第十四章 光学部分第三课时 光的本性 (2).ppt

光的本性 光的本性 波动性 粒子性 光的干涉双缝干涉薄膜干涉 光的衍射 光的电磁说 光电效应 光子说 光的波粒二象性 第一部分光的波动性 光的波动说 惠更斯 一 光的干涉 两列相干光波相叠加 某些区域的光被加强 某些区域的光被减弱 且加强区与减弱区互相间隔的现象叫光的干涉现象 产生干涉现象的条件之一 是两列光必须是频率相同的相干光源 1 双缝干涉 由同一光源发出的光经过两个细缝后形成两列光波叠加时会产生干涉 当这两列光波到达某点的路程差等于光的波长的整数倍时 该处的光相加强 出现亮条纹 当这两列光波到达某点的路程差等于光的半波长的奇数倍时 该处的光相减弱 出现暗条纹 相邻两条干涉条纹的间距 即条纹间距与波长成正比 双缝干涉 2 薄膜干涉 由薄膜前后表面反射的的两列光波叠加而成 例如肥皂泡及水面上的油膜呈现的彩色花纹 劈形薄膜干涉可产生平行相间条纹 增透膜的厚度应该是光在薄膜中波长的1 4 薄膜干涉 光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物后面的现象 产生明显衍射的条件 障碍物或孔的尺寸能和波长相当或比波长小 双缝干涉图样与单缝衍射图样的区别 干涉条纹是等间距排列的条纹 衍射图样是不等间距 中间亮纹最亮 而两边条纹逐渐变窄变暗的不均匀条纹 光的干涉和光的衍射说明光是一种波 二 光的衍射 光的干涉条纹和衍射条纹的比较 光的偏振 光的偏振说明光是横波 a 光的电磁说 光在本质上是一种电磁波 b 电磁波谱 电磁波按波长由大到小的排列为无线电波 红外线 可见光 紫外线 x射线 射线 c 电磁波的产生机理 无线电波由振荡电路产生 红外线 可见光 紫外线由原子的外层电子受激后产生x射线由原子的内层电子受到激发后产生 射线由原子核受到激发后产生 三 光的电磁说和电磁波谱 1 发射光谱 发光物体直接产生的光谱叫发射光谱 a 连续光谱 炽热的固体 液体及高压气体的光谱 包含一切波长的光 b 明线光谱 原子光谱 稀薄气体发光产生的光谱 由一些不连续的亮线组成 也叫原子光谱 如氢光谱 2 吸收光谱 连续光谱经某物质被部分吸收后产生的光谱 如太阳光谱 同一原子的明线光谱和吸收光谱一一对应 互补 3 光谱分析 每种原子都有自己的特征谱线 根据不同的特征谱线来鉴别物质和确定它的化学组成 光谱分析的优点 非常灵敏而且迅速 光谱分析的应用 鉴别物质 发现新元素等 四 光谱 氢光谱 返回 双缝干涉现象中 用单色光照射 下列说法中正确的是 a 波峰与波峰叠加或波谷与波谷叠加 都产生亮条纹 b 波峰与波峰叠加出现亮条纹 波谷与波谷叠加出现暗条纹 c 在屏上某处离两相干光源路程差是半波长偶数倍时出现暗条纹 d 在屏上某处离两相干光源路程差是半波长奇数倍时出现暗条纹 a d 例1 2 用单色光照射肥皂薄膜 a 看到的干涉图样是明暗相间的条纹 b 从光源发出的光与肥皂膜表面反射的光发生干涉 形成干涉图样 c 一束入射光从薄膜的前表面和后表面分别反射出来 形成两列波 这两列波频率相同 所以可以产生干涉 d 若改用白光照射则看不到干涉条纹 a c 3 下列现象属于光的干涉的有 a 在水面上的油膜呈现的彩色花纹 b 雨后天空中呈现的彩虹 c 通过卡尺狭缝看远处的日光灯呈现的彩色花纹 d 肥皂泡上呈现的彩色环纹 a d 4 下列对增透膜的叙述中正确的是 a 摄影机镜头涂一层增透膜后 可减少玻璃对光的吸收b 增透膜是为了增加光的透射 减少光的反射c 增透膜的厚度应为入射光在薄膜中波长的1 4d 增透膜的厚度应为入射光在真空中长波的1 4 b c 5 对光的技术所依赖的光学原理 下列叙述中正确是 a 光导纤维应用的是光的全反射现象 b 镜头表面的增透膜应用的是光的衍射现象 c 用空气劈检查平面的质量应用光的干涉现象 d 分光镜利用了光的色散现象 a c d 6 关于光谱 下面说法中正确的是 a 炽热的液体发射连续光谱b 太阳光谱中的暗线说明太阳上缺少与这些暗线的元素c 明线光谱和吸收光谱都可用于对物质成分进行分析d 