★高考二轮复习专题八光学和近代物理初步-高三年级高考第二轮总复习物理专题研究.pdf

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1、 1 专题研究八 光学和近代物理初步 相关知识链接 几何光学 波动光学 光路可逆 条件 光的直线传播 现象 光速 应用 光的反射 现象 规律 平面镜 成像 控制光路 光的折射 现象 规律 棱镜 全反射 光电效应 光子说 光的干涉 光的衍射 光的偏振 光的电磁说 光谱 光的波粒二象性 微粒说 波动说 光学 原子结构 核外电子 原子核 核结构 中子 质子 核反应 天然放射现象 核裂变 聚变 核 能 2 （1）光学 考 点 考 题 题 型 光的直线传播 全国物理 10（03）选择题 广东物理 16（04）填空题 北京理综 19（05）选择题 光的反射 全国物理 4（03）选择题 广东物理 11（04

2、）选择题 光的折射 全国物理 8（03）选择题 全国理综 21（04）选择题 全国理综 18（05）选择题 光的色散 江苏物理 9（04）计算题 北京理综 18（04）选择题 光的干涉 上海物理 8（03）选择题 天津理综 19（04）选择题 江苏物理 15（05）作图题 光电效应 全国物理 2（03）选择题 上海物理 9（04）填空题 天津理综 17（05）选择题 光的波粒二象性 江苏物理 1（04）选择题 上海物理 1（04）选择题 江苏物理 6（05）选择题（2）近代物理 考 点 考 题 题 型 原子的结构 上海物理 9（03）填空题 上海物理 5（04）选择题 全国理综 15（05）选

3、择题 氢原子的能级 全国物理 9（03）选择题 广东物理 1（04）选择题 全国理综 15（05）选择题 核反应方程 全国理综 17（03）选择题 全国理综 14（04）选择题 江苏物理 1（05）选择题 高考考点解读 3 几何光学的命题，重在对基本概念、基本规律的考查。热点之一：与生活密切联系的问题，如：光纤通信、猫眼、海市蜃楼等，重点是光的直线传播、光的反射、光的折射；热点之二：平面镜成像，可能与动态成像、几何知识相结合进行考查；热点之三：全反射的判断、折射率的计算，可能以计算题的形式考查。波动光学的命题，重在基本实验、基本规律的考查。热点之一：与现代科技密切联系的问题，如：精密测量、光谱

4、分析、增透膜等；热点之二：基本实验图样的特点，如：干涉图样、泊松亮斑、偏振现象等；热点之三：基本规律的考查，如：干涉、衍射、偏振的条件，光电效应的规律等。原子物理的命题,要求较低但历届高考命题均涉及，“回归课本”、“不回避陈题”是本单元的特点。热点之一：对玻尔理论的考查，常以某类氢原子为例，考查.学生对定态假设、跃迁假设的理解能力及推理能力等；热点之二：核反应方程，常考点是衰变、人工转变、裂变、聚变等；热点之三：核能的开发与利用，这是一个社会热点问题，以此为背景的命题在计算题中频频出现，重点是用能量守恒和动量守恒处理问题。高考命题思路 4 第 19 课时 几何光学和波动光学 例 1【2005

5、南通专题复习】如图 19-1 所示，折射率为 n2的液面上有一点光源 S，发出一条光线，垂直地射到水平放置于液体中且距液面高度为 h的平面镜 M 的 O 点上，当平面镜绕垂直于纸面的轴 O 以角速度 逆时针方向匀速转动时，液面上的观察者跟踪观察，发现液面上有一光斑掠过，且光斑到 P 点后立即消失，求：(1)光斑在这一过程的平均速度。(2)光斑在 P 点即将消失时的瞬时速度。析和解：光线垂直于液面入射，平面镜水平放置时反射光线沿原路返回，平面镜绕 O 逆时针方向转动时经平面镜的反射，光开始逆时针转动，液面上的观察者能得到由液面折射出去的光线，则看到液面上的光斑，从 P 处向左再也看不到光斑，说明

6、从平面镜反射 P 点的光线在液面产生全反射，根据在 P 处产生全反射条件得：90sinsinn121 sin 22，45(1)因为 45，PAOAh，t 88 V8hh8(2)光斑转到 P 位置的速度是由光线的伸长速度和光线的绕 O 转动的线速度合成的，光斑在 P 位置的线速度为 22 h，所以光斑沿液面向左的速度 v v线/cos4522 h/cos454 h。点评：几何光学问题，作出正确的光路图致关重要！第(1)问的关键是，求光斑运动的时间，求平面镜转动时间即可；第(2)问要求学生真正掌握合速度与分速 度的概念，光斑运动的方向为合速度 例 2 【2005科研测试二9】一近轴会聚光束会聚在轴

