第十六章近代物理初步.docx
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第十六章近代物理初步
第十六章近代物理初步
第一单元量子论初步
教学内参
教学总体思路
本单元以培养学生学会打破习惯化的思维模式,学会用新的视角去观察、理解问题为主线设计.在内容上侧重于对光子说解释光电效应现象、光的波粒二象性、玻尔原子结构模型及理论应用等重点知识的理解;在问题、习题及案例设计上力图体现诸如轨道量子化、能量量子化、光与实物粒子的波粒二象性以及用概率描述粒子运动等新概念的考查和研究,不再涉及与经典力学和经典电磁学乱联系的不科学内容.建议教师从全新的角度启发、诱导学生去感知新概念和新规律,摆脱经典理论的干扰,不盲目联系.
高考动态分析
本单元属近代物理知识,概念较多,与尖端物理知识联系紧密,是量子物理学的初步知识.近几年在高考中命题频率较高的是光电效应和氢原子能级.
知识扫描
一、光电效应的规律
1.每种金属都有发生光电效应的极限频率.
2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关,随入射光频率的增大而增大.
3.光电效应的产生几乎是瞬时的.
4.当入射光的频率大于极限频率时,保持频率不变,则光电流的强度与入射光的强度成正比.
二、光子说
在空间传播的光是一份一份的,不连续的.每一份叫一个光子,光子的能量为E=hν,其中h是普朗克常量,其值为h=6.63×10-34J·s.
三、光电效应方程
Ek=hν-W
其中hν为入射光的能量,Ek为光电子的最大初动能,W是金属的逸出功.
四、光的波粒二象性
光既具有波动性,又具有粒子性,波粒二象性是光的客观属性.
五、概率波
光子在空间各点出现的可能性的大小(概率),可以用波动规律来描述,我们说光是一种波,就是这个意思,正是由于这个原因,物理学中把光波叫做概率波.
六、玻尔模型的内容
1.定态——原子只能处于一系列的不连续的能量状态之中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然做加速运动,但并不向外辐射能量.
2.跃迁——原子从一种定态(设能量为E初)跃迁到另一种定态(设能量为E终)时,它辐射(或吸收)一定能量的光子,光子的能量由hν=E初-E终决定.
3.轨道量子化——原子的不同能量状态和电子的不同运行轨道相对应,由于原子的能量状态是不连续的,因此电子的可能轨道分布也是不连续的.
七、物质波
任何一个运动着的物体,都具有波动性,波长λ=h/p,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量.人们把这种波叫做物质波.
八、激光
激光的特点:
是人工相干光,具有平行度好,亮度高的特点.重要应用:
光纤通信、测距离、刻录信息、激光刀等.
复习导航
考纲解读
知识点
要求
解读
光电效应、光子、爱因斯坦光电效应方程
Ⅱ
理解光电效应及光电子的概念
理解光电效应方程的物理意义
理解极限频率及光电效应的瞬时性
光的波粒二象性,物质波
Ⅰ
知道什么叫波粒二象性和物质波
知道光的波动性是光本身的一种属性,而粒子性的含义是“不连续”的、“一份一份”的
知道德布罗意假设
激光的特点及应用
Ⅰ
知道激光的特点及应用
氢原子的能级结构
Ⅱ
理解氢原子各定态的物理意义及各定态对应着的能量值的大小
理解原子跃迁条件hν=E初-E终的适用条件
氢原子的电子云、光子的发射和吸收
Ⅰ
知道电子云的物理意义
知道当光子的能量较小时,电子获取光子后不能发生光电效应,以及能够发生光电效应所吸收光的能量条件
焦点突破
1.光电效应规律的理解
光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后,其动能大到足以克服金属离子的引力而逃逸出金属表面,成为光电子.对一定的金属来说,逸出功是一定的.照射光的频率越大,光子的能量越大,从金属中逸出的光电子的初动能就越大.如果入射光子的频率较低,它的能量小于金属的逸出功,就不能产生光电效应,这就是存在极限频率的原因.
2.光的波粒二象性的理解
(1)既不可把光当作宏观概念中的波,也不可把光当作宏观概念中的粒子,它只是具有与这两种物理情境相像的性质.光子流不是一群遵从经典规律的粒子,光波也不是通常意义上所理解的连续波动.
(2)光波强度代表那里出现的光子数,光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)可以用波动规律描述.因此,光波是一种概率波.
(3)大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性.
