高考物理专题18：物理光学

高考物理重点专题突破专题：物理光学一、典型例题：[例1]在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（）A、只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失B、红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的双缝干涉条纹依然存在C、任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮D、屏上无任何光亮[解析]在双缝干涉实验的装置中，缝的宽度跟光的波长相差不多，在双缝分别放上红色和绿色滤光片之后，由于红光和绿光的频率不相等，在光屏上不可再出现干涉条纹了，但由于满足产生明显衍射现象的条件，所以在屏上将同时出现红光和绿光的衍射条纹，故正确的选项为C。[例2]某金属在一束黄光照射下，恰好能有电子逸出（即用频率小于这种黄光的光线照射就不可能有电子逸出），在下述情况下，逸出电子的多少和电子的最大初动能会发生什么变化？⑴增大光强而不改变光的频率；⑵用一束强度更大的红光代替黄光；⑶用强度相同的紫光代替黄光。[解析]“正好有电子逸出”，说明此种黄光的频率恰为该种金属的极限频率。⑴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多而每个光子能量不变，根据爱因斯坦光电效应方程，逸出的光电子最大初动能不变，但光电子数目增大。⑵用一束强度更大的红光代替黄光，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。⑶用强度相同的紫光代替黄光，因为一个紫光光子的能量大于一个黄光光子的能量，而强度相同，因而单位时间内射向金属的紫光光子数将比原来少，因此，逸出的电子数将减少，但据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能将增大。[例3]把一个凸透镜的弯曲表面压在另一个玻璃平面上，让光从上方射入（图甲），这时可以看到亮暗相间的同心圆（图乙），这个现象是牛顿首先发现的，这些同心圆叫做牛顿环，解释为什么会出现牛顿环。[解析]凸透镜的弯曲上表面反射的光和下面的玻璃平面向上反射的光相互叠加，由于来自这两个面的反射的光的路程差不同，在有些位置相互加强，在有些位置相互削弱，因此出现了同心圆状的明暗相间的条纹。[例4]把一个平行玻璃板压在另一个平行玻璃板上，一端用薄片垫起，构成空气劈尖，让单色光从上方射入（如图），这时可以看到亮暗相间的条纹，下面关于条纹的说法中正确的是（）A、将薄片向着劈尖移动使劈角变大时，条纹变疏B、将薄片远离劈尖移动使劈角变小时，条纹变疏C、将上玻璃板平行上移，条纹向着劈尖移动D、将上玻璃板平行上移，条纹远离劈尖移动[解析]楔形空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉，空气层厚度相同的地方，两列波的路程差相同，故如果被测表面是平的，干涉条纹就是一组平行的直线，如上图，当劈角为α时，相邻两条纹间等于AC，当劈角增大为β时，相邻的条纹左移至A’、C’处，条纹间距变为''CA。设CD－AB=△s，则''DC－AB=△s，故AC=sins，''CA=sins。因为βα，所以AC''CA，故劈角增大时，条纹变密。同理，当上玻璃板平行上移时，易得A’C’CA为平行四边形，所以条纹向壁尖移动，且间距不变，本题选B、C。二、课堂练习1、先后用两种不同的单色光，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，其中间距较大的那种单色光比另一种单色光①在真空中的波长较短②在玻璃中传播速度较大③在玻璃中传播时，玻璃的折射率较大④其光子的能量较小以上说法正确的是（）A、①③B、②④C、①④D、②③2、a、b是两束相互平行的单色可见光，当它们从空气射入水中时各自发生如图所示的折射现象，已知折射角r1r2，由此可以判定（）①a光光子能量小；②在水中b光波长长一些；③让它们在同一双缝上发生干涉，所得相邻两条干涉条纹间距△xa△xb；④a、b从水中射入空气时，则a光的临界角小一些。A、只有①②B、只有①③C、只有②④D、只有②③3、下列说法正确的是：A、光波是一种概率波B、光波是一种电磁波C、单色光从密介质进入光疏介质时，光子的能量改变D、单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变4、神光“II”装置是我国规模最大、国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2400J、波长λ为0.35μm的紫外激光。已知普朗克恒星h=6.63×10－34J·s，则该紫外激光所含光子数为多少个。（取两位有效数字）5、太阳光垂直射到地面上时，1m2地面接受的太阳光的功率为1.4kW，其中可见光部分约占45%。⑴假如认为可见光的波长约为0.55μm，日地间距离R=1.5×1011m，普朗克恒量h=6.6×10－34J·s，估算太阳每秒辐射出的可见光光子为多少。⑵若已知地球的半径r=6.4×106m，估算地球接受的太阳光的总功率。6、已知锌板的极限波长λO=372nm，氢原子的基态能量为－13.6eV，若氢原子的核外电子从量子数n=2跃迁到n=1时所发出的光子照射到该锌板上，此时能否产生光电效应？若能，光电子的最大初动能是多少电子伏？（真空中光速c=3×108m/s，普朗克常量h=6.63×10－34J·s，电子电荷量e=1.6×10－19C）课堂练习答案：1、B2、B3、A、B4、4.2×10215、⑴4.9×1014个⑵1.8×1017W6、能。