选修3-5读书笔记小结讲解

高中物理选修3-5读书笔记
一．动量和动量守恒定律：
⑴动量和动量的变化 ●动量：（矢量）大小：mv P = 方向：与运动方向相同
●动量的变化：
P P P -=∆
●动量守恒的探究
①运用气垫导轨，保证系统所受合外力为零，保证两物体正碰
②用天平测出m 1和m 2；光电门可测出碰撞前后两物体的速度V 1、V 2、V 1·、V 2·
③规定正方向（以向右为正）
④验证：m 1V 1-m 2V 2是否等于-m 1 V 1·+m 2 V 2·
说明：两物体从两边弹出，m 1向右经过光电门（速度为V 1）、m 2向左经过光电门（速度
为-V 2），碰后m 1向左经过光电门（速度为-V 1·）、m 2向右经过光电门（速度为V 2·
）
●动量守恒的条件：
①严格条件：系统不受外力或所受合外力为零
②近似条件：系统所受合外力不为零，但“F 内》F 外”且作用时间极短
③其它情况：系统所受合外力不为零，但在某一方向上合外力为零，则该方向上
系统动量守恒
⑶动量守恒定律的应用：
例：一枚在空中飞行的导弹质量为M ，在某高度以水平速度V 向右飞行时炸成两块，其中一块质量为M 1，以速度V 1沿原方向飞出，求另一块的速度？并讨论：另一块的可能速度方向？ 解：作出爆炸前后的示意图
以原动量方向为正（向右为正），椐爆炸前后动量守恒得： 2111)(V M M V M MV -+= 解得：1
1
12M M V M MV V --=
讨论：①若M 1V 1=MV,则另一块炸后速度为零；
②若M 1V 1<MV 则另一块向右飞出； ③若M 1V 1>MV ，则另一块向左飞出。

1
V
二．光的粒子性（光电效应和康普顿效应）和波粒二象性
⑴光电效应：说明了光具有粒子性，同时说明了光子具有能量 ●黑体辐射（只吸收外来电磁波而不反射的理想物体）
▲一般物体的辐射强度按波长分布除与温度有关外，还与物体的材料、
表面形状有关；
▲黑体的辐射强度按波长分布只与温度有关，与物体的材料和表面形状无关；
▲黑体辐射规律：Δ随着温度的升高，辐射强度的极大值向着波长减小的方向进行；
Δ随着温度的升高，任意波长的辐射强度都加强
●量子说：透过黑体辐射规律，普朗克认为：电磁皮的辐射和吸收，是不连续的，而是一份一份地进行的，每份叫一个能量子，能量为γεh =。

爱因斯坦受其启发，提出了光子说：光的传播和吸收也是一份一份地进行的，每一份叫一个光子，其能量为γεh = ●光电效应及其规律
▲现象：紫外光照射锌板，锌板的电子获得足够的光子能量，
挣脱金属正离子引力，脱离锌板成为光电子；锌板因失去电子而带上正电，于是与锌板相连的验电器也带上正电，金属箔张开。

★增加入射光的强度，逸出的光电子数增多，锌板带正电量增加，所以金属箔张角变大
★增加入射光频率，锌板带电量不一定增加，所以金属箔张角不一定增加
▲规律：①存在饱和电流和遏止电压
●在光电管两端加正向电压时，单位时间到达阳极A
的光电子数增多，光电流越大；但当逸出的光电子全部到达阳极后，再增加正向电压，光电流就达到最大饱和值，不再增加。

光电流的强度随入射光强度的增大而增大，与入射光频率无关。

●在光电管两端加反向电压时，单位时间内到达阳极A 的光电子数减少，光电流减小；当反射电压达到某一值U C 时，光电流减小为零，U C 就叫“遏止电压”。

②任何一种金属都有一个极限频率0γ，入射光的频率低于“极限频率”时，无论入射光多强，都不能发生光电效应。

“逸出功”——电子从金属表面脱离金属所需克服金属正离子的引力所做的最小功
要发生光电效应，入射光的能量（γh ）要大于“逸出功（W ）”即：W h =0γ
③光电效应的“瞬时性”——因光电效应发生的时间，即为一个光子与一个电子能量交
换的时间，所以，不管光强度如何，发生光电效应的时间极短，不超过10-9
s 。