(4)频率越低的光波动性越明显,频率越高的光粒子性越明显.
(5)光在传播过程中往往显示出波动性,光的干涉、衍射现象是最有力的证据,光波有一定的波长和频率;光和物体发生相互作用时,往往显示出粒子性,如光电效应等.光子具有能量(E=hν)和动量(p=h/λ).事实上,不仅光具有波粒二象性,一切运动的物体都具有波粒二象性,其波长λ=h/p(德布罗意波长),宏观物体的德布罗意波长非常小,很难观察到它们的波动性.
【互动探究】对于光的波粒二象性的说法中,正确的是()
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光子与电子是同样一种粒子,光波与机械波是同样一种波
C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
D.光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量E=hν中,仍表示的是波的特性
答案:
D
3.对氢原子能级的理解
(1)氢原子各定态的能量值,为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和.由En=
和E1=-13.6eV可知,氢原子各定态的能量值均为负值.因此,不能根据氢原子的能级公式En=
得出氢原子各定态能量与n2成反比的错误结论.
(2)原子的跃迁条件:
hν=E初-E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况,对于光子和原子作用而使原子电离,则不受此条件的限制.如基态氢原子的电离能为13.6eV,只要大于或等于13.6eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大.
(3)原子处于激发态是不稳定的,会自发地向基态或其他较低能级跃迁.由于这种自发跃迁的随机性,一个原子会有多种可能的跃迁.若是一群原子处于激发态,则各种可能跃迁都会发生,所以我们会同时得到该种原子的全部光谱线.
精典剖析
考点1光电效应产生的条件
案例1
对光电效应的解释正确的是()
A.金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子,当它积累的动能足够大时,就能逸出金属
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光越强,光子的能量就越大,光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同
点拨:
(1)发生光电效应的条件是什么?
(2)爱因斯坦“光子说”的内容是什么?
(3)如何运用“光子说”解释光电效应现象?
解析:
按照爱因斯坦的光子说,光子的能量是由光的频率决定的,与光强无关,入射光的频率越大,发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大.但要使电子离开金属,须使电子具有足够的动能,而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量.但电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,否则当光的频率低而照射时间足够长时,也会发生光电效应.电子从金属中逸出时,处在金属表面的电子向外逸出时克服原子核的引力所做的功最小,这个功称为逸出功.不同金属的逸出功不同.
答案:
BD
说明:
对研究光电效应现象得出的四条实验规律的理解是解决本题的关键.
考点2跃迁规律
案例2
氢原子处于基态(第一能级)、激发态(第二、三、四能级)时具有的能量分别为E1=0、E2=10.2eV、E3=12.1eV、E4=12.8eV.当氢原子从第四能级跃迁到第三能级时,辐射的光子照射某种金属时刚好能发生光电效应.现若有大量氢原子处于n=5(第五能级)的激发态,则在向低能级跃迁时所辐射的各种能量的光子中,可使这种金属发生光电效应的频率种类有()
A.7种B.8种C.9种D.10种
点拨:
(1)大量氢原子发生能级跃迁时,最多辐射的光谱线条数如何计算?
(2)辐射光子的频率与能级间的能量差有什么关系?
解析:
依题意画出氢原子的能级跃迁图象,如图16-1-1所示.当电子从n=4跃迁到n=3时,放出光子具有的能量为ΔE=E4-E3=0.70eV,由题意可得金属的逸出功为0.70eV,要使该金属发生光电效应,辐射光子的能量要大于或等于0.70eV.而大量氢原子从n=5能级向低能级跃迁时,可以发出的光子能量由所画能级图可知共有10种,从能级图可以得出n越大,相邻的能级间能量差越小,即E5-E4<E4-E3<E3-E2<E2-E1,所以有9种频率的光子的能量都大于0.70eV,可以使该金属发生光电效应.
图16-1-1
答案:
C
说明:
(1)本题以综合问题立意,涉及的知识内容有:
物质发生光电效应现象的规律;原子能级理论和光子能量的计算等.
(2)在计算大量氢原子处于n=k能级向较低能级跃迁时,可能产生的光谱线条数或光子频率种类可用N=
计算.而一个氢原子处于n=k能级,当向低能级跃迁时,最多可辐射出光子频率种类为:
k-1.
