线,这些暗线与所经物质有关,与高温物体无关,C错误;月亮反射到地面的光是太阳光,D错误。
答案:B12343.(氢原子光谱的实验规律)下列说法正确的是( )
A.所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出
B.巴耳末公式中的n可以连续取值
C.巴耳末系是氢原子光谱中的不可见光部分
D.氢原子光谱是线状谱的一个例证
答案:D1234课件28张PPT。4 玻尔的原子模型读一读·思一思辨一辨·议一议一、阅读教材第57页“玻尔原子理论的基本假设”部分,知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容,了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。
1.如何描述玻尔原子模型?
答案:(1)原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动。
(2)电子绕核运动的轨道是量子化的。
(3)电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的,不产生电磁辐射。
2.什么是能级?如何理解定态、基态、激发态?
答案:(1)当电子在不同轨道上运动时,原子处于不同的状态中,具有不同的能量,即原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值叫作能级。
(2)原子中这些具有确定能量的稳定状态,称为定态。能量最低的状态叫基态,其他的能量状态叫激发态。读一读·思一思辨一辨·议一议3.什么是频率条件?
答案:当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En,m>n)时,会放出能量为hν的光子,该光子的能量hν=Em-En,该式被称为频率条件,又称辐射条件。反之会吸收光子。读一读·思一思辨一辨·议一议二、阅读教材第58页“玻尔理论对氢光谱的解释”部分,会画氢原子能级图,能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱。
1.如何理解巴耳末公式?
答案:(1)按照玻尔理论,原子从高能级(如从E3)跃迁到低能级(如到E2)时辐射的光子的能量为hν=E3-E2。
(2)巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所处的定态轨道的量子数n和2,并且理论上的计算和实验测量的里德伯常量符合得很好。
2.描述气体是如何导电发光的?
答案:通常情况下,原子处于基态,基态是最稳定的,气体原子受到高速运动的电子的撞击,有可能跃迁到激发态,处于激发态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子,最终回到基态。读一读·思一思辨一辨·议一议3.如何解释氢原子光谱的不连续性?
答案:原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两能级差,由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的,因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
4.说明不同原子具有不同的特征谱线的原因。
答案:不同的原子具有不同的结构,能级各不相同,因此辐射(或吸收)的光子频率也不相同。读一读·思一思辨一辨·议一议三、阅读教材第59页“玻尔模型的局限性”部分,知道玻尔模型存在什么局限性,了解电子云的概念。
1.玻尔理论有什么成功之处?
答案:玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
2.玻尔理论存在什么局限性?
答案:对更复杂的原子发光,玻尔理论却无法解释,它的不足之处在于过多地保留了经典理论。把电子运动看成是经典力学描述下的轨道运动。
3.什么是电子云?
答案:根据量子观念,核外电子的运动服从统计规律,而没有固定的轨道,我们只能知道它们在核外某处出现的概率大小,画出来的图像就像云雾一样,稠密的地方就是电子出现概率大的地方,把它形象地称作电子云。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)氢原子吸收光子后,一定会从高能级向低能级跃迁。 ( )
解析:原子吸收光子后能量增加,能级升高。
答案:×
(2)我们在观察氢原子的光谱时,发现它只有几条分离的不连续的亮线。 ( )
解析:氢原子辐射的光子的能量是不连续的,所以对应的光的频率也是不连续的,体现在光谱上是一些不连续的亮线。
答案:√
(3)玻尔的原子模型完全脱离了经典电磁理论的桎梏,是一种全新的理论。 ( )
解析:玻尔的原子模型提出了轨道量子化、能量量子化及能级跃迁的概念,它的成功在于引入了量子化理论,缺点是过多地引入经典力学,并没有完全脱离经典电磁理论。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
按照经典理论,核外电子在库仑引力作用下绕原子核做圆周运动。我们知道,库仑引力和万有引力形式上有相似之处,电子绕原子核的运动与卫星绕地球的运动也一定有某些相似之处,那么若将卫星—地球模型缩小是否就可以变为电子—原子核模型呢?
答案:不是。在玻尔理论中,电子的轨道半径只可能是某些分立的值,而卫星的轨道半径可按需要任意取值。探究一探究二阴极射线 电子的发现
问题导引
右图为分立轨道示意图。
?
分立轨道示意图
(1)电子的轨道有什么特点?
(2)氢原子只有一个电子,电子在这些轨道间跃迁时会伴随什么现象发生?
要点提示:(1)电子的轨道是不连续的,是量子化的。
(2)电子在轨道间跃迁时会吸收光子或放出光子。探究一探究二名师精讲
玻尔原子模型的三条假设
1.轨道量子化
(1)轨道半径只能够是某些分立的数值。
(2)氢原子的电子最小轨道半径r1=0.053 nm,其余轨道半径满足rn=n2r1,n为量子数,n=1,2,3,…。探究一探究二2.能量量子化
(1)不同轨道对应不同的状态,在这些状态中,尽管电子做变速运动,却不辐射能量,因此这些状态是稳定的,原子在不同状态有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。
(2)基态
原子最低的能量状态称为基态,对应的电子在离核最近的轨道上运动,氢原子基态能量E1=-13.6 eV。
(3)激发态
较高的能量状态称为激发态,对应的电子在离核较远的轨道上运动。
氢原子各能级的关系为:探究一探究二探究一探究二典例剖析
【例题1】 (多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有( )
A.原子处在具有一定能量的定态中,虽然电子做加速运动,但不向外辐射能量
B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的
C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子
D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率探究一探究二解析:A、B、C三项都是玻尔提出来的假设,其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出,也就是“量子化”的概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应,是经典理论与量子化概念的结合。原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核的运动无关。
答案:ABC
归纳总结正确理解玻尔原子模型
(1)电子在可能轨道上绕核做圆周运动时,不向外辐射能量。
(2)原子辐射的能量与电子绕核运动无关,只由跃迁前后的两个能级的能量差决定。探究一探究二变式训练1根据玻尔理论,下列关于氢原子的论述正确的是( )
A.若氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子要辐射的光子能量为hν=En
B.电子沿某一轨道绕核运动,若圆周运动的频率为ν,则其发光的频率也是ν
C.一个氢原子中的电子从一个半径为Ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为Rb的轨道,已知Ra>Rb,则此过程原子要辐射某一频率的光子
D.氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁探究一探究二解析:原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,辐射的光子能量等于能级差,与En不同,故A错误;电子沿某一轨道绕核运动,处于某一定态,不向外辐射光子,故B错误;电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道,能级降低,因而要辐射某一频率的光子,故C正确;原子吸收光子后能量增加,能级升高,故D错误。
答案:C探究一探究二氢原子的能级结构和跃迁问题的理解
问题导引
下图是氢原子能级图(1)当氢原子处于基态时,氢原子的能量是多少?
(2)如果氢原子吸收的能量大于13.6 eV,会出现什么现象?
要点提示:(1)-13.6 eV。
(2)核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子。探究一探究二名师精讲
1.对能级图的理解
(1)能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量。
(2)作能级图时,能级横线间的距离和相应的能级差相对应,能级差越大,间隔越宽,所以量子数越大,能级越密,竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小,n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。
2.能级跃迁
处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为 。探究一探究二3.光子的发射
原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,发射光子的频率由下式决定。
hν=Em-En(Em、En是始末两个能级且m>n)
能级差越大,放出光子的频率就越高。
4.使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发,其光子的能量必须等于两能级的能量差,否则不被吸收,不存在激发到n能级时能量有余,而激发到n+1时能量不足,则可激发到n能级的问题。
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如,自由电子)的能量而被激发,由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E=En-Ek),就可使原子发生能级跃迁。
处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。探究一探究二典例剖析
【例题2】氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中( )
A.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,原子的能量增大
B.原子要放出光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原子的能量也减小
C.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能减小,原子的能量增大
D.原子要吸收光子,电子的动能减小,原子的电势能增大,原子的能量增大
【思考问题】 核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道时吸收能量还是放出能量?
提示:吸收能量,向高能级跃迁。探究一探究二解析:由库仑力提供向心力,即 ,由此可知电子离核越远,r越大,则电子的动能越小,故A、C错误;因r增大过程中库仑力做负功,故电势能增大,B错误;结合玻尔理论和原子的能级公式可知,D正确。
答案:D
归纳总结分析原子跃迁时需注意的几个问题
(1)注意一群原子和一个原子:氢原子核外只有一个电子,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,只能出现所有可能情况中的一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。
(2)注意直接跃迁与间接跃迁:原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时,有时可能是直接跃迁,有时可能是间接跃迁。两种情况辐射或吸收光子的频率不同。探究一探究二变式训练2如图所示,1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级。处在n=4能级的一群氢原子向低能级跃迁时,能发出若干种频率不同的光子,在这些光子中,波长最长的是( )
A.n=4跃迁到n=1时辐射的光子
B.n=4跃迁到n=3时辐射的光子
C.n=2跃迁到n=1时辐射的光子
D.n=3跃迁到n=2时辐射的光子
答案:B12341.(对玻尔理论的理解)(多选)根据玻尔理论,以下说法正确的是( )
A.电子绕核运动有加速度,就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子,其电子做变速运动,但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是不连续的
D.原子能级跃迁时,辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差
解析:根据玻尔理论,电子绕核运动有加速度,但并不向外辐射能量,也不会向外辐射电磁波,故选项A错误,B正确。玻尔理论中的假设轨道,就是电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的、不连续的,选项C正确。原子在发生能级跃迁时,要放出或吸收一定频率的光子,光子的能量取决于两个轨道的能量差,故选项D正确。
答案:BCD12342.(氢原子的跃迁规律分析)下图为氢原子的四个能级,其中E1为基态,若氢原子A处于激发态E2,氢原子B处于激发态E3,则下列说法正确的是( )
A.原子A可能辐射出3种频率的光子
B.原子B可能辐射出3种频率的光子
C.原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4
D.原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4
解析:原子A处于激发态E2,它只能辐射出1种频率的光子;原子B处于激发态E3,它可能由E3到E2,由E2到E1,或由E3到E1,辐射出3种频率的光子;原子由低能级跃迁到高能级时,只能吸收具有能级差的能量的光子,由以上分析可知,只有B项正确。
答案:B12343.(对氢原子能级跃迁的理解)如图所示是玻尔理论中氢原子的能级图,现让一束单色光照射一群处于基态的氢原子,受激发的氢原子能自发地辐射出三种不同频率的光,则照射氢原子的单色光的光子能量为 ( )
A.13.6 eV B.12.09 eV
C.10.2 eV D.3.4 eV
解析:受激发的氢原子能自发地辐射出三种不同频率的光,说明激发的氢原子处于第3能级,则照射氢原子的单色光的光子能量为E=E3-E1=12.09 eV,故B正确。
答案:B12344.(氢原子跃迁中的能量问题)氦原子被电离出一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。
?
已知基态的氦离子能量为E1=-54.4 eV,氦离子能级的示意图如图所示,用一群处于第4能级的氦离子发出的光照射处于基态的氢气。
(1)氦离子发出的光子中,有几种能使氢原子发生光电效应?
(2)发生光电效应时,光电子的最大初动能是多少?1234解析:(1)一群氦离子跃迁时,一共发出 种光子
由频率条件hν=Em-En知6种光子的能量分别是
由n=4到n=3 hν1=E4-E3=2.6 eV
由n=4到n=2 hν2=E4-E2=10.2 eV
由n=4到n=1 hν3=E4-E1=51.0 eV
由n=3到n=2 hν4=E3-E2=7.6 eV
由n=3到n=1 hν5=E3-E1=48.4 eV
由n=2到n=1 hν6=E2-E1=40.8 eV
由发生光电效应的条件知,hν3、hν5、hν6三种光子可使处于基态的氢原子发生光电效应。
(2)由光电效应方程Ek=hν-W0知,能量为51.0 eV的光子使氢原子逸出的光电子初动能最大,将W0=13.6 eV代入Ek=hν-W0,得Ek=37.4 eV。
答案:(1)3种 (2)37.4 eV课件26张PPT。1 原子核的组成读一读·思一思辨一辨·议一议一、天然放射现象
阅读教材第65页第一至第四自然段,了解天然放射现象。
1.1896年,法国物理学家贝可勒尔发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
2.什么是天然放射现象?
答案: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,放射性元素自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.元素天然放射现象的规律是什么?
答案:原子序数等于或大于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。读一读·思一思辨一辨·议一议二、射线到底是什么
阅读教材第65、66页“射线到底是什么”部分,掌握三种射线的不同特征。
1.三种射线的本质是什么?
答案:(1)α射线:α射线是高速α粒子流,实际就是氦原子核,电荷数是2,质量数是4。
(2)β射线:β射线是高速电子流。
(3)γ射线:γ射线是能量很高的电磁波。
2.三种射线的特点是什么?
