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高中物理选修3-4课后习题和答案以及解释

课后练习一

第 1 讲冲量与动量

1.质点受两个方向相反的恒力F1、F2作用.其中F1的大小为4N,作用时间为20s;F2的大小为5N,作用时间为16s.则质点在整个过程中受到的冲量大小为 .

答案:0

详解:4*20 - 5*16,减号是因为两个冲量反向。

2.如图所示,光滑水平面上有大小相同的A、B两球在同一直线上运动.两球质量关系为mB=2mA,规定向右为正方向,A、B两球的动量均为6 kg?m/s,运动中两球发生碰撞,碰撞后A球的动量增量为-4 kg?m/s.则( )

A.左方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为2∶5

B.左方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为1∶10

C.右方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为2∶5

D.右方是A球,碰撞后A、B两球速度大小之比为1∶10

答案:A

详解:因为二者动量都是正,于是速度方向相同,要保证二者相碰,左边那个要去追右边的,于是左球速度大,因为B质量大,于是B速度小,于是右球是B.

碰后A动量是2 kg?m/s 据动量守恒,B动量是10 kg?m/s.动量除以质量得到速度比。

3.在光滑水平面上,A和B两小球沿同一方向做直线运动,A以10kg?m/s的动量和正前方动量为15kg?m/s的B球正碰.设原速度方向为正方向,则A和B动量的变化可能是( )

A.5kg?m/s和5kg?m/s

B.-5kg?m/s和5kg?m/s

C.-5kg?m/s和10kg?m/s

D.5kg?m/s和-5kg?m/s

答案:B

详解:因为A在B后方嘛,碰后A会减速,B会加速,于是A动量必然减小,根据动量守恒,C不可能,B才对。

4.一只小船静止在水面上,一个人从小船的一端走到另一端,不计水的阻力,以下说法正确的是( )

A.人在小船上行走时,人对船的冲量比船对人的冲量小,所以人向前运动得快,小船向后退得慢

B.人在小船上行走时,人的质量比船的质量小,它们受到的冲量大小一样,所以人向前运动得快,小船向后退得慢

C.当人停止走动时,因为小船惯性大,所以小船要继续后退

D.当人停止走动时,因为总动量守恒,所以小船也停止后退

答案:BD

详解:冲量大小肯定是一样的。因为这就是作用力和反作用力的冲量。然而人质量小,于是速度改变量大,于是人走得快。

D说得很明确了,就是因为动量守恒,船必停。

5.汽锤质量m=60kg,从高h=1.28m处自由落下,跟地面间碰撞的时间为△t=0.1s.求地面所受到的平均作用力.

答案:3588N

详解:先算落地速度,从1.28米高度落地,根据自由落体公式,速度是5.0m/s (g取9.8) 然后落地速度减为0,根据Ft = m△v,F = 3000N。然后加上重力588N即可

6.关于冲量跟物体受力情况和运动状态的关系,下列说法正确的是( )

A.物体受到的冲量越大,物体的速度也越大

B.物体受到的冲量越大,它受到的冲力也越大

C.物体受到的冲量越大,它的加速度也越大

D.物体受到的冲量越大,它的动量的变化量也越大

答案:D

详解:冲量表征的是动量变化量。D就是按定义判断的。

A错,冲量和速度没什么关系。B错,力作用时间未知。C错,力作用时间和物体质量都未知。

7.用一根细线悬挂一个重物,把重物拿到一定高度后突然释放,重物可将线拉断,如果在细线上端拴一段橡皮筋,再从同样高度释放重物,细线不再被拉断,这是因为拴上橡皮筋后在细线绷直时与不拴橡皮筋相比较()

A.重物的动量减小 B.重物动量改变量减小

C.重物所受冲量减小 D.重物动量的变化率减小

答案:D

详解:重物动量改变量不少,但是动量改变的时间大大延长了。不拉皮筋,动量瞬间变为0,有了皮筋,动量要过一会儿才减为0.动量改变量不少,也就是受到的冲量不变。这么看,只有D对。

