高中物理 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性课件 新人教版选修35.ppt

2 光的粒子性 自学线索 学基础导学 1 光电效应 照射到金属表面的光 能使金属中的 从表面逸出的现象 2 光电子 光电效应中发射出来的 一 光电效应的实验规律 电子 电子 3 光电效应的实验规律 1 存在着 光电流 在光的颜色不变的情况下 入射光越强 越大 这表明对于一定颜色的光 入射光越强 单位时间内发射的光电子数 饱和 饱和电流 越多 2 存在着遏止电压和 频率 光电子的 与入射光的频率有关 而与入射光的强弱 当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 截止 最大初动能 无关 3 光电效应具有 光电效应几乎是 发生的 从光照射到产生光电流的时间不超过 4 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值叫做这种金属的逸出功 瞬时性 瞬时 10 9s 按照光的电磁理论 无法解释光电效应中 1 遏止电压与光的强弱无关 2 每种金属都存在不同的截止频率 3 光电子逸出的时间10 9s等实验规律 二 光电效应解释中的疑难 1 光子爱因斯坦于1905年提出 在空间传播的光不是 的 而是一份一份的 每一份叫做一个光量子 简称 光子的能量e h 2 光电效应方程 1 表达式 ek w0或ek w0 2 物理意义 金属中电子吸收一个光子获得的能量是h 这些能量一部分用于克服金属的 剩下的表现为逸出后电子的初动能ek 三 爱因斯坦的光电效应方程 连续 光子 h h 逸出功w 1 光的散射 光在介质中与物体微粒的相互作用 使光的传播方向 的现象 2 康普顿效应 在光的散射中 除了与入射波长相同的成分外 还有波长 的成分 3 康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的 性的一面 四 康普顿效应 发生改变 更长 粒子 1 表达式 2 说明 在康普顿效应中 当入射光子与晶体中的电子碰撞时 要把一部分动量转移给电子 因此有些光子散射后波长变长 五 光子的动量 p h 讲要点例析 光电效应中几个易混淆的概念 1 光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 其本质是电子 光子是光电效应的因 光电子是果 2 光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时 光子的能量全部被电子吸收 电子吸收光子的能量 可能向各个方向运动 需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量 剩余部分为光电子的初动能 只有金属表面的电子直接向外飞出时 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初动能 光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能 3 光子的能量与入射光的强度光子的能量即每个光子的能量 其值为e h 为光子的频率 其大小由光的频率决定 入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量 入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积 4 光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极 回路中便产生光电流 随着所加正向电压的增大 光电流趋于一个饱和值 这个饱和值是饱和光电流 在一定的光照条件下 饱和光电流与所加电压大小无关 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 而频率保持不变 那么 a 从光照射金属表面到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 根据光电效应的实验规律知 从光照射金属表面到光电子发射的时间间隔极短 这与光的强度无关 故a错误 实验规律还指出 逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关 光电流与入射光强度成正比 由此可知 b d错误 c正确 答案 c 1 1关于光电效应的规律 下列说法中正确的是 a 当某种色光照射金属表面时 能产生光电效应 则入射光的频率越高 产生的光电子的最大初动能越大b 当某种色光照射金属表面时 能产生光电效应 则入射光的强度越大 产生的光电子数越多c 同一频率的光照射不同的金属 如果都能产生光电效应 则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大d 对某种金属 入射光波长必须小于某一极限波长 才能有光电子逸出 答案 abd 光电效应方程的理解及其应用 2 光子说对光电效应的解释 1 饱和光电流与光强关系光越强 包含的光子数越多 照射金属时产生的光电子越多 因而饱和光电流越大 所以 入射光频率一定时 饱和光电流与光强成正比 如图所示 当开关k断开时 用光子能量为2 5ev的一束光照射到阴极p 发现电流表读数不为零 合上开关 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于0 60v时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60v时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 a 1 9evb 0 6evc 2 5evd 3 1ev 解析 电流表读数为零时 光电子的初动能刚好全部消耗在电场力做功上 