答案:(1)α射线:α粒子容易使空气电离,但穿透本领很弱。
(2)β射线:β粒子穿透能力较强,但电离作用较弱。
(3)γ射线:γ粒子电离作用很弱,但穿透能力很强。读一读·思一思辨一辨·议一议?读一读·思一思辨一辨·议一议3.什么是核子数、电荷数、质量数?
答案:(1)核子数:质子和中子质量差别非常微小,二者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫核子数。
(2)电荷数(Z):原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数。
(3)质量数(A):原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)贝可勒尔发现了两种放射性更强的新元素,命名为钋(Po)和镭(Ra)。 ( )
解析:玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素,命名为钋(Po)和镭(Ra)。
答案:×
(2)α射线是高速电子流,穿透力很强,有很强的电离作用。 ( )
解析:α射线是高速α粒子流,实际就是氦原子核,电荷数是2,质量数是4。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议(3)1919年,居里夫妇用镭放射出的α粒子轰击氮原子核,通过实验测定,发现了质子。 ( )
解析:1919年,卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核,从氮核中打出了一种新的粒子,测定了它的电荷量和质量,确定它是氢原子核,叫作质子。
答案:×
(4)原子核的质量等于核内质子的质量,中子的质量几乎为零,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数。( )
解析:原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
对于天然放射现象的研究有何划时代的意义?
答案:放射性元素能自发地发出射线,不论它是以单质的形式存在,还是以某种化合物的形式存在,放射性都不受影响。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。探究一探究二天然放射现象的意义和三种射线的研究
问题导引
1896年法国科学家贝可勒尔发现了放射性元素自发地发出射线的现象,即天然放射现象。那么哪些元素能够放出射线呢?放射性物质发出的射线有哪些种类?
要点提示: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。放射性物质发出的射线有三种:α射线、β射线、γ射线。探究一探究二名师精讲
1.研究放射性的意义
关于原子核内部的信息,最早来自于天然放射现象。天然放射性元素能自发地发出射线,不论它是以单质的形式存在,还是以某种化合物的形式存在,放射性都不受影响。也就是说,放射性与元素存在的物理化学状态无关,放射性仅与原子核有关。因此原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。经过努力,人类终于揭开了原子核内部的秘密。
2.三种射线
在射线经过的空间施加磁场,射线分成三束,其中两束在磁场中向不同的方向偏转,说明这两束是带电粒子流,另一束在磁场中不偏转,说明这一束不带电,这三束射线分别叫作α射线、β射线、γ射线。探究一探究二3.三种射线的性质、特征比较 探究一探究二特别提醒射线跟原子核外电子的关系:一种元素的放射性,与单质还是化合物无关,这就说明射线跟原子核外电子无关。
放射性与元素存在的物理化学状态无关,放射性仅与原子核有关。探究一探究二典例剖析
【例题1】 (多选)图中P为放在匀强电场中的天然放射源,其发射的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是 ( )
A.a为α射线、b为β射线 B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为α射线 D.b为α射线、c为γ射线
【思考问题】 射线带电吗?如果带电,如何判断其电性?
提示:让射线穿过电场,研究其偏转现象,从而判断其电性。
解析:由题图可知电场线方向向右,α射线带正电,所受电场力方向与电场线方向一致,故α射线向右偏转,即c为α射线。β射线带负电,所受电场力方向与电场线方向相反,故β射线向左偏转,即a为β射线。γ射线不带电,不发生偏转,即b为γ射线。故选项B、C正确。
答案:BC探究一探究二变式训练1如图所示,X为未知的放射源,L为薄铝片,若在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小,在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,则X可能是( )
A.α和β的混合放射源 B.纯α放射源
C.α和γ的混合放射源 D.纯γ放射源
解析:由三种射线的本质和性质可以判断:在放射源和计数器之间加上铝片后,计数器的计数率大幅度减小,说明射线中有穿透力很弱的粒子,即α粒子;在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,说明穿过铝片的粒子中无带电粒子,故只有γ射线。因此放射源可能是α和γ的混合放射源。
答案:C探究一探究二原子核的组成
问题导引
(1)人们用α粒子轰击多种原子核,都打出了质子,说明了什么问题?
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数,说明了什么问题?
要点提示:(1)说明质子是原子核的组成部分。
(2)说明原子核内除质子外,还有其他粒子存在。探究一探究二名师精讲
1.原子核的组成
原子核是由质子、中子构成的,质子带正电,中子不带电。不同的原子核内质子和中子的个数不一定相同。
2.原子核的数量关系
基本关系:电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=核外电子数。
质量数(A)=核子数=质子数+中子数。探究一探究二3.对核子数、电荷数、质量数的理解
(1)核子数:质子和中子质量差别非常微小,二者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫核子数。
(2)电荷数(Z):原子核所带的电荷量等于质子电荷量的整数倍,通常用这个数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数。
(3)质量数(A):原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和,而质子与中子质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数。探究一探究二4.同位素
原子核内的质子数决定了核外电子的数目,进而也决定了元素的化学性质,同种元素的质子数相同,核外电子数也相同,所以有相同的化学性质,但它们的中子数可以不同,所以它们的物理性质不同。把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。
同位素的化学性质相同而物理性质不同。探究一探究二典例剖析
【例题2】已知镭的原子序数是88,原子核的质量数是226。试问:
(1)镭核中有几个质子?几个中子?
(2)镭核所带电荷量是多少?
(3)若镭原子呈现中性,它核外有几个电子?【思考问题】 原子序数与什么有关?原子核的质量数是如何计算的?
提示:因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的,原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。探究一探究二解析:因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的,原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。由此可得:
(1)镭核中的质子数等于其原子序数,故质子数为88,中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差,即N=A-Z=226-88=138。
(2)镭核所带电荷量
Q=Ze=88×1.6×10-19 C≈1.41×10-17 C。
(3)镭原子呈中性,则核外电子数等于质子数,故核外电子数为88。答案:(1)88 138 (2)1.41×10-17 C (3)88 (4)113∶114探究一探究二归纳总结原子核的“数”与“量”的辨析技巧
(1)核电荷数与原子核的电荷量是不同的,组成原子核的质子的电荷量都是相同的,所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍,我们把核内的质子数叫核电荷数,而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。
(2)原子核的质量数与质量是不同的,也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数,原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。探究一探究二变式训练2(多选)氢有三种同位素,分别是氕、氘、氚,则( )
A.它们的质子数相等
B.它们的核外电子数相等
C.它们的核子数相等
D.它们的中子数相等
解析:氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3,因为是同位素,质子数和核外电子数相同,都为1,中子数等于核子数减去质子数,故中子数各不相同,选项A、B正确。
答案:AB1231.(对射线的理解)(多选)天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示,由此可推知( )
A.②来自于原子核外的电子
B.①的电离作用最强,穿透能力最弱
C.②的电离作用较强,穿透能力较强
D.③的电离作用最弱,属于原子核内释放的光子1232.(天然放射现象)人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从( )
A.发现电子开始的
B.发现质子开始的
C.进行α粒子散射实验开始的
D.发现天然放射现象开始的
解析:自从贝可勒尔发现天然放射现象,科学家对放射性元素及射线的组成、产生的原因等进行了大量研究,逐步认识到原子核的复杂结构,故D正确,A、B、C错误。
答案:D1233.(原子核的组成)以下说法正确的是 ( ) 解析:钍核的质量数为234,质子数为90,所以A错;铍核的质量数为9,中子数为5,所以B错;同位素是指质子数相同而中子数不同,即质量数不同,C错,D对。
答案:D课件25张PPT。2 放射性元素的衰变读一读·思一思辨一辨·议一议一、原子核的衰变
阅读教材第70、71页“原子核的衰变”,理解衰变类型及其规律。
1.衰变的定义是什么?
答案:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的过程。
2.衰变有几种类型?写出其衰变规律。3.γ射线是如何产生的?
答案:γ射线是在α或β衰变过程中伴随而生的,且γ粒子是不带电的粒子,因此γ射线并不影响原子核的电荷数,故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。读一读·思一思辨一辨·议一议二、半衰期
阅读教材第71、72页“半衰期”部分,理解半衰期的概念。
1.半衰期的定义是什么?
答案:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。
2.半衰期有什么特点?
答案:(1)不同的放射性元素,半衰期不同,甚至差别非常大。
(2)放射性元素衰变的快慢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没有关系。
3.写出半衰期公式读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)由原子核发生β衰变时放出的β粒子是电子,可知原子核内一定存在着电子。 ( )
解析:原子核内并不含电子,但在一定条件下,一个中子可以转化成一个质子和一个电子,β粒子(电子)是由原子核内的中子转化而来。
答案:×
(2)γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生。 ( )
解析:γ射线是原子核衰变过程中,产生的新核具有过多的能量,这些能量以γ光子的形式释放出来。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议(3)对于不同的放射性元素,尽管其半衰期不同,但对于同一种元素的每一个原子来说其半衰期是固定的,非常
稳定。( )
解析:半衰期是一个统计概念,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定其何时发生衰变,半衰期只适用于大量的原子核。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)元素的半衰期有哪些方面的应用?
答案:利用半衰期非常稳定这一特点,可以通过测量其衰变程度来推断时间。
(2)如何确定元素的衰变次数?探究一探究二对原子核衰变的正确理解
问题导引
下图为α衰变、β衰变示意图。
?
(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数如何变化?为什么?
(2)当发生β衰变时,新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少?新核在元素周期表中的位置怎样变化?探究一探究二要点提示:(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数和中子数各减少2个。因为α粒子是原子核内2个质子和2个中子结合在一起发射出来的。
(2)当原子核发生β衰变时,新核的核电荷数相对于原来增加了1个。新核在元素周期表中的位置向后移动了1个位次。探究一探究二名师精讲
1.衰变规律
原子核衰变时,电荷数和质量数都守恒。
2.衰变方程探究一探究二(3)γ辐射:
①α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁,放出γ光子。
②γ射线是伴随着α射线和β射线产生的,γ辐射并不能独立发生,所以,只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生。
③γ粒子不是带电粒子,因此γ射线并不影响原子核的核电荷数,故γ射线不会改变元素在周期表中的位置。
特别提醒(1)衰变方程的书写:衰变方程用“→”表示,而不用“=”表示。
(2)衰变方程表示的变化:衰变方程表示的是原子核的变化,而不是原子的变化。
(3)衰变过程遵循动量守恒和能量守恒。
原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。探究一探究二【思考问题】 原子核衰变时遵循什么规律?
提示:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。探究一探究二探究一探究二归纳总结衰变次数的判断方法
(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2。
(3)每发生一次β衰变中子数减少1,质子数增加1。探究一探究二变式训练1原子序数大于83的所有元素,都能自发地放出射线,这些射线共有三种:α射线、β射线和γ射线。下列说法正确的是( )
A.原子核每放出一个α粒子,原子序数减少4
B.原子核每放出一个α粒子,原子序数增加4
C.原子核每放出一个β粒子,原子序数减少1
D.原子核每放出一个β粒子,原子序数增加1
解析:发生一次α衰变,核电荷数减少2,质量数减少4,原子序数减少2;发生一次β衰变,核电荷数增加1,原子序数增加1。
答案:D探究一探究二对半衰期的理解及有关计算
问题导引
右图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。
纵坐标表示的是任意时刻氡的质量m与t=0时的质量m0的比值。
(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量变为原来的多少倍?
(2)从图中可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少?探究一探究二探究一探究二名师精讲
1.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。不同的放射性元素,半衰期不同。
2.注意以下两点:
(1)对于同一种元素,其半衰期是一定的,无论是加温、加压,或是处于单质、化合物状态均不影响元素的半衰期,但不同元素的半衰期不同,有的差别很大。
(2)半衰期是一种统计规律。对于大量的原子核发生衰变才具有实际意义,而对于少量的原子核发生衰变,该统计规律不再适用。
3.半衰期公式探究一探究二放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的。探究一探究二探究一探究二解析:元素半衰期的长短由原子核自身因素决定,与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关,C、D错;即使元素氡的含量足够高,经过漫长的地质年代,地壳中也几乎没有氡了,一定是来自于其他放射性元素的衰变,故A对,B错。
答案:A
归纳总结分析有关放射性元素的衰变数量和时间问题时,正确理解半衰期的概念,灵活运用有关公式进行分析和计算是解决问题的关键。探究一探究二1231.(对衰变的理解)关于天然放射现象,下列说法正确的是 ( )
A.α射线是由氦原子核衰变产生
B.β射线是由原子核外电子电离产生
C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D.通过化学反应不能改变物质的放射性
解析:α射线是原子核衰变中放出的由氦核组成的粒子流,选项A错误;β射线是原子核衰变中核内放出的高速电子流,它是由核内一个中子转化成一个质子时放出的,选项B错误;γ射线是原子核衰变过程中,产生的新核具有过多的能量,这些能量以γ光子的形式释放出来,选项C错误;化学反应只是原子间核外电子的转移,不改变原子核的结构,所以不能改变物质的放射性,选项D正确。
答案:D123123课件38张PPT。3 探测射线的方法 4 放射性的应用与防护读一读·思一思辨一辨·议一议一、探测射线的方法
阅读教材第73~75页,了解几种常在学校中用到的或在科学研究中用到的探测方法。
1.说出几种探测射线的方法。
答案:(1)组成射线的粒子会使气体或液体电离,以这些离子为核心,过饱和的蒸气会产生雾滴,过热液体会产生气泡。
(2)射线能使照相乳胶感光。
(3)射线能使荧光物质产生荧光。
2.威耳逊云室的原理是什么?还有哪些探测射线的仪器?
