172光的粒子性.ppt

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1、17.2 17.2 光的粒子性光的粒子性第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性重庆市忠县中学校重庆市忠县中学校 高二物理教研组高二物理教研组教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：1通过实验了解光电效应的实验规律。通过实验了解光电效应的实验规律。2知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。3了解康普顿效应，了解光子的动量了解康普顿效应，了解光子的动量过程与方法：过程与方法：经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。研究物理问题，验证物理规律。3、情感态度与价值观

2、：、情感态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。【重点难点重点难点】1、重点：光电效应的实验规律、重点：光电效应的实验规律2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义1672T/年年1690186419051801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应牛顿微粒说占主牛顿微粒说占

3、主导地位导地位波动说波动说渐成真理渐成真理.问题问题1：人类对光的本性的认识的发展过程？人类对光的本性的认识的发展过程？用弧光灯照射擦得很用弧光灯照射擦得很亮的锌板，亮的锌板，( (注意用导注意用导线与不带电的验电器线与不带电的验电器相连相连），使验电器张），使验电器张角增大到约为角增大到约为 3030度时，度时，再用与丝绸磨擦过的再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角则验电器的指针张角会变大。会变大。光电效应现象光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 当光线照射在金属表面时，金属中当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出有电子逸出的现象，的现象，称

4、为称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律1 1、光电效应现象、光电效应现象2 2、光电效应的实验、光电效应的实验规律规律（1）存在饱和电流）存在饱和电流光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。后不再增大，即达到饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的电子数目一发射的电子数目一定。定。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。单

5、位时间内发射的光电子数越多。思考：思考：为什么要加正向电压？为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？不加正向电压电路中有电流吗？分析解答：分析解答：光束照在阴极光束照在阴极K上会发生光电效上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验果，增强实验“可见性可见性”）。）。思考：思考：保持光照条件不变，逐渐加大保持

6、光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变化？怎样变化？VGAK阳极阳极阴极阴极：使光电流减小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压v加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若相反，光电子作减速运动。若c221eUvmcecv速率最大的是U=0时，时，I0， 因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率a.存在存在遏止电压遏止电压EEUFKA实验表明

7、实验表明:对于一定对于一定颜色颜色(频率频率)的光的光, 无无论光的强弱如何论光的强弱如何,遏止电压是一样的遏止电压是一样的. 光光的频率的频率 改变时，遏止电压也会改变。改变时，遏止电压也会改变。(2)存在存在遏止电压和截止频率遏止电压和截止频率2c12ecmve U=a.存在存在遏止电压遏止电压光电子的光电子的能量能量只与只与入射光的频率入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。有关，与入射光的强弱无关。IIsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流兰光兰光Ub思考：思考：对刚才的实验，加了遏止电压对刚才的实验

8、，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？止电压会减小吗？经研究后发现：经研究后发现：b.存在存在截止频率截止频率对于每种金属，都相应确定对于每种金属，都相应确定的的截止频率截止频率 c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，时，电子才能逸出金属表面；电子才能逸出金属表面；当入射光频率当入射光频率 时，才有光电子逸时，才有光电子逸出出， 就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。hWc0电子一次性吸收光子的全部能量，电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累不需要积累能量的时

9、间，能量的时间，光电流自然几乎是光电流自然几乎是瞬时发生瞬时发生的。的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。多，因而饱和电流大。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, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4 4、光

10、电效应理论的验证、光电效应理论的验证 美国物理学家美国物理学家密立根密立根，花了十年时间做了，花了十年时间做了“光电效应光电效应”实验，实验，结果在结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，的值与理论值完全一致，又一次证明了又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效应光电效应的理论的理论解释和对解释和对理论物理学理论物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电特别是通过著名的油滴实验，证明电

11、荷有最小单位。荷有最小单位。获得获得19231923年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖理学奖。ewehUc0cceKeUvm：E221因为可得代入0WhEk思考与讨论思考与讨论爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能E EK K与入与入射光频率的关系。但很难直接测量光电子的动能，容易射光频率的关系。但很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压测量的是遏止电压U UC C，怎样得到，怎样得到 U UC C 、 V V 、W W0 0的关系？的关系？例：铝的逸出功是例：铝的逸出功是4.2 4.2 eVeV，现在用波长为，现在用波长为200 nm200 n