发射光谱一定是连续光谱 ac 7 用单色光做双缝干涉实验 下述说法中正确的是 a 相邻干涉条纹之间的距离相等b 中央明条纹宽度是两边明条纹宽度的2倍c 屏与双缝之间距离减小 则屏上条纹间的距离增大d 在实验装置不变的情况下 红光的条纹间距小于蓝光的条纹间距 96年上海高考题 a a 变疏b 变密c 不变d 消失 劈尖干涉是一种薄膜干涉 其装置如图1所示 将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上 在一端夹入两张纸片 从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜 当光垂直入射后 从上往下看到的干涉条纹如图2所示 干涉条纹有如下特点 任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等 任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定 现若在图1装置中抽去一张纸片 则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后 从上往下观察到的干涉条纹 03年上海高考8 a 例8 把一个具有球面的平凸透镜平放在平行透明玻璃板上 如图 现用单色光垂直于平面照射 在装置的上方向下观察 可以看到干涉条纹 那么关于两束干涉光及干涉条纹的说法正确的是 a 两束干涉光是a b面反射形成的b 干涉条纹是中央疏边缘密的同心圆c 两束干涉光是b c面反射形成的d 干涉条纹中是中央密边缘疏的同心圆 bc 19 激光散斑测速是一种崭新的测速技术 它应用了光的干涉原理 用二次曝光照相所获得的 散斑对 相当于双缝干涉实验中的双缝 待测物体的速度v与二次曝光时间间隔 t的乘积等于双缝间距 实验中可测得二次曝光时间间隔 t 双缝到屏之距离l以及相邻两条亮纹间距 x 若所用激光波长为 则该实验确定物体运动速度的表达式是 b 04年天津 第二部分光的粒子性 一 光电效应 1 光电效应 物体在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应 在光电效应中物体释放出的电子叫光电子 光电子定向移动形成的电流叫光电流 2 光电效应的规律 光电效应规律 1 每种金属都有发生光电效应的极限频率 2 光电效应的产生几乎是瞬时的 3 光电子的最大初动能ekm和入射光强度无关 只随入射光频率 的增大而增大 4 单位时间打出的光电子与入射光强度成正比 1 光子说 空间传播的光不是连续的 是一份一份的 每一份叫一个光子 每个光子的能量e h 0 其中h 6 63 10 34j s 称做普朗克常量 爱因斯坦就是因为提出了光子说及对光电效应的研究而获得诺贝尔物理学奖的 二 光子说 四 爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦光电效应方程的图象 爱因斯坦光电效应方程是能量守恒定律在光电效应现象中的表现形式 逸出功和极限频率的关系 极限波长和极限频率的关系 由v f得 五 光的波粒二象性 光的干涉和衍射表明光确实是一种波 光电效应和康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子 因此说 光是一种波 同时光也是一种粒子 光具有波粒二象性 单个光子表现为粒子性 大量光子的运动表现为波动性 波长较长 频率较低的光 波动性较显著 波长较短 频率较高的光 粒子性较显著 光是一种概率波 一切微观粒子都有波粒二象性 例在研究光电效应的实验中 根据测得的数据绘出光电子最大初动能ek跟照射光频率 的关系图象如图所示 图线的斜率tg 横轴上的截距表示该金属发生光电效应的 纵轴上的截距的绝对值表示该金属的的大小 若换用其他金属做同样的实验 测绘得到的图线与此图的图线相比较相同 不同 h 极限频率 逸出功 斜率 纵横截距 4 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 