答案:(1)粒子在云室内的气体中飞过,使沿途的气体分子电离,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴,于是显示出射线的径迹。
(2)气泡室、盖革—米勒计数器(又称G-M计数器)。读一读·思一思辨一辨·议一议二、核反应
阅读教材第76页“核反应”部分,掌握核反应的实质。
1.什么是核反应?其实质是什么?
答案:定义:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。
实质:以基本粒子(α粒子、质子、中子等)为“炮弹”去轰击原子核(靶核X),从而促使原子核发生变化,生成了新原子核(Y),并放出某一粒子。读一读·思一思辨一辨·议一议2.原子核人工转变有哪三大发现?
答案:(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程:读一读·思一思辨一辨·议一议三、放射性同位素
阅读教材第76~78页,了解有哪些人工放射性同位素,以及其应用与防护。
1.放射性同位素可分为几类?
答案:(1)天然放射性同位素;(2)人工放射性同位素。
2.说说人工放射性同位素有什么优势?
答案:(1)种类多。天然放射性同位素不过40多种,而人工放射性同位素已达1 000多种。
(2)放射强度容易控制。
(3)可制成各种所需的形状。
(4)半衰期短,废料易处理。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)威耳逊云室内充满过饱和蒸气,射线经过时可显示出射线运动的径迹,其中径迹粗而短的是α射线。 ( )
解析:云室内充满过饱和蒸气,射线经过时把气体电离,过饱和蒸气以离子为核心凝结成雾滴,雾滴沿射线的路线排列,显示出射线的径迹;由于α粒子的电离本领大,贯穿本领小,所以α射线在云室中的径迹粗而短。
答案:√
(2)威耳逊云室中显示粒子径迹原因是电离,所以无法由径迹判断射线所带电荷的正负。 ( )
解析:如果把云室放在磁场中,由射线径迹的弯曲方向便可以判断射线所带电荷的正负。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议解析:应该是查德威克发现中子。
答案:×
(4)人工转变核反应与衰变在产生机制上是相同的。 ( )
解析:原子核的人工转变,是一种核反应,是其他粒子与原子核相碰撞的结果,需要一定的装置和条件才能发生,而衰变是原子核的自发变化,它不受物理、化学条件的影响。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)威耳逊云室中粒子的径迹有何不同特征?
答案:α粒子的径迹直而清晰;高速β粒子的径迹又细又直,低速β粒子径迹又短又粗而且是弯曲的;γ粒子的电离本领很小,一般看不到它的径迹。
(2)试分析盖革—米勒计数器(又称G-M计数器)工作原理是什么?它有何优缺点?
答案:当某种射线粒子进入管内时,它使管内的气体电离,产生的电子在电场中加速。电子跟管中的气体分子碰撞时,又使气体分子电离,产生电子……这样,一个粒子进入管中可以产生大量电子,这些电子到达阳极,正离子到达阴极,在电路中就产生一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来。
a.优点:G-M计数器非常灵敏,使用方便。
b.缺点:只能用来计数,不能区分射线的种类。读一读·思一思辨一辨·议一议(3)举例说明放射性同位素在生产生活中有哪些应用?
答案:①在工业上可以用γ射线来探测工件内部裂痕,称为γ探伤。也可以用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,从而培育出优良品种。
②农业上利用 作为示踪原子来研究农作物对磷肥的吸收情况。探究一探究二探究三探测射线的方法和仪器
问题导引
?
右图为α粒子和β粒子在威尔逊云室中的径迹示意图。
(1)如何根据径迹的情况,分析判断粒子的性质?
(2)如何判断粒子所带电荷的正负?
要点提示:(1)α粒子质量比较大,在气体中飞行时不易改变方向,轨迹为直线;β粒子质量小,跟气体碰撞易改变方向,故轨迹常常弯曲。
(2)根据轨迹的弯曲方向来判断带电的性质。探究一探究二探究三名师精讲
1.方法
探测射线的方法主要是利用放射线粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知放射线的存在,这些现象主要是:(1)使气体电离,这些离子可使饱和蒸气产生云雾或使过热液体产生气泡;(2)使照相底片感光;(3)使荧光物质产生荧光。
2.仪器
(1)威耳逊云室
构造:主要部分是一个塑料或玻璃制成的容器,它的下部是一个可以上下移动的活塞,上盖是透明的,可以通过它来观察和拍摄粒子的运动径迹,云室里面有干净的空气。探究一探究二探究三(2)气泡室
气泡室的原理同云室的原理类似,所不同的是气泡室里装的是液体,如液态氢。控制气泡室内液体的温度和压强,使温度略低于液体的沸点。当气泡室内压强突然降低时,液体的沸点变低,因此液体过热,粒子通过液体时在它的周围就有气泡形成,从而显示粒子径迹。
(3)盖革—米勒计数器
构造:主要部分是盖革—米勒计数管,里面是一个接在电源负极的导电圆筒,筒的中间有一条接正极的金属丝。管中装有低压的惰性气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气。
放射线中的粒子会使气体或液体电离,以这些离子为核心,过饱和的蒸气会产生雾滴,过热液体会产生气泡。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】(多选)关于威耳逊云室探测射线,下列说法正确的是( )
A.威耳逊云室内充满过饱和蒸气,射线经过时可显示出射线运动的径迹
B.威耳逊云室中径迹直而粗的是α射线
C.威耳逊云室中径迹细而弯曲的是γ射线
D.威耳逊云室中显示粒子径迹的原因是电离,所以无法由径迹判断射线所带电荷的正负
【思考问题】 威耳逊云室的原理是什么?
提示:粒子在云室内的气体中飞过,使沿途的气体分子电离,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴,于是显示出射线的径迹。探究一探究二探究三解析:云室内充满过饱和蒸汽,射线经过时把气体电离,过饱和蒸汽以离子为核心凝结成雾滴,雾滴沿射线的路径排列,显示出射线的径迹,故A正确;由于α粒子质量大、电离本领大、贯穿本领小,故α粒子在云室中的径迹直而粗,即B正确;γ射线的电离本领很弱,所以在云室中一般看不到它的径迹,细而弯曲的是β射线,所以C错误;把云室放到磁场中,由射线径迹的弯曲方向就可以判断射线所带电荷的正负,故D错误。
答案:AB
归纳总结探测射线的方法
三种射线肉眼都看不见,探测射线的方法都是利用它们和其他物质发生作用时产生的现象,来显示射线的存在。探究一探究二探究三变式训练1(多选)关于射线的探测,下列说法正确的是( )
A.气泡室探测射线的原理与云室探测射线的原理类似
B.由气泡室内射线径迹可以分析粒子的带电情况、动量、能量等
C.盖革—米勒计数器探测射线的原理中也利用射线的电离本领
D.盖革—米勒计数器不仅能计数,还能用来分析射线的性质
解析:气泡室探测射线的原理与云室的类似,不同的是气泡室中是在射线经过时产生气泡来显示射线径迹的,故A选项正确;由气泡室内径迹中气泡的多少及径迹在磁场中的弯曲方向等,可分析射线的带电情况、动量、能量等,故B选项正确;盖革—米勒计数器利用射线电离作用,产生电脉冲进而计数,故C选项正确;由于对于不同射线产生的脉冲现象相同,因此计数器只能用来计数,不能区分射线的种类,所以D选项错误。
答案:ABC探究一探究二探究三原子核的人工转变及核反应方程
问题导引
生产和生活中所用的射线为什么都是人造放射性同位素?
要点提示::这是因为人造放射性同位素的放射强度容易控制,放射源形状可随意制作,更重要的是其半衰期比天然放射性物质短得多,放射性核废料容易处理。探究一探究二探究三名师精讲
1.原子核的人工转变
(1)条件:用α粒子、质子、中子,甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。
(2)实质:用粒子轰击原子核并不是粒子与原子核碰撞,将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使原子核发生了转变。
(3)规律:反应前、后电荷数守恒、质量数守恒。探究一探究二探究三探究一探究二探究三【思考问题】如何确定新生核的电荷数和质量数?
提示:根据电荷数守恒、质量数守恒来确定。探究一探究二探究三归纳总结核反应过程一般是不可逆的,所以核反应方程只能用箭头而不能用等号。探究一探究二探究三变式训练2完成下列核反应方程,并指出其中 是发现质子的核反应方程, 是发现中子的核反应方程。?探究一探究二探究三其中发现质子的核反应方程是(2)。
发现中子的核反应方程是(4)。
答案:见解析探究一探究二探究三放射性的应用及防护
问题导引
射线在人们心里是一个恶魔,谈核色变,怎样进行有效的防护呢?
?
放射性物质危险警告标志
要点提示:其实射线并不可怕,可怕的是无知,只要熟知各种射线的特点,就可以避开射线对我们的危害,如图所示,从图中你可能有所体会。探究一探究二探究三名师精讲
1.放射性同位素
具有放射性的同位素,叫作放射性同位素。天然存在的放射性元素只有四十多种,但用人工方法得到的放射性同位素有一千多种。与天然放射性物质相比,人造放射性同位素的放射强度容易控制,还可以制成各种所需的形状。探究一探究二探究三2.放射性同位素的应用
(1)利用放射性同位素放出的射线:
①探伤:射线穿透金属部件时,如果遇到砂眼、裂痕等伤痕,接收到的射线将与正常处不同,因此可利用放射性同位素放出射线探伤。
②测厚:射线穿透某些物质的本领与物质的厚度、密度有关,因此可用射线来检查某些产品的厚度,技术上可用作自动控制。
③利用射线电离能力,可以使空气电离,除去纺织车间的静电,或制成报警器。
辐照:利用射线照射,可以杀死癌细胞,用以治病;用射线照射植物,引起植物变异,用以育种等。探究一探究二探究三(2)做示踪原子:
由于放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质,如果在某种元素里掺进一些放射性同位素,那么元素无论走到哪里,它的放射性同位素也经过同样的过程。而放射性元素不断地放出射线,再用仪器探测这些射线,即可知道元素的行踪,这种用途的放射性同位素叫示踪原子。探究一探究二探究三3.人工放射性同位素的优点
(1)资源丰富,天然放射性元素不过40多种,但人工放射性同位素已达1 000多种,目前每种元素都有了自己的放射性同位素。
(2)和天然放射性物质相比,人工放射性同位素的放射强度容易控制,还可以制成各种所需的不同形状,特别是,它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此放射性废料容易处理。由于这些优点,所以在生产和科研中凡是用到射线时,用的都是人工放射性同位素,而不用天然放射性物质。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】 关于放射性同位素的应用,下列说法正确的是( )
A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,从而达到消除有害静电的目的
B.利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤,也能进行人体透视
C.用放射线照射作物种子使其DNA发生变异,其结果一定是更优良的品种
D.用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的伤害探究一探究二探究三解析:利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性,使空气分子电离成为导体,将静电导出,A错误;γ射线对人体细胞伤害太大,不能用来进行人体透视,B错误;作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的,还要经过筛选才能培育出优良品种,C错误;用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用,因此要科学地控制剂量,D正确。
答案:D
归纳总结放射性同位素的应用
(1)用射线来测量厚度,一般不选取α射线是因为其穿透能力太差,更多的是选取γ射线,也有部分选取β射线的。
(2)给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取γ射线。
(3)使用放射线时安全是第一位的。探究一探究二探究三变式训练3下列说法正确的是( )
A.给农作物施肥时,在肥料里放一些放射性同位素,是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好
B.输油管道漏油时,可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线,确定漏油位置
C.天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用,只是较少,经济上不划算
D.放射性元素被植物吸收,其放射性将发生改变探究一探究二探究三解析:放射性元素与它的同位素的化学性质相同,但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料。无论植物吸收含放射性元素的肥料,还是无放射性肥料,植物生长是相同的,A错;放射性同位素,含量易控制,衰变周期短,不会对环境造成永久污染,而天然放射性元素,剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境,所以不用天然放射元素,C错;放射性是原子核本身的性质,与元素的状态、组成等无关,D错;放射性同位素可作为示踪原子,故B正确。
答案:B12341.(探测射线的方法)右图是科学史上一张著名的实验照片,显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹。云室放置在匀强磁场中,磁场方向垂直照片向里。云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用。分析此径迹可知粒子( )
A.带正电,由下往上运动
B.带正电,由上往下运动
C.带负电,由上往下运动
D.带负电,由下往上运动
解析:由于金属板对粒子有阻碍作用,穿过金属板后速度减小,由
可知在同一匀强磁场中运动半径减小,由图片知板下面半径大于上面的半径,所以粒子从下向上穿过金属板,磁场方向垂直照片向里,由所受洛伦兹力方向指向圆心位置,根据左手定则判断该粒子应带正电荷。故A项正确。
答案:A1234123412344.(放射性同位素的应用)用人工方法得到放射性同位素,这是一个很重要的发现,天然的放射性同位素只不过40多种,而今天人工制造的放射性同位素已达1 000多种,每种元素都有放射性同位素。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用。
(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失。其原因是( )
A.射线的贯穿作用 B.射线的电离作用
C.射线的物理、化学作用 D.以上三个选项都不是1234(2)右图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。如果工厂生产的是厚度为1毫米的铝板,在α、β、γ三种射线中,你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是 射线。?1234解析:(1)因放射线的电离作用,空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和,从而使验电器所带电荷消失。
(2)α射线穿透物质的本领弱,不能穿透厚度为1毫米的铝板,因而探测器不能探测,γ射线穿透物质的本领极强,穿透1毫米厚的铝板和几毫米厚的铝板打在探测器上很难分辨。β射线也能够穿透1毫米甚至几毫米厚的铝板,但厚度不同,穿透后β射线中的电子运动状态不同,探测器容易分辨。
答案:(1)B (2)β课件28张PPT。5 核力与结合能读一读·思一思辨一辨·议一议一、核力和四种基本相互作用
阅读教材第79、80页,了解核力及其四种基本相互作用。
1.什么是核力?说说其特点。
答案:核力就是原子核内核子之间的相互作用力。
核力的特点:
(1)核力是强相互作用的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。
(2)核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m之内。
(3)核力的饱和性:每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。
2.自然界有哪四种基本相互作用?
