高中物理光學(xué)、原子物理知識要點

1、光學(xué)一、光的折射1折射定律：n=sin大角sin小角 2光在介質(zhì)中的光速：v=c/n3光射向界面時，并不是全部光都發(fā)生折射，一定會有一部分光發(fā)生反射。4真空/空氣的n等于1，其它介質(zhì)的n都大于1。5真空/空氣中光速恒定，為c=3108m/s，不受光的顏色、參考系影響。光從真空/空氣中進(jìn)入介質(zhì)中時速度一定變小。6光線比較時，偏折程度大（折射前后的兩條光線方向偏差大）的光折射率n大。二、光的全反射1全反射條件：光由光密（n大的）介質(zhì)射向光疏（n小的）介質(zhì)；入射角大于或等于臨界角C，其求法為sinC=1n。2全反射產(chǎn)生原因：由光密（n大的）介質(zhì)，以臨界角C射向空氣時，根據(jù)折射定律，空氣中的sin角將

2、等于1，即折射角為90；若再增大入射角，“sin空氣角”將大于1，即產(chǎn)生全反射。3全反射反映的是折射性質(zhì)，折射傾向越強越容易全反射。即n越大，臨界角C越小，越容易發(fā)生全反射。4全反射有關(guān)的現(xiàn)象與應(yīng)用：水、玻璃中明亮的氣泡；水中光源照亮水面某一范圍；光導(dǎo)纖維（n大的內(nèi)芯，n小的外套，光在內(nèi)外層界面上全反射）三、光的本質(zhì)與色散1光的本質(zhì)是電磁波，其真空中的波長、頻率、光速滿足c=f（頻率也可能用表示），來源于機械波中的公式v=/T。2光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，其頻率不變，光速與波長同時變大或變小。3將混色光分為單色光的現(xiàn)象成為光的色散。不同顏色的光，其本質(zhì)是頻率不同，或真空中的波長不同。同時，

3、不同顏色的光，其在同一介質(zhì)中的折射率也不同。4色散的現(xiàn)象有：棱鏡色散、彩虹。 5紅光和紫光的不同屬性匯總?cè)缦拢侯l率f(或)真空中里的波長折射率n同一介質(zhì)中的光速偏折程度臨界角C紅光大大大紫光大大大原因c=fv=c/nn越大偏折越厲害sinC=1n發(fā)生全反射光子能量發(fā)生光電效應(yīng)雙縫干涉時的條紋間距x發(fā)生明顯衍射紅光大容易紫光容易大容易原因臨界角越小越容易發(fā)生全反射E=hh=W0+EKx=Ld波長越大越有可能發(fā)生明顯衍射四、光的干涉1只有頻率相同的兩個光源才能發(fā)生干涉。2光的干涉原理（同波的干涉原理）：真空中某點到兩相干光源的距離差即光程差s。當(dāng)s=122n+1, n=0,1,2,時，即光程差等于

4、半波長的奇數(shù)倍時，由于兩光源對此點的作用總是步調(diào)相反，疊加后使此點振動減弱；當(dāng)s=n, n=0,1,2,時，即光程差等于波長的整數(shù)倍，半波長的偶數(shù)倍時，由于兩光源對此點的作用總是步調(diào)一致，疊加后使此點振動加強。3楊氏雙縫干涉：單色光源經(jīng)過雙縫形成相干光，在屏上形成明暗相間的等間距條紋。雙縫間距離d、雙縫到屏的距離L、光的波長、條紋間距x的關(guān)系為x=Ld。4雙縫干涉的條紋間距指的是兩條相鄰的明條紋中心的距離。其它條件相同時，光的波長越大，條紋間距越大，明、暗條紋本身也越粗。5若使用白光做雙縫干涉實驗，會得到彩色的條紋，中央明紋為白色。6薄膜干涉：光射向薄膜時，在膜的外、內(nèi)表面各反射一次，兩束反射

