2020高考物理 专题10热学、光学、原子物理热点分析与预测

2020高考物理热点分析与预测专题10热学、光学、原子物理 一、2020大纲解读本专题高考考查的知识点共35个。其中涉及30个级要求知识点，5个级要求知识点，级要求的知识点有：1.光的反射，反射定律，平面镜成像作图法2.光的折射，折射击定律，折射率3.光电效应，光子，受因斯坦光电效应方程，全反射和临界角4.氢原子的能级结构，光子的发射和吸收5.核能、质量亏损、爱因斯坦的质能方程。从近三年的高考对本专题考查情况看,要求知识点出现的概率比级要求知识点大的多，特别是质能方程、氢原子的能级结构与光的折射三个知识点在最近三年的高考出现的尤为频繁。在近三年各地高考中这三十个知识点多以与联系实际问题以及与科技前沿相关的问题作为载体进行考察，在复习过程中不能忽视，现行高考对本专题知识点的考查趋于灵活往往在一道选择题中渗透对多个知识点的考查。这种小范围综合性选择题为高考下一步对本专题考查的一个重要模式。二、重点剖析（一）热学部分1分子动理论：物体是由大量分子组成的（分子直径的数量级为1010m），物体里的分子永不停息地做无规则运动。分子间存在着相互作用力。友情提醒：阿伏伽德罗常数是联系微观与宏观数量的桥梁。2两个基本模型：固体和液体分子间距离很小，可近似看作分子是紧密排列着的球体。球体模型：，若分子直径为d，则1个分子的体积：正方体模型：若正立方体的边长L，则一个分子的体积就是。友情提醒：对气体来说，在一般情况下分子不是紧密排列，所以上述模型无法求分子的直径，但能通过上述模型求一个分子所占的空间或分子间距。3热力学三个定律（1）热力学第一定律的表达式：注意：外界对系统做功，取正；系统对外界做功， 取负系统从外界吸热，取正；系统向外界散热， 取负系统内能增加，取正；系统内能减少，取负（2）热力学第二定律两种表述：A.不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化这是按照热传导的方向性来表述的两个温度不同的物体相互接触时，热量总是自发的从高温物体传给低温物体，所谓“自发”就是不受外来干扰；在自发状态，热量不可能从低温物体传给高温物体受到外来干扰（引起其他变化）的情况下，热量可以从低温物体传递给高温物体的，例如正常工作的电冰箱；自然界所有的自发过程都是有方向性的（单向、不可逆），例如河水的下流、山体的滑坡、生物的进化、个人从婴儿到成年到老年的一生B.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的由于第二类永动机就是设想，能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械所以，热力学第二定律也可表述为：第二类永动机不可能制成C.两种表述是等效的 热力学第二定律的两种表述看上去似乎没有什么联系，但实际上它们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个D.热力学第二定律的实质 热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性（3）热力学第三定律：热力学零度不可达到说明：第三定律告诉我们，低温是有极限的，只能接近极限，不能到达这个极限4三个气体状态参量（1）温度：温度在宏观上表示物体的冷热程度；在微观上是分子平均动能的标志。热力学温度是国际单位制中的基本量之一，符号T，单位K（开尔文）；摄氏温度是导出单位，符号t，单位（摄氏度），关系是t=T-T0，其中T0=273.15K。两种温度间的关系可以表示为：T = t+273.15K，0K是低温的极限，它表示所有分子都停止了热运动。可以无限接近，但永远不能达到。（2）体积：气体的体积总是等于盛装气体的容器的容积。（3）压强：气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的。一般情况下不考虑气体本身的重力，所以同一容器内气体的压强处处相等。但大气压在宏观上可以看成是大气受地球吸引而产生的重力而引起的。（二）光学1. 光的直线传播、光的反射与平面镜成像光的直线传播：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的，在真空中传播的速度最大，其速度大小为。在不均匀的介质传播时，光线会发生弯折。光的反射定律：反射光线、入射光线和法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居在线的两侧，反射角等于入射角。平面镜成像：平面镜所成的像和物是大小相等、关于镜面对称，与平面镜的大小无关，是正立的虚像。平面镜只改变光束的传播方向，不改变光束的性质。2.光的折射与全反射光的折射定律：光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生改变的现象叫光的折射。