答案:万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。读一读·思一思辨一辨·议一议二、原子核中质子与中子的比例
阅读教材第80页“原子核中质子与中子的比例”部分,了解轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。
轻原子核和重原子核定义分别是什么?
答案:(1)轻原子核:自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等。
(2)重原子核:对于较重的原子核,中子数大于质子数,越重的元素,两者相差就越大。读一读·思一思辨一辨·议一议三、结合能和质量亏损
阅读教材第81、82页,了解结合能和比结合能的概念,知道什么是质量亏损。
1.什么是结合能和比结合能?
答案:(1)结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开也需要能量,这就是原子核的结合能。
(2)比结合能(平均结合能):原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
2.什么是质量亏损?
答案:质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间存在。 ( )
解析:核力作用的范围在10-15 m之内,只在邻近核子间存在,是短程力。
答案:√
(2)结合能越大的原子核越稳定。 ( )
解析:对于核子较多的原子核的结合能越大,但它的比结合能不一定大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性。
答案:×
(3)原子核中的质子数和中子数大致相等。 ( )
解析:由于核力是短程力及核力的饱和性,自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等,但较重的原子核,中子数大于质子数,越重的原子核,两者相差越多。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)原子核内有质子和中子,质子带正电,中子不带电。原子核为什么不会在质子间库仑斥力的作用下分散为一个一个的核子呢?
答案:核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力。读一读·思一思辨一辨·议一议(2)较重的原子核中中子数和质子数有什么关系?如何解释?原子核可以无限地增大吗?
答案:①较重的原子核中中子数大于质子数,而且越重的原子核,两者相差越多。
②由于原子核是短程力,原子核大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力,原子核就不稳定了。这时,不再成对地增加质子和中子,而只增加中子,中子与其他核子没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定,故较重的原子核内中子数多于质子数。
③稳定的重原子核里,中子数要比质子数多,由于核
力作用范围有限,以及核力的饱和性,如果继续增大原子核,一些核子间距离会大到其间根本没有核力作用,这时即使再增加中子,形成的核也一定是不稳定的,所以原子核不能无限地增大。探究一探究二对结合能和比结合能的理解
问题导引
原子核很小,结构却十分复杂,除氢核外,其他各种元素的原子核中既有带正电的质子,又有不带电的中子。如铀235的核内有92个质子,143个中子。那么质子间的静电斥力为什么没有把它们驱散开来?若要把它们分开,可采用什么方法?
要点提示:因为核力的存在。给原子核足够的能量。探究一探究二名师精讲
1.比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。
?
从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。探究一探究二2.比结合能与原子核稳定的关系
(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。
由于核力作用范围有限,以及核力的饱和性,原子核不能无限地增大。探究一探究二典例剖析
【例题1】下面关于结合能和比结合能的说法正确的有( )
A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大
C.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
【思考问题】 比结合能与原子核稳定的关系是什么?
提示:核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。探究一探究二解析:核子结合成原子核时放出能量,原子核拆解成核子时吸收能量,A选项错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能越大的原子核,其结合能不一定大,例如中等质量原子核的比结合能比重核大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,B、C选项错;中等质量原子核的比结合能比轻核的大,它的原子核内核子数又比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,D选项对。
答案:D
归纳总结结合能的应用技巧
(1)组成原子核的核子越多,结合能越高。
(2)结合能与核子个数之比称作比结合能,比结合能越大原子核越稳定。
(3)结合能通常只用在原子核中。探究一探究二变式训练1下图是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线。
?
(1)从图中看出,中等质量的原子核与重核、轻核相比比结合能有什么特点?比结合能的大小反映了什么?
(2)比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是放出能量?
答案:(1)中等质量的原子核比结合能较大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性,比结合能越大,原子核越稳定。
(2)放出能量。探究一探究二质能方程和核能的计算
问题导引
爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法。思考:
(1)核反应中质量亏损与质量守恒矛盾吗?
(2)核子结合成原子核时为何出现“质量亏损”?
要点提示:(1)不矛盾。核反应仍遵守质量守恒和能量守恒的规律。核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。
(2)独立的核子之间没有作用力,但若使核子结合为原子核,核子之间需接近到核力作用的范围。在核力的作用下结合为一体,核力做正功,能量减少,即释放出能量,由ΔE=Δmc2知质量发生亏损。探究一探究二名师精讲
1.对质量亏损的理解
(1)质量亏损,并不是质量消失,减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加,总能量也要增加,增加的能量要由外部供给。
(2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。
(3)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。探究一探究二2.对质能方程E=mc2本质的理解
爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和核能这两种现象之间的联系,并不表示质量和能量之间的转变关系。对于质量亏损,不能理解为质量变成了能量,质能方程的本质是:
(1)质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来。
(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化。
(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。探究一探究二3.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2
从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系:ΔE=Δmc2。
4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法
根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了质量亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。探究一探究二5.核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算
①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm。
②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。其中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
(2)根据能量守恒和动量守恒来计算核能
参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。
(3)利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数,核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。探究一探究二质量亏损不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。探究一探究二解析:聚变反应前氘核和氚核的总结合能
E1=(1.09×2+2.78×3) MeV=10.52 MeV。
反应后生成的氦核的结合能
E2=7.03×4 MeV=28.12 MeV。
由于单个核子无结合能,所以聚变过程释放出的能量为
ΔE=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV。
答案:17.6探究一探究二归纳总结核能的两种单位换算
核能的单位分别为“J”和“MeV”,有
1 MeV=1×106×1.6×10-19 J=1.6×10-13 J探究一探究二12341.(对核力和结合能的理解)下列关于原子核中质子和中子的说法,正确的是( )
A.原子核中质子数和中子数一定相等
B.稳定的重原子核里,质子数比中子数多
C.原子核都是非常稳定的
D.对于较重的原子核,由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性,如果继续增大原子核,形成的核也一定是不稳定的
解析:自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等,对于较重的原子核,中子数大于质子数,越重的原子核,两者相差越多。
答案:D12342.(对结合能的理解)(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是( )
A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能D.比结合能越大,原子核越不稳定
E.自由核子组成原子核时,其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能1234解析:结合能是把核子分开所需的最小能量,选项A正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,存在质量亏损,核子比结合能增大,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,选项B正确;核子数越多,结合能越大,选项C正确;比结合能也叫平均结合能,比结合能越大,分开核子所需的能量越大,原子核越稳定,选项D错误;自由核子组成原子核时,其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能,选项E错误。
答案:ABC12343.(核能的计算)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速)( )
A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c
C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2
解析:由质能方程ΔE=Δmc2,其中Δm=m1+m2-m3
可得ΔE=(m1+m2-m3)c2,选项C正确。
答案:C1234解析:反应前总质量:MN+MHe=18.011 40u,
反应后总质量:MO+MH=18.012 69 u。
可以看出:反应后总质量增加,故该反应是吸收能量的反应。
故ΔE=(18.012 69-18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 MeV。
答案:吸收能量 1.2 MeV课件25张PPT。6 核裂变读一读·思一思辨一辨·议一议一、核裂变
阅读教材第83页,了解什么是核裂变及链式反应。
1.什么是核裂变?
答案:铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块,这类核反应叫核裂变。
2.写出典型的核反应方程式
?
3.什么是链式反应?
答案:当一个中子引发一个铀核裂变后,反应释放出的中子又轰击其他原子核产生裂变,释放出的中子又轰击其他铀原子核……这样的反应一代接一代进行下去的过程,叫作核裂变的链式反应。读一读·思一思辨一辨·议一议二、核电站
阅读教材第85、86页“核电站”部分,了解核电站的工作原理。
1.核反应堆由哪几部分组成?
答案:核燃料、慢化剂、控制棒等。
2.核电站的工作原理是什么?
答案:核燃料裂变释放能量,使反应区温度升高。然后利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)为了使铀235裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核。 ( )
解析:铀235俘获慢中子发生裂变的概率大,快中子使铀235发生裂变的几率小,因此不能直接使用快中子。
答案:×
(2)铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核。 ( )
解析:铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况多,也有的分裂成多块。
答案:×读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)铀核裂变是如何发生的?铀核裂变在自然界中能自发进行吗?
答案:①a.核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
b.核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应。
②重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生。铀核裂变不会自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应。读一读·思一思辨一辨·议一议(2)对于核电站的核污染应该如何处理?
答案:为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染,在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下。探究一探究二对核裂变和链式反应的分析
问题导引
?
上图为核裂变示意图。
(1)重核裂变是一种天然现象吗?
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?
要点提示:重核的裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。探究一探究二名师精讲
1.铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程:探究一探究二2.链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。探究一探究二典例剖析
【例题1】关于重核的裂变,以下说法正确的是( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
【思考问题】 链式反应的条件是什么?
提示:(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量。
(2)有足够数量的慢中子。探究一探究二解析:根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于其临界体积,如果体积小,中子从铀块中穿过时,碰不到原子核,则链式反应就不会发生。在裂变反应中核子数是不会减少的,质量亏损是远小于一个核子的质量的,因此选项A、B、C均错;重核裂变为中等质量的原子核时,由于核子平均质量小,会发生质量亏损,从而释放出核能,选项D正确。
答案:D
归纳总结准确理解裂变的特点
(1)重核受中子轰击后生成中等质量的核。
(2)裂变中一般产生2~3个中子。
(3)裂变时产生质量亏损放出能量。探究一探究二变式训练1(多选)关于铀核裂变,下列说法正确的是( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
解析:铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况多,也有的分裂成多块,并放出几个中子,铀235受中子的轰击时,裂变的概率大,且可以俘获各种能量的中子而引起裂变,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,必须使铀块体积超过临界体积。综上所述,选项B、C正确。
答案:BC探究一探究二核电站
问题导引
下图为核电站工作流程示意图。
?
(1)核电站的核心设施是什么?
(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的?探究一探究二要点提示:(1)核电站的核心设施是核反应堆。
(2)通过热交换器将核反应中产生的热量输送出来,推动汽轮机工作。探究一探究二名师精讲
1.核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件列表如下:探究一探究二2.反应堆工作原理
(1)在核电站中,核反应堆是热源,右图为简化的核反应堆示意图:铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。探究一探究二(2)镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒的升降,就能使反应堆安全正常地工作。
(3)核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。探究一探究二3.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。探究一探究二典例剖析
【例题2】(多选)如图是慢中子反应堆的示意图,对核反应堆的下列说法正确的是( )
A.铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B.快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成,当反应过于激烈时,使控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些
D.若要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子,链式反应的速度就会快一些探究一探究二【思考问题】 如何控制核反应堆链式反应的快慢?