6.86eV原子和原子结构一、典型例题：[例1]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的过程中（）A、原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大B、原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小C、原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小D、原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大[解析]根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核越远的轨道上运动能量越大，必须吸收一定能量的光子后，电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道，故B错。氢原子核外电子绕核做圆周运动，由原子核对电子的库仑力提供其向心力，即k22re=mrv2，又Ek=21mv2，ke2/2r=21mv2，即Ek=rke22。由此式可知：电子离核越远，r越大时，则电子的动能越小，故A、C错。由于r变大时，库仑力对核外电子做负功，因此电势能增大，从而判断D正确。[例2]90232Th（钍）经过一系列α和β衰变，变成82208Pb（铅），下列说法正确的是：A、铅核比钍核少8个质子B、铅核比钍核少16个中子C、共经过4次α衰变和6次β衰变D、共经过6次α衰变和4次β衰变[解析]由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为：x=4208232=6再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足：2x－y=90－82=8所以y=2x－8=4即答案D是正确的。[例3]氢原子从能级A跃迁到能级B时，辐射出波长为λ1的光子，从能级A跃迁到能级C时，辐射出波长为λ2的光子，若λ1λ2，则氢原子从能级B跃迁到能级C时，将吸收还是发射光子，光子的波长为多少？[解析]因为EA－EB=h1c，EA－EC=h2c，而λ1λ2，所以EBEC。于是从B能级跃迁到C能级时，应辐射光子。EB－EC=（EA－EC）－（EA－EB）=hc（21－11）=hBCc所以λBC=2121。[例4]已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，23He核的质量为3.0150u。⑴写出两个氘核聚变成23He的核反应方程；⑵计算上述核反应中释放的核能；⑶若两氘核以相等的动能0.35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的23He核和中子的动能各是多少？[解析]应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反应方程为：12H+12H→23He+01n由题给条件可求出质量亏损为：△m=2.0136u×2－（3.0150+1.0087）u=0.0035u所以释放的核能为△E=△mc2=931.5×0.0035MeV=3.26MeV。因为该反应中释放的核能全部转化为机械能——即转化为He核和中子的动能。若设23He核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为υ1、υ2，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得m1υ1－m2υ2=0Ek1+Ek2=2Ek0+△E解方程组，可得：Ek1=41（2Ek0+△E）=41×（2×0.35+3.26）MeV=0.99MeV，Ek2=43（2Ek0+△E）=43×（2×0.35+3.26）MeV=2.97MeV。二、课堂练习1、氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子，已知基态的氦离子能量为E1=－54.4eV，氦离子能级的示意图如下所示，在具有下列能量的光子中，不能．．被基态氦离子吸收而发生跃迁的是（）A、40.8eVB、43.2eVC、51.0eVD、54.4eV2、氢原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、EC和λa、λb、λc，则：①λb=λa+λc②b1=a1+c1③λb=λa·λc④Eb=Ea+EC以上关系正确的是（）A、①③B、②④C、只有①D、③④3、匀强磁场中有一个静止的氮核714N，被与磁场方向垂直、速度为υ的α粒子击中形成复合核，然后沿相反方向释放出一个速度也为υ的质子，则以下说法正确的是（）①质子与反冲核的动能之比为17：25②质子与反冲核的动量大小之比为1：5③质子与反冲核的动量大小之比为8：17④质子与反冲核在磁场中旋转频率之比为17：8A、①②B、③④C、①③D、②④4、有一群氢原子处于n=4的能级上，已知氢原子的基态能量E1=－13.6eV，普朗克常量h=6.63×10－34J·s，求：⑴这群氢原子的光谱共有几条谱线？⑵这群氢原子发出的光子的最大频率是多少？5、科学家发现太空中的γ射线都是从很远的星球发射出来的。当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量，相当于太阳在过去一百亿年内所发出的能量总和的一千倍左右，大致相当于太阳质量全部亏损得到的能量，科学家利用超级计算机对γ射线的爆发状态进行模拟，发现γ射线能量爆发是起源于一个垂死的星球“坍塌”的过程，只有星球“坍塌”时，才能释放这么巨大的能量，已知太阳光照射到地球所需要时间为t，地球公转周期为T，真空中的光速为c，万有引力常量为G，试推算出一次γ射线爆发所产生的能量。6、为确定爱因斯坦质能联系方程△E=△mc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E1=0.9MeV的质子去袭击静止的锂核37Li，生成两个α粒子，测得这两个α粒子的动能之和为E=19.9MeV。⑴写出该核反应方程；⑵计算核反应过程中释放出的能量△E；⑶通过计算说明△E=△mc2的正确性。（计算中质子、α粒子和锂核37Li的质量分别取：mp=1.0073u，ma=4.0015u，mLi=7.0160u）课堂练习答案：1、B2、B3、A4、6条3.1×1015HZ5、22224GTtC6、①11H+37Li→224He②18.9MeV③略