高三物理二輪復(fù)習(xí) 第一篇 專題通關(guān)九 碰撞與動量守恒 近代物理初步課件.ppt

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專題九 碰撞與動量守恒 近代物理初步,【高考這樣考】 1.(多選)(2015全國卷Ⅱ)實物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是( ) A.電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣 B.β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C.人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu),D.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) E.光電效應(yīng)實驗中,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān),【解析】選A、C、D。電子束通過雙縫裝置后可以形成干涉圖樣,可以說明電子是一種波,故A正確;β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡,可以說明β射線是一種粒子,故B錯誤;人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu),慢中子衍射說明中子是一種波,故C正確;人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),利用了電子束的德布羅意波長短,提高顯微鏡的分辨率,說明電子是一種波,故D正確;光電效應(yīng)實驗中,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān),說明光是一種粒子,故E錯誤。,2.(2015天津高考)物理學(xué)重視邏輯,崇尚理性,其理論總是建立在對事實觀察的基礎(chǔ)上。下列說法正確的是( ) A.天然放射現(xiàn)象說明原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的 B.電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到原子具有核式結(jié)構(gòu) C.α粒子散射實驗的重要發(fā)現(xiàn)是電荷是量子化的 D.密立根油滴實驗表明核外電子的軌道是不連續(xù)的,【解析】選A。天然放射現(xiàn)象說明原子核不是不可再分的粒子,故選項A正確;電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到原子是可以分割的,是由更小的微粒組成的,故選項B錯誤;盧瑟福的α粒子散射實驗的重要發(fā)現(xiàn)說明：占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍,盧瑟福從而提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型,故選項C錯誤;密立根油滴實驗表明油滴所帶的電量總是某一個最小固定值的整數(shù)倍,這個最小電荷就是電子所帶的電量e,故選項D錯誤。,3.(2015浙江高考)以下說法正確的是( ) A.所有原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相等 B.在核反應(yīng)中,質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒 C.氫原子從高能級向低能級躍遷時能輻射出γ射線 D.只要光照射金屬電極的時間足夠長,就能發(fā)生光電效應(yīng),【解析】選B。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)不一定相等,A項錯誤;在核反應(yīng)中,反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒,B項正確;氫原子從高能級向低能級躍遷時,能輻射出光子,但只能是可見光、紅外線和紫外線,C項錯誤;照射光的頻率必須大于金屬的極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng),與光照時間無關(guān),D項錯誤。,4.(2015福建高考)如圖,兩滑塊A、B在光滑水平面上沿同一直線相 向運(yùn)動,滑塊A的質(zhì)量為m,速度大小為2v0,方向向右,滑塊B的質(zhì)量為2m, 速度大小為v0,方向向左,兩滑塊發(fā)生彈性碰撞后的運(yùn)動狀態(tài)是( ) A.A和B都向左運(yùn)動 B.A和B都向右運(yùn)動 C.A靜止,B向右運(yùn)動 D.A向左運(yùn)動,B向右運(yùn)動,【解析】選D。以滑塊A、B為系統(tǒng),碰前動量矢量和為零,選項A、B、C所述碰后動量不為零,據(jù)動量守恒定律可知選項A、B、C錯誤;由于發(fā)生彈性碰撞,系統(tǒng)動能守恒,故選D。