新课标2010高考物理二轮复习：专题七《热光源》

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【专题七】热光原
【考情分析】
高考对热光原知识的考查大都属于“识记”层次，其考查特点是每道题目考查的知识点较多，容量大，但内容浅显。此外有部分知识内容还必须“理解”、“应用”。
热学经常考查的内容包括分子运动论三要点，油膜法估测分子直径与分子质量数量级，阿伏加德罗常数的意义，与布朗运动有关的因素，分子力的特点及分子间距离变化的规律，分子动能与温度的关系，分子势能随分子间距离的变化关系，气体压强的计算，热力学三定律以及能量守恒等基本规律．
作为物理学的有机组成部分，光学内容由于相对较少，故考生也不太重视。但光学试题在高考中一直占有一席之地，在高考试卷中往往以选择题的形式出现，但有时也有实验题，甚至个别年份也有大型的计算题出现。
近代物理中的考点一般在选择题和填空题中出现，且近几年高考试题中近代物理所占分值有越来越大的趋势，光电效应、光子及其能量、粒子散射实验、原子核式结构、衰变、电子能级，核反应方程、质能方程等知识点是考查热点，且近几年的考查点还在逐渐增加。
在近年的高考试题中，“考课本”和“不回避陈题”是高考本专题命题的最大特点，尤其在目前这个阶段，由于“识记”这一特点，更是要重点复习的。
【知识交汇】
1.布朗运动是悬浮在液体中的微粒的无规则运动，它反映了液体分子的无规则运动，但布朗运动绝对不是分子的运动。这一现象是由液体分子撞击固体颗粒的不平衡造成的，布朗运动与颗粒的大小以及液体或气体的温度有关。
2.分子力特点：同时存在着引力和斥力，且都随间距的增大而减小，随间距的减小而增大；但斥力变化地更快．而分子势能的变化规律：当分子力表现为引力时，分子势能随分子间距的增大而增大；当分子力表现为斥力时，分子势能随分子间距的增大而减少．分子势能存在一个最低点，即在平衡位置处．
3.热力学第二定律：热力学第二定律有多种表达，这里我们主要掌握两种常见的形式:
①按照热传导的方向性表述：热量不可能自发地由低温物体传给高温物体，而不引起其他变化。
②按照机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而又不产生其它变化。由此我们容易得到热力学第二定律的实质：自然界中进行的一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性。其含义是：宏观过程能自动地向某一个方向进行，而不引起其它变化，但只要允许产生其它变化，也不是不能向其逆方向进行。热力学第二定律也可以简单地说，即第二类永动机是不可能制成的。
4.与大气压强不同，气体压强产生的原因是大量分子对器壁频繁碰撞的结果，而不是由气体重力产生。气体压强与分子运动速率有关，还与气体压强与单位体积内的分子数目有关。
5.折射率是反映介质光学性能的物理量，它为折射率的测量提供了依据；而则是从理论上反映介质的特征。
6.发生全反射现象的条件是光从光密介质射向光疏介质，且入射角等于或大于临界角，二者缺一不可。
7.用单色光做双缝干涉实验，则光屏上出现间距相等，明暗相间的条纹，相邻两明条纹（或暗条纹）间的距离跟波长成正比。当波程差为波长的整数倍时，出现亮条纹。当波程差为半波长的奇数倍时，出现暗条纹。若用白光做实验，则光屏上出现的是中央为白条纹，两侧是彩色条纹。
8.单缝衍射条纹的特征是①各级亮纹的宽度不同：中央条纹最宽，两侧条纹越来越窄；②各级亮纹的亮度不同：中央亮纹最亮，向两侧依次亮度减小。③白光的单缝衍射条纹中央白色亮纹，两侧为彩色亮纹。
9.所谓光电效应即在光照射下物体发射光子的现象；光电效应中发射出来的电子。光电效应遵守如下规律：（1）对于同一种金属，只有当入射光频率大于一定的极限频率时，才会产生光电效应。⑵光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强度无关。⑶单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强度成正比。⑷光电效应是瞬时发生的。
10.玻尔理论的跃迁假设：原子从一个定态（设能量为E2）跃迁到另一定态（设能量为E1）时，它辐射成吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hv=E2-E1.
11. 卢瑟福于粒子散射实验证明了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核(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里，带负电的电子在核外绕核旋转.
