《光学》-板块Ⅵ 光学和近代物理初步-教案

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1、板块 光学和近代物理初步【知识特点】这部分知识包括了最古老的光的传播（几何光学） ，也包括较近代的对光的本性 （物理光学）的研究内容。还有由两个发现电子的发现和天然放射性现象的发现，引发 了对原子结构乃至原子核的深入认识，对核能的开发利用。 【知识结构】 一、光的传播（一遇界面分两线）二、光的本性（两种争论归一统）光 的 本 性牛顿 微粒说爱因斯坦 光子说光电效应 （规律与应用）惠更斯 波动说证据证 据光的干涉 光的衍射 光的偏振（横波特点）麦克斯韦 电磁说条件与现象光 的 波 粒 二 象 性历 史 争 论物质波 hE ph电磁波谱光的传播在同一种 均匀介质光速真空中c =3.0108m/s

2、介质中v = c /n现象 小孔成像、影的形成 例证：日食、月食 直线传播在两种介 质的界面反射现象折射现象光的反射定律应用：平面镜成像（镜面反射）光的折射定律应用：棱镜色散光谱条件：（要）光密光疏，（充）iC应用：全反射棱镜全反射特 殊三、原子物理（两个发现剖原子）例题选讲 【例 1】某三棱镜的横截面为一直角三角形，如图所示，A = 90，B = 30，C = 60，棱镜材料的折射率为 n， 底面 BC 涂黑，入射光沿平行于底面 BC 的方向射向 AB 面，经 AB 面和 AC 面折射后出射。（1）求出出射光线和入射光线延长线的夹角 。（2）为使上述入射光线能从 AC 面出射，折射率 n 的

3、最大 值为多少？ 解析： （1）设光在 AB 面上入射角为 ，折射角为，在 AC 面上入射角为 ，折射角为 。ir由光的折射定律有 rnisinsin 而，可得060innr2360sin1sin0又，故090rnnrr234sin1cossin2 2由光的折射定律，得核 能 的 开 发氢的光谱汤姆生 发现电子卢瑟福提出 原子的核式 结构模型内容中心：原子核圆周：旋转的电子实验基础： 粒子散射实验玻尔修正理论 1、定态假设 2、跃迁假设 3、轨道量子化假设贝克勒耳发 现天然放射 现象 （三射线、 二衰变、 半衰期）原子核的 内部结构组成H1 1质子： n1 0中子：实验 基础原子核的人工转变

4、HONHe1 117 814 74 2 nCBeHe1 012 69 44 2爱因斯坦 质能方程2mcE解释射线ABCABCi r 234sinsin2nn夹角02 30234arcsin)()(nri（2）要使光从 AC 面出射，应有1sin即12342n解得n27解题关键光的反射和折射俗称几何光学，此题的解题过程充分体现了这一点：如：的推算，的来由，的得出，无一不是几何知识的应060i090r)()(ri用。【例 2】一群处于基态的氢原子受激发后，可发射出 6 种频率的光子。那么这些氢原子受激 发后可跃迁到最高能级为 ；其中最易发生干涉的是 的能级nn 跃迁到 的能级的光子；而能使某种金属

5、发生光电效应的有三种光子，其中n 最接近这种金属极限频率的光子能量为 J。 （氢原子的基态能量，电子电量）eVE6 .131Ce191060. 1解析：根据如图所示的能级图可分析，可发射 6 种光子的最高能级为4n；根据，可知由能级4n跃21 2 1 nE nEEEhnn迁到能级发生的光子的频率 最低，则最易发生干涉现3n 象。而三种能使某金属发射光电效应的光子中，频率最低即最接近该金属极限频率的是由能级跃迁到基态的光子。其能量为2n。JeVeVEEEEE18 121 121063. 12 .10)6 .13(46 .132故答案为： 4 ； 4 3 ； 。181063. 1n 4 321E1

6、E2E3E4【例 3】太阳现在处于主序星演化阶段。它主要是由电子和、He4 2等原子核组成。维持H1 1太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是，这释放的核能HeHe4 21 12些核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演变的理论，若由于聚变反应而使太阳中的核数目从现有数减少 10，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演变阶段。H1 1为了简化，假定目前太阳全部由电子和核组成。H1 1（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量 M。已知地球半径，地球质量，日地中心的距离，地mR6104 . 6kgm24100 . 6mr11105 . 1球表面处的重力加速度，1 年约为。试估算太阳的质

7、量 M。2/10smg s7102 . 3（2）已知质子的质量，He4 2的质量，kgmp27106726. 1kgm27106458. 6电子质量，光速。求每发生一次题中所述的核kgme31101 . 9smc/100 . 38聚变反应所释放的核能。（3）又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命。 （题中23/1035. 1mW，光速，估算结果只要求一位有效数字。 ）kgme31101 . 9smc/1038解析：（1）根据题目提供的数据，可以地球绕太阳公转（视为匀速圆周运动）来推算太阳的 质量 M。根据万有引力定律和匀速圆

