高考物理重要知识点必背手册4光学与物理学史

重要知识点手册：光学与物理学史美国迈克耳逊用旋转棱镜法较准确的测出了光速，反射定律(物像关于镜面对称)；由偏折程度直接判断各色光的n折射定律光学中的一个现象一串结论色散现象nvλ(波动性)衍射C临干涉间距γ(粒子性)E光子光电效应红黄紫小大大小大(明显)小(不明显)容易难小大大小小(不明显)大(明显)小大难易结论：(1)折射率n、；(2)全反射的临界角C；(3)同一介质中的传播速率v；(4)在平行玻璃块的侧移△x(5)光的频率γ,频率大,粒子性明显.；(6)光子的能量E=hγ则光子的能量越大。越容易产生光电效应现象(7)在真空中光的波长λ,波长大波动性显著；(8)在相同的情况下，双缝干涉条纹间距x越来越窄(9)在相同的情况下，衍射现象越来越不明显全反射的条件：光密到光疏；入射角等于或大于临界角全反射现象：让一束光沿半圆形玻璃砖的半径射到直边上,可以看到一部分光线从玻璃直边上折射到空气中,一部分光线反射回玻璃砖内.逐渐增大光的入射角,将会看到折射光线远离法线,且越来越弱.反射光越来越强,当入射角增大到某一角度C临时,折射角达到900,即是折射光线完全消失,只剩下反射回玻璃中的光线.这种现象叫全反射现象.折射角变为900时的入射角叫临界角应用:光纤通信(玻璃sio2)内窥镜海市蜃楼沙膜蜃景炎热夏天柏油路面上的蜃景水中或玻璃中的气泡看起来很亮.理解：同种材料对不同色光折射率不同；同一色光在不同介质中折射率不同。几个结论：1紧靠点光源向对面墙平抛的物体，在对面墙上的影子的运动是匀速运动。2、两相互正交的平面镜构成反射器,任何方向射入某一镜面的光线经两次反射后一定与原入射方向平行反向。3、光线由真空射入折射率为n的介质时，如果入射角θ满足tgθ=n，则反射光线和折射光线一定垂直。4、由水面上看水下光源时，视深；若由水面下看水上物体时，视高。5、光线以入射角i斜射入一块两面平行的折射率为n、厚度为h的玻璃砖后，出射光线仍与入射光线平行，但存在侧移量△两反射光间距7\n双缝干涉:条件f相同，相位差恒定(即是两光的振动步调完全一致)当其反相时又如何?亮条纹位置:ΔS＝nλ；暗条纹位置:（n＝0,1,2,3,、、、）；条纹间距：(ΔS:路程差(光程差)；d两条狭缝间的距离；L：挡板与屏间的距离)测出n条亮条纹间的距离a薄膜干涉:由膜的前后两表面反射的两列光叠加，实例：肥皂膜、空气膜、油膜、牛顿环、光器件增透膜(厚度是绿光在薄膜中波长的1/4,即增透膜厚度d＝λ/4)衍射:现象,条件单缝圆孔柏松亮斑(来历)任何物体都能使光发生衍射致使轮廓模糊三种圆环区别：单孔衍射(泊松亮斑)中间明而亮,周围对称排列亮度减弱,条纹宽变窄的条纹空气膜干涉环间隔间距等亮度的干涉条纹牛顿环内疏外密的干涉条纹干涉、衍射、多普勒效应(太阳光谱红移宇宙在膨胀)、偏振都是波的特有现象,证明光具有波动性；衍射表明了光的直线传播只有一种近似规律；说明任何物理规律都受一定的条件限制的.光的电磁说⑴麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波——这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。⑵电磁波谱。波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。无线电波红外线可见光紫外线X射线n射线组成频率波波长：大小波动性：明显不明显频率：小大粒子性：不明显明显产生机理在振荡电路中，自由电子作周期性运动产生原子的外层电子受到激发产生的原子的内层电子受到激发后产生的原子核受到激发后产生的⑶红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。种类产生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λm和物体温度T之间满足关系λm T=b（b为常数）。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可根据接收恒星发出的光的频率，分析其表面温度。光五种学说：原始微粒说(牛顿),波动学说(惠更斯),电磁学说(麦克斯韦),光子说(爱因斯坦),波粒两相性学说(德布罗意波)概率波7\n各种电磁波产生的机理,特性和应用,光的偏振现象说明光波是横波,也证明光的波动性.激光的产生特点应用(单色性,方向性好,亮度高,相干性好)光电效应实验装置,现象,所得出的规律(四)爱因斯坦提出光子学说的背景爱因斯坦光电效应方程：mVm2/2＝hf－W0一个光子的能量E＝hf(决定了能否发生光电效应)光电效应规律:实验装置、现象、总结出四个规律①任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个极限频率的光不能产生光电效应。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。③入射光照到金属上时，光子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s④当入射光的频率大于极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比。康普顿效应(石墨中的电子对x射线的散射现象)这两个实验都证明光具粒子性光波粒二象性:?情况体现波动性(大量光子,转播时,λ大),?