5、光在外表面相遇發(fā)生干涉。若疊加后振動加強，則會使反射光增強，透射光減弱；若疊加后振動減弱，則會使反射光減弱，透射光增強。7薄膜干涉的現(xiàn)象與應(yīng)用：彩色肥皂泡、彩色油膜；增透膜、增反膜、檢查工件平整度。五、光的衍射1光繞過障礙物傳播即光的衍射。只有障礙物、孔、縫的尺寸小到可以與光的波長比擬時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。2單色光的單縫衍射在屏上得到的是不等間距的條紋。其它條件相同時，光的波長越大，條紋間距越大，條紋本身也越粗（同雙縫干涉）。3白光的單縫衍射得到的是彩色條紋，中央明紋為白色。4衍射相關(guān)的現(xiàn)象：泊松斑；影子邊緣模糊不清；透過縫看日光燈管。六、光的偏振1振動方向與傳播方向平行的波稱為縱波，

6、如聲波。振動方向與傳播方向垂直的波稱為橫波，如光波（電磁波）、繩子上的波。2偏振原理不便敘述，詳見教材?，F(xiàn)象為當(dāng)旋轉(zhuǎn)兩個偏振片中的一個時，透過的光強度會隨之變化，甚至?xí)В串?dāng)兩偏振片相應(yīng)方向垂直時）。3光的偏振說明光是一種橫波。偏振可應(yīng)用于鏡頭、車燈、立體電影等。七、激光1激光的特點是一致性高、平行度好、強度高（并非單個光子能量大）電磁波一、電磁波的發(fā)現(xiàn)1麥克斯韋建立了經(jīng)典電磁場理論，預(yù)言了電磁波的存在；赫茲通過實驗證實了電磁波的存在。2電磁場理論要點（一個字都不能錯）：變化的磁場產(chǎn)生電場；變化的電場產(chǎn)生磁場。將“電場”改為“電流”，或?qū)ⅰ爱a(chǎn)生電場”改為“產(chǎn)生變化的電場”、“產(chǎn)生磁場”改為

7、“產(chǎn)生變化的磁場”都是錯誤的。二、無線電波的發(fā)射與接收1電視、廣播、手機等信號都是由無線電波來傳播的。利用無線電波傳播聲音、圖像等信號時，發(fā)射電磁波前要將這些信號加載到電磁波（也叫載波）上，稱為調(diào)制。調(diào)制分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種，圖見教材。2接收電磁波時，需要接收電路與空間中的相應(yīng)的電磁波發(fā)生共振，叫調(diào)諧。將接收到的電信號轉(zhuǎn)換回聲音、圖像信號的過程稱為解調(diào)。三、電磁波譜1電磁波按照頻率從小到大、波長從大到小的順序排列為：無線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線2各種電磁波的應(yīng)用無線電波：通信、廣播紅外線：熱效應(yīng)、探測、遙感紫外線：滅菌消毒、熒光防偽X射線：安檢、醫(yī)學(xué)透視、工業(yè)探傷射線：高能量、

8、摧毀癌細(xì)胞、工業(yè)探傷3電磁波與機械波的比較機械波傳播需要介質(zhì)，但電磁波傳播不需要介質(zhì)，而且在真空中的速度總等于光速，進(jìn)入介質(zhì)傳播速度會降低。機械波有縱波有橫波，但電磁波都是橫波。機械波不是概率波，但電磁波是概率波。波粒二象性一、能量量子化1普朗克假設(shè)微觀粒子的能量不是連續(xù)變化的，用“能量子”概念完美解釋了黑體輻射實驗（之前的科學(xué)家們用能量連續(xù)變化的觀點都解釋不通），標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。2能量子公式E=h，其中為電磁波的頻率，h為普朗克常量。二、光電效應(yīng)1光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。逸出的電子稱為光電子。2愛因斯坦推廣了普朗克的理論，認(rèn)為光本身就是由一個個光子組成

9、的，并以此成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象（之前的電磁波理論都不能完整解釋光電效應(yīng)）。3愛因斯坦光電效應(yīng)方程：EK=h-W0。其中h為光子能量；W0為金屬的逸出功，指電子從金屬表面逸出時克服金屬的束縛力所做的功，只與金屬有關(guān)；EK為逸出的光電子的最大初動能。4發(fā)生光電效應(yīng)的條件是，光子能量h必須大于逸出功W0。對同一種金屬，逸出功一定，能量越大（或頻率越大）的光，越有可能產(chǎn)生光電效應(yīng)。金屬恰好產(chǎn)生光電效應(yīng)時有h=W0，此時的光子頻率稱為該金屬的極限頻率。5光強表征單位時間照射的光子數(shù)。光子能量大于逸出功時，光強越大，單位時間打出的光電子就會越多，所謂的光電流就會越大。即光子能量小于逸出功時，無論怎樣增