12.在原子核衰变中，β射线是原子核内部的一个中子变成质子时放出一个电子形成的；γ射线是原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级，它伴随α射线或β射线或同时伴随α、β射线而产生的，这时元素的原子核一定发生变化。
13.重核的裂变和轻核的聚变中均存在质量亏损，故释放核能，二者之间满足爱因斯坦质能方程.
【思想方法】
【例1】利用油膜法可粗略的测定分子的大小和阿伏伽德罗常数。若已知n滴油的总体积为V，一滴油形成的油膜面积为S，这种油的摩尔质量为，密度为，则每个油分子的直径d和阿伏伽德罗常数NA分别为（球的体积公式为）：
A.； B．；C． ；D．.
【解析】 本题考查分子模型的估算，在此类问题中阿伏伽德罗常数是宏观物理量与微观物理量联系的桥梁和纽带。显然，一滴油的体积为，又一滴油形成的油膜面积为S，对这层单分子油膜来说，其体积为Sd，则有 =Sd，即每个油分子的直径d = ，因为每个油分子的体积=，故有=NA，解得 ，本题的正确选项为A。
【例2】如图，水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在气缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。气缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比（ ）
A．右边气体温度升高，左边气体温度不变
B．左右两边气体温度都升高
C．左边气体压强增大
D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量
【解析】当电热丝通电后,右的气体温度升高气体膨胀,将隔板向左推,对左边的气体做功,根据热力学第一定律,内能增加,气体的温度升高，左边的气体压强增大，即A错误，BC正确；由于右边气体内能的增加值为电热丝发出的热量减去对左边的气体所做的功,则D错误。本题正确答案为BC.
【例3】一定质量的气体温度保持不变时，下列说法中正确的是：
A. 若体积减小，气体分子单位时间内对容器壁碰撞的次数增多
B. 若体积减小，每个气体分子对容器壁的平均碰撞力增大
C. 若压强增大，气体对外界做功，气体的内能减少
D. 若压强增大，气体分子在单位时间作用于器壁单位面积的冲量不变
【解析】一定质量的气体温度保持不变时，体积减小，则压强增大，这必定是外界对气体做功，但由于温度保持不变，气体的内能也不变。气体压强与分子运动速率有关，还与气体压强与单位体积内的分子数目有关。但由于温度不变，体积减小，则气体分子单位时间内对容器壁碰撞的次数增多，且每个气体分子对容器壁的平均碰撞力不变，压强就是气体分子在单位时间作用于器壁单位面积的冲量，因此本题正确答案为A.
【例4】对于一定质量的理想气体 , 下列情况中不可能发生的是：
A ．分子热运动的平均动能不变，分子间平均距离减小，压强变大
B ．分子热运动的平均动能不变，分子间平均距离减小，压强减小
C ．分子热运动的平均动能增大，分子间平均距离增大，压强增大
D ．分子热运动的平均动能减小，分子间平均距离减小，压强不变
【解析】气体压强与温度、体积都有关，对于一定质量的气体来说，分子热运动的剧烈程度只和温度有关，而分子间的距离只和体积有关。温度上升，压强增大；体积减小，压强增大，故此，当一定量的理想气体分子热运动变剧烈时，压强可以不变；当分子间的平均距离变大时，压强可以变小，也可能变大。故本题正确答案为B。
【例5】如图所示，一束平行单色光由空气斜射入厚度为h的玻璃砖，入射光束与玻璃砖上表面夹角为θ，入射光束左边缘与玻璃砖左端距离为b1，经折射后出射光束左边缘与玻璃砖的左端距离为b2，可以认为光在空气中的速度等于真空中的光速c．求：光在玻璃砖中的传播速度v．
【解析】由光的折射定律得　　　　
又　
由几何关系得　　　　　　
　
由以上各式可得　
【例6】如图所示，MN是位于竖直平面内的光屏，放在水平面上的半圆柱形玻璃砖的平面部分ab与屏平行．由光源S发出的一束白光从半圆沿半径射入玻璃砖，通过圆心O再射到屏上．在水平面内以O点为圆心沿逆时针方向缓缓转动玻璃砖，在光屏上出现了彩色光带．当玻璃砖转动角度大于某一值，屏上彩色光带中的某种颜色的色光首先消失．有关彩色的排列顺序和最先消失的色光是 （ ）
A．左红右紫，红光 B．左红右紫，紫光
C．左紫右红，红光 D．左紫右红，紫光
【解析】玻璃砖转动时，入射角逐渐增大，由于紫光的折射率最大，故折射光中紫光的射角最大，即屏上呈现左红右紫的彩色光带；同时因为首先达到紫光的临界角，则最先消失的色光是紫光，本题正确答案为B．
【例7】图（甲）所示是用干涉法检查某块厚玻璃的上表面是否平整的装置，检查中所观察到的干涉条纹如图乙所示，则 ( )
A.产生干涉的两列光波分别是由a的上表面和b的下表面反射的?
