人教版选修35 17.2科学的转折：光的粒子性 课件（55张).ppt

光的干涉 衍射现象说明光是电磁波 光的偏振现象进一步说明光还是横波 19世纪60年代 麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质 然而 出人意料的是 正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候 又发现了用波动说无法解释的新现象 光电效应现象 对这一现象及其他相关问题的研究 使得人们对光的又一本质性认识得到了发展 知识回顾 光电效应的4条基本规律 1 产生光电效应的条件 任何一种金属 都存在极限频率 0 只有当入射光频率 0时 才能发生光电效应 2 光电子的最大初动能 光电子的最大初动能ekm与入射光强度无关 只随入射光频率的增大而增大 3 光电效应的发生时间 几乎是瞬时发生的 4 光电流强度的决定因素 当入射光频率 0时 光电流随入射光强度的增大而增大 当入射光的强度不变 频率增大 光电流不变 第二节科学的转折 光的粒子性 第十七章波粒二象性 通过实验了解光电效应的实验规律 知道爱因斯坦光电效应方程以及意义 了解康普顿效应 了解光子的动量 1 知识与技能 2 过程与方法 了解物理真知形成的历史过程 了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性 知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性 3 情感态度与价值观 通过学生阅读和教师介绍讲解 使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就 需要经过一个较长的历史发展过程 不断得到纠正与修正 通过相关理论的实验验证 使学生逐步形成严谨求实的科学态度 通过了解电子衍射实验 使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法 重点实物粒子和光子一样具有波粒二象性 德布罗意波长和粒子动量关系 难点实物粒子的波动性的理解 本节知识线索 用经典的光的电磁理论理解是光电效应实验规律遇到了疑难 爱因斯坦应用普朗克提出的量子观点提出了光量子说 并成功的解释了光电效应 证明光具有粒子性 康普顿实验进一步证明了光的粒子性 说明光既有能量还具有动量 一 光电效应的实验规律 二 光电效应解释中的疑难 五 光子的动量 四 康普顿效应 三 爱因斯坦的光电效应方程 一 光电效应的实验规律 1 光电效应 把一块锌板连接在验电器上 用紫外线灯照射锌板 观察验电器指针的变化 这个现象说明了什么问题 观察光电效应 用弧光灯照射擦得很亮的锌板 注意用导线与不带电的验电器相连 使验电器张角增大到约为30度时 再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板 则验电器的指针张角会变大 上述实验表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 在光 包括不可见光 的照射下 从物体发射电子的现象叫做光电效应 发射出来的电子叫做光电子 2 光电效应的实验规律 研究光电效应的电路图 实验表明 光电子在电场作用下形成光电流 1 遏止电压将换向开关反接 电场反向 则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用 当k a间加反向电压 光电子克服电场力作功 当电压达到某一值uc时 光电流恰为0 uc称遏止电压 根据动能定理 有 2 光电效应实验规律 光电效应伏安特性曲线 光电流与电压的关系 光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比 截止频率 c 极限频率对于每种金属材料 都相应的有一确定的截止频率 c 当入射光频率 c时 电子才能逸出金属表面 当入射光频率 c时 无论光强多大也无电子逸出金属表面 光电子频率只与入射光的频率有关 光电效应是瞬时的 从光开始照射到光电子逸出所需时间 10 9s 二 光电效应解释中的疑难 经典理论无法解释光电效应的实验结果 经典理论认为 按照经典电磁理论 入射光的光强越大 光波的电场强度的振幅也越大 作用在金属中电子上的力也就越大 光电子逸出的能量也应该越大 也就是说 光电子的能量应该随着光强度的增加而增大 不应该与入射光的频率有关 更不应该有什么截止频率 光电效应实验表明 饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关 光电子初动能也与频率有关 只要频率高于极限频率 即使光强很弱也有光电流 频率低于极限频率时 无论光强再大也没有光电流 光电效应具有瞬时性 而经典认为光能量分布在波面上 吸收能量要时间 即需能量的积累过程 三 爱因斯坦的光电效应方程 1 爱因斯坦的光量子假设受到普朗克的启发 爱因斯坦于1905年提出 在空间传播的光也不是连续的 是以光速c运动的粒子 称为光子 流 是一份一份的 每一份叫做一个光子 一个光子的能量为e h 式中的h 6 63 10 34j s 普朗克常量 这个学说后来叫光子假说 2 光电效应方程按光子假说 光电效应中发出的光电子 是由入射光子与金属中电子碰撞后打出来的 由于离子的束缚 电子只有吸收一定的能量 才能从物体内部逃脱 成为光电子 即 必须对内部电子做功 电子才能脱离离子的束缚而逸出表面 这个功称为物体的逸出功 用w表示 