物理章能量量子化光的粒子性学习教案

1、会计学1物理章能量物理章能量(nngling)量子化光的粒子性量子化光的粒子性第一页，共55页。紫 靛电磁波谱分布(fnb)示意图第2页/共55页第二页，共55页。直觉: 低温物体(wt)发出的是 红外线(光) 炽热物体(wt)发出的是 可见光 高温物体(wt)发出的是 紫外线(光)注意： 热辐射与温度有关 第3页/共55页第三页，共55页。 能够全部(qunb)吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔(kn qin),这个小孔可近似看作黑体。黑体(hit)模型 研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。黑体辐射的实验规律1一般

2、材料的物体，辐射的电磁波除与_有关外，还与材料的种类及表面状况有关2黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有_另一方面，辐射强度的极大值向波长较_的方向移动温度增加短第4页/共55页第四页，共55页。 向远处观察打开(d ki)的窗子近似黑体第5页/共55页第五页，共55页。3.能量子假说:(超越牛顿(ni dn)的发现) 振动着的带电微粒能量只能是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即可能是, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。并不象经典物理学所允许的可具有任意值。 对于频率(pnl)为的谐振子最小能量为能量(nngling

3、)量子经典hch第6页/共55页第六页，共55页。1对于带电微粒的辐射和吸收能量(nngling)时的特点，以下说法正确的是()A以某一个最小能量(nngling)值一份一份地辐射或吸收B辐射和吸收的能量(nngling)是某一最小值的整数倍C吸收的能量(nngling)可以是连续的D辐射和吸收的能量(nngling)是量子化的分析：1.能量(nngling)的量子化，即能量(nngling)是分立的，不是连续的。2.能量(nngling)是以最小值一份一份地辐射和吸收的。3.辐射和吸收的能量(nngling)是最小能量(nngling)的整数倍ABD第7页/共55页第七页，共55页。(m)1

4、 2 3 5 6 8 947普朗克公式(gngsh)实验(shyn)值辐射强度第8页/共55页第八页，共55页。 普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年后，他才坚定地相信h的引入确实反映(fnyng)了新理论的本质。 1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和sjh3410626. 6第9页/共55页第九页，共55页。1下列叙述正确的是()A一切物体都在辐射电磁波B一般(ybn)物体辐射电磁波的情况只与温度有关C黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD分析：1.热辐射和黑体辐射的区别2.一切物

5、体在任意温度都辐射电磁波，辐射情况与温度、材料、表面等有关3.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，黑体能够(nnggu)全部吸收入射的电磁波，不辐射反射。第10页/共55页第十页，共55页。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(zn d)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。一、光电效应(un din xio yng)现象表明锌板在射线照射下失去(shq)电子而带正电，光能转化为电能。逸出的电子称为光电子。第11页/共55页第十一页，共55页。在光(包括(boku)不可见光)的照射下，从物体发射电

6、子的现象叫做光电效应。发射出来(ch li)的电子叫做光电子第12页/共55页第十二页，共55页。1.什么(shn me)是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中有电子(dinz)逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子(dinz)称为光电子(dinz)。第13页/共55页第十三页，共55页。AKGV阳极阴极W石英窗 光线(gungxin)经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。光电子在电场作用(zuyng)下形成光电流。2.光电效应(un din xio yng)的实验规律1. 光电效应实验第14页/共55页第十四页，共55页。AKGV阳极阴极 将换向开关(kigun)反接，电场反向，则光电

7、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(d do)某一值 Uc 时，光电流恰为0。 Uc称遏止电压。221cevmceU遏止电压：怎样(znyng)求解？最大初动能遏止电压计算最大初动能或遏止电压的方法光电子有内层、外层逸出的，逸出速度不同，有克服引力、阻力最小的，存在最大速度。第15页/共55页第十五页，共55页。IUcOU光 强 较 弱光电效应伏安特性(txng)曲线光电效应(un din xio yng)实验装置遏止电压 一、光电效应(un din xio yng)的实验规律AKGV阳极阴极第16页/共55页第十六页，共55页。Ia

8、光电效应伏安特性(txng)曲线光电效应(un din xio yng)实验装置IsUOU光 强 较 强光 强 较 弱遏止电压饱和电流 一、光电效应(un din xio yng)的实验规律AKGV阳极阴极同等频率光照射，光越强、饱和电流越大。单位时间内光电子数越多。与所加电压无关。第17页/共55页第十七页，共55页。2. 光电效应实验(shyn)规律.光电流与光强的关系(gun x)饱和光电流强度(din li qin d)与入射光强度成正比。.截止频率c -极限频率（发生光电效应的条件）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；才有光