7、线上的F 点，如图 19-2所示，现在使该会聚集光束会聚与 F 相距的 F 处，可让光束通过一块垂直于光轴放置的两面平行的平板玻璃，若此玻璃 的折射率为 n，则此玻璃板的厚度 d 为多少?析和解：光线通过平板玻璃，出射光线与入射 光线平行，同时侧向移动一段距离。设入射光线的入射角为 i，通过玻璃平板时，在第一个表面发生折射，折射角为，在第二个表面上，入射角为，折射角为i，如图 19-3，图中 AA=l，若玻璃板的厚度为d，则有 tantandidl 精典考题反思 图 19-1 图 19-2 图 19-3 5 由折射定律有 sinsinni 对于近轴光线 iiisintan sintan 由、式

8、得 dnil)11(以 O 表示玻璃板与轴的交点，则有 iFOAOOFOAitan OFFO 由、式得 1nnd 点评：“光学问题”正确作图是成功解题的关键，本题需用入射角较小的光线作光路图，利用数学知识 iiisintan，s i nt an化简关系式；这是处理“视深问题”时要注意的两点。例 3 【2005年全国大联考】某金属在一束黄光的照射下正好有电子逸出，则在下述情况下逸出电子的多少和电子的最大初动能有什么变化?(1)增大光强而不改变光的频率。(2)用一束强度更大的红光代替黄光。(3)用一束强度比黄光小得多的紫光代替黄光。析和解：某金属在黄光的照射下正好有电子逸出，说明此种黄光的频率恰好

9、为该种金属的极限频率。（1)增大光强而不改变光的频率，意味着单位时间内入射光子数增加而每个光子的能量不变，因此光电子的最大初动能不变，但逸出的光电子数目增加。(2)用一束强度更大的红光来代替黄光，红光光子的频率小于该金属的极限频率，所以无光电子逸出。(3)用强度比黄光小得多的紫光代替黄光，虽然单位时间里射向金属的光子数比原来减少，但每个紫光光子的能量比黄光光子的能量大，因此，光电子的最大初动能增大，但是单位时间里逸出的光电子的数目减少(注意：即使紫光的强度与黄光的强度相同，单位时间里射向金属的光子数应是黄光多，紫光少，因为每个紫光光子的能量比每个黄光光子的能量大)。点评：光电效应规律有四条，其

10、中两条规律是：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；当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比这两条规律告诉我们，入射光的强度只能决定光电子的多少，而不能决定光电子的最大初动能；光电子的最大初动能仅由入射光的频率决定 例 4 【2005如皋专题复习】激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现有一红宝石激光器，发射功率为101010.W，所发射的每个光脉冲持续的时间t为101011.s，波长为 793.4 nm，问每列光脉冲的长度 l 是多少？其中含有的光子数 n 是多少

11、？析和解：以t，l 和 c 分别表示光脉冲的持续时间，长度和光在真空中的传播速度，由题意可 6 知，tcI 以 P 和 E 表示红宝石激光器发射功率和光脉冲能量，有：EP t 以和表示红宝石激光的波长和频率，有：c 每个红宝石激光光子的能量，hhc 由两式得：nEhP thc 代入数据得：lmmn30351017.，点评：激光器发光的本质是能的转换，光源在t时间发射的能量EP t，由每个光子的能量 E=h，即可计算 n 1【2005北京理综 19】一人看到闪电12.3s后又听到雷声。已知空气中的声速约为330m/s340m/s，光速为 3108m/s，于是他用 12.3 除以 3 很快估算出闪

12、电发生位置到他的距离为 4.1km。根据你所学的物理知识可以判断（）A.这种估算方法是错误的，不可采用 B.这种估算方法可以比较准确地估算出闪电发生位置与观察考间的距离 C.这种估算方法没有考虑光的传播时间，结果误差很大 D.即使声速增大 2 倍以上，本题的估算结果依然正确 2.【2001全国理综22】如图所示，两块同样的玻璃直角三棱镜 ABC，两者的 AC 面是平行放置的，在它们之间是均匀的未知透明介质，一单色细光束 O 垂直于 AB 面入射，在图示的出射光线中（）A.1，2，3（彼此平行）中的任一条都有可能 B.4，5，6（彼此平行）中的任一条都有可能 C.7，8，9（彼此平行）中的任一条