粒子性光波是概率波(物质波)任何运动物体都有λ与之对应(这种波称为德布罗意波)《原子、原子核》知识归类整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子(电子、质子、中子、正电子、粒子、光子)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程(核反应方程、质能方程)。4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。1.汤姆生模型(枣糕模型)汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。从而打开原子的大门.2.卢瑟福的核式结构模型(行星式模型)卢瑟福α粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，实验现象：结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转.这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。卢瑟福由α粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，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空间运动。由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾：①原子是否稳定,②其发出的光谱是否连续3.玻尔模型(引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数)玻尔补充三条假设⑴定态--原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态),电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量。(本假设是针对原子稳定性提出的)⑵跃迁--原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定)(本假设针对线状谱提出)()辐射(吸收)光子的能量为hf＝E初-E末氢原子跃迁的光谱线问题[一群氢原子可能辐射的光谱线条数为]。[(大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式]氢原子的能级图nE/eV∞01-13.62-3.43-1.514-0.853E1E2E3⑶能量和轨道量子化----定态不连续,能量和轨道也不连续;(即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分布也是不连续的)(针对原子核式模型提出，是能级假设的补充)氢原子的激发态和基态的能量(最小)与核外电子轨道半径间的关系是:【说明】氢原子跃迁①轨道量子化rn=n2r1(n＝1,2.3…)r1=0.53×10-10m7\n能量量子化：E1=－13.6eV②En，Ep，r，nEk，v吸收光子时增大减小放出光子时减小增大③氢原子跃迁时应明确：一个氢原子直接跃迁向高能级跃迁，吸收光子一般光子某一频率光子一群氢原子各种可能跃迁向低能级跃迁放出光子可见光子一系列频率光子④氢原子吸收光子时——要么全部吸收光子能量，要么不吸收光子1光子能量大于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时，该光子可被吸收。(即：光子和原于作用而使原子电离)2光子能量小于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时,则只有能量等于两个能级差的光子才能被吸收。(受跃迁条件限：只适用于光于和原于作用使原于在各定态之间跃迁的情况)。⑤氢原子吸收外来电子能量时——可以部分吸收外来碰撞电子的能量（实物粒子作用而使原子激发）。因此，能量大于某两个能级差的电子均可被氢原子吸收，从而使氢原子跃迁。E51=13.06E41=12.75E31=12.09E21=10.2；(有规律可依)E52=2.86E42=2.55E32=1.89；E53=0.97E43=0.66；E54=0.31⑶玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。氢原子在n能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=－2EK，E=EK+EP=－EK。(类似于卫星模型)由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的2倍，故总能量(负值)降低。量子数天然放射现象1.天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始衰变(用电磁场研究)：2.各种放射线的性质比较种类本质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性α射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住β射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板γ射线光子001最弱最强，穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)⑴衰变：α衰变：(实质：核内)α衰变形成外切(同方向旋)，β衰变：(实质：核内的中子转变成了质子和中子)β衰变形成内切(相反方向旋)，且大圆为α、β粒子径迹。