8.把一个乒乓球竖直向上抛出,若空气阻力大小不变,则乒乓球上升到最高点和从最高点返回到抛出点的过程相比较( )

A.重力在上升过程的冲量大

B.合外力在上升过程的冲量大

C.重力的冲量在两个过程中的方向相反

D.空气阻力的冲量在两个过程中的方向相反

答案:BD

详解:二者位移一样,然而上升过程阻力和重力都同向,下降过程阻力和重力反向,于是上升过程加速度大,时间短,重力冲量小。比较速度改变量,因为回到抛出点速度必然小于初速度,于是上升过程改变量大,上升过程合外力冲量大。C项,重力方向不变,重力冲量方向也不变,都是竖直向下。D项空气阻力反向,于是冲量方向也是反向。

第 2 讲动量守恒定律及其应用

1.一个人坐在光滑冰面上静止的小车中,人与车总质量为M=70kg,当他接到一个质量m = 20kg,以速度v=5.0m/s迎面滑来的木箱后立即以相对于地面为v′=5.0m/s的速度逆着木箱原来滑行的方向将木箱推出,则小车获得的速度大小是多少?(保留一位小数)

答案:2.9m/s

详解,由系统动量守恒得:MV0 - m v′ = mv 于是V0可以算出是2.9m/s

2.如图所示的装置中,木块B与水平桌面间的接触是光滑的,子弹A沿水平方向射入木块后留在木块内,将弹簧压缩到最短。把子弹、木块和弹簧合在一起作为研究对象,则此系统在子弹开始射入木块到弹簧压缩至最短的整个过程中( )

A.动量守恒、机械能守恒

B.动量不守恒、机械能守恒

C.动量守恒、机械能不守恒

D.动量不守恒、机械能不守恒

答案:D

详解:机械能必然不守恒,因为子弹和木块之间的作用摩擦生热。动量也不守恒,因为水平方向系统是受到墙壁的作用力的。

3.分析下列情况中系统的动量是否守恒()

A.如图2所示,小车停在光滑水平面上,车上的人在车上走动时,对人与车组成的系统B.子弹射入放在光滑水平面上的木块中对子弹与木块组成的系统(如图3)

C.子弹射入紧靠墙角的木块中,对子弹与木块组成的系统

D.斜向上抛出的手榴弹在空中炸开时

答案:ABD

详解:AB严格符合动量守恒的条件。C不行,因为系统水平方向受到墙的作用力。D可以,爆炸瞬间作用力极大,这一瞬间可以忽略其他比较小的力(比如重力),动量爆炸瞬间动量守恒。

4.如图甲所示,一轻质弹簧的两端与质量分别为m1和m2的两物块A、B相连接,并静止在光滑的水平面上.现使A瞬时获得水平向右的速度3m/s,以此刻为计时起点,两物块的速度随时间变化的规律如图乙所示,从图象信息可得( )

A.在t1、t3时刻两物块达到共同速度1m/s,且弹簧都是处于压缩状态

B.从t3到t4时刻弹簧由压缩状态恢复到原长

C.两物体的质量之比为m1:m2=1:2

D.在t2时刻A和B的动能之比为Ek1: Ek2=1:8

答案:CD

详解:t1时刻弹簧压缩,这点很明显,t3时刻之前,B速度大于A速度,因此这段时间B和A之间的距离越拉越大,t3时刻弹簧是拉伸的。AB不对。

至于质量比,因为t1时刻二者速度都是1m/s。于是可以根据动量守恒和初始条件,轻松求得C对。

质量比由C项求出,t2时刻速度比由图得出,于是动能比好算了,D正确。

5.木块a和b用一根轻弹簧连接起来,放在光滑水平面上,a紧靠在墙壁上,在b上施加向左的水平力使弹簧压缩,如图1所示,当撤去外力后,下列说法中正确的是()