■爱因斯坦的光电效应方程：
光电子的最大初动能等于入射光光子的能量减逸出功 即：W h E K -=γ
⑵康普顿效应：说明了光具有粒子性，同时说明了光子具有能量和动量
●光子与石墨中的电子发生碰撞后，把一部分能量和动量传递给了电子，因此：光子的能量和动量都要减小；
又λ
γεC
h h == 所以在散射后的成分中出现了波长变长
的光子。

⑶光的波粒二象性：光子的能量γεh =、光子的动量h
P =
⑷实物粒子的波粒二象性——实物粒子的波动性
▲德布罗意波（物质波）：任何运动的实物粒子都有一种波长与之对应：P
h
=λ 任何粒子都有一种频率与之对应：h
εγ=
▲实物粒子（电子、质子、中子、分子等）波动性和实验验证
科学家在实验室里，用晶体做了电子束衍射（波的特性）实验，得到了电子束的衍射图样，从而证明了实物粒子也具有波动性。

（如图） ⑸概率波：光波和物质波都是概率波
用光和实物粒子做干涉实验，减小入射强度，让光子或粒子一个一个地通过双缝，照射时间较短时（入射光子或粒子数较少）得到甲图的干涉图样（光子或粒子打到屏上的位置没有规律，充分说明了粒子数少时易表现出粒子性）；当照射时间逐渐增加，图象由乙逐渐变
成丙图（出现了近波动特征的明暗相间的条纹，充分说明了粒子数多时易表现出波动性） 说明：并非所有光子或粒子只打到亮条纹处，也有打到暗纹处的，只是打到亮纹处的粒子概率较大——光波和实物波都是概率波。

间的作用引起的 三．原子结构
●电子的发现：汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子。

这一发现，让人们意识到电子是原子的组成部分，原子是可以再分的。

汤姆孙提出了原子结构的枣糕型（西瓜型） ●卢瑟福——α粒子散射实验——核式结构模型
△实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原方向前进；少数α粒子偏角较大；极少数α粒
子偏角超过900
，有的甚至被反弹回头。

△具有核心价值的现象：大角度偏转
△大角度偏转的原因：不可能是α粒子与电子碰撞产生，只有原子内部所有正电荷集中在一个很小的 范围内，才能产生强大的库仑斥力，从而发生大角 度偏转。

△核式结构模型才能正解释α粒子散射现象，故卢瑟福的核式结构学说是正确的。

●玻尔原子模型
▲氢原子光谱：各种原子发光的光谱都是线状谱（这些谱线叫原子的特征谱线），不同的原子的线状谱不同，因此，我们可以根据不同原子的特征谱线鉴别物质和鉴定物质的组成（这就叫光谱分析）
▲玻尔模型的基本假设：
①轨道量子化和定态：原子核外电子的运动轨道不是任意值，而是某些不连续的值，即：核外电子的轨道是量子化的；电子在这些轨道上运动时，原子并不向外辐射能量，因此原子是稳定的，原子所处的这些稳定状态叫定态。

能量越小，原子越稳定。

能量最低的状态叫“基态”，其它状态叫“激发态”
②频率条件（辐射条件）：核外电子在由高能态向低能态跃迁时要辐射能量（光子）；由低能态向高能态跃迁时要吸收能量（光子或实物粒子提供的动能），这些能量是由两个能级的能量差决定：终初E
-
E h =γ
③能级与氢原子跃迁（原子核外电子在不同轨道上所对应的不同能量值叫能级）
【能级跃迁问题】
△大量处于n=4能级的氢原子向低能态跃迁时最多可发出 种频率的光子，其中最长波长为 m;若从n=4到n=3发出的光恰能使某金属发生光电效应，则这些光子中有 种能便这种金属发生光电效应；若某金属的逸出功为1.75eV ，则这些光照射这种金属产生光电子的最大初动能为 eV 。