验电器的指针就张开一个角度 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 b 95年全国高考 96年上海高考 当某种单色光照射到金属表面时 金属表面有光电子逸出 如果光的强度减弱 频率不变 则 a 光的强度减弱到某一最低数值时 就没有光电子逸出b 单位时间内逸出的光电子数减少c 逸出光电子的最大初动能减小d 单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减小 b 6 红 橙 黄 绿四种单色光中 光子能量最小的是 96年全国高考题 a 红光b 橙光c 黄光d 绿光 a 97年上海高考 7 关于光的本性 早期有牛顿的微粒说和惠更斯的 后来又有麦克斯韦的电磁说 本世纪初 为解释现象 爱因斯坦提出了光子说 波动说 光电效应 97年上海高考如图所示 一静电计与锌板相连 在a处用一紫外灯照射锌板 关灯后 指针保持一定偏角 1 现用一带负电的金属小球与锌板接触 则静电计指针偏角将 填增大 减小或不变 2 使静电计指针回到零 再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板 静电计指针无偏转 那么 若改用强度更大的红外线灯照射锌板 可观察到静电计指针 填有或无 偏转 减小 无 8 已知铯的极限频率为4 545 1014赫 钠的极限频率为6 000 1014赫 银的为1 153 1015赫 铂的为1 529 1015赫 当用波长为0 375微米的光照射它们时 可发生光电效应的是 f c 3 108 0 375 10 6 8 1014hz 铯 钠 92年全国高考题 98年全国高考题 9 一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光 分别照射到相同的金属板a b c上 如图所示 已知金属板b有光电子放出 则可知 a 板a一定不放出光电子b 板a一定放出光电子c 板c一定不放出光电子d 板c一定放出光电子 d 2 用某种单色光照射某种金属表面 发生光电效应 现将该单色光的光强减弱 则 a 光电子的最大初动能不变b 光电子的最大初动能减少c 单位时间内产生的光电子数减少d 可能不发生光电效应 ac 03年江苏高考2 2004年广东高考6 分别用波长为 和的单色光照射同一金属板 发出的光电子的最大初动能之比为1 2 以h表示普朗克常量 c表示真空中的光速 则此金属板的逸出功为 a b c d b 已知金属铯的逸出功为1 9ev 在光电效应实验中 要使铯表面发出的光电子的最大动能为1 0ev 入射光的波长应为m 解 根据爱因斯坦光电效应方程e h w 4 3 10 7m 2000年天津 江西高考试题 6 图为x射线管的结构示意图 e为灯丝电源 要使射管发出x射线 须在k a两电极间加上几万伏的直流高压 a 高压高源正极应接在p点 x射线从k极发出 b 高压电源正极应接在p点 x射线从a极发出 c 高压电源正极应接在q点 x射线从k极发出 d 高压电源正极应接在q点 x射线从a极发出 d 2000年高考试题 光电效应的规律是 1 任何一种金属都有一个 频率 入射光的频率必须 这个频率 才能产生光电效应 2 光电子的最大初动能与无关 只随着的增大而增大 3 入射光照射到金属上时 光电子的发射几乎是 一般不超过 4 产生光电效应时 光电流的强度与成正比 极限 大于 入射光的强度 入射光频率 瞬时的 10 9秒 入射光的强度 例1 p137 例2 在x射线管中 由阴极发射的电子被加速后打到阳极 会产生包括x光在内的各种能量的光子 其中光子能量的最大值等于电子的动能 若伦琴射线管阳极与阴极间所加电压为3 00 104v 求伦琴射线管所发出的x射线的最短波长是多少 解 电子被加速后具有的能量ek eu 电子撞击阳极发出x射线 当电子的动能全部变为光子的能量h 时 x射线的波长最短 ek h eu hc hc eu 4 14 