A.a尚未离开墙壁前,a和b系统的动量守恒

B.a尚未离开墙壁前,a与b系统的动量不守恒

C.a离开墙后,a、b系统动量守恒

D.a离开墙后,a、b系统动量不守恒

答案:BC

详解:a未离开墙壁时,系统受到墙壁的水平力作用,动量不守恒。

A离开墙后,系统水平方向不受外力,动量守恒很显然。

6.一列车沿平直轨道以速度v0匀速前进,途中最后一节质量为m的车厢突然脱钩,若前部列车的质量为M,脱钩后牵引力不变,且每一部分所受摩擦力均正比于它的重力,则当最后一节车厢滑行停止的时刻,前部列车的速度为( )

答案:B

详解:列车原来做匀速直线运动,牵引力F等于摩擦力f,f=k(m+M)g(k为比例系数),因此,整个列车所受的合外力等于零.尾部车厢脱钩后,每一部分所受摩擦力仍正比于它们的重力.因此,如果把整个列车作为研究对象,脱钩前后所受合外力始终为零,在尾部车厢停止前的任何一个瞬间,整个列车(前部+尾部)的动量应该守恒.考虑刚脱钩和尾部车厢刚停止这两个瞬间,由(m+M)v0=0+Mv得此时前部列车的速度为

7.在光滑水平面上有两辆车,上面分别站着A、B两个人,人与车的质量总和相等,在A的手中拿有一个球,两车均保持静止状态,当A将手中球抛给B,B接到后,又抛给A,如此反复多次,最后球落在B的手中,则关于A、B速率大小是()

A.A、B两车速率相等 B.A车速率大

C.A车速率小 D.两车均保持静止状态

答案:B

详解:全部的车和人,以及那个球,是一个系统,动量守恒。

现在系统分成了两部分,A车和人,B车和人和球。现在两部分速度方向相反,在相互远离。明显前者质量小,于是根据动量守恒,前者速率大。

第 3 讲相互作用过程中的能量转化

1.一个质量为0.3kg的弹性小球,在光滑水平面上以6m/s的速度垂直撞到墙上,碰撞后小球沿相反方向运动,反弹后的速度大小与碰撞前相同。则碰撞前后小球速度变化量的大小为Δv 和碰撞过程中墙对小球做功的大小W为()

A.Δv=0 B.Δv=12m/s

C.W=0 D.W=10.8J

答案:BC

详解:B明显对,速度变化量就是6 -(-6) = 12m/s。小球动能不变,因此W是0.

2.在原子核物理中,研究核子与核子关联的最有效途径是"双电荷交换反应",这类反应的前半部分过程和下述力学模型类似,如图3,两个小球A和B用轻质弹簧相连,在光滑的水平直轨道上处于静止状态,在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P,右边有一小球C沿轨道以速度v0射向B球,如图所示。C与B发生碰撞并立即结成一个整体D,在它们继续向左运动的过程中,当弹簧长度变到最短时,长度突然被锁定,不再改变,然后,A球与挡板P发生碰撞,碰后,A、D都静止不动,A与P接触而不粘连.过一段时间,突然解除锁定(锁定及解除锁定均无机械能损失)。已知A、B、C三球的质量均为m。

(1)求弹簧长度刚被锁定后A球的速度?

(2)求在A球离开挡板P之后的运动过程中,弹簧的最大弹性势能?

答案:(1)(2)

详解:(1)设C球与B球碰撞结成D时,D的速度为v1,由动量守恒定律有

mv0=2mv1

当弹簧压至最低时,D与A有共同速度,设此速度为v2,由动量守恒定律有

2mv1=3mv2

两式联立求得A的速度 v2= v0

(2)设弹簧长度被锁定后,储存在弹簧中的弹性势能为Ep,由能量守恒有

Ep= ?2mv12- ?3mv22

撞击P后,A、D均静止.解除锁定后,当弹簧刚恢复到原长时,弹性势能全部转为D球的动能,设此时D的速度为v3,由能量守恒有

?2mv32=Ep

以后弹簧伸长,A球离开挡板P,当A、D速度相等时,弹簧伸长到最长,设此时A、D速度为v4,由动量守恒定律有

2mv3=3mv4

当弹簧最长时,弹性势能最大,设其为Ep′,由能量守恒有

Ep′= ?2mv32- ?3mv42

联立以上各式,可得 Ep′= mv02

3.一炮艇总质量为M,以速度v0匀速行驶,从船上以相对海岸的水平速度v沿前进方向射出一质量为m的炮弹,发射炮弹后艇的速度为v/,若不计水的阻力,则下列各关系式中正确的是。(填选项前的编号)