,【考情分析】 主要題型：選擇題、填空題、計算題 命題特點： 1.選擇題形式的命題有時單純考查一個知識點,有時涉及的內(nèi)容會比較瑣碎。,2.計算題形式的命題多是考查動量守恒定律的綜合應(yīng)用,近兩年,動量守恒與其他知識點綜合考查的情況比較多。 3.填空形式的命題多是關(guān)于核反應(yīng)、能級躍遷、光電效應(yīng)等問題的一些較簡單的計算或判斷。,【主干回顧】,【要素掃描】 (1)動量定理。 ①內(nèi)容：物體在一個過程始末的動量變化量等于它在這個過程中所 受力的_____。 ②表達(dá)式：________。 (2)動量、動量守恒定律。 ①條件：系統(tǒng)_________或_________________________。 ②表達(dá)式：_____________________。,沖量,p′-p=I,不受外力,系統(tǒng)所受外力的矢量和為零,m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2,(3)能級躍遷。 ①輻射條件：hν=_____。 ②輻射光譜線條數(shù)：一群處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)的氫原子,可輻射 出的光譜線條數(shù)N=___。 (4)光電效應(yīng)。 ①光電效應(yīng)規(guī)律。 ②光電效應(yīng)方程：hν=_____。,Em-En,Ek+W0,(5)核反應(yīng)、核能的計算 ①兩個守恒：_______守恒、_______守恒。 ②質(zhì)能方程：_____。,質(zhì)量數(shù),電荷數(shù),E=mc2,熱點考向1 動量守恒定律 【典例1】(2015全國卷Ⅱ)兩滑塊a、b沿水平面上同一條直線運(yùn)動,并發(fā)生碰撞;碰撞后兩者粘在一起運(yùn)動;經(jīng)過一段時間后,從光滑路段進(jìn)入粗糙路段。兩者的位置x隨時間t變化的圖像如圖所示。求：,(1)滑塊a、b的質(zhì)量之比。 (2)整個運(yùn)動過程中,兩滑塊克服摩擦力做的功與因碰撞而損失的機(jī)械能之比。,【解題探究】 (1)碰撞時,兩者遵守_________定律。 (2)碰撞損失的機(jī)械能等于碰撞前后_____之差。,動量守恒,動能,【解析】(1)碰撞前 va= m/s=-2m/s vb= m/s=1m/s 碰撞后 v= m/s= m/s 由動量守恒定律mava+mbvb=(ma+mb)v得 ma∶mb=1∶8,(2)兩滑塊克服摩擦力做的功等于兩滑塊a、b碰后的動能 W= (ma+mb)v2= 9ma =2ma 兩滑塊因碰撞而損失的機(jī)械能 ΔW= = ma(-2)2+ 8ma12- 9ma =4ma 兩滑塊克服摩擦力做的功與因碰撞而損失的機(jī)械能之比 W∶ΔW=1∶2 答案：(1)1∶8 (2)1∶2,【典例2】一彈丸在飛行到距離地面5m高時僅有水平速度v=2m/s,爆炸成為甲、乙兩塊水平飛出,甲、乙的質(zhì)量比為3∶1,不計質(zhì)量損失,重力加速度g取10m/s2,則下列圖中兩塊彈片飛行的軌跡可能正確的 是( ),【名師解讀】 (1)命題立意：考查動量守恒定律與平拋運(yùn)動規(guī)律的綜合應(yīng)用。 (2)關(guān)鍵信息：“僅有水平速度v=2m/s”“甲、乙兩塊水平飛出”。 (3)答題必備：平拋運(yùn)動規(guī)律：h= gt2、x=vt; 動量守恒定律：m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2。 (4)易錯警示：誤認(rèn)為爆炸后,兩彈片一定朝不同方向飛出,而否定B選項。,【解析】選B。彈丸水平飛行爆炸時,在水平方向只有內(nèi)力作用,外力 為零,系統(tǒng)水平方向動量守恒,設(shè)m乙=m,m甲=3m,則爆炸前p總=(3m+m)v =8mm/s,而爆炸后兩彈片都做平拋運(yùn)動,由平拋規(guī)律可得：豎直方向為 自由落體運(yùn)動,h= gt2,解得t=1s;水平方向為勻速直線運(yùn)動,x=vt,選 項A：v甲=2.5m/s,v乙=0.5m/s(向左),p′合=3m2.5m/s+m(-0.5)m/s =7mm/s,不滿足動量守恒,選項A錯誤;選項B：p′合=3m2.5m/s +m0.5m/s=8mm/s,滿足動量守恒,選項B正確;同理,選項C：p′合 =3m1m/s+m2m/s=5mm/s,選項C錯誤;選項D：p′合=3m(-1)m/s +m2m/s=-mm/s,選項D錯誤。,【規(guī)律總結(jié)】三類碰撞的分析 (1)彈性碰撞。 動量守恒：m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2,機(jī)械能守恒： (2)完全非彈性碰撞。 動量守恒、末速度相同：m1v1+m2v2=(m1+m2)v′,機(jī)械能損失最多： 機(jī)械能的損失ΔE=,(3)非彈性碰撞。 動量守恒：m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2,機(jī)械能有損失：機(jī)械能的損失 ΔE=,【題組過關(guān)】 1.