电子逃逸出来后 可能还有一定的动能 根据能量守恒定律 入射光子的能量等于出射光电子的最大初始动能与逸出功之和 即 逸出功w逸 金属表面的电子直接从金属表面飞出时克服原子核的引力束缚所做的功 叫做这种金属的逸出功 最大初动能ek 直接从金属表面飞出的光电子具有的动能最大 3 对光电效应方程的理解 1 方程中的ek时光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时动能大小可以是0 ek范围内的任何值 2 光电效应方程符合能量守恒定律 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 4 爱因斯坦对光电效应的解释 光电效应方程 对极限频率的理解 从光电效应方程中 当初动能为零时 可得到极限频率 只有当光子的能量h w逸时 最大初动能ek 0 对最大初动能的理解 从方程可以变形得到 光电子最大初动能和照射光的频率成线性关系 ek h w 5 光电效应在近代技术中的应用 1 光控继电器可以用于自动控制 自动计数 自动报警 自动跟踪等 2 光电倍增管可对微弱光线进行放大 可使光电流放大105 108倍 灵敏度高 用在工程 天文 科研 军事等方面 光电倍增管 四 康普顿效应 白天的天空各处都是亮的 航天员在大气层外飞行时 尽管太阳的光线耀眼刺目 其它方向的天空却是黑的 甚至可以看见星星 这是为什么 1 光的散射光在介质中与物质微粒相互作用 因而传播方向发生改变 这种现象叫做光的散射 2 康普顿效应1923年康普顿在做x射线通过物质散射的实验时 发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外 还有比入射线波长更长的射线 其波长的改变量与散射角有关 而与入射线波长和散射物质都无关 3 康普顿散射的实验装置与规律 按经典电磁理论 如果入射x光是某种波长的电磁波 散射光的波长是不会改变的 按经典电磁理论 如果入射x光是某种波长的电磁波 散射光的波长是不会改变的 散射中出现 0的现象 称为康普顿散射 的现象 称为康普顿散射 4 康普顿散射曲线的特点 1 除原波长外出现了移向长波方向的新的散射波长 2 新波长随散射角的增大而增大 波长的偏移为 五 光子的动量 动量能量是描述粒子的 频率和波长则是用来描述波的 动画 光电效应 1 光电效应在光 包括不可见光 的照射下 从物体发射电子的现象叫做光电效应 发射出来的电子叫做光电子 光电子在电场作用下形成光电流2 光电效应方程 3 康普顿散射光在介质中与物质微粒相互作用 因而传播方向发生改变 这种现象叫做光的散射 散射中出现 0的现象 称为康普顿散射 的现象 称为康普顿散射 4 光子的能量 04天津 1 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 34js 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 19wc 7 0 10 48wd 1 2 10 48w a 2种b 3种c 4种d 5种 1 入射光照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 下列说法正确的是 a 逸出的光电子的最大初动能减少 b 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少 c 从光照至金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将增加 d 不发生光电效应 b 2 红 橙 黄 绿四种单色光中 光子的能量最小的是 a 红光b 橙光c 黄光d 绿光3 某单色光照射某金属时不能发生光电效应 则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是 a 延长光照时间b 增强光的强度c 换用波长较短的光照射d 换用频率较低的光照射 a c 4 光电效应的四条规律中 经典的电磁理论不能解释的有 a 入射光的频率必须大于被照射的金属的极限频率才能产生光电效应b 光电子的最大初动能与入射光强度无关 只随入射光频率的增大而增加c 入射光照到金属上时 光电子的发出几乎是瞬时的d 当入射光频率大于金属的极限频率时 光电流强度与入射光强度成正比 abc 5 用绿光照射一光电管 能产生光电效应 欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大 应 a 改用红光照射b 增大绿光的强度c 增大光电管上的加速电压d 改用紫光照射 d 1 答案 在可见光范围内 紫光的光子能量最大 因为其频率最高 但是紫光不是最亮的 因为光的亮度有两个因素决定 一为光强 二为人眼的视觉灵敏度 在光强相同的条件下由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最敏感 因此黄绿色光应该最亮 2 答 1 入射光频率高于截止频率时 光强增加 发射的光电子数增多 入射光频率低于截止频率时 无论光电子发射出来光强怎么增加 都不会有 2 入射光的频率增加 发射的光电子最大初动能增加 3 紫光能产生光电效应 红光不能 因为不同的金属其逸出功不同 根据爱因斯坦光电效应方程 用紫光照射两种金属时 逸出金属表面的光电子的最大初动能不同 因此光电子的最大速度也不同 5 解 将图中电源正负对调 当入射光频率分别为v1 v2时 测出遏止电压为u1 u2联立方程解得 h u1 u2 v1