13、都有可能 D.只能是 4，6 中的某一条 3【2005 全国理综17】图示为一直角棱镜的横截面，bac90，abc=60。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=2，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 巩固提高训练 图 19-1 图 19-2 图 19-3 8 的垂直距离分别为 a 和 L，光的波长为，在光屏上形成干涉条纹写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离 x 的表达式 10【2004 北京东城试题】一般认为激光器发出的是频率为 v 的“单色光”，实际

14、上它的频率并不是真正单一的，激光频率 v 是它的中心频率，它所包含的频率范围是 v(也称频率宽度)，让单色光照射到薄膜表面，一部分从前表面反射回来(这部分称为甲光)，其余的进入薄膜内部，其中的一小部分从薄膜后表面反射回来，并从前表面射出(这部分称为乙光)，甲、乙这两部分光叠加而发生干涉，称为薄膜干涉，乙光与甲光相比，要多在薄膜中传播一小段时间t，理论和实践都证明，能观察到明显的干涉现象的条件是：t的最大值tm与 v 的乘积近似等于 1，即只有满足tm v1，才会观察到明显的稳定的干涉现象已知某宝石激光器发出的激光 v4321014Hz，它的频率宽度 v80109Hz，让这束单色光由空气斜射到折

15、射率 n2的液膜表面，射人时与液膜表面成 450角，如图 6-3-2 所示(1)求从 O 点射人薄膜中的光线的传播方向及传播速率(2)估算在如图所示的情景下，能观察到明显稳定干涉现象的液膜的最大厚度 dm nOd 450 图 19-6 9 附：第 19 课巩固提高训练答案及解 1.答案：B 解：光速远远大于声速，光的传播时间可以忽略不计。2.答案：B。解：(1)光线经 AC 面的折射情况由于未知透明介质的折射率的不确定性分为三种情况：（1）透明介质折射率大于玻璃折射率，可能出射光线为图中第 6 条；（2）透明介质折射率等于玻璃折射率，入射光线不偏折，是第 5 条光线；（3）透明介质折射率小于玻

16、璃折射率，可能射出光线为第 4 条光线。3.答案：B D 解：折射率 n=2，临界角为 45，光线在 ab 面上的入射角为 60，发生了全反射，射到 ac面上，入射角为 30，有光线从 ac 面射出，同时有光线从 bc 面射出，入射角为 0。4.答案：A、B 解：三棱镜由于玻璃对于各种色光的折射率不同，导致了各种色光的偏折角不同而形成彩色光带(即色散)玻璃对紫光的折射率最大，紫光的偏折角最大，而紫光的临界角最小，所以首先在 EG面上发生全反射后再从 GF 面上折射到光屏 B 上当 i=0 时，白光射到 EG 面上入射角为，此时黄光恰好发生全反射而频率高于黄光的绿、蓝、紫光均发生全反射到 FG

17、面上，它们的入射角相同，折射角最大的是紫光，所以 B 屏的左边是紫光 5.答案：x=1m.解：根据光的反射、折射作出光路图如图所示，可求得人向后 移动的距离。6.答案：A B 解：不同金属的逸出功不相同，不同频率的单色光的光子能量不同，由光电方程知 A B 正确；最大初动能与极限频率有关，金属的逸出功与金属本身有关；能否发生光电效应与光强无关。7 答案：=7.510-7m f=41014Hz 解：相邻两条暗纹间的距离为 x=1.510-3m.根据xLd 得：=7.510-7m.由f=c/得此光的频率为f=41014Hz 8 答案：（1）n=302 （2）P=10-6W 解：E=nhC/，302

18、hCEn个 10221610410rSP，P=10-6W 9 答案：（1）如图 19-8（2）Lxd 因为2da，图 19-7 10 所以 2Lxa 10 答案：（1）v=2.12108m/s （2）dm=1.1510-2m 解：(1)由折射率 n=c/v 得射入薄膜中的光的速率：v=2.12108m/s (2)由光的折射定律得：2sin45sin0r 设乙光在薄膜中传播时间的最大值为tm，对应的最大厚度为 dm，则mmtrdcos2 根据题中所给条件tm v1 得：dm=1.1510-2m L M S S 图 19-8 11 第 20 课 原子和原子核 例 1【2005 南通专题复习】我国在

19、核聚变研究领域处于世界先进行列在实验中观察到有下列 4种核反应：Me VnHeHH25.310322121 Me VHHHH00.411312121 Me VnHeHH6.1710423121 Me VHHeHeH3.1811423221 已知在实际发生的核聚变中上述 4 种反应的概率相同，其原料直接或间接都是氘核H21，而氘核在地球上的储量非常丰富，每升海水中大约有 0.030 g 氘那么 1 L 海水中的氘全部发生聚变释放的总能量为多少?(取阿伏加德罗常数 NA6.021023mol)析和解：由于发生 4 种反应的概率相同，将以上 4 个核反应相加得总反应式为 MeVnHHeH15.432