①②

③④

答案:①

详解:炮艇(包括那个发出去的炮弹)作为一个系统动量守恒,在地面参考系中看,动量守恒方程就是①

4.一个士兵,坐在皮划艇上,他连同装备和皮划艇的总质量共120Kg,这个士兵用自动枪在2S时间内沿水平方向射出10发子弹,每颗子弹质量10g,子弹离开枪口时相对地面的速度都是800m/s,射击前皮划艇是静止的。

(1) 射击后皮划艇的速度是多大?

(2) 士兵射击时枪所受到的平均反冲作用力有多大?

答案:(1)0.67m/s,向后(2)40N

详解:(1)用动量守恒:因为是在水面上,可以看成是在在水平方向上动量守恒.

0=(M-m)V-mv

将M=120Kg,m=0.01Kg,v=800m/s代入,求得V≈0.67m/s.

(2)由冲量的表达式:F*t=ΔP=MV-0.

将M=120Kg,V=0.67m/s,t=2s代入,求得F=40N

(因为子弹的质量相对120kg太小了,打掉子弹后质量的那一点儿损耗忽略不计)

5.质量为m1和m2的两个物体用一个末发生形变的轻质弹簧连接,如图所示,让它们从高处同时自由下落,则下落过程中弹簧的形变将是(不计阻力)()

A.若m1>m2,则弹簧将被压缩

B.若m1<m2,则弹簧将被拉长

C.只有m1=m2,弹簧才会保持原长

D.无论m1和m2取何值,弹簧均保持原长

答案:D

详解:自由下落,那么二者相对静止。于是整个系统状态不变。

6.在光滑的水平面上有三个完全相同的小球排成一条直线.2、3小球静止,并靠在一起,1球以速度v0射向它们,如图所示.设碰撞过程不损失机械能,则碰后三个小球的速度为多少?

答案:碰后球1、球2的速度为零,球3速度为v0.

详解:根据动量守恒中"速度交换"的结论,也就是当完全弹性碰撞的两个物体质量相同时,一个物体碰后速度等于碰前另一个物体的速度,这就是速度交换。然后容易得出,第一次碰撞,1静止,2速度是v0,然后2立马和3碰撞,2停下,3速度是v0

7.质量为m的子弹以速度v水平射入静止在光滑水平面上质量为m的木块,并留在其中。以下说法正确的是()

A.子弹克服阻力做的功,等于子弹内能的增加

B.子弹克服阻力做的功,等于子弹动能的减少量

C.子弹动能的减少量等于木块获得的动能与系统损失的机械能之和

D.木块作用于子弹的阻力对子弹做的功与子弹作用于木块的冲击力对木块做的功数值相等答案:BC

详解:根据动量守恒,可见最终子弹和木块速度都是v/2。

子弹克服阻力会做功,它等于子弹动能的减少,这是根据动能定理。容易算,这个数是

系统机械能损失量,也就是系统内能增量,容易得出,是

木块动能增量,也就是冲击力对木块的功,是

于是BC正确

第 11 讲光的波粒二象性

1.关于光电效应,以下说法正确的是()

A.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比

B.光电子的最大初动能越大,形成的光电流越强

C.能否产生光电效应现象,决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功

D.用频率是的绿光照射某金属发生了光电效应,改用频率是的黄光照射该金属一定不发生光电效应

答案:C

详解:光电子的最大初动能等于入射光的能量减去逸出功,是一种线性关系,但不是正比关

系,AB错;C正确;D绿光频率虽然比黄光高,但不能说明,黄光不能发生光电效应;