(2015天津高考)如圖所示,在光滑水平面 的左側(cè)固定一豎直擋板,A球在水平面上靜止 放置,B球向左運(yùn)動與A球發(fā)生正碰,B球碰撞前、后的速率之比為3∶1,A球垂直撞向擋板,碰后原速率返回。兩球剛好不發(fā)生第二次碰撞,A、B兩球的質(zhì)量之比為______,A、B碰撞前、后兩球總動能之比為______。,【解析】設(shè)B球碰撞前速度為v,則碰后速度為- ,根據(jù)題意可知, B球與A球碰撞后A速度為 。 由動量守恒定律有mBv=mA +mB(- ) 解得：mA∶mB=4∶1 A、B碰撞前、后兩球總動能之比為 (EkA+EkB)∶(EkA′+EkB′)= mBv2∶[ mA( )2+ mB(- )2] =9∶5 答案：4∶1 9∶5,2.一個靜止的氡核 Rn放出一個α粒子后變成釙核 Po。已知釙核的速率vPo=1106m/s,求α粒子的速率。 【解析】由動量守恒定律mαvα-mPovPo=0 解得：vα=5.45107m/s 答案：5.45107m/s,3.(2015南昌一模)如圖所示,在傾角θ=30、足夠長的斜面上分 別固定著相距L=0.2m的A、B兩個物體,它們的質(zhì)量為mA=1kg,mB=3kg, 與斜面間動摩擦因數(shù)分別為μA= 和μB= 。在t=0時刻同時撤去 固定兩物體的外力后,A物體沿斜面向下運(yùn)動,并與B物體發(fā)生彈性碰 撞(g取10m/s2)。 求A與B第一次碰后瞬時B的速率。,【解析】A物體沿斜面下滑時有 mAgsinθ-μAmAgcosθ=mAaA aA=gsin30- gcos30=2.5m/s2 B物體沿斜面下滑時有 mBgsinθ-μBmBgcosθ=mBaB aB=gsin30- gcos30=0 可知,撤去固定A、B的外力后,物體B恰好靜止于斜面上,物體A將沿斜面向下做勻加速直線運(yùn)動。,由運(yùn)動學(xué)公式得A與B第一次碰撞前的速度 vA= =1m/s 由于A、B碰撞滿足動量守恒和機(jī)械能守恒,設(shè)第一次碰后B速度為vB, 有： mAvA=mAv′A+mBvB 可得vB=0.5m/s 答案：0.5m/s,【加固訓(xùn)練】如圖所示,木塊質(zhì)量m=0.4kg,它以 速度v=20m/s水平地滑上一輛靜止的平板小車, 已知小車質(zhì)量M=1.6kg,木塊與小車間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2,木塊沒有滑離小車,地面光滑,g取10m/s2,求： (1)木塊相對小車靜止時小車的速度大小。 (2)從木塊滑上小車到木塊相對于小車剛靜止時,小車移動的距離。,【解析】(1)設(shè)木塊相對小車靜止時小車的速度為v′ 根據(jù)動量守恒定律有：mv=(m+M)v′ 解得v′=4m/s (2)對小車,根據(jù)動能定理有：μmgs= Mv′2-0 解得s=16m 答案：(1)4m/s (2)16m,熱點考向2 核反應(yīng)、核能的計算 【典例3】某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論,其中的兩個 核反應(yīng)方程為 方 程中Q1、Q2表示釋放的能量,相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表：則X是_____, Q2______(選填“大于”“等于”或“小于”)Q1。,【解題探究】 (1)如何確定X：____________________________________________ ___________________。 (2)如何比較Q1、Q2大?。篲___________________________________ ______________________。,根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒確定X的質(zhì)量數(shù),和電荷數(shù),然后確定X,計算兩個核反應(yīng)方程的質(zhì)量虧損,質(zhì)量虧,損越多,釋放的能量越多,【解析】核反應(yīng)過程中,反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,所以X的質(zhì)量 數(shù)為15+1-12=4,電荷數(shù)為1+7-6=2,所以X為 He;據(jù)ΔE=Δmc2,經(jīng)過 計算Δm1=0.0021u,Δm2=0.0053u,則可以知道Q2Q1。 答案: He 大于,【典例4】(2014江蘇高考)氡222是一種天然放射性氣體，被吸入 后，會對人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷。它是世界衛(wèi)生組織公布的主 要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。其衰變方程是 +_________。 已知 Rn的半衰期約為3.8天，則約經(jīng)過________天，16 g的 Rn 衰變后還剩1 g。,【名師解讀】 (1)命題立意：以氡222的衰變?yōu)楸尘?考查對核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、 電荷數(shù)守恒的理解及應(yīng)用,同時考查對半衰期的理解。 (2)關(guān)鍵信息： Rn、 Po的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù);“16g的 Rn衰變后還 剩1g”。,(3)答題必備：核反應(yīng)前、后電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒的規(guī)律;衰變的規(guī) 律：m=m0 (4)易錯警示：誤認(rèn)為每經(jīng)過一個半衰期 Rn減少一定的質(zhì)量,導(dǎo)致 不能正確確定衰變的天數(shù)。,【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知空內(nèi)應(yīng)填 He(或α), 根據(jù)m=m0 ,解得t=3.84天=15.2天。 答案: He或α 15.2,【遷移訓(xùn)練】,遷移1：計算核反應(yīng)釋放的能量 【典例4】中, 的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。當(dāng)一個氡222衰變時,釋放的能量是(c表示真空中的光速)( ) A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2 【解析】選D。由題意可知,質(zhì)量的變化量Δm=m1-m2-m3;根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計算釋放的能量為ΔE=(m1-m2-m3)c2,選項D正確。,遷移2：計算衰變后的剩余質(zhì)量 【典例4】中,經(jīng)過19天后,質(zhì)量為m的氡的剩余質(zhì)量為( ) 【解析】選D。由原子核的衰變公式m余=m( )n,其中n= =5為 衰變的次數(shù),解得m余= ,選項D正確。,遷移3：考查地殼中氡222的含量特點 【典例4】中氡222不斷衰變;但勘測表明,經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代后,目 前地殼中仍存在天然的含有放射性元素氡222的礦石,其原因是( ) A.目前地殼中的 Rn主要來自于其他放射性元素的衰變 B.在地球形成的初期,地殼中元素 Rn的含量足夠高 C.當(dāng)衰變產(chǎn)物 Po積累到一定量以后 Po的增加會減慢 Rn的衰變 進(jìn)程 D. Rn主要存在于地球深處的礦石中,溫度和壓力改變了它的半衰期,【解析】選A。元素半衰期的長短由原子核自身因素決定,一般與原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)以及周圍環(huán)境、溫度無關(guān),C、D錯;即使元素氡的含量足夠高,經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代,地殼中也幾乎沒有氡了,一定是來自于其他放射性元素的衰變,故A對,B錯。,【規(guī)律總結(jié)】核反應(yīng)方程及核能的計算 (1)掌握核反應(yīng)方程中的守恒。 ①質(zhì)量數(shù)守恒; ②電荷數(shù)守恒。 (2)核能的計算方法。 ①根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,用核反應(yīng)的質(zhì)量虧損的千克數(shù)乘以真空中光速c的平方,即ΔE=Δmc2(J)。,②根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏(MeV)能量,用核反應(yīng)的質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV,即ΔE=Δm931.5(MeV)。 ③如果核反應(yīng)時釋放的核能是以動能形式呈現(xiàn),則核反應(yīng)過程中系統(tǒng)動能的增量即為釋放的核能。,【加固訓(xùn)練】雷蒙德戴維斯因研究來自太陽的電子中微子(νe)而 獲得了2002年度諾貝爾物理學(xué)獎。他探測中微子所用的探測器的主體 是一個貯滿615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶。電子中微子可以將一個 氯核轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€氬核,其核反應(yīng)方程式為 已知 Cl核的質(zhì)量為36.95658u, Ar核的質(zhì)量為36.95691u, e的質(zhì)量為0.00055u,1u質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5MeV。根據(jù)以上數(shù)據(jù),可以判斷參與上述反應(yīng)的電子中微子的最小能量為( ) A.0.82MeV B.0.31MeV C.1.33MeV D.0.51MeV,【解析】選A。最小質(zhì)量對應(yīng)著最小能量,中微子的最小質(zhì)量應(yīng)為36.95691u+0.00055u-36.95658u=0.00088u,根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2,可得中微子最小能量是E=0.00088931.5MeV=0.820MeV,選項A正確。