12、m的的光照射铝的表面。求：光照射铝的表面。求：(1)(1)光电子的最大初动能。光电子的最大初动能。(2)(2)遏止电压。遏止电压。(3)(3)铝的截止频率。铝的截止频率。答案：(1)3.2251019 J(2)2.016 V(3)1.0141015 Hz放大器放大器控制机构控制机构K1K2K3K4K5KA。应应 用用l光电管光电源电流计IAK1、光的散射、光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改因而传播方向发生改变变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，射线通过物质散射的实验时，发

13、现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比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，这个现象称为康普顿效应入射线波长更长的射线，这个现象称为康普顿效应。四、康普顿效应四、康普顿效应2、康普顿效应、康普顿效应3.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a.除原波长除原波长 0外出现了移向长波方向的外出现了移向长波方向的新的散射波长新的散射波长 。 b.新波长新波长 随散射角的增

14、大而增大。随散射角的增大而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，称为的现象，称为康普康普顿散射。顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. 0 称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1(j j c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显著，可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用因此要用X射射线才能观察到线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有关，有关，

15、而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）1 1、经典电磁理论在解释康普顿效应时、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难遇到的困难 根据经典电磁波理论，当电磁根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，受迫振动，其频率等于入射光频率其频率等于入射光频率，所以它所发射的所以它所发射的散射光频率散射光频率应等于应等于入入射光频率射光频率。四、康普顿效应解释中的疑难四、康普顿效应解释中的疑难2 2、光子理论对康普顿效应的解

16、释、光子理论对康普顿效应的解释若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射散射光子光子的能量减少，于是的能量减少，于是散射光散射光的波长大于的波长大于入射光入射光的波长。的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。后光子能量几乎不变，波长不变。 康普顿认为光子不仅具有康普顿认为光子不仅具有能量能量也具有也具有动量动量。（1

17、1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；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。考虑能

18、量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。3 3、康普顿散射实验的意义、康普顿散射实验的意义19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。 （1897-19771897-1977） 吴有训吴有训在同一散射角在同一散射角(

19、 )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120j2mcE hchcchmcP2hE 2chm六、光子的动量六、光子的动量hhP 动量、能量动量、能量是描述是描述粒子粒子的的,频率、波长频率、波长则是用来描述则是用来描述波波的的光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效

20、应；极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；比；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；而增大；入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒秒. （3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因

21、斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：二、光电效应解释中的疑难二、光电效应解释中的疑难1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板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，如图所示，这时指针就张开一个角度，如图所示，这时( )( ) A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B2.2.一束黄光照射某金属表面

22、时，不能产生光电效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应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D3.3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是( )( )A.A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子叫一个光子B.B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子光是具有质量、能量和体积的物质微粒子

23、C.C.光子的能量跟它的频率成正比光子的能量跟它的频率成正比D.D.光子客观并不存在，而是人为假设的光子客观并不存在，而是人为假设的B4.4.关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是( )( )A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定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能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关关D.D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光任何

24、一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应不能发生光电效应D练习练习1、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？、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？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。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。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素决定：因为光的亮度由两个因素决定：二为人眼的视觉灵敏度。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在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄

25、绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。练习练习2、在光电效应实验中、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？）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？）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）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；光电子数增多； 当入射光频率低于截止频率时，无论光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。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

26、。）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。3 3、根据图、根据图17.2-217.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电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，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。写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。GVAKR单色光单色光分析：阳极与电源负极相接分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率测出两种

27、不同频率1、2光的遏止光的遏止电压电压U1、U2代入公式：代入公式：ceUWh0101eUWh202eUWh 当入射光频率分别为当入射光频率分别为1、2时，测出遏止电压时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光，由爱因斯坦光电效应方程可得电效应方程可得联立上两式，解得联立上两式，解得eUUh2121其中其中e为电子的电量，测出为电子的电量，测出U1与与U2就可测出普朗克常量就可测出普朗克常量实验步骤：实验步骤：（1 1）将图）将图17.2-217.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为边，用频率为1 1 的光照射，此时电流表中有电流。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，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。同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数记下伏特表的示数U U1 1。（2 2）用频率为）用频率为2 2的光照射，重复（的光照射，重复（1 1）的操作，记下伏特表的示数）的操作，记下伏特表的示数U U2 2。 （3 3）应用）应用 计算计算h h。（4 4）多次测量取平均值。）多次测量取平均值。eUUh2121