光的折射遵守光的折射定律，其内容是：折射光线跟入射光线和法线在同一平面内，并且分居在法线的两侧，入射角的正弦跟折射角的正弦成正比，用公式表示为：全反射：光从光密介质入射到光疏介质，光全部反射返回光密介质的现象叫光的全反射。产生全反射的条件是光由光密介质入射到光疏介质，且入射角大于临界角。三棱镜、光导纤维：光线通过三棱镜后向底面偏折是由于介质对不同色光的折射率不同，发生色散的结果。三棱镜是控制光路的光学器件，我们通过三棱镜看到的是物体的虚像。光导纤维是利用全反射原理传播光信号的介质。3.光的本性了解光的本性学说的发展简史： 17世纪牛顿支持的微粒说和惠更斯提出波动说，麦克斯韦的光的电磁说，爱因斯坦的光量子假说。光的波动性：光的干涉和光的衍射是光具有波动性的实验证明。光的干涉：两束频率相同的光才有可能是相干光，托马斯杨巧妙地用双缝把一束光分解成两束相干光，成功完成了光的干涉实验。在用单色光做双缝干涉实验得到稳定的干涉图样，在光屏上距双缝的路程差是光波波长整数倍的地方出现明条纹，在光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方出现暗条纹；光的衍射：光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象叫做光的衍射现象；只有在障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多的条件下，才能发生明显的衍射现象；光的偏振：光在某一方向上振动最强，说明光是横波。光的电磁说：麦克斯韦提出，赫兹用实验验证了光的电磁说是正确的。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、射线是频率从小到大排列的电磁波谱，频率不同的电磁波有不同的作用，波长长的电磁波波动性显著，不同频率的电磁波产生的机理不同。光的粒子性：光电效应是光的粒子性光量子说的实验基础，光是一份份地传播的，每一份的能量是，用光量子说可解释光电效应，光电效应的基本规律可用四个结论(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；光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，随入射光的频率的增大而增大，用公式表示为；光电子的发射具有瞬时性；当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比)表述。光的波粒二象性：光具有波动性，又具有粒子性，大量光子产生的效果显示出波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，既不能理解为宏观概念中的波，也不能把光子看作宏观概念中的粒子。（三）近代物理初步1.原子的核式结构粒子散射实验观察到的实验现象：绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向运动；极少数粒子则发生了较大的偏转甚至返回。从而推断了原子的核式结构。说明：核式结构并没有指出原子核的组成。2. 原子核的衰变及三种射线原子核的衰变 ：衰变和衰变。衰变：衰变：和衰变次数的确定：先由质量数守恒确定衰变的次数，再由核电荷数确定衰变的次数。半衰期T：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫半衰期，衰变规律是。说明：原子核的衰变只由原子核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态或化学状态无关。3. 玻尔理论主要内容：“定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽然做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样相对稳定的状态称为定态。“跃迁假设”：电子绕核运动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态发生跃迁时，却要辐射(吸收)电磁波(光子)，其频率由两个定态的能量差决定。“能量量子化假设”和“轨道量子化假设”：由于能量状态的不连续，因此电子绕核运动的轨道半径是不连续，只能取某些确定的值。4.核能爱因斯坦技能方程：；核能的计算：若以千克为单位，则；若以原子的质量单位u为单位，则；核能的获取途径：重核的裂变，如：；轻核的聚变，如： 。说明：聚变反应是热核反应，物质的温度达到超高温状态（几百万摄氏度以上）才以发生。三、考点透视例题：（2020年全国卷）对一定量的气体， 下列说法正确的是（ ）A气体的体积是所有气体分子的体积之和B气体分子的热运动越剧烈， 气体温度就越高C气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的D当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减少例1.