提示:镉控制棒可以吸收中子,因而可以控制核反应的快慢。
解析:根据铀235的特点,它更容易吸收慢中子而发生裂变,A错误;在反应堆中减速剂的作用就是减少快中子能量从而更易让铀235吸收裂变,B正确;链式反应的剧烈程度取决于裂变释放出的中子总数,镉控制棒可以吸收中子,因而可以控制核反应的快慢,即插入得深,吸收得多,反应将变慢,反之将加快,C正确,D错误。
答案:BC探究一探究二变式训练2(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较,其优势在于 ( )
A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B.就储能来说,地球上核燃料资源远多于煤炭
C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站
D.核电站比火电站更容易建造
解析:核电站与火电站相比,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,选项A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,选项D错误。
答案:ABC1231.(对重核裂变的理解)(多选)关于铀核裂变,下列说法正确的是( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的核
B.铀核裂变时还能同时释放数目不等的中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
解析:铀核受到中子的冲击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况比较多,也有的分裂成多块,并放出数目不等的中子,铀235受中子的轰击时,裂变的概率大,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子时才能引起裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,需使铀块体积超过临界体积,故B、C正确。
答案:BC123A.(M-m1-m2)c2 B.(M+m-m1-m2)c2
C.(M-m1-m2-9m)c2 D.(m1+m2+9m-M)c2
解析:铀235裂变时的质量亏损:Δm=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m,由质能方程可得E=Δmc2=(M-9m-m1-m2)c2。
答案:C123课件20张PPT。7 核聚变 粒子和宇宙读一读·思一思辨一辨·议一议一、核聚变
阅读教材第88页,了解核聚变的概念及聚变发生的条件。
什么是核聚变?能发生聚变的条件是什么?
答案:(1)定义:两个轻核结合成质量较大的核,并释放出能量的反应。
(2)条件:轻核的距离要达到10-15 m以内;需要加热到很高的温度,因此又叫热核反应。
二、受控热核反应
阅读教材第89页“受控热核反应”部分,了解可控热核反应。
1.聚变与裂变相比有哪些优点?
答案:(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上聚变燃料的储量丰富。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
2.约束核聚变材料的方法有哪些?
答案:磁约束和惯性约束。读一读·思一思辨一辨·议一议三、粒子和宇宙
阅读教材第91、92页,了解粒子的分类及其作用。
1.为什么说“基本粒子”不基本?
答案:直到19世纪末,人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子。随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的,并发现质子、中子等本身也有复杂结构。
2.人类发现了哪些新粒子?
答案:1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等。
3.粒子是如何分类的?
答案:按照粒子与各种相互作用的关系,可将粒子分为三大类:强子、轻子和媒介子。读一读·思一思辨一辨·议一议1.思考辨析。
(1)光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。 ( )
解析:随着科学的发展,科学家们发现质子、中子等本身也有复杂结构。
答案:×
(2)太阳辐射的巨大能量来自太阳中本身储存的大量内能。 ( )
解析:太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时释放的能量。
答案:×
(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 ( )
解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功。
答案:√读一读·思一思辨一辨·议一议2.探究讨论。
(1)夸克模型是如何提出的?
答案:1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的。
(2)轻核聚变为什么在地球上不容易发生?要发生聚变有什么苛刻条件吗?
答案:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的库仑斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能,有一种方法就是给它们加热,使物质达到几百万开尔文以上的高温。在地球上是不容易达到这个条件的。探究一探究二对核聚变的理解
问题导引
随着科技的发展,不久的将来,汽车不再烧油,而改烧“海水”,你相信这能实现吗?
要点提示:能实现。热核反应的燃料之一,氢的同位素——氘的储量丰富,每升海水中就含有0.03 g氘核,这些氘核完全聚变释放的能量约和燃烧300 L汽油相当。探究一探究二名师精讲
1.聚变发生的条件
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。探究一探究二3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。探究一探究二探究一探究二【例题1】 (多选)据新华社报道,由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是( )C.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量与裂变反应相同
【思考问题】 轻核聚变的方程是什么?探究一探究二归纳总结核聚变反应方程的书写与核能的计算
(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损,然后根据爱因斯坦质能方程求解。探究一探究二质能方程和核能的计算
问题导引
对粒子的认识
下图为粒子发展示意图:
?
(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?探究一探究二要点提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。
(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。探究一探究二名师精讲
1.新粒子的发现及特点探究一探究二探究一探究二典例剖析
【例题2】 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。(已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u)
(1)写出这个核反应方程;
(2)这一核反应能释放多少能量?
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?探究一探究二12解析:由核反应过程必须遵守的质量数守恒和电荷数守恒知X是 。放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u,故Q2>Q1。
答案:B12课件28张PPT。习题课:动量守恒定律的应用探究一探究二探究三动量守恒条件的扩展应用
问题导引
?
如图所示,一辆沙车的总质量为m0,静止于光滑的水平面上。一个质量为m的物体A以速度v落入沙车中,v与水平方向成θ角,请思考:如果把沙车和物体A看作一个系统,那么系统的动量守恒吗?物体落入砂车后车的速度v'是多少?
要点提示:物体和车作用时总动量不守恒,而水平面光滑,系统在水平方向上动量守恒,即mvcos θ=(m0+m)v',得 ,方向与v的水平分量方向相同。探究一探究二探究三名师精讲
1.动量守恒定律成立的条件
(1)系统不受外力作用,这是一种理想化的情形,如宇宙中两星球的碰撞,微观粒子间的碰撞都可视为这种情形。
(2)系统受外力作用,但所受合外力为零。像光滑水平面上两物体的碰撞就是这种情形。
(3)系统受外力作用,但当系统所受的外力远远小于系统内各物体间的内力时,系统的总动量近似守恒。例如,抛出去的手榴弹在空中爆炸的瞬间,弹片所受火药爆炸时的内力远大于其重力,重力完全可以忽略不计,系统的动量近似守恒。
(4)系统受外力作用,所受的合外力不为零,但在某一方向上合外力为零,则系统在该方向上动量守恒。探究一探究二探究三2.某一方向上动量守恒问题
动量守恒定律的适用条件是普遍的,当系统所受的合外力不为零时,系统的总动量不守恒,但是合外力在某个方向上的分量为零时,那么在该方向上系统的动量分量是守恒的。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】一弹丸在飞行到距离地面5 m高时仅有水平速度v=2 m/s,爆炸成为甲、乙两块水平飞出,甲、乙的质量比为3∶1。不计质量损失,重力加速度g取10 m/s2。则下列图中两块弹片飞行的轨迹可能正确的是( )探究一探究二探究三解析:弹丸在爆炸过程中,水平方向的动量守恒,有 ,解得4v0=3v甲+v乙,爆炸后两块弹片均做平抛运动,竖直方向有 ,水平方向对甲、乙两弹片分别有x甲=v甲t,x乙=v乙t,代入各图中数据,可知B正确。
答案:B
归纳总结分析动量是否守恒,首先要明确所研究的系统,分清外力和内力。如果外力矢量和为0,则系统的动量守恒。探究一探究二探究三变式训练1(多选)质量为m1和m0的滑块用轻弹簧连接,以恒定速度v沿光滑水平面运动,与位于正对面的质量为m的静止滑块发生碰撞,如图所示,碰撞时间极短,在此过程中,下列情况可能发生的是( )
A.m1、m0、m速度均发生变化,碰后分别为v1、v2、v3,且满足(m1+m0)v=m1v1+mv2+m0v3
B.m0的速度不变,m1和m的速度变为v1和v2,且满足m1v=m1v1+mv2
C.m0的速度不变,m1和m的速度都变为v',且满足m1v=(m1+m)v'
D.m1、m0、m速度均发生变化,m1和m0的速度都变为v1,m的速度变为v2,且满足(m1+m0)v=(m1+m0)v1+mv2探究一探究二探究三解析:m1和m碰撞时间极短,在极短的时间内弹簧形变极小,可忽略不计,因而m0在水平方向上没有受到外力作用,动量不变(速度不变),可以认为碰撞过程中m0没有参与,只涉及m1和m,由于水平面光滑,弹簧形变极小,所以m1和m组成的系统水平方向动量守恒,两者碰撞后可能具有共同速度,也可能分开,所以只有B、C正确。
答案:BC探究一探究二探究三变式训练2(多选)如图所示,在光滑的水平面上有一静止的斜面,斜面光滑,现有一个小球从斜面顶点由静止释放,在小球下滑的过程中,以下说法正确的是( )
A.斜面和小球组成的系统动量守恒
B.斜面和小球组成的系统仅在水平方向上动量守恒
C.斜面向右运动
D.斜面静止不动
解析:球和斜面组成的系统在水平方向上不受外力作用,故水平方向动量守恒。小球下滑时,对地有向下的加速度,即系统存在向下的加速度,故系统竖直方向上所受合外力不为零,合外力向下,因此不能说系统动量守恒。
答案:BC探究一探究二探究三多物体、多过程动量守恒定律的应用
问题导引
如图所示,两辆质量相同的小车置于光滑的水平面上,有一人静止站在A车上,两车静止,若这个人自A车跳到B车上,接着又跳回A车,并静止于A车上。
(1)人跳离A车的过程中,人和A车组成的系统动量守恒吗?
(2)人跳上B车再跳离B车的过程中,人和B车组成的系统动量守恒吗?
(3)人从A车跳到B车上又跳回A车的过程中,人和A、B两车组成的系统动量守恒吗?探究一探究二探究三要点提示:(1)人跳离A车的过程中,人和A车之间的力是内力,系统动量守恒。
(2)人跳上B车再跳离B车的过程中,人和B车之间的力也是内力,因此系统动量也是守恒的。
(3)人从A车跳到B车上又跳回A车的过程中,它们之间的力都是内力,水平面光滑,三者组成的系统动量守恒。探究一探究二探究三名师精讲
对于由多个物体组成的系统,由于物体较多,作用过程较为复杂,这时往往要根据作用过程中的不同阶段,将系统内的物体按作用的关系分成几个小系统,对不同阶段、不同的小系统准确选取初、末状态,分别列动量守恒定律方程求解。探究一探究二探究三典例剖析
【例题2】 如图所示,A、B两个木块质量分别为2 kg与0.9 kg,A、B与水平地面间接触光滑,上表面粗糙,质量为0.1 kg的铁块以10 m/s的速度从A的左端向右滑动,最后铁块与B的共同速度大小为0.5 m/s,求:
(1)A的最终速度大小;
(2)铁块刚滑上B时的速度大小。探究一探究二探究三解析:(1)选铁块和木块A、B为一系统,取水平向右为正方向,
由系统总动量守恒得mv=(mB+m)vB+mAvA
可求得vA=0.25 m/s。
(2)设铁块刚滑上B时的速度为v',此时A、B的速度均为vA=0.25 m/s。
由系统动量守恒得mv=mv'+(mA+mB)vA
可求得v'=2.75 m/s。
答案:(1)0.25 m/s (2)2.75 m/s
