高三物理（人教版）第二轮专题辅导讲座 第四讲 热学、光学、原子核

高三物理（人教版）第二轮专题辅导讲座
第四讲 热学、光学、原子核
热学
【命题趋向】利用阿伏加德罗常数求分子的直径、分子的质量、估算分子个数以及布朗运动、分子间相互作用力随分子间距离变化的关系、内能及其变化是高考常考知识点，多以难度中等或中等偏下的选择题形式出现。
【考点透视】
1．阿伏加德罗常数是联系微量与宏观量的桥梁。具体表现（摩尔质量，摩尔体积，分子质量分子体积）：①分子数：；②分子的质量：③分子的体积（气体单个分子可拥有的空间）：。④分子直径的估算：把固、液体分子球模形；立方体模型则（对于气体：表示分子的间距）。
2．扩散现象是分子的运动。布朗运动是悬浮微粒的无规则运动，是液体分子的无规则运动的反应。
3．分子间存在相互作用力：分子间引力和斥力同时存在，都随间距离的变化而变化，但斥力随距离的变化快。
4．物体的内能：物体内所有分子的动能和势能的总和叫物体的内能。温度是分子平均动能的标志，分子势能由分子间的相互作用和相对位置决定，分子势能变化与分子力做功有关。物体的内能由物质的量、温度、体积决定。改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，它们在改变物体的内能上是等效的，但实质不同。
5．热力学第一定律的数学表达式为：
6．热力学第二定律的两种表述。
7．能量守恒定律是自然界的普遍规律。
8．气体的状态参量的关系：对一定质量的理想气体（实际气体在常温下可视为理想气体）（恒量）。
【例题解析】
例1　对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法正确的是 （ ）
A．温度高的物体内能不一定大，但分子平均动能一定大
B．理想气体在等温变化时，内能不改变，因而与外界不发生热交换
C．布朗运动是液体分子的运动，它说明分子永不停息地做无规则运动
D．扩散现象说明分子间存在斥力
解析：温度越高，分子平均动能越大，但内能不仅与动能有关，还和分子势能有关；对理想气体，温度不变，其内能不变，由热力学第一定律知，仍可以和外界发生热交换；布朗运动不是液体分子的运动，而是固体颗粒的运动，它液体分子的无规则的运动的反应；扩散现象说明分子是永不停息的运动，不能说明分子间是否存在斥力。正确答案是A。
点拨：分子动理论是高考常考的内容，对此要求也较低，只需要正确理解实验结论，并能准确的表述即可。
例2　如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示，>0表示斥力，<0表示引力， a、b、c、d为轴上四个特定的位置，现把乙分子从处静止释放，则（ ）
A．乙分子从到做加速运动，由到做减速运动
B．乙分子由到做加速运动，到达时速度最大
C．乙分子由到的过程中，两分子间的分子势能一直增加
D．乙分子由到的过程中，两分子间的分子势能一直增加
解析：乙分子从a到d一直做加速运动，分子力做正功，分子势能减小，c到d做减速运动，分子力做负功，分子势能增大，在c点时速度最大；所以正确选项是B。
点拨：对F—x图像中包含的信息不能完全理解是造成失误的主要原因，而“图像问题”是近年高考的一个热点，这在复习中要引起重视。分子势能的变化与分子力做功有关，这与重力势能的变化与重力做功有关完全类似。
例3　封闭在气缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是（ 　 ）
A．气体的密度增大　　　　　　　　　B．气体的压强增大
C．气体分子的平均动能减小　　　　　D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多
解析：由知，当气体体积不变，当温度升高时，气体压强必然变大而密度保持不变；气体的压强与单位体积的分子数和分子的平均动能有关。气体体积不变而压强增大时，单位体积的分子数不变，但温度升高，分子平均动能变大，气体分子与器壁碰撞更加频繁。所以正确选项是B D。
点拨：对于一定质量的气体，状态参量满足（恒量）。从微观来看，气体的压强由单位体积的分子数和分子的平均动能决定。
例4　如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分了间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小（ ）
A．从外界吸热 B．内能增大 C．向外界放热　 D．内能减小
解析：在筒缓慢下降的过程水温恒定，空气温度不变，当不计气体分了间相互作用时，气体的内能不变，但筒内空气被压缩，外界对它做功，气体必然放出热量。所以正确选项是C。
点拨：对气体内能的变化分析时应当注意题干中的描述，“缓慢”往往表明温度不变，“体积不变（或气体自由鼓胀）”说明气体不对外做功，外界也不对气体做功，“绝热”指不发生热传递，“理想气体（或不考虑分子作用力）”意味着忽略分子势能。
【专题训练与高考预测】
1．阿伏加德罗数为，铁的摩尔质量为，铁的密度为，下列说法中不正确的是（ ）
A．铁所含的原子数目是 　　　B．1个铁原子的质量是
C．1个铁原子占有的体积是　　　　D．1铁所含有的原子数目是