10 11m p137 例3 从太阳到达地球的光流强度 在垂直于光的传播方向上是1 4 103w m2 如果把太阳光看成是平均频率为5 1014hz的单色光 在垂直于太阳光的地球表面的1cm2的面积上 每秒接收到的光子数有多少个 解 每秒钟太阳光照到地球上1cm2的能量为 e 1 4 103 1 10 4 0 14j 每个光子的能量为e1 h 6 63 10 34 5 1014 3 3 10 19j n e e1 0 14 3 3 10 19 4 2 1017个 例4 有一小灯泡的规格为 6v 0 3a 正常工作时大约有6 的电能转变为可见光 试估算每一秒钟释放出来的可见光的光子数 解 一秒钟消耗电能w pt uit 1 8j 一秒钟转变成的可见光能 e 0 06 1 8 0 108j 每个光子的能量为e1 h e nh 可见光的频率粗略取 5 1014hz n e h 0 108 6 63 10 34 5 1014 3 1017 例5在绿色植物光合作用下 每放出1mol的o2 植物储存451 5kj能量 绿色植物能量转化效率 即植物储存的能量与植物吸收光的能量之比 约50 则绿色植物每放出1个氧分子要吸收个波长为的光子 普朗克常量 阿伏加德罗常量 解 每放出1个氧分子储存能量为451 5 103 n j 每放出1个氧分子要吸收能量为 e 2 451 5 103 n j 1 5 10 18j 一个光子的能量为e1 hc 3 10 19j n e e1 5 个 5 例6 某金属用频率为v2的光照射时产生的光电子的最大初动能是用频率为v1的光照射产生的光电子的最大初动能的2倍 则这种金属的逸出功w 例7 已知某金属表面接受波长为 和2 的单色光照射时 释放出的光电子的最大初动能分别为30ev和10ev 则能使此金属表面产生光电效应的入射光的极限波长是 解 由光电效应方程 ek1 hc w 30ev 1 ek2 hc 2 w 10ev 2 由极限波长的定义 0 hc 0 w 3 解得w 10evhc 40ev 0 4 4 例8 用光子能量为4 5ev的光照射某金属 从该金属表面逸出的电子最大初动能为2 0ev 这种金属的电子逸出功为 能使这种金属产生光电效应的光的极限频率为 如果以光子能量8 0ev的光照射该金属 则逸出的电子的最大初动能是 解 w h ek 4 5 2 0 2 5ev 0 w h 2 5 1 6 10 19 6 63 10 34 6 1014hz ek1 h 1 w 8 2 5 5 5ev 2 5ev 6 1014hz 5 5ev 例9 已知每秒钟从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1 4 103j 其中可见光约占45 设可见光的波长均为0 55 m 太阳向各个方向的辐射是均匀的 太阳与地球间距离为1 5 1011m 则太阳每秒辐射出的可见光的光子数大约为 只要求二位有效数字 解 太阳每秒辐射出来的能量 e 4 r2 1 4 103j 4 3 14 1 5 1011 2 1 4 103 4 1026j 根据题意有 e 45 n hc n e 45 hc 4 1026 0 45 0 55 10 6 6 6 10 34 3 108 4 9 1044 4 9 1044 例10 在光电效应实验中 当用光子能量e 3 1ev的单色光照射阴极k时 如图 产生少量电流 若k极接正 a极接负 当两极间电压为0 9v时 光电流恰好截止 那么当a极接正 k极接负 电压仍为0 9v的时光电子到达a极的最大动能ek2 ev 此金属的逸出功w ev 解 打出的光电子具有初动能 若a k间加上反向电压时 电场力做负功 当ek eu反光电流恰好截止 ek1 0 9ev 由ek1 e w 逸出功w e ek1 2 2ev 若a k间加上正向电压时 电场力做正功 光电子到达a极的最大动能为 ek2 ek1 eu 0 9 0 9 1 8ev 1 8 2 2 例11 图 a 所示为光电效应实验电路图 在某一定强度 一定频率的色光照射