下列说法正确的是( )A用三棱镜观察太阳光谱是利用光的干涉现象B在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象C用标准平面检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象D电视机遥控器是利用发出紫外线脉冲信号来变换频道的解析：用三棱镜观察太阳光谱是利用光的色散现象，在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象，用标准平面检查光学平面的平整程度是利用薄膜干涉原理，电视机遥控器是利用发出红外线脉冲信号来变换频道的。答案：B点拨：本专题知识点非常多，级要求达30个之多，应对这种多知识点综合问题只有全面复习。例2下面的叙述中正确的是（ ）A物体的温度升高，物体中分子热运动加剧，所有分子的热运动动能都一定增大B对气体加热，气体的内能一定增大C物质内部分子间吸引力随着分子间距离增大而减小，排斥力随着分子间距离增大而增大D布朗运动是液体分子对换悬浮颗粒碰撞作用不平衡而造成的解析：温度升高是分子的平均动能增加，大量分子做的是无规则热运动，无法实现所有的分子动能都一定增大。对气体加热，在没有谈及做功的情况下，无法判断气体内能的变化情况。在物质内部分子间的吸引力和排斥力都随着分子间距离增大而减小，不过斥力变化的比引力快。布朗运动是液体分子对换悬浮颗粒碰撞作用不平衡而造成的答案：D点拨：热学的规律都是对大量分子的活动做观察之后的统计规律，单个分子的运动是杂乱无章无规律可寻的。内能的改变取决与做功和热传递两种方式。分子间的作用力的特点是引力和斥力变化趋势相同，而且斥力变化的快。例3已知某种单色光照射到某金属表面上时发生了光电效应。若将该入射光的强度减弱，下列说法中正确的是（ ）A从入射光照至金属表面上到金属发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B逸出的光电子的最大初动能将减小C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D有可能不发生光电效应解析：入射光的强度减弱时，单位时间内照到单位面积上的光子数将减少，对应的吸收能量逸出的光电子必将减少，但是光电效应的发生是瞬时的大约光照射后之内就会发生光子数的减少不会在发生时间上有影响。根据爱因斯坦光电效应方程，如何光频率不变则光电效应一定发生而且逸出的光电子的出动能不变。答案：C点拨：对光电效应的理解应把握好如下四点任何金属都存在极限频率，只有用高于极限频率的光照射金属，才会发生光电效应现象.在入射光的频率大于金属极限频率的情况下，从光照射到逸出光电子，几乎是瞬时的，时间不超过10-9 s.光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，而与光强无关.单位时间内逸出的光电子数与入射光的强度成正比.例4：根据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界上第一套全超导核聚变实验装置，又称“人造太阳”，已完成了首次工程调试，下列关于“人造太阳”的说法不正确的是（ ）A“人造太阳”的核反应方程是H+HHe +nB“人造太阳”的核反应方程是U+nBa+Kr+3nC“人造太阳”释放的能量大小计算公式是E=mc2D“人造太阳”核能大小计算公式是解析：“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变，而不是重核裂变，故选项A对B错；释放核能大小的计算依据是爱因斯坦质能方程，C对D错，故选BD。答案：BD点拨：“人造太阳”是利用海水中的H和H轻核聚变而产生大量的能量，放出的能量是用质量亏损计算的。四、热点分析热点一、利用阿状加德罗常数估算分子质量和大小例1、已知地球半径约为6.4106 m，空气的摩尔质量约为2910-3 kg/mol, 一个标准大气压约为1.0105 Pa, 利用以上数据, 估算出地球表面大气在标准状况下的体积为A. 41016 m3 B. 41018 m3C. 41030 m3 D. 41022 m3解析：大气压是由大气重量产生的, 大气压强p = = ，代入数据可得地球表面大气质量m=5.21018 kg , 标准状态下1mol气体的体积为v=22.410-3 m3，故地球表面大气体积为V= v = 22.410-3 m3 = 41018 m3，选项B正确.答案：B反思：本题是通过阿伏伽德罗常数把宏观量和微观量的联系起来，这种题型是高考常考的内容，复习时要重视。0.5413.603.401.500.850.380.281234567nE/eV热点二、波尔理论中的能级跃迁问题例2、用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目原来增加了5条。