光的粒子性ppt课件-2.ppt

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一、光的波动性光是电磁波理论证明：

麦克斯韦的经典电磁场理论实验验证：

赫兹的电火花实验，发现电磁波的速度和光速相同。

其它实验证据：

1、光的干涉：

托马斯杨2、光的衍射：

菲涅耳3、光的偏振：

马吕斯,二、光电效应现象把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。

用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。

这个现象说明了说明问题？

结论：

锌板在射线照射下失去电子而带正电。

光电效应：

当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。

逸出的电子称为光电子。

光电子定向移动形成的电流叫光电流。

三、实验研究光电效应的规律1、存在饱和电流当A接正极，K接负极时，控制入射光的强度一定，使UAK从0开始增大，观察到电流表的示数一开始增大，到某一数值后就不再增大。

这个最大电流就叫做饱和电流。

对存在饱和电流的解释：

K板逸出的电子向各个方向运动，如果不加电压，很多电子无法到达A板，无法形成较大电流。

加上电压后，越来越多的电子到达A板，电流越来越大。

但是，如果所有电子都达到了A板，继续增大电压，就无法再增大电流。

实验表明：

在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。

这表明对于一定颜色的光，饱和电流强度与入射光强度成正比。

光强：

单位时间内垂直于光的传播方向上的单位面积所通过的能量I=nh,思考1：

如果AK之间不加电压，电流是否为0？

思考2：

如何才能使电流为0？

2、存在遏止电压Uc（反向截止电压）当A接负极，K接正极时，控制入射光的强度一定，使UKA从0开始增大，观察到电流表的示数逐渐减小到0。

电流刚减小到0时对应的UKA叫做遏止电压Uc。

对存在遏止电压的解释：

加上反向电压后，电子受到的电场力方向与运动方向相反，电子减速。

如果反向电压足够大，电子将无法达到A板。

临界的电压值即为遏止电压Uc。

其中，vc是所有光电子的最大初速度，是光电子的最大初动能。

+,一一一一一一,实验表明，对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。

光的频率v改变时，遏止电压Uc也会改变，这表明光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。

3、存在截止频率c当入射光的频率减小到某一数值c时，无论光的强度多大，加上怎样的电压，都不会有光电流。

这个临界频率叫做截止频率或极限频率c。

当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

实验表明，不同的金属的截止频率不同。

4、光电效应的瞬时性当入射光的频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。

精确测量表明产生电流的时间不超过10-9s，即光电效应几乎是瞬时发生的。

光电效应中各相关物理量间的关系,四、光电效应的解释中的疑难,按照光的电磁理论，应得出以下结论：

光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关；,逸出功W0：

使电子脱离某种金属所做功的最小值。

实验结果：

遏止电压只与光的频率有关。

对于一定颜色（频率）的光,无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。

不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；,实验结果：

对于不同的物体，都有相应的截止频率。

如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10-9S。

以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。

实验结果：

时间小于10-9s,五、爱因斯坦的光电效应方程1、光子：

光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的光的能量子为h。

这些能量子后来被称为光子。

2、电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。

使电子脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。

不同金属的逸出功是不同的。

3、一个电子一瞬间吸收一个光子的能量，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek，即：

上式即为爱因斯坦的光电效应方程。

如果电子克服阻力做功大于逸出功，则逸出后电子的初动能小于最大初动能。

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

（2）存在截止频率和遏止电压爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率呈线性关系，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关光电效应方程同时表明，只有hW0时，才有光,（3）效应具有瞬时性,电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的,思考1：

同种频率的光射到同种金属上，增强入射光时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？

答案：

饱和电流增大，遏止电压不变。

思考2：

相同强度（单位时间内的能量）的单色光射到同种金属上，增加入射光的频率时，饱和电流、遏止电压分别如何变化？

答案：

饱和电流减小，遏止电压增大。

六、光电效应方程的图像：

1、外加电压和光电流的关系（同种金属）光的强弱影响饱和电流光的频率影响遏制电压,2、遏止电压-入射光频率：

Uc-图像思考1：

截距和斜率的物理意义分别是什么？

思考2：

如果将两种不同金属的Uc-曲线画在同一张图像中，会是怎样的？

【典例1】（2010上海高考）根据爱因斯坦光子说，光子能量等于（h为普朗克常量，c、为真空中的光速和波长）（）,A,【变式训练】一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是（）A.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加B.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能增加C.若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应D.若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加,A、D,【典例2】（2010四川高考）用波长为2.010-7m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.710-19J，由此可知，钨的极限频率是（普朗克常量h=6.6310-34Js，光速c=3.0108m/s，结果取两位有效数字）_.A.5.51014HzB.7.91014HzC.9.81014HzD.1.21015Hz,B,【变式训练】（2011福建高考）爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖.某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图所示，其中0为极限频率.从图中可以确定的是_.（填选项前的字母）A.逸出功与有关B.Ekm与入射光强度成正比C.当0时，会逸出光电子D.图中直线的斜率与普朗克常量有关,D,一、正确理解光电效应中的五组概念,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，电子吸收了光子的能量,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或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.,5.光的强度与饱和光电流：

饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系.,

（1）光电效应的实质是光现象转化为电现象.

