第20讲 原子物理与相对论初步-2020年强基计划高三物理专题讲解（核心素养提升）

2020年强基计划物理专题讲解（核心素养提升） 第20讲 原子物理与相对论初步 知识精讲 一．光电效应图象 四类图象 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc ②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量：图线的斜率k＝h 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点 ②饱和光电流Im：光电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率νc：图线与横轴的交点 ②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 ③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压) 二．玻尔的原子理论： 定态理论（量子化能级）：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。 　　跃迁假设：原子从一种定态（能量Em）跃迁到另一种定态（能量En）时，要辐射（或吸收）一定频率的光子，光子能量（hv）由这两个定态的能量差决定的。即hv=Em-En。 　　轨道假设（量子化轨道）：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（能量）是不连续的，与它相对应的电子轨道分布也是不连续的。只有满足轨道半径跟电子动量乘积等于的整数倍，才是可能轨道，即： 其中n是正整数叫做量子数。 玻尔模型中的氢和类氢原子半径和电子在每一个轨道上的总能量。 三．质量亏损及核能的计算 1.利用质能方程计算核能 (1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm. (2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能. 质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”. (3)ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用. 2.利用比结合能计算核能 原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数. 核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能. 四．相对论初步 1..时间延缓效应 经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。 分析：在此过程中车上的钟走过的时间为Δt1，称固有时.静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为Δt设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则Δt＝。 爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：Δt＝。由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。 2.长度收缩效应: 长度的测量方法：同时测出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是测出的杆长. 如果与杆相对静止的人认为杆长为l0. 与杆相对运动的人认为杆长为l. 则l＝l0. 一根相对于观测者沿自身长度方向运动的杆，其被测长度总比杆相对观测者静止时的被测长度小，而在与运动方向垂直的方向上，没有这种效应. 按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝l，由于v<c，所以l′<l。这种长度观测效应被称为长度收缩。 3.质能关系 (1)经典物理学的观点 经典力学认为物体的质量是物体的固有属性，由物体所含物质的多少决定，与物体所处的时空和运动状态无关。由牛顿第二定律F＝ma可知，只要物体的受力足够大、作用时间足够长，物体将能加速到光速或超过光速。 (2)相对论的观点 由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的。当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个最小质量叫静止质量。当物体以速度v相对某惯性参考系运动时，在这个惯性参考系观测到的质量为m＝。 2.质能关系 (1)经典物理学的观点 在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念。 (2)相对论的观点 由相对论及基本力学定律可推出质量和