高中物理選修光的粒子性

高中物理選修光的粒子性第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光的波動(dòng)性

光是電磁波理論證明：麥克斯韋的經(jīng)典電磁場理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：赫茲的電火花實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度和光速相同。其它實(shí)驗(yàn)證據(jù)：1、光的干涉：托馬斯·楊2、光的衍射：菲涅爾3、光的偏振：馬呂斯演示第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光電效應(yīng)現(xiàn)象用導(dǎo)線將帶負(fù)電的鋅板與驗(yàn)電器相連，驗(yàn)電器指針張開。用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，驗(yàn)電器張角先閉合后再張開。

結(jié)論：鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流。1.什么是光電效應(yīng)第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、實(shí)驗(yàn)研究光電效應(yīng)的規(guī)律1、存在飽和電流當(dāng)A接正極，K接負(fù)極時(shí)，控制入射光的強(qiáng)度一定，使UAK從0開始增大，觀察到電流表的示數(shù)一開始增大，到某一數(shù)值后就不再增大。這個(gè)最大電流就叫做飽和電流。陽極陰極實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月對存在飽和電流的解釋：在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極發(fā)射出的光電子數(shù)目是一定的，K板逸出的電子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，如果不加電壓，很多電子無法到達(dá)A板，無法形成較大電流。加上電壓后，越來越多的電子到達(dá)A板，電流越來越大。但是，如果所有電子都達(dá)到了A板，繼續(xù)增大電壓，就無法再增大電流。陽極陰極第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月思考1：如果AK之間不加電壓，電流是否為0？思考2：如何才能使電流為0？第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2、存在遏止電壓Uc

（反向截止電壓）當(dāng)A接負(fù)極，K接正極時(shí)，控制入射光的強(qiáng)度一定，使UKA從0開始增大，觀察到電流表的示數(shù)逐漸減小到0。電流剛減小到0時(shí)對應(yīng)的UKA叫做遏止電壓Uc。陽極陰極第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月對存在遏止電壓的解釋：

加上反向電壓后，電子受到的電場力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，電子減速。如果反向電壓足夠大，電子將無法達(dá)到A板。臨界的電壓值即為遏止電壓Uc。其中，vc是所有光電子的最大初速度，是光電子的最大初動(dòng)能。++++++

一一一一一一EEF－vUKA遏止電壓的存在說明光電子具有一定的最大初動(dòng)能遏止電壓與光的顏色（頻率）有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月對存在遏止電壓的解釋：

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一一一一一一EEF－vUKA1.遏止電壓的存在說明光電子具有一定的最大初動(dòng)能2.遏止電壓與光的顏色（頻率）有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)3.光電子的能量只與入射光的顏色（頻率）有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3、存在截止頻率νc

當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí)，無論光的強(qiáng)度多大，加上怎樣的電壓，都不會(huì)有光電流。這個(gè)臨界頻率叫做截止頻率νc或極限頻率。陽極陰極注（1）入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。（2）不同金屬的截止頻率不同。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

IUc2OU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）實(shí)驗(yàn)測得的光電效應(yīng)曲線藍(lán)光Uc1遏止電壓飽和電流Is第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4、光電效應(yīng)的瞬時(shí)性當(dāng)入射光的頻率超過截止頻率時(shí)，無論光如何微弱，幾乎在瞬間就會(huì)產(chǎn)生光電流。時(shí)間間隔不超過10-9s。即光效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月勒納德等人通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9秒.

一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月逸出功W0使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大?！虦囟炔缓芨邥r(shí)，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這個(gè)引力做功。二.光電效應(yīng)解釋中的疑難第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典的理論無法解釋光電效應(yīng)中的一些現(xiàn)象：困難1：光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓Uc應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：遏止電壓只與光的頻率有關(guān)。對于一定顏色（頻率）的光,無論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓是一樣的。困難2：不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對于不同的物體，都有相應(yīng)的截止頻率。困難3：如果光很弱，電子需要很長時(shí)間才能獲得逸出表面需要的能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：時(shí)間小于10-9s第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程1.光子：或——光電子最大初動(dòng)能

——金屬的逸出功

W0一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：三.愛因斯坦的光光電效應(yīng)方程如果電子克服阻力做功大于逸出功，則逸出后電子的初動(dòng)能小于最大初動(dòng)能。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.光子說對光電效應(yīng)的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時(shí)，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。③光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。三.愛因斯坦的光光電效應(yīng)方程第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。三.愛因斯坦的光光電效應(yīng)方程第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月思考與討論？課本P36第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月放大器控制機(jī)構(gòu)

可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。四.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月光電管光電源電流計(jì)IAK第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月影響飽和電流、遏制電壓、截止頻率的因素1、只要入射光頻率超過截止頻率，飽和電流的大小只與單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)。2、截止頻率只與金屬的逸出功有關(guān)，即只與金屬的種類有關(guān)。3、遏制電壓與入射光頻率和逸出功有關(guān)。第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月思考1：同種頻率的光射到同種金屬上，增強(qiáng)入射光時(shí)，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？答案：飽和電流增大，遏止電壓不變。思考2：相同強(qiáng)度（單位時(shí)間內(nèi)的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時(shí)，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？答案：飽和電流減小，遏止電壓增大。第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月五、光電效應(yīng)方程的圖像：1、外加電壓和光電流的關(guān)系（同種金屬）光的強(qiáng)弱影響飽和電流光的頻率影響遏制電壓IUc2OU黃光（強(qiáng)）黃光（弱）藍(lán)光Uc1第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2、遏止電壓-入射光頻率：Uc-ν圖像思考1：截距和斜率的物理意義分別是什么？思考2：如果將兩種不同金屬的Uc-ν曲線畫在同一張圖像中，會(huì)是怎樣的？Uc-W0/eνc第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月六、光電效應(yīng)方程的驗(yàn)證密立根設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測量金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線斜率算出普朗克常數(shù)h，進(jìn)而與普朗克從黑體輻射得出的h相比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：兩種方法計(jì)算出的普朗克常數(shù)幾乎一樣，從而證明了光子假說的正確性。

由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月七、康普頓效應(yīng)1、光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2、康普頓效應(yīng)康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射波長相同的射線外，還有比入射波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3、康普頓散射實(shí)驗(yàn)的裝置

晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4、康普頓效應(yīng)的解釋經(jīng)典理論：光的散射不會(huì)改變光的波長和頻率。光子模型解釋：根據(jù)動(dòng)量守恒定律，發(fā)生碰撞后光子的動(dòng)量會(huì)發(fā)生變化。光子的動(dòng)量與波長存在一定的關(guān)系：發(fā)生碰撞后，光子的動(dòng)量減小，即光的波長增大。散射角不同，說明碰撞后光子的動(dòng)量也不同，光的波長也不同。第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月也可以從光子能量的角度解釋康普頓效應(yīng)：發(fā)生碰撞后，光子能量減小，因此光的頻率減小。