2．如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K，P中充满气体，Q内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则（ ）
A．气体体积膨胀，内能增加
B．气体分子势能减少，内能增加
C．气体分子势能增加，压强可能不变
D．Q中气体不可能自发地全部退回到P中
3．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做功8.0×104J，气体内能减少1.2×105J，传递热量为Q，则下列各式正确的是（ ）
A．，，
B．，，
C．，，
D．，，
4．下列说法中正确的是（ ）
A．气体的温度升高时，分子的热运动变得剧烈，分子的平均动能增大，撞击器壁时对器壁的作用力增大，从而气体的压强一定增大
B．气体的体积变小时，单位体积的分子数增多，单位时间内打到器壁单位面积上的分子数增多，从而气体的压强一定增大
C．压缩一定量的气体，气体的内能一定增加
D．分子从远处趋近固定不动的分子，当到达受的作用力为零处时，的动能一定最大
【参考答案】1 D　2 D　3 B 4 D
光学
【命题趋向】高考对光学的考查在折射率、全反射现象的分析、光的干涉和光电效应，光子能量等知识点命题频率较高，其次是波长、波速和频率的关系，常见的题型是选择题。2007年的高考可能侧重于几何光学和物理光学的综合应用。
【考点透视】
一 几何光学
1．光的反射及平面镜成像：光的反射遵守反射定律，平面镜成成等大正立的虚像，像和物关于镜面对称。
2．光的折射和全反射
（1）光的折射定律：（和分别为入射角和折射角）。
（2）折射率：当光从真空射人介质发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦的比值，其值还等于光在真空中传播速度与介质中传播速度的比值，即。
（3）光的色散：把分解为的现象叫光的色散。复色光--白光通过棱镜后，被分解为各种单色光。
①光的颜色由光的频率决定，各种单色光中，红光频率最小，紫光频率最大。在不同媒质中，光的频率不变。
②同种介质对不同频率的光的折射率不同，频率越高，折射率越大。
③不同频率的色光在真空中传播速度相同为，但在其它媒质中速度各不相同，同一种媒质中。
④由于单色光在不同介质中传播时速度要变化，因此波长也要变化。
（4）全反射：当光从光密介质射向光疏介质时，折射光线消失，入射光全部反射到原来的介质中，这种现象叫全反射。
全反射的条件：（1）光线从光密介质射向光疏介质，（2）入射角大于临界角。光从光密介质射向光疏介质时，折射角等于900时入射角叫临界角，。
二 光的本性
1．光的波动性：光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光的偏振现象说明光波为横波，光的电磁说则揭示了光波的本质——光是电磁波。
（1）光的干涉条件：频率相同的两光源发出的光在空间相遇。
①双缝干涉：若用单色光，则在屏上形成明暗相间、等间距的干涉条纹，条纹间距与波长、屏到双缝的距离和双缝间距有关，满足。若用白光，除中央亮条纹为白色外，两侧为彩色条纹，它是不同波长的光干涉条纹的间距不同而形成的。
②薄膜干涉：薄膜的前后两个表面反射的两列光叠加而成。同一条明条纹（或暗条纹）应出现在膜的厚度相同的地方。
（2）光的衍射：光偏离直线传播，绕到障碍物后继续传播的现象叫做光的衍射，发生明显的衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比光波波长小或相差不多。
单缝衍射：若入射光为单色光，则中央为亮且宽的条纹，两侧为亮度逐渐衰减的明暗相间条纹；若入射光为白光，则除中央出现亮且宽的白色条纹外，两侧出现亮度逐渐衰减的彩色条纹。
（3）光的偏振
在与光波传播方向垂直的平面内，光振动沿各个方向均匀分布的光称为自然光，光振动沿着特定方向的光即为偏振光。
（4）光的电磁本性
麦克斯韦的电磁理论预见了电磁波的存在，赫兹用实验证明了电磁波理论的正确性。光波为电磁波。在电磁波谱中，各种电磁波产生机理不同，表现出来的性质也不同。
2．光的粒子性
（1）光电效应：在光的照射下，从物体发射出电子（光电子）的现象。其规律是：任何金属都存在极限频率，只有用高于极限频率的光照射金属，才会发生光电效应现象。在入射光的频率大于金属极限频率的情况下，从光照射到逸出光电子，几乎是瞬时的。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光强无关。单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比。
（2） 光子说：即空间传播的光是一份一份地进行的，每一份的能量等于（为光子的频率），每一份叫做一个光子。光子说能解释光电效应现象。爱因斯坦光电方程
3．光的波粒二象性：光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应现象表明光具有粒子性，因此光具有波粒二象性。
【例题解析】
例1　空气中两条光线a和b从方框左侧入射，分别从方框下方和上方射出，其框外光线如下左图所示。方框内有两个折射率n＝1.5的玻璃全反射棱镜。下右图给出了两棱镜四种放置方式的示意图，其中能产生右图效果的是（　　）
解析：因为，由知临界角小于，光线通过全反射棱镜时入射角为发生全反射，观察图中光线向下偏折，光线向上偏折，对照四个选项可知选项B符合要求。