考点3对玻尔氢原子理论的理解
案例3
氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值,它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能.氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时()
A.氢原子的能量减少,电子的动能增加B.氢原子的能量增加,电子的动能增加
C.氢原子的能量减少,电子的动能减少D.氢原子的能量增加,电子的动能减少
点拨:
(1)氢原子核外电子运动过程的向心力由谁提供?
(2)将向心力关系式变形后得到的动能与电子与核间距离有什么关系?
解析:
氢原子的核外电子在离核较远的轨道上,原子能量较大,当跃迁到离核较近的轨道时,放出一定频率的光子,原子能量减少.氢原子核外电子绕核运动,原子核对电子的静电力提供向心力,即ke2/r2=mv2/r,所以原子的动能Ek=mv2/2=ke2/2r,离核越近,即r越小,Ek越大.
答案:
A
说明:
解该题时建立模型是关键,即将核外电子的运动等效为围绕着原子核做匀速圆周运动.
自助训练
基础达标
1.入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率不变,则()
A.从光照至金属表面上到逸出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.逸出的光电子最大初动能将减少
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:
从光强的定义出发,光频率不变而强度减弱,说明单位时间内照射到金属表面的光子数减少,因而从金属表面激发出的光电子数目亦减少.由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W看,入射光的频率不变,故光电子最大初动能不变,且仍然可以发生光电效应.
答案:
C
2.人眼对绿光最为敏感.正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时,只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉.普朗克常量为6.63×10-34J·s,光速为3.0×108m/s,则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()
A.2.3×10-18WB.3.8×10-19W
C.7.0×10-48WD.1.2×10-48W
解析:
依题意知,人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是至少每秒有6个绿光的光子射入瞳孔.先计算一个绿光光子的能量E=hν=hc/λ≈0.38×10-18W,可以算出6个绿光的光子的能量约为2.3×10-18W,故选项A是正确的.
答案:
A
3.爱因斯坦由光电效应的实验规律,猜测光具有粒子性,从而提出光子说.从科学研究的方法来说,这属于()
A.等效替代B.控制变量
C.科学假说D.数学归纳
解析:
根据实验现象,而后提出理论支持,物理学上把这种研究方法称为“科学假说”,C对.
答案:
C
4.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子.例如在某种条件下,铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,此现象叫俄歇效应,以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子.已知铬原子的能级公式可简化表示为En=-A/n2,式中n=1,2,3,…表示不同能级,A是正的已知常数.上述俄歇电子的动能是()
A.
B.
C.
D.
解析:
E2=
E1=-A,E4=
ΔE=E2-E1=
则俄歇电子的动能Ek=ΔE+E4=
,C对.
答案:
C
5.物理学家做了一个有趣的实验:
在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片.若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝,实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点子;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果有下列认识,其中正确的是()
A.曝光时间不太长时,出现一些不规则的点子,表现出光的波动性
B.单个光子通过双缝后的落点无法预测
C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较大的地方
D.只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
解析:
大量光子的行为表现出光的波动性,而单个或少量光子的行为表现出光的粒子性.光波是一种概率波,所以A、D错,B、C正确.
答案:
BC
6.(2006四川理综,15)现有a、b、c三束单色光,其波长关系为λa>λb>λc.用b光束照射某种金属时,恰能发生光电效应.若分别用a光束和c光束照射该金属,则可以断定()
A.a光束照射时,不能发生光电效应
B.c光束照射时,不能发生光电效应
C.a光束照射时,释放出的光电子数目最多
D.c光束照射时,释放出的光电子的最大初动能最小
解析:
c=λf,λa>λb>λc,fa<fb<fc,用b光束照射金属,该频率等于极限频率,恰好发生光电效应.因为光束a的频率小于该极限频率,不能发生光电效应,A选项正确.光束c的频率大于该极限频率,能发生光电效应,B选项错误.光电子数目由光强来决定,不知三束光的光强,无法确定释放出的光电子数,C选项错误.由光电效应方程Ekm=hν-W逸,c频率最大,金属的逸出功一定,则c光照射时,释放出的光电子动能最大,D选项错误,所以正确选项为A.
答案:
A
7.(2006江苏物理,4)氢原子的能级如图16-1-2所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62eV—3.11eV.下列说法错误的是()
图16-1-2
A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出6种不同频率的光
D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出3种不同频率的可见光
解析:
A选项,处于n=3能级的氢原子吸收光子能量,电离的最小能量E0=1.51eV,又因紫外线的频率大于可见光的频率,所以紫外线光子的能量E≥3.6V,故A正确.