则有ek eu 0 6ev又因为ek h w所以 w h ek 2 5 0 6 ev 1 9ev答案 a 2 1用不同频率的紫外线分别照射钨板和锌板而产生光电效应 可得到光电子的最大初动能ek随入射光的频率 变化的ek 图 已知钨元素的逸出功为3 28ev 锌元素的逸出功为3 34ev 若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个ek 图上 则下列图中正确的是 解析 根据光电效应方程ek h w可知ek 图象的斜率为普朗克常量h 因此图中两线应平行 c d错 图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应 光电子动能为零 时的入射光频率即极限频率 由光电效应方程可知 逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高 所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高 所以a对 b错 答案 a 假定x射线光子与电子发生弹性碰撞 这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似 按照爱因斯坦的光子说 一个x射线光子不仅具有能量e h 而且还有动量 如图所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 因此频率减小 波长增大 同时 光子还使电子获得一定的动量 这样就圆满地解释了康普顿效应 光子说对康普顿效应的解释 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也有动量 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰后光子可能沿方向 运动 并且波长 填 不变 变短 或 变长 解析 因光子与电子的碰撞过程动量守恒 所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致 可见碰后光子可能沿1方向运动 不可能沿2或3方向 通过碰撞 光子将一部分能量转移给电子 能量减少 由e h 知 频率变小 再根据c 知 波长变长 答案 1变长 宏观世界中物体间的相互作用过程中所遵循的规律 也适用于微观粒子的相互作用过程 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性 也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性 3 1假如一个光子与一个静止的电子碰撞 光子并没有被吸收 只是被电子反弹回来 散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大 为什么 答案 变小因为波长变大 由c 知 频率变小 思考与讨论 教材p33爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能ek与入射光的频率 的关系 但是 很难直接测量光电子的动能 容易测量的是遏止电压uc 怎样得到uc到 w0的关系 思考与讨论 教材p35白天的天空各处都是亮的 宇航员在大气层外飞行时 尽管太阳的光线耀眼刺目 但其他方向的天空是黑的 甚至可以看见星星 这是为什么 点拨 光在大气中传播 光与大气中的灰尘微粒相互作用 发生了散射现象 所以我们从侧面能看到这束光 白天的天空各处都是亮的 在大气层以外的空间无介质 光在真空中传播不会发生散射 只能沿直线传播 所以会看到其他方向的天空是黑的 甚至可以看见星星 练随堂演练 1 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 从科学探究的方法来说 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 爱因斯坦根据光电效应的实验规律 猜测光具有粒子性 从而提出光子说 从科学探究的方法来说 这属于科学假说 答案 c 2 在演示光电效应的实验中 原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连 用弧光灯照射锌板时 验电器的指针张开一个角度 如图所示 这时 a 锌板带正电 指针带负电b 锌板带正电 指针带正电c 锌板带负电 指针带正电d 锌板带负电 指针带负电解析 弧光灯发出的紫外线照射锌板 发生光电效应 有电子从锌板飞出 锌板由于失去电子而带正电 验电器与锌板相连接 也带正电 故b项正确 答案 b 3 关于光电效应 下列说法中正确的是 a 光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大b 只要入射光的强度足够强 照射时间足够长 就一定能产生光电效应c 在光电效应中 饱和电流的大小与入射光的频率无关d 任何一种金属都有一个极限频率 低于这个频率的光不能使它发生光电效应 解析 由光电效应的实验规律可知 选项d正确 由光电效应方程可以推出光电子的最大初动能应随着入射光频率的增大而增大 选项a错误 饱和光电流的大小与光强有关 入射光频率一定时 饱和光电流大小与光强成正比 若是光强一定 入射光的频率越高 则光子数就少 饱和光电流就小了 所以选项c错误 能否发生光电效应 与照射的时间长短及入射光的强度无关 选项b错误 答案 d 4 如图所示为康普顿效应示意图 真空中光子与一个静止的电子发生碰撞 图中标出了碰撞后电子的运动方向 设碰前光子频率为 碰后为 则关于光子碰后的运动方向和频率的说法中正确的是 a 可能沿图中 方向b 可能沿图中 方向c d 解析 光子与电子碰撞过程中动量守恒 故沿 方向运动 光子与电子碰撞后 它的能量变小 即频率变小 故b正确 答案 b 5 光电效应实验中 下列表述正确的是 a 光照时