用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n和E的可能值为( )An1，13.22 eVE13.32 eVBn2，13.22 eVE13.32 eVCn1，12.75 eVE13.06 eVDn2，12.75 eVE13.06 eV本题简介：本题为典型的跃迁问题综合题，出题角度新颖。解析：大量光子跃迁时各种跃迁随机出现，如果一群处于高能级的氢原子向低能级跃迁时，所辐射的光谱线数，增加了5条谱线有可能是5、6能级转换增加的，也有可能是2、4能级转换增加的。电子与原子作用导致原子跃迁时，电子的动能必大于所跃迁的两能级之差才可行，但又不能大与下一个能级与基态的能级差。答案：AD反思：对原子跃迁问题应把握以下几点原子跃迁条件只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间的跃迁的情况，对于光子和原子作用而使原子电离和实物离子与原子作用使原子激发的情况，则不受此条件限制。原子能跃迁时，处于激发代态的原子可能经过一次跃迁回到激发态，最后回到基态，物质中含有大量原子时，各个原子的跃迁方式也是不统一的，有的原子可能经过一次跃迁就回到基态，而有的可能要经过向次跃迁才回到基态。原子的能级跃迁和电离跃迁是原子的电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，即不能脱离原子核的束缚，所以在跃迁的过程中，原子放出或吸收的能量必须是量子化的。如当电子从n轨道跃迁到m轨道时，其能量变化必须是，当mn时，原子要吸收能量，当m0表示斥力，0表示引力， a、b、c、d为轴上四个特定的位置，现把乙分子从处静止释放，则（ ）A乙分子从到做加速运动，由到做减速运动B乙分子由到做加速运动，到达时速度最大C乙分子由到的过程中，两分子间的分子势能一直增加D乙分子由到的过程中，两分子间的分子势能一直增加解析：乙分子从a到d一直做加速运动，分子力做正功，分子势能减小，c到d做减速运动，分子力做负功，分子势能增大，在c点时速度最大；所以正确选项是B。答案：B反思：对Fx图像中包含的信息不能完全理解是造成失误的主要原因，而“图像问题”是近年高考的一个热点，这在复习中要引起重视。分子势能的变化与分子力做功有关，这与重力势能的变化与重力做功有关完全类似。例4、如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分了间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小（ ）A从外界吸热 B内能增大 C向外界放热 D内能减小解析：在筒缓慢下降的过程水温恒定，空气温度不变，当不计气体分了间相互作用时，气体的内能不变，但筒内空气被压缩，外界对它做功，气体必然放出热量。所以正确选项是C。答案：C点拨：对气体内能的变化分析时应当注意题干中的描述，“缓慢”往往表明温度不变，“体积不变（或气体自由鼓胀）”说明气体不对外做功，外界也不对气体做功，“绝热”指不发生热传递，“理想气体（或不考虑分子作用力）”意味着忽略分子势能。例5、一束由红、蓝两单色光组成的光线从一平板玻璃砖的上表面以入射角射入，穿过玻璃砖自下表射出。已知该玻璃对红光的折射率为1.5，设红光与蓝光穿过玻璃砖所用的时间分别为t1和t2，则在从0逐渐增大至90的过程中( )A.t1始终大于t2 B.t1始终小于t2C.t1先大于后小于t2 D.t1先小于后大于t2解析：设折射角为，玻璃砖的厚度为h，由折射定律n= ，且n= ，在玻璃砖中的时间为t= ，联立解得t2，红光频率较小，为零时，t1t2，为90时，趋近渐近线，初步判定该函数为单调函数，通过带入为其它特殊值，仍然有t1t2，所以B选项正确。答案：B反思：本题考查折射定律与光的传播，知道光在玻璃的传播速度，写出光穿过玻璃所用时间表达式，是解决本题的关键。例6、先后用甲、乙两种不同的单色光，在相同的条件下用同一双缝干涉装置做实验，在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同，其中甲光间距较大。则甲光比乙光（ ）A在真空中的波长短 B。在玻璃中传播速度大C在玻璃中传播时，玻璃的折射率大 D。其光子能量小解析：甲的双缝干涉条纹间距比乙大，表明甲在真空中的波长比乙长，由知，甲的频率比乙的低，光子的能量小，在玻璃中的折射率小；由知在玻璃中甲的传播速度较大，所以正确选项是BD。答案：BD点拨：对光的本性的考查一般知识跨度较大，这就要求考生除了记住重要结论之外，还要能抓住相关物理量间的联系。