B选项,由能级跃迁理论知,氢原子由高能级向n=3能级跃迁时,发出光子的能量E≤1.51eV,所以发出光子能量小于可见光光子能量,由E=hν知,发出光子频率小于可见光光子频率,光子为红外线,具有较强的热作用,故B正确.
C选项,由能级跃迁理论知,由n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可发出6种频率的光子,故C正确.
D选项,由能级跃迁理论知,大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,发出光子能分别为:
0.66eV(4→3),2.55eV(4→2),12.75eV(4→1),1.89eV(3→2),12.09eV(3→1),10.2eV(2→1),所以,只有3→2和4→2跃迁发出的2种频率的光子属于可见光,故D错误.
答案:
D
8.下列说法正确的是()
A.光纤通信利用了激光相干性好的特点
B.激光武器利用了激光亮度高的特点
C.激光写、读利用了激光亮度高的特点
D.激光加工、激光手术和激光武器都利用了激光亮度高的特点
解析:
激光相干性好,光纤通信利用了这点,A对.激光亮度高,可在短时间小空间内聚集大量能量,激光加工、激光手术、激光武器都利用这一特点,B、D对.激光写、读利用了激光平行度好,C错.
答案:
ABD
能力训练
9.红宝石激光器发射的激光是一道道不连续的闪光(称为光脉冲),其发射能量E与时间t的关系如图16-1-3所示.设激光器的平均发射功率P=1.0×1010W,激光波长λ=6.93×10-7m,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,则一个光脉冲含有的光子数约为___________个.(保留两位有效数字)
图16-1-3
解析:
仔细观察激光器的发射能量E和t的关系图象会发现,该激光器在每3×10-9s内发光1×10-9s,间歇2×10-9s,由题知其平均发射功率
=1.0×1010W,则在一个光脉冲(一个光脉冲时间应为3×10-9s)内,激光器发射的能量为E=
·T=1.0×1010×3×10-9J.设其中有N个光子,则Nhν=E,故N=
(个)=1.0×1020(个).
答案:
1.0×1020
10.“秒”是国际单位制中的时间单位,它等于
原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波周期的9192631770倍.据此可知,该两能级之间的能量差为(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)eV.
解析:
ΔE=hν=
J=6.09×10-24J=
eV=3.8×10-5eV.
答案:
3.8×10-5
综合提升
11.如图16-1-4所示,这是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图,它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成,当用绿光照射光电管的阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法正确的是()
图16-1-4
A.示意图中,a端应是电源的正极
B.放大器的作用是将光电管中产生的电流放大后,使铁芯M磁化,将衔铁N吸住
C.若增大绿光的照射强度,光电子最大初动能将增大
D.改用红光照射光电管阴极K时,电路中一定有电流
解析:
据光电效应规律,当入射光的频率大于金属的极限频率时才能发生光电效应,故改用红光照射光电管阴极K时,不一定发生光电效应,电路中不一定有电流,D错.电流方向与电子定向运动方向相反,故a端应是电源正极,A对.据光电效应规律,光电子最大初动能只与入射光频率有关,故C错.由放大器作用可知B对.
答案:
AB
12.20世纪60年代初期,美国科学家发现了“记忆合金”.“记忆合金”不同于一般的金属,它和有生命的生物一样,具有较强的“记忆性”,它能“记”住自己原来的形状.某人用一种记忆合金制成了太阳灶,为了便于储存和运输,在温度较低时将太阳灶压缩成了一个体积较小的球.使用时在太阳光的强烈照射下又恢复了伞状,恢复形状后的太阳灶正对着太阳,它的半径为R.已知太阳的辐射功率(太阳每秒辐射出的能量)为P,由于大气层的反射和吸收,太阳能只有
到达地面.若把太阳光看成是频率为ν的单色光,太阳中心到地面的距离为L,则这个太阳灶每秒钟能接收到多少个光子?
(普朗克常量为h)
解析:
太阳每秒钟辐射出的总能量为E=P
每个光子的能量E0=hν
太阳每秒钟辐射出的光子数为N=
太阳灶的横截面积等效为S=πR2
地面上每秒钟单位面积接收到的光子数为n=
所以太阳灶每秒钟接收到的光子数为n′=nS=
.
答案:
教学反思
本单元知识点较多,而且比较抽象,有些概念容易混淆,如光子能量与逸出功、光子能量与光电子动能等.在复习中要针对命题热点如光电效应规律、爱因斯坦光电效应方程、氢原子的能级结构等内容重点讲解,帮助学生理解其概念,掌握其本质.