7\n+β衰变：（核内）γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。⑵人工转变：(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍(人工制造放射性同位素)正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔⑶重核的裂变：在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。⑷轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）核能计算方法有三：①由(△m单位为“kg”)计算；②由△E=931.5△m(△m单位为“u”)计算；③借助动量守恒和能量守恒计算。2.半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规律）计算式为：N表示核的个数，此式也可以演变成或，式中m表示放射性物质的质量，n表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量。半衰期(由核内部本身的因素决定,与物理和化学状态无关)、同位素等重要概念放射性标志3.放射性同位素的应用⑴利用其射线：α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程，基因工程。⑵作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。高考对本章的考查：以α粒子散射实验、原子光谱为实验基础的卢瑟福原子核式结构学说和玻尔原子理论，各种核变化和与之相关的核反应方程、核能计算等。卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构学说,玻尔把量子说引入到核式结构模型之中,建立了以下三个假说为主要内容的玻尔理论.认识原子核的结构是从发现天然放射现象开始的,发现质子的核反应是认识原子核结构的突破点.裂变和聚变是获取核能的两个重要途径.裂变和聚变过程中释放的能量符合爱因斯坦质能方程。在核反应中遵循电荷数守恒和质量数守恒，在微观世界中动量守恒定律同样适用。重要的物理现象或史实跟相应的科学家伽利略爱因斯坦(德美)7\n揭示了力与运动的关系,想实验法指出在水平面上运动的物体若没有摩擦,将保持这个速度一直运动下去,论证重物体不会比轻物体下落得快；单摆的等时性光电效应光电效应规律、提出了光子说；圆满解释了光电效应现象，质能方程；狭义相对论指出经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体；相对论法拉第(英)首先用电场线描述电场；研究电磁感应(磁生电)现象，电磁感应定律：磁场产生电流的条件和规律卢瑟福(英)a粒子散射实验并提出原子的核式结构模型；α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，发现了质子，并预言中子存在卡文迪许(英)利用卡文迪许扭秤首测万有引力恒量惠更斯(荷兰)单摆的周期公式；光的波动说库仑(法)库仑定律；利用库仑扭秤测定静电力常量玻尔(丹麦)关于原子模型的三个假设，圆满解释氢光谱安培(法)分子电流假说、电流间的相互作用规律(左右手定则)查德威克(英)α粒子轰击铍核时发现中子，由此人们认识到原子核的组成奥斯特(丹麦)发现电流的磁效应(电流周围存在磁场)贝克勒尔(法)天然放射性的发现，说明原子核也有复杂的内部结构牛顿(英)牛顿三定律和万有引力定律，光的色散，牛顿环、光的微粒说托马斯·扬(英)光的双缝干涉实验，证实光具有波动性楞次(俄)楞次定律：确定感应电流方向的定律布朗(英)悬浮在水中的花粉微粒不停地做无规则运动的现象——布朗运动麦克斯韦(英)建立了电磁场理论；光的电磁说，预言了电磁波的存在。皮埃尔居里(法)和玛丽居里(法)发现放射性元素钋、镭赫兹(德)用实验证实了电磁波的存在，发现并证实了电磁波,并测定了电磁波的传播速度等于光速约里奥居里(法)和伊丽芙居里(法)发现人工放射性同位素汤姆生(英)利用阴极射线管发现电子,说明原子可分，有复杂内部结构，并提出原子的枣糕模型普朗克(德)解释物体热辐射规律提出电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的，把物理学带进了量子世界；密立根电子电量的测定亨利发现自感现象开普勒(德)开普勒三定律伦琴(德)发现X射线(伦琴射线)多普勒效应(奥地利)由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象——多普勒效应。康普顿效应石墨中的电子对x射线的散射现象欧姆(德)欧姆定律德布罗意(法)预言了实物粒子的波动性富兰克林7\n斯涅耳(荷兰)入射角与折射角之间的规律——折射定律过风筝实验验证闪电是电的一种形式，把天电与地电统一起来，并发明避雷针洛仑兹(荷兰)提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力(洛仑兹力)的观点昂尼斯大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象泊松(法)用波动理论推理到光的圆板衍射——泊松亮斑焦耳—楞次定律先后各自独立发现电流通过导体时产生热效应的规律7