例7、一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为，则下列叙述正确的是（ ）A X原子核中含有86个中子B X原子核中含有141个核子C 因为裂变时释放能量，根据Emc2，所以裂变后的总质量数增加D 因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：依据质量数守恒和电荷数守恒计算出未知粒子的电荷数为54，质量数为140，所以未知粒子含有140个核子，其中子数为86；由于核能的释放，要出现质量亏损，而不是质量数变化。答案：A点拨：关于核反应方程的问题，首先是依据质量数守恒和电荷数守恒计算出未知粒子的电荷数和质量数，再确定它是哪种粒子或进行其它的推断。例8、如图3所示，一束单色光射入一玻璃球体，入射角为60。己知光线在玻璃球内经一次反射后，再次折射回到空气中时与入射光线平行。此玻璃的折射率为( )A B1.5C D2解析：如图4所示，是光线在玻璃球内的光路图，A、C为折射点，B为反射点，作OD平行于入射光线，由数学知识可得：所以有：由折射定律得玻璃的折射率：答案：玻璃的折射率等于反思：本题考查光的全反射，根据发生全反射的临界条件，判断光在传播时是否发生全反射，是不出错的原因所在。六、规律整合规律一、微观量的运算方法阿伏加德罗常数是联系微观量和宏观量的桥梁（1）微观量指：分子体积V、分子直径d、分子质量m（2）宏观量指：物体体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量M、摩尔质量Mmol、物体的密度（3）关系：分子的质量：分子的体积：物体所含的分子数：或注 ： 固、液体分子可以近似地认为紧密地靠在一起而气体分子间有一个很大的间隙，由上面式求得的V并非是一个分子自身的体积而是一个气体分子平均占据的空间（立方体）的体积。设该立方体的边长为a，则气体分子的平均间距为规律二、衰变产生的三种射线的比较种类射线射线射线组成高速氦核流高速电子流光子流（高频电磁波）带电荷量2e-e0质量静止质量为零速度0. 1c0.99cc在电场或磁场中偏转与射线反向偏转不偏转贯穿本领最弱用纸能挡住较强穿透几毫米的铝板最强穿透几厘米的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱在空气中的径迹粗、短、直细、较长、曲折最长通过胶片感光感光感光规律三、光的波动性与粒子性的比较光的粒子性与物质发生作用时，表现出粒子的性质少量或个别光子容易显示出粒子性频率较大时，易显示粒子性粒子含义是“不连续”、“一份一份”的，不同于宏观的粒子光的波动性传播时，表现出波的性质大量光子容易显示出波动性频率较小时，易显示波动性光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，不同于宏观的机械波。七、高考预测高考中对热、光、原部分的考查形式一般为三个选择题。分值均为6分。热学部分利用阿伏加德罗常数求分子的直径、分子的质量、估算分子个数以及布朗运动、分子间相互作用力随分子间距离变化的关系、内能及其变化是高考常考知识点，多以难度中等或中等偏下的选择题形式出现。几何光学研究的是光线传播的规律，主要包括原理有光的直线传播规律、光的反射定律、光的折射定律、光路的可逆原理；物理光学主要包括光的干涉、光的衍射、光电效应现象等知识点规律。热学部分可能分子动理论、内能、热力学定律及压强的产生固原因；中学所涉及的原子物理知识是大学高能物理的必备基础，尽管中学教材的要求较低，但历届高考命题均有涉及，从粒子散射实验、原子结构、能级、光谱到天然放射性、人工核反应、核能、爱因斯坦的质能方程、基本粒子、裂变、聚变，甚至学科内综合都出现过，题目的难度一般不大，以选择题为主，偶尔也会有填空题和计算题，其中卢瑟福的核式结构学说、氢原子的能级结构、光子的辐射与吸收、核反应方程和核能、质量亏损、爱因斯坦质能方程等命题频率较高，是高考命题的重点与热点，其特点是：“考课本”、不回避陈题。复习这部分内容必须抓课本，理清思路，重点记忆，记准一些常用粒子的符号，如：粒子、氘核、氚核、质子、中子、电子、正电子等，要以课本为主，理解和记忆基本概念和史实。从2020年和2020年高考中对光学知识的考查看，本专题与考试大纲要求相吻合，着重考查学生的理解及应用能力, 并有一定的难度， 预测2020年高考中光学可能会以下列题型出现：1选择题：它可能考查光的反射与折射、全反射现象、光导纤维、折射率与频率的关系、光的偏振现象、光的干涉和衍射现象、光电效应、光的粒子性，也可考查粒子散射实验、核反应的规律、电荷数守恒、质量数守恒、玻尔原子模型、能级跃迁及波长、频率和波速三者的关系、衰变规律等知识，解题时要注意知识间的联系也可能考查了考生的综合应用物理知识分析解决问题的能力和推理能力等，解题时要注意知识间的联系。2实验题：可以考查“测定玻璃的折射率”、“用双缝干涉测光的波长”、估算分子的直径等。3计算题：在计算题中可能会考查考生应用光的反射与折射、光电效应等物理知识，会分子动理论，热力学定律，会考查核能、爱因斯坦的质能方程、原子核与力学的综合等知识。