归纳总结处理多物体、多过程动量守恒问题应注意的事项
1.注意正方向的选取。
2.研究对象的选取,是取哪几个物体为系统。
3.研究过程的选取,应明确哪个过程中动量守恒。探究一探究二探究三变式训练3如图所示,光滑水平面上有三个木块A、B、C,质量分别为mA=mC=2m、mB=m。A、B用细绳连接,中间有一压缩的弹簧(弹簧与木块不拴接)。开始时A、B以共同速度v0运动,C静止。某时刻细绳突然断开,A、B被弹开,然后B又与C发生碰撞并粘在一起,最终三木块速度恰好相同,求B与C碰撞前B的速度。探究一探究二探究三解析:细绳断开后,在弹簧弹力的作用下,A做减速运动,B做加速运动,最终三者以共同速度向右运动,设共同速度为v,A和B分开后,B的速度为vB,对三个木块组成的系统,整个过程总动量守恒,取v0的方向为正方向,则有(mA+mB)v0=(mA+mB+mC)v
对A、B两个木块,分开过程满足动量守恒,则有
(mA+mB)v0=mAv+mBvB
联立以上两式可得:B与C碰撞前B的速度为vB=95v0。
答案:95v0探究一探究二探究三动量守恒定律应用中的临界问题分析
问题导引
如图所示,甲车质量m1=20 kg,车上有质量m0=50 kg的人,甲车(连同车上的人)以v=3 m/s的速度向右滑行。此时质量m2=50 kg的乙车正以v0=1.8 m/s的速度迎面滑来,为了避免两车相撞,当两车相距适当距离时,人从甲车跳到乙车上,求人跳出甲车的水平速度(相对地面)应当在什么范围以内才能避免两车相撞?不计地面和小车的摩擦,且乙车足够长。探究一探究二探究三要点提示:人跳到乙车上后,如果两车同向,甲车的速度小于或等于乙车的速度就可以避免两车相撞。以人、甲车、乙车组成系统,由水平方向动量守恒得(m1+m0)v-m2v0=(m1+m2+m0)v',解得v'=1 m/s。以人与甲车为一系统,人跳离甲车过程水平方向动量守恒,得(m1+m0)v=m1v'+m0vt,解得vt=3.8 m/s。因此,只要人跳离甲车的速度vt≥3.8 m/s,就可避免两车相撞。探究一探究二探究三名师精讲
1.在动量守恒定律的应用中,常常会遇到相互作用的两物体相距最近、避免相碰和物体开始反向运动等临界问题。
2.分析临界问题的关键是寻找临界状态,临界状态的出现是有条件的,这个条件就是临界条件。临界条件往往表现为某个(或某些)物理量的特定取值。
3.在与动量相关的临界问题中,临界条件常常表现为两物体的相对速度关系与相对位移关系,这些特定关系的判断是求解这类问题的关键。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】 如图所示,甲、乙两小孩各乘一辆冰车在水平冰面上游戏,甲和他的冰车总质量共为m0=30 kg,乙和他的冰车总质量m0'=30 kg。游戏时,甲推着一个质量为m=15 kg的箱子和他一起以v0=2 m/s的速度滑行,乙以同样大小的速度迎面滑来,为了避免相撞,甲突然将箱子沿冰面推给乙,箱子滑到乙处,乙迅速抓住。若不计冰面摩擦。
(1)若甲将箱子以速度v推出,甲的速度变为多少?(用字母表示)
(2)设乙抓住迎面滑来的速度为v的箱子后反向运动,乙抓住箱子后的速度变为多少?(用字母表示)
(3)若甲、乙最后不相撞,甲、乙的速度应满足什么条件?箱子被推出的速度至少多大?探究一探究二探究三1231.(动量守恒条件的扩展应用)(多选)如图所示,A、B两木块紧靠在一起且静止于光滑水平面上,物块C以一定的初速度v0从A的左端开始向右滑行,最后停在B木块的右端,对此过程,下列叙述正确的是( )
A.当C在A上滑行时,A、C组成的系统动量守恒
B.当C在B上滑行时,B、C组成的系统动量守恒
C.无论C是在A上滑行还是在B上滑行,A、B、C组成的系统动量都守恒
D.当C在B上滑行时,A、B、C组成的系统动量不守恒123解析:当C在A上滑行时,对A、C组成的系统,B对A的作用力为外力,不等于0,故系统动量不守恒,选项A错误;当C在B上滑行时,A、B已分离,对B、C组成的系统,沿水平方向不受外力作用,故系统动量守恒,选项B正确;若将A、B、C视为一个系统,则沿水平方向无外力作用,系统动量守恒,选项C正确,选项D错误。
答案:BC1232.(动量守恒条件的扩展应用)(多选)如图所示,小车放在光滑的水平面上,将系着绳的小球拉开到一定的角度,然后同时放开小球和小车,那么在以后的过程中( )
A.小球向左摆动时,小车也向左运动,且系统动量守恒
B.小球向左摆动时,小车向右运动,且系统在水平方向上动量守恒
C.小球向左摆到最高点,小球的速度为零而小车的速度不为零
D.在任意时刻,小球和小车在水平方向上的动量一定大小相等、方向相反123解析:以小球和小车组成的系统为研究对象,在水平方向上不受外力的作用,所以系统在水平方向上动量守恒。由于初始状态小车与小球均静止,所以小球与小车在水平方向上的动量要么都为零,要么大小相等、方向相反,所以A、C错,B、D对。
答案:BD1233.(多过程动量守恒定律的应用)如图所示,质量为m0的盒子放在光滑的水平面上,盒子内表面不光滑,盒内放有一块
质量为m的物体。从某一时刻起给m一个水平向右的初速度v0,那么在物块与盒子前后壁多次往复碰撞后( )
A.两者的速度均为零
B.两者的速度总不会相等解析:物体与盒子组成的系统所受合外力为零,物体与盒子前后壁多次往复碰撞后,以速度v共同运动,由动量守恒定律得mv0=(m0+m)v,故 ,向右,D项对。
答案:D1234512345课件26张PPT。习题课:动量和能量的综合应用探究一探究二探究三滑块—木板模型
问题导引
如图所示,在光滑的水平面上有一质量为m0的长木板,以速度v0向右做匀速直线运动,将质量为m的小铁块轻轻放在木板上的A点,这时小铁块相对地面速度为零,小铁块相对木板向左滑动。由于小铁块和木板间有摩擦,最后它们之间相对静止,已知它们之间的动摩擦因数为μ,请同学们思考:小铁块跟木板相对静止时,它们的共同速度多大?此时小铁块与A点距离多远?这个过程中有多少机械能转化为内能?探究一探究二探究三探究一探究二探究三名师精讲
1.这类问题通常都是把滑块、木板看作一个整体,摩擦力为内力,在光滑水平面上不受摩擦力,滑块和木板组成的系统动量守恒。
2.由于滑块和木板之间的摩擦生热,一部分机械能转化为内能,那么系统机械能不守恒,一般由能量守恒求解。
3.注意:题目中如果说明滑块不滑离木板,则最后二者以共同速度运动。探究一探究二探究三典例剖析
【例题1】 如图所示,光滑水平桌面上有长L=2 m的挡板C,质量mC=5 kg,在其正中央并排放着两个小滑块A和B,mA=1 kg,mB=3 kg,开始时三个物体都静止。在A、B间放有少量塑胶炸药,爆炸后A以6 m/s的速度水平向左运动,A、B中任意一块与挡板C碰撞后,都粘在一起,不计摩擦和碰撞时间,求:
(1)当两滑块A、B都与挡板C碰撞后,C的速度是多大;
(2)A、C碰撞过程中损失的机械能。探究一探究二探究三解析:(1)A、B、C系统动量守恒,有0=(mA+mB+mC)vC,解得vC=0。
(2)炸药爆炸时A、B系统动量守恒,有mAvA=mBvB,解得vB=2 m/s
A、C碰撞前后系统动量守恒,有mAvA=(mA+mC)v
解得v=1 m/s
A、C碰撞过程中损失的机械能
=15 J。
答案:(1)0 (2)15 J
归纳总结滑块在木板上滑行时二者之间的摩擦力是内力,木板在地面上不受摩擦力,即系统受合外力为零,动量守恒。探究一探究二探究三变式训练1如图所示,光滑水平面上一质量为m0、长为L的木板右端紧靠竖直墙壁。质量为m的小滑块(可视为质点)以水平速度v0滑上木板的左端,滑到木板的右端时速度恰好为零。
(1)求小滑块与木板间的摩擦力大小;
(2)现小滑块以某一速度v滑上木板的左端,滑到木板的右端时与竖直墙壁发生弹性碰撞,然后向左运动,刚好能够滑到木板左端而不从木板上落下,试求 的值。探究一探究二探究三探究一探究二探究三子弹打木块模型
问题导引
如图所示,在光滑水平面上放置一质量为m0的静止木块,一质量为m的子弹以水平速度v0射向木块,穿出后子弹的速度变为v1,求整个系统损失的机械能。探究一探究二探究三名师精讲
1.子弹打木块的过程很短暂,认为该过程内力远大于外力,则系统动量守恒。
2.在子弹打木块过程中摩擦生热,系统机械能不守恒,机械能向内能转化。
3.若子弹不穿出木块,二者最后有共同速度,机械能损失最多。探究一探究二探究三典例剖析
【例题2】 如图所示,在水平地面上放置一质量为m0的木块,一质量为m的子弹以水平速度v射入木块(未穿出),若木块与地面间的动摩擦因数为μ,求:
(1)子弹射入后,木块在地面上前进的距离;
(2)射入的过程中,系统损失的机械能。探究一探究二探究三探究一探究二探究三归纳总结在子弹射入木块时,存在剧烈摩擦作用,有一部分能量将转化为内能,故在这一瞬间子弹与木块组成的系统机械能不守恒。探究一探究二探究三变式训练2如图所示的装置中,木块B与水平桌面间的接触是光滑的,子弹A沿水平方向射入木块后留在木块内,将弹簧压缩到最短。现将子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象(系统),则此系统在从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的整个过程中( )
A.动量守恒、机械能守恒
B.动量不守恒、机械能不守恒
C.动量守恒、机械能不守恒
D.动量不守恒、机械能守恒探究一探究二探究三解析:在子弹射入木块这一瞬间过程,取子弹与木块为系统则可认为动量守恒(此瞬间弹簧尚未形变),但机械能有损失。子弹射入木块后木块压缩弹簧过程中,机械能守恒,但动量不守恒(墙壁对弹簧的作用力是系统外力,且外力不等于零)。若以子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象(系统),从子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短时,有摩擦力做功,机械能不守恒,弹簧固定端墙壁对弹簧有外力作用,因此动量不守恒。故正确选项为B。
答案:B探究一探究二探究三弹簧类模型
问题导引
如图所示,A、B两个木块用轻弹簧相连接,它们静止在光滑水平面上,A和B的质量分别是99m和100m,一颗质量为m的子弹以速度v0水平射入木块A内没有穿出,则在以后的过程中弹簧弹性势能的最大值是多大?探究一探究二探究三名师精讲
1.对于弹簧类问题,在作用过程中,系统合外力为零,满足动量守恒。
2.整个过程涉及弹性势能、动能、内能、重力势能的转化,应用能量守恒定律解决此类问题。
3.注意:弹簧压缩最短时,弹簧连接的两物体速度相等,此时弹簧弹性势能最大。探究一探究二探究三典例剖析
【例题3】 两物块A、B用轻弹簧相连,质量均为2 kg,初始时弹簧处于原长,A、B两物块都以v=6 m/s的速度在光滑的水平地面上运动,质量为4 kg的物块C静止在前方,如图所示。B与C碰撞后二者会粘在一起运动。则在以后的运动中:
(1)当弹簧的弹性势能最大时,物块A的速度为多大?
(2)系统中弹性势能的最大值是多少?探究一探究二探究三解析:(1)当A、B、C三者的速度相等时弹簧的弹性势能最大。由A、B、C三者组成的系统动量守恒,(mA+mB)v=(mA+mB+mC)vABC,解得答案:(1)3 m/s (2)12 J
归纳总结弹簧压缩最短拉伸最长时,弹簧连接的两物体速度相等,此时弹簧蓄积弹性势能最大。探究一探究二探究三变式训练3如图所示,A、B、C三个木块的质量均为m,置于光滑的水平面上,B、C之间有一轻质弹簧,弹簧的两端与木块接触而不固连。将弹簧压紧到不能再压缩时用细线把B和C紧连,使弹簧不能伸展,以至于B、C可视为一个整体。现A以初速v0沿B、C的连线方向朝B运动,与B相碰并粘合在一起。以后细线突然断开,弹簧伸展,从而使C与A、B分离。已知C离开弹簧后的速度恰为v0。求弹簧释放的势能。探究一探究二探究三12341.(滑块—木板模型)(多选)质量为m0、内壁间距为L的箱子静止于光滑的水平面上,箱子中间有一质量为m的小物块,小物块与箱子底板间的动摩擦因数为μ,初始时小物块停在箱子正中间,如图所示。现给小物块一水平向右的初速度v,小物块与箱壁碰撞N次后恰又回到箱子正中间,并与箱子保持相对静止。设碰撞都是弹性的,则整个过程中,系统损失的动能为( )12342.(子弹打木块模型)(多选)矩形滑块由不同材料的上、下两层粘合在一起组成,将其放在光滑的水平面上,质量为m的子弹以速度v水平射向滑块,若射击下层,子弹刚好不射出,若射击上层,则子弹刚好能射进一半厚度,如图所示,上述两种情况相比较( )
A.子弹对滑块做功一样多
B.子弹对滑块做的功不一样多
C.系统产生的热量一样多
D.系统产生的热量不一样多
解析:两次都没射出,则子弹与滑块最终达到共同速度,设为v共,由动量守恒定律可得mv=(m0+m)v共,得 ;子弹对滑块所做的功等于滑块获得的动能,故选项A正确;系统损失的机械能转化为热量,故选项C正确。
答案:AC12343.(弹簧类模型)如图所示,位于光滑水平桌面上的小滑块P和Q均可视为质点,质量均为m,Q与轻质弹簧相连并处于静止状态,P以初速度v向Q运动并与弹簧发生作用。求整个过程中弹簧的最大弹性势能。12344.(动量和能量的综合应用)如图所示,质量为m1的小车静止在光滑水平轨道上,下面用长为L的细线悬挂着质量为m的沙箱,一颗质量为m0的子弹以v0的水平速度射入沙箱,并留在其中,在以后的运动过程中,求沙箱上升的最大高度。1234课件19张PPT。本 章 整 合思考并回答下列问题:
本章知识可分为两个单元,第一单元:动量定理;第二单元:动量守恒定律及其应用。1.思考关于动量定理学习的内容,填写下图。 答案:①p=mv ②瞬时性、矢量性、相对性 ③Δp=p'-p
④I=Ft ⑤时间性、矢量性、绝对性 ⑥一个物体(或一个系统)
⑦合外力的冲量等于物体动量的变化 ⑧Ft=mv'-mv2.思考关于动量守恒定律学习的内容,填写下图。答案:①系统性、矢量性、参考系的同一性、状态的同时性、普适性
②p=p' Δp=0 Δp1=-Δp2 ③弹性碰撞
④非弹性碰撞 ⑤完全非弹性碰撞3.动量定理和动量守恒定律研究的对象分别是什么?