（2）发生光电效应时，饱和光电流与入射光的强度有关，要明确不同频率的光、不同金属与光电流的对应关系.,二、全面理解光电效应方程及其规律,1.光电效应方程Ek=h-W0的理解

（1）式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0Ek范围内的任何数值.

（2）光电效应方程实质上是能量守恒方程.能量为E=h的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能.如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：

Ek=h-W0.,（3）光电效应方程包含了产生光电效应的条件.若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek=h-W00，亦即hW0，恰好是光电效应的截止频率.（4）Ekm-曲线.如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率的变化曲线.这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量.,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.

（2）存在截止频率和遏止电压：

爱因斯坦光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系,与光强无关,所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关.光电效应方程同时表明,只有hW0时,才有光电子逸出,就是光电效应的截止频率.,（3）效应具有瞬时性：

电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,所以光电效应几乎是瞬时发生的.

（1）逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关.

（2）光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系.,七、光电效应方程的验证密立根设计实验，测量金属的遏止电压与入射光频率的关系曲线，根据曲线斜率算出普朗克常数h，进而与普朗克从黑体辐射得出的h相比较。

实验结论：

两种方法计算出的普朗克常数几乎一样，从而证明了光子假说的正确性。

由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。

密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位，获得1923年诺贝尔物理学奖,例题：

由密立根实验（Uc和v的关系）计算普朗克常量,很难测Ek，怎样改成Uc与v、W0关系？

提示：

Ek=eUc,由图象求参数的方法：

电源电动势和内阻（直接求参数）用单摆测重力加速度（用图象求平均值）,八、康普顿效应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波长相同的射线外，还有比入射波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射波长和散射物质都无关。

3、康普顿散射实验的装置,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,4、康普顿效应的解释经典理论：

光的散射不会改变光的波长和频率。

光子模型解释：

根据动量守恒定律，发生碰撞后光子的动量会发生变化。

光子的动量与波长存在一定的关系：

发生碰撞后，光子的动量减小，即光的波长增大。

散射角不同，说明碰撞后光子的动量也不同，光的波长也不同。

也可以从光子能量的角度解释康普顿效应：

发生碰撞后，光子能量减小，因此光的频率减小。

碰撞的角度不同时，光子能量的减小也不同，频率的减小也不同。

5、康普顿效应的意义

（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设

（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”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”。

康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。

【典例3】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_（选填“不变”、“变短”或“变长”）.,1变长,科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为，碰撞后的波长为，则碰撞过程中（）A.能量守恒，动量守恒，且=B.能量不守恒，动量不守恒，且=C.能量守恒，动量守恒，且,C,一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列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、增大光束的强度C、换用红光照射D、换用紫光照射,D,如图所示，阴极K用极限波长是0=0.66m的金属铯制成，用波长=0.50m的绿光照射阴极K，调整两个极板电压.当A板电压比阴极高出2.5V时，光电流达到饱和，电流表G的示数为0.64A.求：

（1）每秒钟内阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大初动能；

（2）若把入射到阴极的绿光的光强增大到原来的二倍，求每秒钟阴极发射的光电子数和光电子到达A极的最大动能；（3）G中电流为零的条件即遏止电压UAK.,【解析】题目中的光电流达到饱和是指光电流达到最大值.因为光电流未达到最大值之前，其值大小不仅与入射光强度有关，还跟光电管两极的电压有关，只有在光电流达到最大以后才和入射光的强度成正比.

（1）光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，所以阴极每秒钟发射的光电子的个数：

根据光电效应方程：

Ek=h-W,代入可求得Ek=9.610-20J.,

（2）若入射光的频率不变，光的强度加倍，则阴极每秒发射的光电子数也加倍，即n=2n=8.01012个.根据Ek=h-W可知，光电子的最大初动能不变,由于A、K之间电势差是2.5V，所以电子到达A极时的最大动能为：

Ek=Ek+eU=4.9610-19J（3）光电子的最大初动能Ek=9.610-20J=0.6eV.若使G中电流为零，光电子到达A极时克服电场力做功至少为W=eU=Ek，解得U=0.6V,即UAK=-0.6V.,练习,课本P36,1、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？

想想看，这种光是否一定最亮？

为什么？

在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。

紫光不是最亮的。

一为光强，,因为光的亮度由两个因素决定，,二为人眼的视觉灵敏度。

在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。

练习,课本P36,2、在光电效应实验中

（1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？

（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？

（1）当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；,当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。

（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。

练习,课本P36,5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？

根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。

分析：

阳极与电源负极相接,阴极与电源正极相接,测出两种不同频率1、2光的遏止电压U1、U2,代入公式：

当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得,联立上两式，解得,其中e为电子的电量，测出U1与U2就可测出普朗克常量,实验步骤：

（1）将图17.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为1的光照射，此时电流表中有电流。

将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，,同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。

记下伏特表的示数U1。

（2）用频率为2的光照射，重复

（1）的操作，记下伏特表的示数U2。

（3）应用计算h。

（4）多次测量取平均值。

6、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？

【解析】碰撞后光子动量减小，而所以波长变大，又由c=知变小.,练习,课本P36,