△处于某能态的氢原子发出一个光子后，氢原子总能量 ；
α粒子
散射原
理
图
电势能 ；核外电子的动能 （填“增大”、“减小”或“不变”）
■玻尔模型在核式结构学说的基础上引入了量子理论，获得了一些成功；但又保留了一些经典力学的原理，所以有局限性（只能解释氢原子发光现象，对复杂原子的发光现象就出现了很大的偏差）；另外氢原子实际上并没有确定的轨道，处于某状态的氢原子核外电子只能说在某时刻在所谓“轨道”处出现的概率较大而已，“电子云”是电子出现概率大小的宏观表现。

四．原子核、核反应、核能
●三种射线性质的比较
●质子和中子的发现：H O N He 1
117
814
74
2+→+
n C Be He 1
012
69
44
2+→+
●α衰变：
He Th U 422349023892
+→ β衰变：e Pa Th 0
12349123490-+→
时间叫半衰期。

▲半衰期是由原子核内部自身因素决定的，它与原子所处的化学状态（单质、化合物）和外部条件（如：温度、压强等）。

▲半衰期越长，放射性污染就越大；所以科学实验用到射线，通常选用半衰期较短的“放射性同位素”发出的射线，而不用天然放射性物质的射线。

●放射性同位素的应用与防护： ①利用射线：γ射线——“无损探伤”、“钢板厚度自动控制”、“癌症放疗”、“培育优良品种”等；α射线——利用其很强的电离能力来使空气电离，从而消除静电。

②利用“放射性标记”作为“示踪原子”——如检查地下漏油管道的漏油情况。

③防护：远离放射源、减少照射时间、屏闭放射源、及时检测 ●核力与结合能
▲核力：强相互作用（在原子核的尺度内核力比库仑力大得多）
短程力（作用范围在1.5×10-15m 内，大于0.8×10-15
m 时表现为引力，小于0.8
×10-15m 时表现为斥力，超过1.5×10-15
m 核急剧减小，几乎为零；） 饱和性（每个核子只与相邻的核子之间才有核力发生）
▲原子核的结合能：核子结合成原子核放出的能量与原子核分解为核所需吸收的能量叫原子核的结合能。

“原子核的结合能与核子数之比”叫“平均结合能”或“比结合能”
●中等质量的原子核比结合能最大，所以中等质量的原子核最稳定
●凡是向着“比结合能大”的方向进行的核反应或有质量亏损的核反应都是放能发应 ●科学家们就是根据向着【“比结合能大”的方向进行的核反应都要释放能量】这一理论来利用核能的
▲核能计算
●爱因斯坦质能方程：物体的能量与质量之间的简单正比关系2
mC E =
说明：①不能说“质量和能量可以相互转化”，只能说“能量大的物体质量也大”“质量减小时物体的能量也随之减少”
②光子没有静质量，频率为γ的运动光子具有的能量为E=h γ=mC 2
；所以运动光子的质量为2
C h m γ=
③质能方程中E 为物体具有的一切能量之和（包括机械能、内能、电磁能、
结合能等）
▲在核反应过程中，释放的能量可用2
mC E ∆=∆来计算(掌握两种计算方法) ①若质量亏损m ∆为2Kg ，则释放的能量2mC E ∆=∆()2
8
1032⨯⨯==()J 108.117
⨯
②若质量亏损m ∆为2u ，则释放的能量=⨯=∆5.9312E 1863(MeV)
【例】求氦核的比结合能（已知中子质量为1.6749×10-27
Kg 、质子的质量为1.6726×10-27Kg 、氦核的质量为6.6458×10-27
Kg ）
解： He n H 42101122→+ He n H m m m m -+=∆22=4.92×10-29
Kg
结合能2
mC E ∆=∆=4.92×10-29
×（3×108
）2
所以：ΔE=4.428×10-12
J
比结合能J A E 1212
10107.14
10428.4--⨯=⨯=∆ ▲重核的裂变：●例：
n Kr Ba n U 1
089361445610235
92
3++→+
●链式反应：由重核产生的2～3个中子，使裂变反应连续不断地进
行下去的过程，叫“链式反应”。