20、22610114221 因此 1mol 氘全部聚变释放的能量为 E=（6.0210236）43.15MeV=6.931011J 每升海水中所含的氘为 0.030g，因此释放的总能量应为 E0.030/2=1.041010J 点评：4 种核反应的概率相同,方程左右两侧分别相加,削去两侧相同的项,得核反应等效式,是本题的光键.例2【2004 科研测试15】图 20-1 为氢原子能级示意图，现有每个电子的动能 都是 Ee=12.89eV 的电子束与处在基态的氢原子束射入同一区域，使电子与氢原子发生迎头正碰。已知碰撞前一个电子和一个原子 的总动量为零。碰撞后氢原子受激发，跃迁带 n4 的能级。求碰撞后

21、一个电子和一个受激氢原子的总动能。已知电子的 质量 me与氢原子的质量 mH之比为410445.5Hemm。析和解：以 ve和 vH表示碰撞前电子的速率和氢原子的速率，根据题意有 0HHeevmvm 碰撞前，氢原子与电子的总动能为 222121eeHHkvmvmE 解两式并代入数据得 90.12897.12kE 精典考题反思 图 20-1 12 氢原子从基态激发到 n=4 的能级所需能量由能级图得 74.12)59.13(85.0EeV 碰撞后电子和受激氢原子的总动能 16.074.1290.12EEEkkeV 点评：本题关键在于掌握：微观粒子在相互作用中遵循动量守恒和能量守恒；电子在跃迁中也

22、同样遵循能量守恒；实物粒子轰击电子发生跃迁时，除了提供电子发生跃迁所需要的能量外，剩余的能量仍作为实物粒子的动能，在这一点上与光子提供电子发生跃迁所需能量不同。例 3【2005 南通部分重点中学联考】如图 20-2 为一有界的匀强磁场，磁感应强度 B=0.50T，方向垂直纸面向里，MN 是磁场的左边界。在磁场中 A 处放一个放射源，内装Ra22688（镭），Ra22688放出某种射线后衰变成Rn22286（氡）。试写出Ra22688衰变的方程。若 A 距磁场的左边界 MN 的距离 OA=1.0m时，放在 MN 左侧的粒子接受器接收到垂直边界 MN 方向射出的质量较小的粒子，此时接受器位置距直线

23、 OA 为 1.0m。由此可推断出一个静止镭核Ra22688衰变时放出的能量是多少？保留 2位有效数字。（取 1u=1.610-27Kg,电子质量 e=1.610-19C）析和解：Ra22688衰变的方程 HeRnRa422228622688,镭衰变放出的 粒子和氡核在磁场中做匀速圆周运动，粒子垂直于 MN 边界射出被接受器接收。粒子在磁场中的轨迹为 1/4圆周，得出半径 R=1.0m。粒子的动量 mv=BqR=1.610-19Kgm/s，动能为 E1=mv2/2=2.010-12J，衰变过程中动量守恒，有 mv=MV,氡核反冲的动能为 E2=MV2/2=mE1/M,衰变过程释放的能量为 E1

24、+E2=（1+m/M）E1=2.010-12J。点评：、射线的实质是实物粒子。、射线在磁场中时遵循带电粒子在磁场中运动的规律。衰变过程中同样遵循动量守恒和能量守恒的规律。1 【2005上海7】卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，核反应方程为4141712781HeNOH，下列说法中正确的是 （）(A)通过此实验发现了质子(B)实验中利用了放射源放出的 射线(C)实验中利用了放射源放出的 射线(D)原子核在人工转变过程中，电荷数可能不守恒 2【2005全国理综15】已知介子、介子都是由一个夸克（夸克 u 或夸克 d）和一个反夸克（反夸克 u 或反夸克 d ）组成的，它们的带电量如下表所示，

25、表中 e 为元电荷。巩固提高训练 图 20-2 13 u d u d 带电量+e e+23 e 13 e 23 e+13 e 下列说法正确的是 （）A.由 u 和 d 组成 B.由 d 和 u 组成 C.由 u 和 d 组成 D.由 d 和 u 组成 3【2005北京理综16】为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将 2005 年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程 E=mc2，下列说法中不正确的是 （）A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B.根据 E mc2可计算核反应的能量 C.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损 D.E=mc2中的