,熱點考向3 光電效應(yīng)、氫原子能級結(jié)構(gòu)及能級躍遷 【典例5】如圖所示為氫原子的能級示意圖。一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài),在向較低能級躍遷的過程中向外發(fā)出光子,并用這些光照射逸出功為2.49eV的金屬鈉。這群氫原子能發(fā)出______種不同頻率的光,其中有______種頻率的光能使金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng)。,【解題探究】 (1)處于某激發(fā)態(tài)的氫原子,可發(fā)出___種頻率的光子。 (2)放出光子的能量取決于_______________________。 (3)“逸出功為2.49eV”表明：只有_______________的光子才能使金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng)。,始、末兩個能級的能量差,能量大于2.49eV,【解析】據(jù)題意,氫原子在躍遷過程中有以下三種方式：3至1,3至2,2至1,對應(yīng)發(fā)出三種不同頻率的光,要使金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng),氫原子發(fā)出的光子的能量必須大于2.49eV,而3至1為12.09eV,3至2為1.89eV;2至1為10.2eV,所以有兩種頻率的光可以使金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng)。 答案：3 2,【規(guī)律總結(jié)】解決氫原子能級躍遷問題的四點技巧 (1)原子躍遷時,所吸收或釋放的光子能量只能等于兩能級之間的能量差。 (2)原子電離時,所吸收的能量可以大于或等于某一能級能量的絕對值。,(3)一群原子和一個原子不同,它們的核外電子向基態(tài)躍遷時發(fā)射光 子的種類N= (4)計算能級能量時應(yīng)注意：因一般取無窮遠(yuǎn)處為零電勢參考面,故 各能級的能量值均為負(fù)值;能量單位1eV=1.610-19J。,【題組過關(guān)】 1.(2013江蘇高考)根據(jù)玻爾原子結(jié)構(gòu)理論,氦離子(He+)的能級圖如 圖所示。電子處在n=3軌道上比處在n=5軌道上離氦核的距離______ (選填“近”或“遠(yuǎn)”)。當(dāng)大量He+處在n=4的激發(fā)態(tài)時,由于躍遷所 發(fā)射的譜線有______條。,【解析】根據(jù)玻爾理論,電子離原子核越遠(yuǎn),原子所處的能級就越高, 另外,處于n=4能級的原子向基態(tài)躍遷時,會產(chǎn)生 =6種譜線。 答案：近 6,2.(2015煙臺一模)太陽能光電直接轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電效應(yīng),將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。如圖所示是測定光電流的電路簡圖,光電管加正向電壓。,(1)說出電源和電流表的正、負(fù)極。 (2)入射光應(yīng)照射在________極上。 (3)若電流表讀數(shù)是10μA,則每秒鐘從光電管陰極發(fā)射出的光電子數(shù)至少是________個。,【解析】(1)電源左邊為正極,右邊為負(fù)極,電流表上邊為正極, 下邊為負(fù)極。 (2)入射光應(yīng)照射到陰極板上,即B極。 (3)q=It=1010-61C=10-5C, 而n= ,所以每秒發(fā)射出6.251013個光電子。 答案：(1)見解析 (2)B (3)6.251013,3.(2015全國卷Ⅰ)在某次光電效應(yīng)實驗中,得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示,若該直線的斜率和截距分別為k和b,電子電荷量的絕對值為e,則普朗克常量可表示為__________,所用材料的逸出功可表示為__________。,【解析】由題意可得eUc= =hν-W,變形為Uc= ν- ,結(jié)合圖 像可知 =k, =-b,所以h=ek,W=-eb。 答案：ek -eb,【加固訓(xùn)練】(2014江蘇高考)已知鈣和鉀的截止頻率分別為7.73 1014Hz和5.441014Hz,在某種單色光的照射下兩種金屬均發(fā)生光電效應(yīng),比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子,鈣逸出的光電子具有較大的( ) A.波長 B.頻率 C.能量 D.動量,【解析】選A。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ekm=hν-hν0,因為鈣的 ν0大,所以能量Ekm小,頻率小,波長大,B、C項錯誤,A項正確;根據(jù)物 質(zhì)波波長λ= ,所以鈣逸出的光電子動量小,D項錯誤。,