答案:动量定理的研究对象是一个物体或一个系统;动量守恒定律的研究对象是两个或两个以上的物体组成的系统。
4.动量守恒定律的适用条件有哪些?完成下表。答案:①不受外力 ②合外力为零 ③某一方向上合外力为零 ④内力远大于外力
5.思考碰撞过程中的能量转化情形及动量关系。
答案:弹性碰撞无机械能损失;非弹性碰撞有机械能损失;完全非弹性碰撞机械能损失最多。三种碰撞都是动量守恒过程。专题一专题二动量与其他力学知识的综合考查
动用牛顿运动定律、动量、能量的观点解题是解决动力学问题的三条重要途径。求解这类问题时要注意正确选取对象、状态、过程,并恰当选择物理规律。在分析的基础上选用适宜的物理规律来解题,选用规律也有一定的原则。
1.牛顿运动定律(力的观点)
研究某一时刻(或某一位置)的动力学问题应使用牛顿第二定律,研究某一个恒力作用过程的动力学问题,且又直接涉及物体的加速度问题,应使用运动学公式和牛顿第二定律求解。
如:物体在拉力和摩擦力作用下沿水平面运动瞬间的牛顿第二定律方程:F-f=ma。
物体沿轨道在竖直面内做圆周运动,最低点的向心力方程:专题一专题二2.动量定理和动量守恒定律(动量观点)
(1)对于不涉及物体运动过程中的加速度而涉及物体运动时间的问题,特别对于打击一类的问题,因时间短且冲力随时间变化,则应用动量定理求解,Ft=mv-mv0。
(2)对于碰撞、爆炸、反冲一类的问题,若只涉及初、末速度而不涉及力、时间的应用动量守恒定律求解。专题一专题二3.动能定理和能量守恒定律(能量观点)
(1)对于不涉及物体运动过程中的加速度和时间问题,无论是恒力做功还是变力做功,一般都利用动能定理求解。
(2)如果物体只有重力和弹簧弹力做功而又不涉及运动过程的加速度和时间问题,则采用机械能守恒定律求解。
(3)对于相互作用的两物体,若明确两物体相对滑动的距离,应考虑选用能量守恒定律建立方程。专题一专题二【例题1】如图的水平轨道中,AC段的中点B的正上方有一探测器,C处有一竖直挡板,物体P1沿轨道向右以速度v1与静止在A点的物体P2碰撞,并接合成复合体P,以此碰撞时刻为计时零点。探测器只在t1=2 s至t2=4 s内工作。已知P1、P2的质量都为m=1 kg。P与AC间的动摩擦因数为μ=0.1。AB段长l=4 m,g取10 m/s2,P1、P2和P均视为质点。P与挡板的碰撞为弹性碰撞。
?
(1)若v1=6 m/s,求P1、P2碰后瞬间的速度大小v和碰撞损失的动能ΔE;
(2)若P与挡板碰后,能在探测器的工作时间内通过B点,求v1的取值范围和P向左经过A点时的最大动能E。专题一专题二专题一专题二答案:(1)3 m/s 9 J (2)10 m/s≤v1≤14 m/s 17 J专题一专题二变式训练1如图所示,两块相同平板P1、P2置于光滑水平面上,质量均为m。P2的右端固定一轻质弹簧,左端A与弹簧的自由端B相距l。物体P置于P1的最右端,质量为2m且可看作质点。P1与P以共同速度v0向右运动,与静止的P2发生碰撞,碰撞时间极短,碰撞后P1与P2粘连在一起。P压缩弹簧后被弹回并停在A点(弹簧始终在弹性限度内)。P与P2之间的动摩擦因数为μ。求:
?
(1)P1、P2刚碰完时的共同速度v1和P的最终速度v2;
(2)此过程中弹簧的最大压缩量x和相应的弹性势能Ep。专题一专题二专题一专题二动量守恒定律应用中的临界问题
解决相互作用物体系统的临界问题时,应处理好下面两个方面的问题:
1.寻找临界状态
题设情景中看是否有相互作用的两物体相距最近、恰好滑离、避免相碰和物体开始反向运动等临界状态。
2.挖掘临界条件
在与动量相关的临界问题中,临界条件常常表现为两物体的相对速度关系与相对位移关系。专题一专题二3.常见类型
(1)涉及弹簧类的临界问题
对于由弹簧组成的系统,在物体间发生相互作用的过程中,当弹簧被压缩到最短或拉伸到最长时,弹簧两端的两个物体的速度必然相等。
(2)涉及相互作用边界的临界问题
在物体滑上斜面(斜面放在光滑水平面上)的过程中,由于物体间弹力的作用,斜面在水平方向上将做加速运动,物体滑到斜面上最高点的临界条件是物体与斜面沿水平方向具有共同的速度,物体到达斜面顶端时,在竖直方向上的分速度等于零。
(3)子弹打木块类的临界问题:子弹刚好击穿木块的临界条件为子弹穿出时的速度与木块的速度相同,子弹位移为木块位移与木块厚度之和。专题一专题二【例题2】如图所示,光滑水平面上停放一个木箱和小车,木箱质量为m,小车和人总质量为m0,m0∶m=4∶1,人以速度v沿水平方向将木箱推出,木箱被挡板以原速反弹回来以后,人接住木箱再以同样大小的速度v第二次推出木箱,木箱又被原速反弹……问人最多能推几次木箱?解析:选木箱、人和小车组成的系统为研究对象,取向右为正方向。设第n次推出木箱后人与小车的速度为vn,第n次接住后速度为vn',则由动量守恒定律可知:专题一专题二当vn≥v时,人就接不到木箱了,由此得,n≥2.5,分析可知应取n=3。
所以,人最多能推3次木箱。
答案:3次专题一专题二变式训练2如图所示,滑块A、C质量均为m,滑块B质量为 。开始时A、B分别以v1、v2的速度沿光滑水平轨道向固定在右侧的挡板运动;现将C无初速度地放在A上,并与A粘合不再分开,此时A与B相距较近,B与挡板相距足够远。若B与挡板碰撞后以原速率反弹,A与B碰撞将粘合在一起。为使B能与挡板碰撞两次,v1、v2应满足什么关系?专题一专题二课件20张PPT。本 章 整 合思考并回答下列问题:
本章知识可分为四部分。一是能量量子化,二是光的粒子性,三是粒子的波动性,四是不确定关系。
1.思考关于能量量子化的内容,填写下图。答案:①电磁辐射不连续 ②各种波长的辐射都与温度有关
③每一份辐射的能量一个能量子 ④ε=hν h=6.626×10-34 J·s2.思考关于光的粒子性的学习内容,填写下图。答案:①光照使金属发射电子的现象
②任何金属都存在极限频率
③最大初动能与光频率是一次函数关系
④光电子数目正比于光强
⑤瞬时性
⑥光辐射不连续,每一份光叫一个光子
⑦ε=hν ⑨少量光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性
⑩高频光子粒子性显著,低频光子波动性显著
光传播时表现出波动性,与微粒作用时表现出粒子性3.思考关于粒子的波动性学习内容,填写下图。粒 子 的 波 动 性答案:①物质波或概率波 ②粒子的波动性 ③
④波粒二象性4.写出爱因斯坦的光电效应方程
答案:Ek=hν-W0
5.如何理解康普顿效应
答案:X射线对石墨晶体的散射,说明光具有波动性。
6.什么是不确定性关系?
答案:ΔxΔp≥专题一专题二专题三专题四量子论与光子说
1.量子论:德国物理学家普朗克提出:电磁波的发射和吸收是不连续的,而是一份一份的,每一份电磁波的能量E=hν。
2.光子说:爱因斯坦提出:空间传播的光也是不连续的,而是一份一份的,每一份称为一个光子,光子具有的能量与光的频率成正比,即E=hν,其中h为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s。专题一专题二专题三专题四【例题1】 (多选)下列对光子的认识,正确的是( )
A.“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒”
B.“光子说”中的光子就是光电效应的光电子
C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
解析:根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确;由ε=hν知,光子能量ε与其频率ν成正比,故D选项正确。
答案:CD专题一专题二专题三专题四【例题2】已知功率为100 W的灯泡消耗的电能的5%转化为所发出的可见光的能量,光速c=3.0×108 m/s,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,假定所发出的可见光的波长都是560 nm,计算灯泡每秒内发出的光子数。专题一专题二专题三专题四光电效应的规律和光电效应方程
1.光电效应规律
(1)任何一种金属都对应一个极限(截止)频率,入射光频率必须大于极限频率才会产生光电效应。
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着入射光频率的增大而增大。
(3)当入射光频率大于极限频率时,保持频率不变,光电流的强度与入射光的强度成正比。
(4)入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。
2.爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0。
W0表示金属的逸出功,νc表示金属的极限频率,则W0=hνc。专题一专题二专题三专题四3.应用光电效应规律解题应明确的事项
(1)光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态)。因为光电流未达到饱和值之前,其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。
(2)明确两个决定关系
a.逸出功W0一定时,入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。
b.入射光的频率一定时,入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。专题一专题二专题三专题四【例题3】 (多选)1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年,这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文,其中成功地解释了光电效应现象。关于光电效应,下列说法正确的是( )
A.当入射光的频率低于极限频率时,不能发生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.光电子的最大初动能与入射光的强度成正比
D.某单色光照射一金属时不发生光电效应,改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应
解析:根据光电效应现象的实验规律,只有入射光频率大于极限频率时才能发生光电效应,故A、D正确;根据光电效应方程,最大初动能与入射光频率为线性关系,但非正比关系,B错;根据光电效应现象的实验规律,光电子的最大初动能与入射光强度无关,C错。
答案:AD专题一专题二专题三专题四【例题4】用波长为2.0×10-7 m的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10-19 J。由此可知,钨的极限频率是(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s,结果取两位有效数字)( )
A.5.5×1014 Hz B.7.9×1014 Hz
C.9.8×1014 Hz D.1.2×1015 Hz专题一专题二专题三专题四用图象表示光电效应的规律
1.Ek-ν图象
根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,光电子的最大初动能Ek是入射光频率ν的一次函数,图象如图所示。其横轴截距为金属的极限频率νc,纵轴截距是金属的逸出功的负值;斜率为普朗克常量h。专题一专题二专题三专题四专题一专题二专题三专题四【例题5】(1)研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是( )专题一专题二专题三专题四(2)钠金属中的电子吸收光子的能量,从金属表面逸出,这就是光电子。光电子从金属表面逸出的过程中,其动量的大小 (选填“增大”“减小”或“不变”),原因是 ? 。?