使链式反应能进行下去的条件：铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量。

●核反应堆简介：
★U235只能俘获“慢中子”而不易俘获裂变产生的“快中子”，故 故要用减速剂（石墨、重水、普通水又叫轻水）使快中子变成子，从 从而使裂变反应能进行下去；
★要使裂变反应可控，要用易吸收中子的“镉棒”——“控制棒”插入 插入或拔出反应堆，来控制反应速度；
▲轻核的聚变：●例：)6.17(1
0423121MeV n He H H γ++→+
●反应条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到
核力才能起作用，聚变反应才能进行；这就要求聚变材料要达到
；这样的高温可以由裂变反应释放的能量实现，也可以用激光从四面八方照射聚变材料来实现。

●太阳辐射的能量，来自于太阳内部剧烈的热核反应释放的能量，因此
轻核聚变可控的难题：目前世界上没有一种容器能承受10K 以上的高温；目前聚变反应主要用于军事上，即氢弹。

■选修3-5考前训练【A 】
⑴下列说法中正确的是
A ．在放能反应中，反应物的总结合能大于生成物的总结合能
B ．在光电效应实验中，入射光越强，光电流越大；入射光频率越高，遏止电压越大
C ．在医学上的“放疗”技术是利用α射线电离能力强的特性
D ．卢瑟福通过α粒子散射实验建立了“核式结构”模型，其中大角度散射现象说明了原子内部绝大部分质量应该集中在一个很小的区域内
⑵如图，是某次光电效应实验画出的U —γ图线，由图线可求出：普朗克常量 JS ；
金属的逸出功为 J 。

（电子电量1.6×10-19
C,结果保留两位有效数字）
⑶用速度为V 0的α
粒子打击原来静止的
94Be
产生12
6
C
并放出一个新粒子，放出的新粒子速
度大小为2V 0，方向与α粒子初速度方向相反。

①写出该核反应的方程；
②求出12
6
C
的速度大小和方向。

1014
Hz
■选修3-5考前训练【B 】
⑴下列说法中正确的是
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，铯原子核(133
55Cs )的结合能小于铅原子核(
20882
Pb )的结合能
B ．德布罗意提出：实物粒子也具有波动性，而且粒子的能量ε和动量p 跟它对所应的波的
频率γ和波长λ之间，遵从关系h
ε
ν=
和h p λ=
C ．已知氢原子的基态能量为E ，激发态能量2
1/n E E n =，其中n=2,3…。

用h 表示普朗克
常量，c 表示真空中的光速。

能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为
19hc E -
D ．已知原子核A 裂变成原子核B 和C 时放出的γ射线能使某金属板逸出光电子，若增加γ射线强度，则逸出光电子的最大初动能增大。

（见下左图）
⑵如图为实验室常用的气垫导轨验证动量守恒的装置．两带有等宽遮光条的滑块A 和B ，质量分别为m A 、m B ，在A 、B 间用细线水平压住一轻弹簧，将其置于气垫导轨上，调节导轨使其能实现自由静止，这是表明 ，烧断细线，滑块A 、B 被弹簧弹开，光电门C 、D 记录下两遮光条通过的时间分别为t A 和t B ，若有关系式 ，则说明该实验动量守恒.
⑶1928年，德国物理学家玻特用α粒子（）轰击轻金属铍（）时，发现有一种贯穿能力很强的中性射线．查德威克对该粒子进行研究，进而发现了新的粒子——中子． （1）请写出α粒子轰击轻金属铍的核反应方程．
（2）若中子以速度v 0与一质量为m N 的静止氮核发生碰撞，测得中子反向弹回的速率为v 1，氮核碰后的速率为v 2，则中子的质量m 等于多少？
Be 9
4He 4
2。