26、 E 是发生核反应中释放的核能 4 中子和质子结合成氘核，同时放出 光子，核反应方程是HnH211011，以下说法中正确的是 ()A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的总质量 B.反应前后质量数不变，因而质量不变 C.由核子组成原子核一定向外释放能量 D.光子所具有的能量为mc2，m 为反应中的质量亏损，c 为光速 5【2005上海7】卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，核反应方程为4141712781HeNOH，下列说法中正确的是（）(A)通过此实验发现了质子(B)实验中利用了放射源放出的 射线(C)实验中利用了放射源放出的 射线(D)原子核在人工转变过程中，电荷数可能不守恒

27、6【2004广东高考题】下面一系列核反应是在恒星内部发生的：NCP137126；eCN136137；NCP147136；ONP158147；eNO157158；CNP126157；其中P为质子，为 粒子，e+为正电子，为一种中微子。已知质子质量为 mp=1.67264810-27Kg，粒子的质量为 m=6.64492910-27Kg，正电子质量为 me=9.1110-31Kg，中微子质量可忽略不计。真空中光速 c=3.00108m/s。试计算该系列核反应完成后释放的能量。7【2005中学试卷网】2002 年诺贝尔物理学奖中的一项，是奖励戴维斯和小柴昌俊在“探测宇宙中的中微子”方面取得的成就中微

28、子 是超新星爆发等巨型天体在引力坍缩过程中，由质子和电子合并成中子的过程中产生出来的1987 年在大麦哲伦星云中的一颗编号为 SN1987A 的超新星 14 发生爆发时，位于日本神冈町地下 1km 深处一个直径 10m 的巨大水池(其中盛有 5 万吨水，放置了1.3 万个光电倍增管探测器)共捕获了 24 个来自超新星的中微子 已知编号为 SN1987A 超新星和地球之间的距离为 17 万光年(取 1 光年=9.461015m)设中子的质量为 mn，电子的质量为 me，质子的质量为 mp，中微子 的质量可忽略 (1)写出 1 个质子和 1 个电子合并成中子的核反应方程；(2)设 1 个质子和 1

29、 个电子合并成 1 个中子过程中所吸收(或释放)的核能为E，写出计算E大小的表达式；(3)假设编号为 SN1987A 的超新星发生爆发时向周围空间均匀地发射中微子，且其中到达日本神冈町地下巨大水池的中微子中有 50被捕获，试估算编号为 SN1987A 的超新星爆发时所释放出的中微子的总数量(保留 1 位有效数字)8【2005中学试卷网】众所周知，地球围绕着太阳做椭圆运动，阳光普照大地，万物生长，请回答下列二个问题：(1)太阳辐射能量主要来自太阳内部热核反应，写出核反应方程式(2)根据你学过的知识，试论述随着岁月的流逝，地球公转的周期，日地的平均距离，地球的表面温度变化的趋势(不考虑流星及外星球

30、与地球发生碰撞的可能性)9【2005 如皋专题复习】频率为0的光子由地球表面竖直向上运动，当它上升 H=22.5m的高度时，由于地球的引力作用，它的波长会变长一些，我们称这种现象为引力红移。试分析下列问题：光子能量的表达式是什么？爱因斯坦的质能联系方程是什么？由以上两式，试写出光子质量 m 的表达式。用能量守恒的观点求光子上升 H=22.5m时，该光子频率的红移量 跟原有频率0的比值。15 nHHH10423121附：第 20 课巩固提高训练答案及解 1 答案：A C 2 答案：A D 解：介子的电量与一个元电荷相同，可以由 u 和 d 组成；同理，由 d 和 u 组成 3答案：D 4 答案：

31、ACD 5 答案：AC 6 答案：Q=3.9510-12J。解：将题中所给诸反应方程左右两侧相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为224ep，设反应后释放的能量为 Q，根据质能关系和能量守恒得：Qcmcmcmep22224；代入数值可得 Q=3.9510-12J。7 答案：(1)neH100111 (2)22)(cmmmmcEnep(3)21043 8 答案：(1)聚变(2)太阳内部进行着剧烈的热核反应，辐射大量光子，根据质能方程2mcE，可知太阳的质量在不断地减少，由万有引力定律知，太阳对地球的万有引力不断减小，由 F=mv2/R知，日地距离不断增大，由RGMv 知地球运行速率减小，由于太阳质量减小，辐射光子的功率将减小，又 R 增大，所以辐射到地球表面的热功率将减小，这样地球表面的温度也将逐渐降低 9 答案：E=h E=mC2 由 E=h 和 E=mC2得 m=h/C2 光 子 上 升 时 引 力 作 负 功 使 光 子 能 量 减 小 转 化 为 系 统 的 势 能，1528202105.21035.2210,cHgCHghHmgh