第二单元原子核
教学内参
教学总体思路
本单元是原子物理学的基础知识,在教学上应做如下设计:
(1)突出卢瑟福的α粒子散射实验、三种放射线、原子核的转变、核能、爱因斯坦质能方程、重核的裂变和轻核的聚变等重要内容.
(2)以人类认识微观世界的过程为顺序,理清历史上著名的实验物理学家们的研究方法和探索过程.
(3)在教学过程中教师应采用有利于学生兴趣培养和认识思维发展的复习模式.既要抓住核式结构和核能这条主线,又要注意知识内容细节.
高考动态分析
本单元所考查的内容主要集中在原子的核式结构、质能方程及核反应方程等知识点,它们占了本单元高考题的95%以上;在考查题型上,全部是以选择题的形式出现.每年1—2个小题,从未间断,与高考要求6%的比例非常吻合.由于考查范围和题型的相对稳定,“考课本”“不回避陈题”成了本单元高考命题的最大特点.
随着高考改革的不断深入,对考生能力的考查不断加强.“联系实际、联系生活、联系高科技”已成为高考命题的趋向,这些方面在本单元中可能会有所体现.
知识扫描
1.汤姆生在发现电子后,提出原子模型是枣糕模型.
2.卢瑟福根据著名的α粒子散射实验总结出原子的核式结构模型,他提出原子中心有一个很小的原子核,它集中了原子的所有的正电荷和几乎全部的质量.电子绕核旋转.原子核直径的数量级是10-15m—10-14m.
3.天然放射现象中的三种射线,α射线是速度约为
光速的氦核流,贯穿本领很弱,电离作用很强.β射线是高速运动的电子流,贯穿本领很强,电离作用较弱.γ射线是一种电磁波,贯穿本领极强,电离作用很弱.
4.半衰期是放射性元素核数目衰变减少到起始时的一半所需的时间.
5.具有相同质子数和不同中子数的原子互称为同位素.放射性同位素的应用是利用它的射线和作为示踪原子.
6.爱因斯坦质能方程为E=mc2.质量亏损、核反应中释放的核能的联系为ΔE=Δmc2.获取核能的方式主要有重核的裂变和轻核的聚变.
复习导航
考纲解读
知识点
要求
解读
天然放射现象、α射线、β射线、γ射线、半衰期
Ⅰ
知道三种射线的特征,知道半衰期的概念
原子核的人工转变,原子核的组成,核反应方程,放射性同位素及应用
Ⅰ
会写核反应方程,知道放射性同位素的用途
放射性污染和防护
Ⅰ
了解放射性污染
核能,爱因斯坦质能方程
Ⅱ
掌握爱因斯坦质能方程
核反应堆,核电站,重核裂变,链式反应,轻核聚变,可控热核反应人类对物质结构的认识
Ⅰ
了解人类利用核能的方式
焦点突破
1.α衰变、β衰变和γ衰变的实质
放射性物质放射出来的α粒子和β粒子是原子核内的原子和中子结合转化而成的,α粒子是原子核内的两个质子和两个中子结合在一起发射出来的;β粒子是原子核内的中子转化为质子时发射出来的;在原子核衰变的过程中处于激发态的原子核跃迁回基态时,以γ光子的形式放出能量.
2.A核反应方程式的配平及α、β衰变次数的确定方法
(1)核反应方程中有两个守恒规律:
质量数守恒,核电荷数守恒.
(2)确定衰变次数的原理是两个守恒规律,方法是:
设放射性元素
经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素
,则表示该核反应的方程为:
→
+
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A′+4nZ=Z′+2n-m
由以上两式联立解得n=
m=
+Z′-Z
由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组.
【互动探究1】下面列出的是一些核反应方程
其中()
A.X是质子,Y是中子,Z是正电子B.X是正电子,Y是质子,Z是中子
C.X是中子,Y是正电子,Z是质子D.X是正电子,Y是中子,Z是质子
答案:
D
3.质能方程的理解
①物体具有的能量与它的质量成正比.物体的能量增加了,质量也增大;能量减少了,质量也减小.
②质量与能量实质上是相像的,它们只不过是同一事物的不同表示.物体的质量随着物体能量的改变而改变.
③任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量.由于c2非常大(
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第十六章 近代物理初步 第十六 近代 物理 初步