B.产生干涉的两列光波分别是由a的下表面和b的上表面反射的?
C.被检查的玻璃表面有凸起
D.被检查的玻璃表面有凹陷?
【解析】：如果被检表面是平的，那么空气层厚度相同的各点就位于一条直线上，产生的干涉条纹就是平行的；如果观察到的干涉条纹出现凹凸的情况可以这样分析：由图乙知，P、Q两点位于同一条亮纹上，故图中与P、Q对应的位置空气层厚度相同。由于Q位于P的右方(即远离楔尖)，如果被检表面是平的，Q处厚度应该比P处大，所以，只有当A处凹陷时才能使P与Q处深度相同。同理可以判断与M对应的B处为凸起。故本题正确选项为B、D。
【例8】如图所示，电路中所有元件完好，光照射到阴极上时，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（ ）
A. 入射光太弱； B. 入射光波长太长； C. 光照时间短； D. 电源正负极接反。
【解析】 在本题电路中形成电流的条件，一是阴极在光的照射下有光电子逸出，这决定于入射光的频率是否高于阴极材料的极限频率，与入射光的强弱、照射时间长短无关；二是逸出的光电子应能在电路中定向移动到达阳极。光电子能否到达阳极，应由光电子的初动能大小和两极间所加电压的正负和大小共同决定。一旦电压正负极接反，即使具有很大初动能的光电子也可能不能到达阳极，即使发生了光电效应现象，电路中也不能形成光电流。故该题的正确答案是B、D。
【例9】氢原子核外电子从第3能级跃迁到第2能级时，辐射的光照在某金属上恰能发生光电效应，那么，以下几种跃迁能辐射光子且能使金属发生光电效应的有：
A．处于第4能级的氢原子向第3能级跃迁 B．处于第2能级的氢原子向第1能级跃迁
C．处于第3能级的氢原子向第5能级跃迁 D．处于第5能级的氢原子向第4能级跃迁
【解析】：根据氢原子的跃迁理论，从高能级向低能级跃迁方能辐射光子，据此可排除C．为了使辐射的光子能使金属发生光电效应，光子的能量不能低于金属的逸出功。由于随着能级的增加，氢原子跃迁时相邻的能级差越来越小，故符合要求的答案只能是B。
【例10】经3次衰变和2次衰变后变为一个新核．这个新核的质子数为（　）
　　A．88　　　　　B．84　　　　　C．138　　　　　 D．226.
【解析】α衰变的一般情况是，而β衰变为，搞清原子核反应前后都遵守质量数守恒、电荷数守恒的规律，是解答此类问题的依据。α衰变必然引起质量数和核电荷数的变化，每一次α衰变，质量数减少4，核电荷数减少2。而衰变只会引起核电荷数的变化，每一次衰变，核电荷数增加1，质量数不变。
本题中，应有 ，解得，此即为新核的质子数。故选项A正确．
【例11】核能作为能源具有能量大、地区适应性强的优势.在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能.核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.
（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a=________.以mu、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn 、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=________.
（2）有一座发电能力为P=1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11J, U核的质量Mu=390×10-27kg.求每年（1年=3.15×107s）消耗的U的质量.