点评：对全反射现象分析时需要进行判断、推理、运用几何关系作图，熟练掌握平面境、平行玻璃砖、棱镜，全反射棱镜等光具对光路的改变规律有助于对此类问题的快速求解。
例2　已知能使某金属产生光电效应的极限频率为，则（ A B ）
A．当用频率为的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为
C．当照射光的频率大于时，若增大，则逸出功增大
D．当照射光的频率大于时，若增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
解析：入射光的频率，一定能发生光电效应；对于某种金属其逸出功是不变的；由光电光电方程知，本题正确选项是A B。
点评：记住并准确理解光电效应的规律是求解对此类问题前提。
例3　先后用甲、乙两种不同的单色光，在相同的条件下用同一双缝干涉装置做实验，在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同，其中甲光间距较大。则甲光比乙光（ C ）
①在真空中的波长短 ②在玻璃中传播速度大
③在玻璃中传播时，玻璃的折射率大 ④其光子能量小
A．①②③④ B．①③ C．②④ D．①③④
解析：甲的双缝干涉条纹间距比乙大，表明甲在真空中的波长比乙长，由知，甲的频率比乙的低，光子的能量小，在玻璃中的折射率小；由知在玻璃中甲的传播速度较大，所以正确选项是C。
点拨：对光的本性的考查一般知识跨度较大，这就要求考生除了记住重要结论之外，还要能抓住相关物理量间的联系。
【专题训练与高考预测】
1．两束不同频率的单色光a、b从空气射入水中，发生了如图所示的折射现象（>）。下列结论中正确的是（　　）
A．光束b的频率比光束a低
B．在水中的传播速度，光束a比光束b小
C．水对光束a的折射率比水对光束b的折射率小
D．若光束从水中射向空气，则光束b的临界角比光束a的临界角大
2．图示为一直角棱镜的横截面，。一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜。已知棱镜材料的折射率n=，若不考虑原入射光在bc面上的反射光，则有光线（ ）
A．从ab面射出
B．从ac面射出
C．从bc面射出，且与bc面斜交
D．从bc面射出，且与bc面垂直
3．现有、、三束单色光，其波长关系为> >，用光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。若分别用光束和光束照射该金属，则可以断定（　　）
A．光束照射时，不能发生光电效应
B．光束照射时，不能发生光电效应
C．光束照射时，释放出的光电子数目最多
D．光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小
4．以下关于光的说法正确的是 （ ）
A．光纤通信利用了全反射的原理
B．无色肥皂液吹出的肥皂泡呈彩色是由于光照时发生了薄膜干涉
C．人们眯起眼睛看灯丝时看到的彩色条纹是光的衍射图样
D．麦克斯韦提出光是一种电磁波并通过实验证实了电磁波的存在
5．红光和紫光相比，（ ）
A．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较大
B．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大
C．红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小
D．红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小
【参考答案】1C　2 BD　3 A　4 A B C　5 B
原子和原子核
【命题趋向】该部分知识涉及近代物理及其前沿科学动态，要求较低，因此，尽管每年的高考都涉及该专题知识，但难度都不太大，多以选择形式出现。所考查的内容主要集中在原子的核式结构、玻尔理论、半衰期的计算、质能方程及核反应方程等知识点。
【考点透视】
1．原子的结构模型
（1）汤姆生的“枣糕”式模型。
（2）卢瑟福的原子核式结构模型：即认为原子的中心有一个很小的核——原子核，原子核集中了原子中所有的正电荷及几乎全部的质量，电子则在核外绕核高速运转。原子的核式结构可成功地解释粒子散射现象。
（3）玻尔的原子结构模型：
玻尔理论的主要内容：①原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这种状态叫定态。②原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即。③原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，原子的定态是不连续的）因此电子的可能轨道半径也是不连续的。
2．原子核
（1）天然放射现象和元素的衰变
原子序数大于83的所有元素都具有放射性。放射线的有三种：带正电的射线，其实质为高速运动的氦核流；带负电的射线，其实质为高速电子流；不带电的射线，其实质为波长很短的电磁波。射线电离本领最强，射线贯穿本领最强。
某种元素的原子核放出或射线后会变成新的原子核，即发生衰变。不同元素衰变的快慢不同，原子核半数发生衰变经过的时间叫做半衰期，半衰期反映元素衰变的快慢程度。