2.2003年全世界物理学家评选出"十大最美物理实验",排名第一的为1961年物理学家利用"托马斯?杨"双缝干涉实验装置,进行电子干涉的实验.从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹,该实验说明()

A.光具有波动性

B.光具有波粒二象性

C.微观粒子也具有波动性

D.微观粒子也是一种电磁波

答案:C

详解:对比光的双缝干涉可以得出结论,微观粒子具有波动性;

3.光电效应实验的装置如图12-19所示,则下列说法中正确的是()

A.若用蓝光照射锌板,验电器的指针未发生偏转,则改用紫外线照射锌板,验电器的指针有可能发生偏转

B.若用蓝光照射锌板,验电器的指针未发生偏转,则改用红光照射锌板,验电器的指针有可能发生偏转

C.锌板带的是负电荷

D.使验电器指针发生偏转的是正电荷

答案:AD

详解:紫光频率比蓝光高,红光频率比蓝光低,A正确,B错误;锌版发生光电效应后,有光电子飞出,锌版缺少电子,从而带上正电荷,锌版又与验电器相连使验电器也带上正电荷,C错误,D正确;

4.金属钠产生光电效应的极限频率是6.0×1014Hz.根据能量转化和守恒守律,计算用波长0.40μm的单色光照射金属钠时,产生的光电子的最大初动能是多大?

答:0.99×10-19J

详解:逸出功,光电子的最大初动能

5.纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面.将激光束的宽度聚光到纳米级范围内,可以精确地修复人体损坏的器官.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因,利用聚光到纳米级的激光束进行治疗,90%的患者都可以避免失明的严重后果.一台功率为10 W氩激光器,能发出波长λ=500 nm的激光,用它"点焊"视网膜,每次"点焊"需要2×10-3 J的能量,则每次"点焊"视网膜的时间是多少?在这段时间内发出的激光光子的数量是多少?

答案:2×10-4 s 5×1015个

详解:,

6.一束绿光照射某金属发生了光电效应,对此,以下说法中正确的是[ ]

A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数目不变

B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加

C.若改用紫光照射,则逸出光电子的最大初动能增加

D.若改用紫光照射,则单位时间内逸出的光电子数目一定增jia

答案:C

详解:增加绿光的照射强度,光电子的逸出效率提高,但是光电子的最大初动能取决于光子

能量和逸出功的差,还是绿光,这个能量不会发生变化,如果换成是紫光则,最大初动能增大,但是光电子数目是否增加取决于照射强度;

7.可以利用激光来切割各种物质,这是应用了激光的()

A.相干性好的特性B.平行性好的特性

C.亮度高的特性D.单色性好的特性

答案:C

详解:激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现将工件割开。

8.下列关于光的波粒二象性的说法中,正确的是[ ]

A.有的光是波,有的光是粒子

B.光子与电子是同样的一种粒子

C.光的波长越长,其波动性越显著,波长越短,其粒子性越显著

D.大量光子产生的效果往往显示粒子

答案:C

详解:光的波动性主要表现在干涉衍射上,波长越长,现象越明显;而光的波动性主要由光电效应体现,波长越短,频率越高,粒子性越显著;

第 12 讲原子结构

1.卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有()

A.原子的中心有个核,叫原子核

B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中

C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里

D.带负电的电子在核外绕着核旋转

答案:ACD

详解:卢瑟福的原子结构是核式结构。在原子的中心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转,因为α粒子散射实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生较大偏转,极少数α粒子偏转角超过了90度,有的甚至被弹回。所以卢瑟福才提出原子核式结构模型

1

2.按照玻尔理论,下列关于氢原子的论述正确的是()

A.第m个定态和第n个定态的轨道半径rm和rn之比为rm: rn=m2:n2

B.第m个定态和第n个定态的能量和之比为

C.电子沿一轨道绕核运动,若其圆周运动的频率为v,则其发光频率也是v

D.若氢原子处于能量为E的定态,则其发光频率为ν=E/h

答案:AB

详解:理论的三条基本假设是:

①定态假设:原子只能处于一系列不连续的能量的状态中,在这些状态中原子是稳定的,这些状态叫定态。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,原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道的分布也是不连续的,电子在这些可能的轨道上的运动是一种驻波形式的振动。

②跃迁假设:原子系统从一个定态过渡到另一个定态,伴随着光辐射量子的发射和吸收。

辐射或吸收的光子的能量由这两种定态的能量差来决定,即hν=|E初-E末|

③轨道量子化:电子绕核运动,其轨道半径不是任意的,只有电子在轨道上的角动量满足下列条件的轨道才是可能的:mvr=nh/(2π)(n=1,2,3...)式中的n是正整数,称为量子数。

3.已知氢原子基态能量为-13.6Ev,第二能级E2 = -3.4eV ,如果氢原子吸收_________eV 能量,可由基态跃迁到第二能级。如果再吸收1.89eV能量,还可由第二能级跃迁到第三能级,则氢原子的第三能级E3 =_________eV。

答案:10.2、-1.51

详解:,

4关于光谱,以下说法中正确的是()

A.霓虹灯的光谱是线状光谱

B.钠盐在酒精灯火焰上汽化后产生的光谱是钠的线状光谱,强的白光通过酒精灯火焰

中的钠蒸汽后,产生的光谱是钠的吸收光谱

C.某些元素吸收光谱中的暗线说明该元素原子不能发出与这些暗线相对应的光

D.对月球进行光谱分析可以了解月球的成分

E.太阳光的光谱、光谱管发出的光谱、霓虹灯的光谱都具有原子特征谱线

答案:ABE

详解:根据光谱产生的机制可分为发射光谱(原子从高能级向低能级跃迁时,向外辐射的光波)和吸收光谱(原子从低能级向高能级跃迁时,吸收某种频率的光波);由光谱的外观特点又可分为连续光谱和线状光谱。其中线状光谱反映了物质对应的化学成分,因此可用于光谱分析.炽热的固体、液体或高压气体产生的发射光谱是连续光谱,而稀薄气体发光产生的发射光谱是不连续的明线状光谱,可用于进行光谱分析AB正确;吸收光谱是连续光谱中某些波长的光被吸收后产生的暗线状光谱,也属于线状光谱,可用于光谱分析;煤气灯火焰中燃烧的钠蒸汽产生的光谱为明线状的发射光谱。吸收光谱中的谱线(暗线),也是原子的特征谱线,只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少.C错;

5.如图15-3-2所示为汞原子的能级图,一个总能量为9eV的自由电子和处于基态的汞原子发生碰撞后(不计汞原子动量变化),则电子剩下能量可能为(碰撞系统无能量损失)()A.0.2eV B.1.4eV C.2.3eV D.5.5eV

答案:A

详解:碰撞后,汞的核外电子可能跃迁到高能级,根据能量守恒,跃迁到第二能级时吸收4.9eV 的能量剩余4.1eV;依次类推可知,跃迁到第三能级,剩余1.3eV,跃迁到第四能级,剩余0.2eV,选A

6.原子核式结构学说是根据下列哪个实验或现象提出来的( )

A.光电效应实验 B.氢原子光谱实验

C.α粒子散射实验 D.天然放射现象

答案:C

7.根据玻尔理论,在氢原子中,量子数n越大,则()

A.电子轨道半径越小 B.核外电子运动速度越大

C.原子能量越大 D.电势能越小

答案:C

详解:根据波尔理论,量子数n越大,所处的能级越高,挣脱原子核束缚的能力也越强,能量也越大。

8.如图给出了氢原子的四个能级、大量氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有种,其中能量最高的光子能量为eV

答案:6,12.75

详解:4到3,4到2,4到1,3到2,3到1,2到1,一共六种,能量最高的光子是有4到1产生的,