9、电流。只有hvW0.才有EK0.才有电子的逸出，才能发生光电效应。截止频率（极限频率）v0=W0/h。当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。都不会产生光电流。光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间0.与光强度无关。2.爱因斯坦光电效应方程：EK=h0-W0.AD第20页/共55页第二十页，共55页。分析：1.电子吸收光子（能量）一部分用来克服原子引力和阻力做功，一部分转化为动能。只有h0W0.才有动能。才能有光电子，才能发生(fshng)光电效应。求h0=W0的方法。2.光电效应的条件ABD第21页/共55页第二十一页，共55页。2两种单色光a和b，a光照射某金属时有

10、光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，则()A在真空中，a光的传播速度较大B在水中，a光的波长较小C在真空中，b光光子(gungz)的能量较大D在水中，b光的折射率较小分析：1.a照射发生光电效应(un din xio yng)faf0、b不发生fbfb.2.所有光在真空的速度皆为C。3.n=c/v,则fa大、n大，但v小。4. 光子h，b的频率小，能量小。BD第22页/共55页第二十二页，共55页。3.如图所示电路的全部接线及元件均完好用光照射光电管的K极板，发现电流计无电流通过，可能的原因(yunyn)是()AA、K间加的电压不够高 B电源正负极接反了C照射光的频率不够高 D照射光的

11、强度不够大分析：无电流(dinli)，无光电子。1.可能所加电压时反向，电场力和电子速度反向，不能使电子从K到A极。2.可能没有发生光电效应现象，即入射光频率小于极限频率。3.光电效应的发生：与电压、光强度无关。BC第23页/共55页第二十三页，共55页。4.一细束平行光，经玻璃三棱镜折射后分解成互相分离的三束光，分别(fnbi)照射到相同的金属板a、b、c上如图所示，已知金属板b上有光电子逸出，可知()A板a一定有光电子逸出 B板a一定无光电子逸出C板c一定有光电子逸出 D板c一定无光电子逸出分析：1.由图可知fcfbfa.b发生(fshng)光电效应，f bf0.2. fcfbf0.则c一

12、定发生(fshng)光电效应3.a未必不发生(fshng)光电效应.因为fa不一定小于极限频率。C第24页/共55页第二十四页，共55页。3.爱因斯坦的光量子假设(jish)1.内容(nirng) 光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率(pnl)为 的光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。0WEhk 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：2.爱因斯坦光电效应方程为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 221vm

13、Eek0W为光电子的最大初动能。只与金属材料有关第25页/共55页第二十五页，共55页。对爱因斯坦光电效应(un din xio yng)方程EK=hv-W0的理解1.最大动能、遏止( zh)电压的求法EK=mvm2/2=eUc.或利用方程求解2.逸出功、极限频率的求法hv0=W0=hc/?0或利用(lyng)方程求解3.光子（能量）E=hv=hc/?求法或利用方程求解.4.光电子数N=E/ =Pt/ 5.某一金属，对应一个确定大小的逸出功W0.也对应一个极限频率入射光强度决定决定光子数决定单位时间内逸出电子数决定饱和电流决定决定决定入射光频率光子能量h光电子的最大初动能EK=hv-W0.遏止

14、电压UC=EK/e材料逸出功W0决定截止频率v0=W0/h第26页/共55页第二十六页，共55页。 3. 从方程(fngchng)可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 4.从光电效应方程(fngchng)中，当初动能为零时，可得极极限频率： 爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以(suy)光电流也大。 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以(suy)不需时间的累积。 hWc0第27页/共55页第二十七页，共55页。光电效应方程的应用A甲光的频率(pnl)大于乙光的频率(pnl)B乙光的波长大于丙光的波长C乙光对应的截止频率(pnl)大于

15、丙光的截止频率(pnl)D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能分析(fnx)：1.光电效应方程EK=h-W0=eUc.2.同一光电管W0同。U甲=U乙U丙。则EK甲=EK乙EK丙。3. 甲=乙?丙。B第28页/共55页第二十八页，共55页。分析(fnx)：知?=2.0 x10-7m,则hv=hc/?. EK=4.7x10-19J1.EK=hv-W0.则 W0=hv-EK ， W0=hv0.B第29页/共55页第二十九页，共55页。3硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能若有N个波长为0的光子(gungz)打在光电池板上，这些光子(gungz)的总能量为()Ahc/? 0

16、. BNhc/? 0. CNh/? 0. D2Nh0.分析(fnx):每个光子的能量=hc/0. 总能量E=N B第30页/共55页第三十页，共55页。4.如图所示的实验电路，当用黄光照射光电管中的金属涂层(t cn)时，毫安表的指针发生了偏转若将电路中的滑动变阻器的滑片P向右移动到某一位置时，毫安表的读数恰好减小到零，此时电压表读数为U，这一电压称为遏止电压欲使遏止电压增大，可以采用的措施为()A增大黄光强度 B延长照射时间C改用蓝光照射 D改用红光照射分析(fnx)：EK=hv-W0和EK=eUc则hv-W0=eUc.使Uc增大，则v增大C第31页/共55页第三十一页，共55页。5.如图所

17、示，当电键K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射到阴极P，发现电流表读数不为零合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于(dngy)0.60 V时，电流表读数为零由此可知阴极材料的逸出功为()A1.9 eVB0.6 eVC2.5 eV D3.1 eV分析(fnx)：1.hv=2.5ev2.EK=eU=0.6ev3.W0=hv-EK=1.9evA第32页/共55页第三十二页，共55页。6氦氖激光(jgung)器发出波长为663 nm的激光(jgung)，当激光(jgung)器的输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为()A2.