解析:(1)同一金属的逸出功一定,对于同一频率的光,由
=hν-W0知,遏止电压相等,遏止电压与光的强度无关;光越强,光电流越大,所以C项正确。
答案:(1)C
(2)减小 光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)专题一专题二专题三专题四光的波粒二象性、物质波
1.大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射现象中,如果用强光照射,在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹,波动性体现了出来;个别光子产生的效果显示出粒子性,如果用微弱的光照射,在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点,粒子性充分体现;但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下,在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性,倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。
2.光子和电子、质子等实物粒子一样,具有能量和动量。
3.光子的能量与其对应的频率成正比,而频率是波动性特征的物理量,因此ε=hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。
4.对不同频率的光,频率低、波长长的光,波动性特征显著;而频率高、波长短的光,粒子性特征显著。专题一专题二专题三专题四5.光在传播时体现出波动性,在与其他物质相互作用时体现出粒子性。
6.处理光的波粒二象性的关键是正确理解其二象性,搞清光波是一种概率波。
7.光的干涉、衍射、光的偏振说明光具有波动性,光电效应、康普顿效应则证明光具有粒子性,因此,光具有波粒二象性,对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发,才能统一说明光的各种行为。
8.电子的衍射实验,说明了一些物质微粒也像光子一样具有波粒二象性。
9.任何一个运动着的物体,小到电子、质子、大到行星、太阳,都有一种波和它对应,波长(物质波的波长) 。物质波和光波一样,也属于概率波,概率波的实质是指粒子在空间分布的概率,是受波动规律支配的。专题一专题二专题三专题四【例题6】 (多选)现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是( )
A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多
B.肥皂液是无色的,吹出的肥皂泡却是彩色的
C.质量为10-3 kg、速度为10-2 m/s的小球,其德布罗意波长约为10-23 m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹
D.人们常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
解析:光子照到锌板上,发生光电效应,说明光有粒子性,A不正确;白光在肥皂泡上发生薄膜干涉时,会出现彩色条纹,光的干涉现象说明了光有波动性,B正确;由于实物的波长很小,波动性不明显,表现为粒子性,C不正确;用热中子研究晶体结构,其实是通过中子的衍射来“观察”晶体的,是利用中子的波动性,D正确。故选BD。
答案:BD课件17张PPT。本 章 整 合思考并回答下列问题:
本章知识以人类对原子的认识发展史为线索展开。卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了核式结构模型,玻尔在氢光谱的基础上提出了玻尔原子模型,引入量子化、能级的概念。1.思考关于电子的发现以及原子的结构模型的内容,填写下图。答案:①阴极射线高速电流
②电子的发现(说明原子可分,电子是原子的组成部分)
③原子是一个球体,正电荷均匀分布在里面,电子就像枣糕里的枣那样镶嵌在原子里面
④α粒子散射实验
⑤核很小,原子核半径的数量级为10-15 m,而原子半径的数量级是10-10 m
⑥核很重,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内
⑦库仑力提供电子绕核运动的向心力2.思考关于玻尔原子模型的内容,填写下图。 答案:①能级、基态、激发态
②hν=Em-En
③ (n为量子数,n=1,2,3,…)对于氢原子而言,基态能级:
E1=-13.6 eV专题一专题二专题三对α粒子散射实验及核式结构模型的理解
1.实验结果
α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进;少数α粒子有较大的偏转;极少数α粒子的偏转角度超过90°,有的甚至被弹回,偏转角达到180°。
2.核式结构学说
在原子的中心有一个很小的原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,电子绕核运转。
3.原子核的组成与尺度
(1)原子核的组成:由质子和中子组成,原子核的电荷数等于原子核中的质子数。
(2)原子核的大小:实验确定的原子核半径的数量级为10-15 m,而原子的半径的数量级是10-10 m。因而原子内部十分“空旷”。专题一专题二专题三【例题1】 (多选)关于α粒子散射实验现象的分析,下列说法正确的是( )
A.绝大多数α粒子沿原方向运动,说明正电荷在原子内均匀分布,是α粒子受力平衡的结果
B.绝大多数α粒子沿原方向运动,说明这些α粒子未受到明显的力的作用,说明原子内大部分空间是空的
C.极少数α粒子发生大角度偏转,说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小
D.极少数α粒子发生大角度偏转,说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大专题一专题二专题三解析:在α粒子散射实验中,绝大多数α粒子沿原方向运动,说明这些α粒子未受到原子核明显的力的作用,也说明原子核相对原子来讲很小,原子内大部分空间是空的,故A错,B对;极少数α粒子发生大角度偏转,说明会受到原子核明显的力的作用的空间在原子内很小,α粒子偏转而原子核未动,说明原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量,电子的质量远小于α粒子的质量,α粒子打在电子上,不会有明显偏转,故C对,D错。
答案:BC专题一专题二专题三对玻尔原子模型及原子能级跃迁的理解
1.玻尔原子模型
(1)原子只能处于一系列能量不连续的状态中,具有确定能量的稳定状态叫做定态,能量最低的状态叫基态,其他的状态叫作激发态。
(2)频率条件
当电子从能量较高的定态轨道(Em)跃迁到能量较低的定态轨道(En)时会放出能量为hν的光子,则:hν=Em-En。反之,当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态,吸收的光子能量同样由频率条件决定。
(3)原子的不同能量状态对应电子的不同运行轨道。专题一专题二专题三2.氢原子能级跃迁
(1)氢原子的能级
原子各能级的关系为: (n为量子数,n=1,2,3,…)
对于氢原子而言,基态能级:E1=-13.6 eV。
(2)氢原子的能级图
氢原子的能级图如下图所示。专题一专题二专题三【例题2】已知氢原子基态的电子轨道半径为r1=0.528×10-10 m,量子数为n的能级为
(1)求电子在基态轨道上运动的动能;
(2)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态,画一张能级图,在图上用箭头标明这些氢原子能发出的光谱线。
(3)计算这几种光谱线中最短的波长。(静电力常量k=9×109 N·m2/C2,电子电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,真空中光速c=3×108 m/s)专题一专题二专题三专题一专题二专题三答案:见解析 专题一专题二专题三原子的能级跃迁与电离
1.能级跃迁包括辐射跃迁和吸收跃迁,可表示如下:
高能级Em 低能级En。
2.当光子能量大于或等于13.6 eV时,也可以被处于基态的氢原子吸收,使氢原子电离;当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。
3.原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发。由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差(E=Em-En),均可使原子发生能级跃迁。专题一专题二专题三【例题3】(多选)如图所示,A、B、C分别表示三种不同能级跃迁时放出的光子。由图可以判定( )
?
A.用波长为600 nm的X射线照射,可以使稳定的氢原子电离
B.用能量是10.2 eV的光子可以激发处于基态的氢原子
C.用能量是2.5 eV的光子入射,可以使基态的氢原子激发
D.用能量是11.0 eV的外来电子,可以使处于基态的氢原子激发专题一专题二专题三解析:“稳定的氢原子”指处于基态的氢原子,要使其电离,光子的能量必须大于或等于13.6 eV,而波长为600 nm的X射线的能量为因ΔE=E2-E1=(-3.4) eV-(-13.6) eV=10.2 eV,故10.2 eV的光子可以使氢原子从基态跃迁到n=2的激发态,B正确;2.5 eV的光子能量不等于任何其他能级与基态的能级差,因此不能使氢原子发生跃迁,C错误;外来的电子可以将10.2 eV的能量传递给氢原子,使它激发,外来电子还剩余11.0 eV-10.2 eV=0.8 eV的能量,D正确。
答案:BD专题一专题二专题三变式训练一个氢原子处于基态,用光子能量为15 eV的电磁波去照射该原子,问能否使氢原子电离?若能使之电离,则电子被电离后所具有的动能是多大?
解析:氢原子从基态n=1被完全电离至少需要吸收13.6 eV的能量。所以15 eV的光子能使之电离,由能量守恒可知,完全电离后还剩余动能Ek=15 eV-13.6 eV=1.4 eV。
答案:能 1.4 eV课件26张PPT。本 章 整 合思考并回答下列问题:
本章知识是高考的重点,多数内容都是二级要求,高考内容主要集中在原子核的结构、衰变、质能方程及核反应方程等知识点。1.思考关于原子核的组成的内容,填写下图。 答案:①原子序数大于等于83的原子核都具有放射性
②原子核放出粒子转变成新核
③大量原子核半数发生衰变所用的时间
④具有α放射性的原子核发出的
⑤具有β放射性的原子核发出的
⑥光子,是伴随α射线和β射线放出的
⑦威尔逊云室、气泡室、盖革—米勒计数器
⑧卢瑟福发现 ⑨查德威克发现2.思考关于波尔原子模型的内容,填写下图。 答案:①用粒子轰击原子核产生新核的反应
②广泛应用其射线于生产生活中
③作为示踪原子
④防止射线对环境的污染或对生命的危害3.思考关于核能的内容,填写下图。 答案:①为把核子分开而需要的能量 ②ΔE=Δmc2
③原子弹,有质量亏损,释放核能
④氢弹,有质量亏损,释放核能
⑤可控核反应堆 ⑥可控热核反应4.思考关于粒子与宇宙的内容,填写下图。 答案:①强子、轻子、媒介子
②万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用
③宇宙大爆炸理论 ④恒星的演化
5.写出一些粒子的符号:α粒子 质子
中子 电子 氘核 氚核 ?专题一专题二专题三专题四专题五对核反应方程及类型的理解
1.四类核反应方程的比较专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五2.解题时注意事项
(1)熟记一些粒子的符号(2)注意在核反应方程中,质量数和电荷数是守恒的;在解有关力学综合问题时,还有动量守恒和能量守恒。专题一专题二专题三专题四专题五【例题1】(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程中,表述正确的是( )解析:B项为轻核聚变,β衰变的实质为一个中子转化为一个质子后释放出一个电子,选项B错误;α衰变的实质是释放氦核(α粒子),而D项是重核裂变,并未释放α粒子,选项D错误,正确选项为A、C。
答案:AC专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五专题一专题二专题三专题四专题五变式训练1恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应,当温度达到108K时,可以发生“氦燃烧”。专题一专题二专题三专题四专题五核能的计算
1.利用质能方程来计算核能
(1)根据核反应方程,计算核反应前与核反应后的质量亏损Δm。
(2)根据爱因斯坦质能方程E=mc2或ΔE=Δmc2计算核能。方程ΔE=Δmc2中若Δm的单位用“kg”、c的单位用“m/s”,则ΔE的单位为“J”;若Δm的单位用“u”,可直接用质量与能量的关系式1 u相当于931.5 MeV推算ΔE,此时ΔE的单位为“兆电子伏(MeV)”,即1 u=1.66×10-27 kg,相当于931.5 MeV,即原子质量单位1 u对应的能量为931.5 MeV,这个结论可在计算中直接应用。
2.利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。专题一专题二专题三专题四专题五【例题3】 已知氘核的平均结合能为1.1 MeV,氦核的平均结合能为7.1 MeV,则两个氘核结合成一个氦核时 ( )
A.释放出4.9 MeV的能量
B.释放出6.0 MeV的能量
C.释放出24.0 MeV的能量
D.吸收4.9 MeV的能量
解析:依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为 ,因氘核的平均结合能为1.1 MeV,氦核的平均结合能为7.1 MeV,故结合前氘核的能量为E1=2×1.1 MeV,结合后氦核的能量E2=4×7.1 MeV,于是吸收的能量为ΔE=2E1-E2=-24.0 MeV,式中负号表示释放核能,故选C。
答案:C专题一专题二专题三专题四专题五(2)核能、风能等新能源是近来能源发展的重点方向之一。与煤、石油等传统能源相比较,核能具有哪些优点和缺点?
(3)有一座城市,经常受到大风和风沙的侵扰。为了合理使用新能源,计划建造风能发电站或太阳能发电站。请用物理学知识,指出建造哪种类型的发电站更合适,并请说明理由。专题一专题二专题三专题四专题五(2)优点:核裂变产生的能源比使用煤和石油更加清洁;产能更多。
缺点:核裂变反应造成的核废料具有放射性,难处理;建造成本高。
(3)建风能发电站比较合理
理由:在使用风能发电时,根据能量守恒知识,一方面将风能转化为电能,另一方面可以减弱风速,减小对城市的破坏。专题一专题二专题三专题四专题五核反应与动量、能量相结合的综合问题
1.核反应过程中满足四个守恒:质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒。
2.核反应过程若在匀强磁场中发生,粒子在磁场中做匀速圆周运动,衰变后的新核和放出的粒子(α粒子、β粒子)形成外切圆或内切圆。专题一专题二专题三专题四专题五(1)此核反应中放出的能量ΔE为 。?
(2)若放出的能量全部变为新生核的动能,则新生的氚核具有的动能是 。?
解析:(1)此核反应中的质量亏损和放出的能量分别为:
Δm=(2×2.013 6-3.015 6-1.007 3)u=0.004 3 u,
ΔE=Δmc2=0.004 3×931.5 MeV≈4.005 MeV。
(2)因碰前两氘核动能相同,相向正碰,故碰前的总动量为零。因核反应中的动量守恒,故碰后氚核和质子的总动量也为零。设其动量分别为p1、p2,必有p1=-p2。专题一专题二专题三专题四专题五答案:(1)4.005 MeV (2)1.001 MeV 专题一专题二专题三专题四专题五衰变与轨道
原来静止的原子核衰变发出射线,同时生成新核,若它们处在同一个匀强磁场中,就会出现内切圆和外切圆的物理图景。判断内切、外切的理论依据:
1.动量守恒定律:新核与粒子的动量大小相等、方向相反。
2.带电粒子在磁场中的偏转:带电粒子以某一初速度垂直进入匀强磁场,受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动。
3.左手定则:判断粒子偏转方向(粒子圆周运动的绕行方向)。
呈现内切圆、外切圆物理图景的规律:若原子核衰变放出的射线带正电,则新核与粒子在磁场中的两圆外切;若原子核衰变放出的射线带负电,则内切。两圆的半径大小由 确立。因mv、B相同,故电荷量多的为小圆,即新核必定是小圆。专题一专题二专题三专题四专题五4.能量守恒定律:反应前和反应后系统的能量形式可能发生变化,但系统的总能量(包括核能)是不变的。
5.α衰变和β衰变的规律以及它们在匀强磁场中运动的轨迹特点如下表:专题一专题二专题三专题四专题五【例题5】在匀强磁场中有一个静止的氡原子核,由于衰变它放出一个粒子,此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆,大圆与小圆的直径之比为42∶1,如图所示,那么氡核的衰变方程应为( )解析:由于粒子与反冲核的径迹是外切的,据左手定则可知,该粒子一定带正电。由于粒子与反冲核的动量大小相等,据 ,又由已知大圆与小圆的直径之比为42∶1,所以粒子与反冲核的电荷量之比为1∶42,故B正确。
答案:B专题一专题二专题三专题四专题五变式训练3一个原来静止在匀强磁场中的原子核发生衰变,放出某种粒子后,在匀强磁场中形成如图所示的径迹,原子核放出的粒子可能是( )
?
A.氦核 B.电子
C.γ光子 D.正电子
解析:在此类反应过程中,若为α衰变,由动量守恒定律可知新核和α粒子运动方向相反。由左手定则、轨道半径知识可知,两者轨迹分别为半径大小不同的外切圆。若为β衰变,同理可知新核和β粒子运动轨迹分别为半径内小、外大的内切圆,恰如题图所示。因此,选项B正确。
答案:B