10、大光強也不能發(fā)生光電效應(yīng)。三、康普頓效應(yīng)康普頓用光子模型成功解釋了康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)表明光子除了能量之外還具有動量。光子動量為p=h。四、光的波粒二象性1對光的認(rèn)識歷程：最開始光的粒子說和波動說都有擁護(hù)者，如牛頓認(rèn)為光是粒子；然后光的衍射、干涉和偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們一致贊同光的波動說；接下來麥克斯韋和赫茲確認(rèn)了光的電磁波本質(zhì)，進(jìn)一步鞏固了波動說；最后光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)再次讓人們認(rèn)識到光的粒子性，并得到光具有波粒二象性的結(jié)論。2光的干涉、衍射、偏振、多普勒效應(yīng)揭示光的波動性；光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)揭示光的粒子性。五、物質(zhì)波、概率波、不確定關(guān)系1德布羅意將光的波粒二象性推廣到實物粒子，認(rèn)為實

11、物粒子也具有波粒二象性。這種實物粒子的波稱為德布羅意波，或者物質(zhì)波。2光子能量與動量的公式E=h、p=h 被推廣到實物粒子，式中能量E、動量p描述物質(zhì)粒子性，頻率、波長描述物質(zhì)的波動性，二者由普朗克常量h聯(lián)系到一起。3實驗觀察到電子束衍射現(xiàn)象，證實了物質(zhì)波的存在。4光、實物粒子之所以能集粒子性、波動性于一身，是因為光波、物質(zhì)波都是概率波。概率波不同于機械波；其“振動”體現(xiàn)的并不是質(zhì)點的位置改變，而是光子/實物粒子出現(xiàn)的概率大小。光的干涉、衍射等波動現(xiàn)象中，得到的條紋分布實際是光子的出現(xiàn)概率分布。干涉中的振動疊加其實是概率的疊加：振動加強點，實際是光子出現(xiàn)概率被增大，即到達(dá)光子多，因此形成亮條紋

12、；振動減弱點，實際是光子出現(xiàn)概率被減小，即到達(dá)光子少，因此形成暗條紋。電子的衍射圖樣，同樣是反映其到達(dá)幾率的分布。5不確定關(guān)系：由于波粒二象性的存在，光子、實物粒子的位置和動量不可能同時測準(zhǔn)。原子結(jié)構(gòu)一、電子的發(fā)現(xiàn)1湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說明原子具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即原子可以再分（因為電子是從原子里發(fā)出來的）。2密立根油滴實驗測出了電子電荷量e。二、原子核式結(jié)構(gòu)模型1盧瑟福的粒子散射實驗（圖見教材）完全否定了湯姆孫的原子棗糕模型，說明原子具有核式結(jié)構(gòu)。2實驗現(xiàn)象為絕大多數(shù)粒子穿過金箔后能沿原來的方向前進(jìn)，但少數(shù)粒子會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。唯一的解釋只能是原子的核式結(jié)構(gòu)：原子內(nèi)除電子外只有一個非常小的原子核，整個

13、原子很空曠；此核集中了原子中所有的正電荷和絕大部分質(zhì)量。使粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是它與原子核之間的庫倫斥力（二者都帶正電）。三、氫原子光譜與能級理論1連續(xù)光譜、明線光譜、吸收光譜各自的產(chǎn)生條件。2波爾為了解釋氫原子光譜的不連續(xù)性，將“量子化”的理論引入氫原子結(jié)構(gòu)模型。即氫原子中的電子，在庫侖力的作用下繞原子核作圓周運動，其軌道半徑是不能連續(xù)變化的，而是量子化的，只能取某些特定的值。由此形成的氫原子的能量也是量子化的，只能取某些特定的值，這些能量值稱為能級。3所謂氫原子的能量，包括電子繞核運動的動能，以及原子核與電子共同具有的電勢能。能級越高，電子運動軌道半徑越大，動能越小，電勢能越大，總能量也越大。此