【解析】（1）由核反应方程的电荷数守恒和质量数守恒知X的电荷数为零，且质量数不为零，故X为中子，据质量数守恒可得235+1=141+92+a，则a=3,
由爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2得该核反应过程中放出核能ΔE=（mu-mBa-mKr-2mn）c2
（2）设一年消耗的U的质量为x千克，则消耗的核能为E核=·ΔE
一年中产生的电能为E电，则E电=Pt（t为一年时间）
由题意知：E电=E核·η，则E核=，故=△E=
所以x=kg=1.10×103 kg
【专题演练】
1．如图所示，导热性能良好的气缸内用活塞封闭着一定质量、常温常压的气体，气缸固定不动。一条细绳一端连接在活塞上，另一端通过两个光滑的定滑轮后连接在一个小桶上，开始时活塞未静止。现不断向小桶中添加细沙，使活塞缓慢向上移动（活塞始终未被拉出气缸、周围环境温度不变）。则在活塞移动的过程中，下列说法正确的是 （ ）
A．气缸内气体的分子平均动能变小 B．气缸内气体的内能变小
C．气缸内气体的压强变小 D．气缸内气体向外界放热
2.银导线的截面积S=1mm2,通过I=2A的电流,若每个银原子可提供一个自由电子,则银导线1m长度上的自由电子数为____个.(已知银的密度ρ=10.5×103kg/m3,摩尔质量M=0.108kg/mol,保留三位有效数字)
3.如右图所示，一束由两种色光混合而成的很细的复色光沿PO方向射到上、下表面平行的厚玻璃平面镜的上表面，得到三束反射光束Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，则：( )
A．光束Ⅰ仍为复色光，光束Ⅱ、Ⅲ为单色光，且三束光一定相互平行。
B．光Ⅱ照射某金属表面能发生光电效应现象，则光Ⅲ也一定能使该金属发生光电效应现象。
C．减小θ角但θ>0°，光束Ⅱ、Ⅲ与光束Ⅰ的间距增大。
D．减小θ角但θ>0°，光束Ⅲ可能会从上表面消失。
4.水平放置的汽缸被活塞分为体积相同的A、B两部分，活塞可以无摩擦自由移动且不漏气，气缸和活塞均用绝热材料制成。A、B中分别装有等质量的同种理想气体，初始时A、B的温度相同。现接通电源，对A缓慢加热一段时间后，断开电源，活塞移动到新的位置后处于平衡状态。加热后分别用Pa、Va、Ta，Pb、Vb、Tb表示两部分气体的状态参量，Xa、Xb表示气体分子单位时间对活塞碰撞的次数，则下列说法正确的是：（　　 ）
A．Pa >Pb 　 B．Ta >Tb C．VaXb
5.发光功率为P的点光源放在折射率为n的介质中，点光源向各个方向均发出波长为的单色光，在距点光源为l远处，垂直光的传播方向有一孔屏，小孔的面积为S，求时间t内通过小孔的光子数。（设真空中光速为c，普朗克恒量为h）
6.处于n=3激发态的大量氢原子向基态跃迁时所放出光子中，只有一种光子不能使某金属A产生光电效应，则下列说法正确的是：
A.这种不能使金属A产生光电效应光子一定是从n=3激发态直接跃迁到基态时放出的；
B.这种不能使金属A产生光电效应光子一定是n=3激发态直接跃迁到n=2激发态时放出的；
C.若从n=4激发态跃迁到n=3激发态，所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应；
D.若从n=4激发态跃迁到n=2激发态，所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应。
7. 可见光光子的能量在1.61eV~3.10eV范围内．若氢原子从高能级跃迁到低能级，根据氢原子能级图可判断 （ ）
A．从n = 4能级跃迁到n = 3能级时发出可见光
B．从n = 3能级跃迁到n = 2能级时发出可见光
C．从n = 2能级跃迁到n = 1能级时发出可见光
D．从n = 4能级跃迁到n = 1能级时发出可见光
8.如图所示，水下光源S向水面A点发射一束光线，折射光线分别为a、b两束。则 （ ）21世纪教育网
A．在水中a光的速度比b光的小21世纪教育网
B．用同一双缝干涉实验装置分别用a，b光做实验，a光干涉21世纪教育网
条纹间距小于b光干涉条纹间距21世纪教育网
C．若保持入射点A位置不变，将入射光线顺时针旋转，21世纪教育网
从水面上方观察，a光先消失，21世纪教育网
D．a，b两束光相比较，a光的波长较长
9. 用α粒子轰击铝核(Al)，产生磷核(P)和x粒子，磷核(P)具有放射性，它衰变后变成硅核(Si)和y粒子，则x粒子和y粒子分别是 （ ）
A．质子 H、电子 e B．质子 H、正电子 e
C．中子 n、电子 e D．中子 n、正电子 e
10.如图所示，U形管A、B内装有一部分水银，通过橡胶软管与玻璃管C相连，C管竖直插入水银槽中，若A、B、C三管内径相同，U形管两侧液面高度差为h，中间封有一段空气，则（ ）
A．C管内外水银面的高度差大于h
B．若将C管向下移动少许，则B管内水银面沿管壁上升
C．若再往B管注入一些水银，则A管水银面上升的高度大于C管水银面下降的高度
D．若环境温度升高，则A管水银面下降的高度等于C管水银面下降的高度
【参考答案】
1．C； 2、5.85×1022； 3. A； 4．B； 5.；
6.BC； 7.B； 8.B D；9. D； 10. BC；
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