（2）原子核的组成、同位素
原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称为同位素。
（3）核力与核能
质子和中子可结合为稳定的原子核，说明核子间存在核力的作用，将原子核分解为一个个孤立的核子，要提供相应的能量，反之则可释放相应的能量，该能量即称核能。原子核的质量小于组成它的核子质量之和叫做质量亏损。核反应中释放的核能可用爱因斯坦质能联系方程计算。
（4）核反应及核反应方程
元素的原子核变化的过程即为核反应，核反应有天然衰变、人工转变、重核裂变和轻核聚变四种类型，其中重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个重要途径，目前的核电站都是利用重核裂变释放的核能来发电的。
核反应可用核反应方程来表示，书写核反应方程应依据核反应的事实，利用质量数守恒和核电荷数守恒进行配平。
提醒注意：关于原子核、核能的知识应该记住一些重要的史实。
【例题解析】
例1　现有三个核反应：
　②　③
下列说法正确的是（　　　）
A．①是裂变，②是衰变，③是聚变 B．①是聚变，②是裂变，③是衰变
C．①是衰变，②是裂变，③是聚变 D．①是声衰变，②是聚变，③是裂变
解析：①中的是粒子，故发生的是衰变，②是重核分裂成质量较小的核是裂变，③是典型的聚变，所以正确选项是C。
点评：本题涉及到原子核的衰变、裂变和聚变，考查了考生对这些核反应方程的理解和区别，属较容易的考题，体现了高考对原子核部分内容的考查方向。
例2　一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是（ ）
A X原子核中含有86个中子
B X原子核中含有141个核子
C 因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加
D 因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
解析：依据质量数守恒和电荷数守恒计算出未知粒子的电荷数为54，质量数为140，所以未知粒子含有140个核子，其中子数为86；由于核能的释放，要出现质量亏损，而不是质量数变化。
答案：A
点拨：关于核反应方程的问题，首先是依据质量数守恒和电荷数守恒计算出未知粒子的电荷数和质量数，再确定它是哪种粒子或进行其它的推断。
例3　氢原子的能级如图所示，已知可见的光的光子能量范围约为 1.62eV ~3.11 eV。下列说法错误的是（　　）
A．处于 n = 3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发发电离
B．大量氢原子从高能级向 n = 3 能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应
C．大量处于 n = 4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光
D．大量处于 n = 4是能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 3种不同频率的可见光
解析：大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，共可发出6种频率的光，其中在可见光范围内的有n＝4到n＝2和n＝3到n＝2两种，故D选项错误，选C选项正确，n＝3能级能量为-1.5leV，因紫外线能量大于1.51eV，故紫外线可使处于n =3能级的氢原子电离， n＝4能级跃迁到n＝3能级释放能量为0.66eV<1.62eV，此光为红外线具有显著热效应，故A B项不选，所以本题应选D。
点拨：一群氢原子处于量子数为的激发态时，可能发出种频率的光子。
【专题训练与高考预测】
1．使某种金属X发生光电效应所需的光子最小的能量为2. 60eV。已知一群氢原子处于量子数， n＝3的激发态，其能级如图所示。这些氢原子能够自发地跃迁到较低的能量状态，并向外辐射多种频率的光．那么，若用这些氢原子辐射的光照射这种金属，能够使这种金属X发生光电效应的有几种不同频率的光（ ）
A ．一种 B．二种 C．三种 D．四种
2．下面四个方程中各代表某种粒子。
　　
　　　　　　　
以下判断正确的是（ ）
A．是中子　　　B．是质子　　　C．是粒子　　　D．是氘核
下列说法中不正确的是（ ）
A．氡的半衰期有3.8天，若有4个氡原子核，经7.6天后就一个原子核也没有了
B．许多元素能自发地放出射线，使人们开始认识到原子核是有复杂结构的
C．卢瑟福在粒子散射实验中发现了电子
D．射线一般伴随着或射线产生，它的穿透能力最强
3．铀裂变的产物之一氪90（）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆
90（），这些衰变是 （ ）
A．1次衰变，6次衰变　　　　　　B．4次衰变
C．2次衰变　　　　　　　　　　　　D．2次衰变，2次衰变
4．下列说法正确的是（ ）
A．康普顿发现了电子
B．卢瑟福提出了原子的核式结构模型
C．贝克勒尔发现了铀和含铀矿物的天然放射现象
D．伦琴发现了X射线
【参考答案】1B2 AC3 B4 BCD
A
B
C
D
1
－13.6