8、周运动公式，rTmrMmG2 2)2(可得 2324 GTrM在地球表面处，有20 0RmmGgm则 mgRG2 由可得太阳的质量kgkgTgRmrM30 27263112422232 100 . 2)102 . 3()104 . 6(10)105 . 1 (100 . 614. 344（2）根据爱因斯坦质能方程22)24(cmmmmcEepJ28273127)100 . 3()106458. 6101 . 92106726. 14(J12102 . 4（3）太阳每秒钟辐射的能量2 04 rE太阳中的核数减少 10可辐射的能量H1 1EmMEp41000那么太阳保持在主序星的时间0EEt 24

9、41 . 0rmEMps2113271230)105 . 1 (14. 341035. 1106726. 14102 . 4100 . 21 . 0 s17104 . 3年717102 . 3104 . 3 （即 100 亿年）年10101解后评析本题是一道估算题，应注意一些计算技巧，如、可约略取 10；位数214. 322 . 3的取法可根据题目中所给数据的有效数字最少者而定，若题目有规定，就按规定取有效数字。练习题 1、 关于红外线、紫外线和伦琴射线的产生及其特性的下列说法正确的是 A、一切物质都能发出红外线，一切高温物体都能发出紫外线，受激发的原子核能发出伦 琴射线 B、红外线有显著的化

10、学作用，紫外线有显著的热作用，伦琴射线有很强的贯穿性 C、红外线、紫外线和伦琴射线都是由原子的外层电子跃迁产生的 D、高速电子流打击到固体物质上能产生伦琴射线2、 氢原子的核外电子由内层轨道转移到外层轨道的过程中 A、电势能减少而电子动能增加，原子的能量增加 B、电势能减少而电子动能增加，原子的能量减少 C、电势能增加而电子动能减少，原子的能量增加 D、电势能增加而电子动能减少，原子的能量减少3、 如图所示 ，一束太阳光通过三棱镜后，在光屏 MN 上形成 彩色光带 ad，今将一温度计放在屏上不同的位置，其中温 度计的示数升高最快的区域是 A、Ma B、ab C、cd D、dN4、 如图所示，X

11、 为未知放射源，若将磁铁移开后，计数器 所得计数率保持不变，其后将薄铝片 L 移开，计数率大 幅上升，则放射源为 A、纯 放射源； B、纯 放射源； C、 混合放射源； D、 混合放射 源。5、 如图，在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块 锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电 器的指针张开一个角度，这时 A、 锌板带正电，指针带负电； B、锌板带正电，指针带正电； C、锌板带负电，指针带正电； D、锌板带负电，指针带负电；6、 在完全透明的水下某深处，放一点光源，在水面上可见到一个圆形透光平面，若透光圆 面的半径匀速增大，则光源正 A、加速上升； B、加速下沉； C、匀速上升；

12、D、匀速下沉。Mb c d Na计数器LXNS验电器锌板弧光灯7、 某放射性元素的原子核发生两次 衰变和六次 衰变，关于它的原子核的变化，下列 说法中正确的是 A、中子数减小 8； B、质子数减小 2； C、质子数增加 2； D、核子数减少 10。8、 如图所示，两个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 是未知 的均匀透明介质。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）中的任一条都可能； B、4、5、6（彼此平行）中的任一条都可能； C、7、8、9（彼此平行）中的任一条都可能； D、只能是 4、6 中的某一条。9、

13、 一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光，分别照射在相同的金属板 a、b、c 上，如图所示，已知金属板 b 有光电子放出，则可知 A、板 a 一定放出光电子； B、板 a 一定不放出光电子；C、板 c 一定不放出光电子； D、板 c 一定放出光电子。10、下述哪些现象不是由于全反射造成的 A、 露水珠在阳光照射下格外明亮； B、用光导纤维传送光信号； C、海市蜃楼； D、 水中的气泡看起来格外明亮。11、氢原子基态的能量为，电子绕核运动的半径为，氢原eVE6 .131mr10 11053. 0子处于的激发态时，求：2n（1）原子系统具有的能量（2）电子在轨道上运动的动能（3）电子

14、具有的电势能（电子电量，静电力常量Ce19106 . 1）229/100 . 9cmNK12、在伦琴射线管两极板上加一定的电压，就能发出伦琴射线，已知可加工作电压为 20kV， 求：（1）射线管发出射线的最短波长1 24356 78 9A CBBACab c（2）若此时管内工作电流为 5mA，且每秒钟有个光子射出，其平均波长为13105，则此射线管内工作效率为多少？（即伦琴射线管的功率占所消耗电功率的m10101百分比）13、肉眼可觉察的光能，视觉可以暂留 0.1s。已知太阳到达地球的光流强度在垂直于J810光的传播方向上是，太阳离地球的距离是，估算我们肉眼23/104 . 1mWm11105

15、 . 1（瞳孔面积为 0.1）难以看到的与太阳类似的恒星离地球大约多远？（取一位有效2cm数字）14、在一原子反应堆中，用石墨碳做减速剂使快中子减速，已知碳的质量是中子的 12 倍，假 设把中子和碳核的每次碰撞看作是弹性碰撞，而且认为碰撞前碳核都是静止的。（1）设碰撞前中子的动能为 E，问经过一次碰撞，中子损失的能量是多少？（2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于0610E（已知，）114. 113lglg111.041参考答案 1、D； 2、C； 3、A； 4、D； 5、B； 6、D； 7、C； 8、B； 9、D； 10、A11、 （1）； （2）； （3）eV4 . 3eV4 . 3eV8 . 612、 （1）； （2）m11100