14、規(guī)律與天體運動中衛(wèi)星軌道半徑與能量的關(guān)系相同。4n=1能級是最低、最穩(wěn)定的能級，原子在此能級時稱為處于基態(tài)，而在n=2以上的能級時稱為處于激發(fā)態(tài)。5氫原子在被光照射時，可能吸收適當(dāng)頻率的光子，并向上躍遷至更高的能級，此時總能量增加，躍遷前后的能量之差E即等于需要吸收的光子能量h。光子能量不等于相應(yīng)能量差時不會被吸收。6氫原子處于激發(fā)態(tài)時，會自發(fā)地向下躍遷，同時放出光子。經(jīng)過一次或多次向下躍遷，最終回到基態(tài)。每次向下躍遷放出的光子能量 h即等于躍遷前后的能量之差E。處于n=2、3、4、5能級的大量氫原子分別能放出1、3、6、10種不同頻率的光子。原子核一、天然放射現(xiàn)象1元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫

15、天然放射現(xiàn)象。天然放射現(xiàn)象說明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即原子核可以再分（因為射線是從原子核里發(fā)出來的；注意與“電子的發(fā)現(xiàn)”區(qū)分開）。由于是原子核層面的反應(yīng)，天然放射現(xiàn)象完全不受溫度、壓強、元素化學(xué)態(tài)的影響。2放出的三種射線中，帶正電、在磁場中偏轉(zhuǎn)半徑較大的稱為射線；帶負(fù)電、在磁場中偏轉(zhuǎn)半徑較小的稱為射線；不帶電的稱為射線。三種射線的本質(zhì)與性質(zhì)如下：射線本質(zhì)符號速度穿透能力電離能力氦核24He稍慢弱，一張紙就能擋住強電子流-10e快中，可穿幾毫米厚的鋁板中光子流h最快強，可穿幾厘米厚的鉛板弱3之后的研究表明，原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子帶1個單位正電荷，中子不帶電。二者質(zhì)量均遠(yuǎn)大于電子。質(zhì)子和中

16、子統(tǒng)稱核子。4原子核常用符號ZAX表示，X為元素符號，Z為質(zhì)子數(shù)，亦即核電荷數(shù)、原子序數(shù)；A為質(zhì)量數(shù)，即核子數(shù)，也就是質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和。中子數(shù)則等于A-Z。5同種元素的原子，質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)/質(zhì)量數(shù)可以不同。質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子相互稱為同位素。6幾種重要的粒子符號：氦核24He；電子-10e；質(zhì)子11H；中子01n；正電子10e。二、衰變1由于天然放射現(xiàn)象放射出或粒子導(dǎo)致元素種類發(fā)生了變化，稱為發(fā)生了衰變。衰變可分為衰變和衰變。2衰變可概括為：ZAXZ-2A-4Y+24He，其反應(yīng)原理為：211H+201n24He，即原子核中的兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合形成一個氦核后放射出來。3衰變

17、可概括為：ZAXZ+1AY+-10e，其反應(yīng)原理為：01n11H+-10e，即原子核中的一個中子分裂成一個質(zhì)子和一個電子，并把電子放射出來。衰變放出的電子來自于原子核，但不能說原子核中含有電子。4衰變方程屬于核反應(yīng)方程，所有核反應(yīng)前后滿足電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒，但質(zhì)量不守恒。5沒有所謂的衰變。原子核不會單獨放出射線，但衰變和衰變總是伴隨著輻射。6大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間稱為這種元素的半衰期。半衰期只對大量原子核有效，不能用于預(yù)測少量原子核的衰變。半衰期完全不受溫度、壓強、元素化學(xué)態(tài)的影響。舉例說明：假設(shè)A原子核衰變?yōu)锽原子核的半衰期為T，且B不再衰變；現(xiàn)有1mol A原子，則：經(jīng)過T時間，會變?yōu)?/2 mol A原子，1/2 mol B原子。經(jīng)過2T時間，會變?yōu)?/4 mol A原子，3/4 mol B原子。經(jīng)過3T時間，會變?yōu)?/8 mol A原子，7/8 mol B原子。三、裂變與聚變1核裂變是一個很大的原子核被撞擊裂成兩個中等大小的原子核。反應(yīng)物和生成物還可帶有中子等。如92235Um+01n56144Ba+3689Kr+301n（方程不用記）。2核裂變有時也稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)過程中放出巨大能量，應(yīng)用于原子彈、核電站發(fā)電。3核聚變是幾個很