18、21015 . B3.31015.C2.21014 . D3.31014.分析：1.每秒辐射的能量(nngling)E=Pt=10-3W2.一个光子的能量(nngling)=hc/? =3.每秒的光子数N=E/ B7铝的逸出功是4.2 eV，现在用波长为200 nm的光照射(zhosh)铝的表面求：(1)光电子的最大初动能(2)遏止电压 (3)铝的截止频率 解析：1.最大初动能EK=hv-W0=hc/? W0=3.225x10-19J2.遏止电压：eUC=EK,则UC=EK/e=2.016V3.极限频率：hv0=W0.则 v0=W0/h=1.014x1015Hz第33页/共55页第三十三页，共

19、55页。8.在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生(fshng)了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率的关系如图所示，由实验图线可求出()A该金属的极限频率和极限波长 B普朗克常量C该金属的逸出功 D单位时间内逸出的光电子数 ABC分析(fnx)：EK=hv-W0.第34页/共55页第三十四页，共55页。 康普顿效应(xioyng)第2课时(ksh)第35页/共55页第三十五页，共55页。1.光的散射(snsh)光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播(chunb)方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应(xioyng) 1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实

20、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。第36页/共55页第三十六页，共55页。一.康普顿散射的实验装置(zhungzh)与规律：晶体(jngt) 光阑X 射线管探测器X 射线谱仪 石墨体(散射物质)j0散射(snsh)波长第37页/共55页第三十七页，共55页。康普顿正在(zhngzi)测晶体对X 射线的散射 按经典电磁理论(lln)： 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！第38页/共55页第三十八页，共55页。康普顿散射曲线(qxin)的特点： 1.除原波长0外出现

21、了移向长波(chngb)方向的新的散射波长 。 2.新波长(bchng) 随散射角的增大而增大。 散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长. .0第39页/共55页第三十九页，共55页。称为电子(dinz)的Compton波长)cos1 (j j c只有(zhyu)当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长(bchng)的偏移只与散射角 有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长(bchng)0 无关

22、，0 c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）第40页/共55页第四十页，共55页。遇到(y do)的困难经典电磁(dinc)理论在解释康普顿效应时2. 无法解释波长改变(gibin)和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射的散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通第41页/共55页第四十一页，共55页。光子理论对康普顿效应(xioyng)的解释 康普顿效应是光子和电子(dinz)作弹性碰撞的子能量(nngling)几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光光子将与整个原子交换能量,由于光子质

23、量远2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。 部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，具体解释如下： 第42页/共55页第四十二页，共55页。3. 因为碰撞中交换(jiohun)的能量和碰撞的角度有关，所以(suy)波长改变和散射角有关。光子理论对康普顿效应(xioyng)的解释第43页/共55页第四十三页，共55页。三.康普顿散射实验(shyn)的意义（1）有力地支持(zhch)了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有(jyu)动量” 的假设；（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量

24、守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。第44页/共55页第四十四页，共55页。康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国(mi u)物理学家1927第45页/共55页第四十五页，共55页。19251926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射(snsh)物质，四、吴有训对研究康普顿效应(xioyng)的贡献1923年,参加了发现康

25、普顿效应的研究(ynji)工作.对证实康普顿效应作出了重要贡献。在同一散射角( )测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。0120 j j（1897-1977） 吴有训第46页/共55页第四十六页，共55页。光子的能量(nngling)和动量2mcE hchcchmcP2hE 2chm第47页/共55页第四十七页，共55页。hE hP动量能量是描述(mio sh)粒子的,频率和波长则是用来描述(mio sh)波的第48页/共55页第四十八页，共55页。光子说的应用（功率、能量、光子数的联系）第49页/共55页第四十九页，共55页。解析：1.以日、地间距为半径作球面。则太阳每秒辐射的电子数等于(dngy)球面吸收 的电子数。球面每秒吸收的可见光能量（太阳辐射的能量）：E=PtS/S0=45%X1.4X103X1X4R2/12.每个可见光光子的能量：=hc/? 3.光子数N=E/=4.9x1044个4.太阳垂直照射(zhosh)地面的有效面积r2.P地=P r2=1.8X1014Kw第50页/共55页第五十页，共55页。解析：1.每秒吸收(xshu