高中物理 第17章 波粒二象性 2 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt

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2 光的粒子性,情 景 導 入,如圖所示,把一塊鋅板連接在驗電器上,用紫外線燈照射鋅板,觀察到驗電器的指針發(fā)生了變化,這說明鋅板帶了電。你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎?,思 維 導 圖,一,二,三,填一填,練一練,四,一、光電效應的實驗規(guī)律(見課本第31頁) 1.光電效應:照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。 2.光電子:光電效應中發(fā)射出來的電子。 3.光電效應的實驗規(guī)律 (1)存在著飽和光電流:在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大。這表明對于一定顏色的光,入射光越強,單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多。 (2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的最大初動能與入射光的頻率有關,而與入射光的強弱無關。當入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應。,,,,,一,二,三,填一填,練一練,四,(3)光電效應具有瞬時性:光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的,從光照射到產(chǎn)生光電流的時間不超過10-9 s。 4.逸出功:使電子脫離某種金屬所做功的最小值。不同金屬的逸出功不同。,,,,一,二,三,填一填,練一練,四,二、愛因斯坦的光子說與光電效應方程(見課本第32頁) 1.光子說:光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的,而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的,頻率為ν的光的能量子為hν,這些能量子被稱為光子。 2.愛因斯坦的光電效應方程 (1)表達式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。 (2)物理意義:金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek。,,,,,一,二,三,填一填,練一練,四,三、康普頓效應(見課本第35頁) 1.光的散射:光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向 發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫作光的散射。 2.康普頓效應:美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時,發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中,除了與入射波長λ0相同的成分外,還有波長大于λ0的成分,這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。 3.康普頓效應的意義:康普頓效應表明光子除了具有能量之外,還具有動量,深入揭示了光的粒子性的一面。,,,,,一,二,三,填一填,練一練,四,四、光子的動量(見課本第35頁) 1.表達式: 。 2.說明:在康普頓效應中,入射光子與晶體中電子碰撞時,把一部分動量轉移給電子,光子的動量變小。因此,有些光子散射后波長變大。,,填一填,練一練,關于光電效應的規(guī)律,下面說法正確的是( ) A.當某種色光照射金屬表面時,能產(chǎn)生光電效應,則入射光的頻率越高,產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大 B.當某種色光照射金屬表面時,能產(chǎn)生光電效應,則入射光的強度越大,產(chǎn)生的光電子數(shù)越多 C.同一頻率的光照射不同金屬,如果都能產(chǎn)生光電效應,則逸出功大的金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能也越大 D.對某金屬,入射光波長必須等于小于某一極限波長,才能產(chǎn)生光電效應,填一填,練一練,解析:由光電效應規(guī)律知,對于某種金屬,其逸出功是一個定值,當照射光的頻率一定時,光子的能量是一定的,產(chǎn)生的光電子的最大初動能也是一定的,若提高照射光的頻率,則產(chǎn)生的光電子最大初動能也將增大。要想使某種金屬發(fā)生光電效應,必須使照射光的頻率大于其極限頻率ν0,因剛好發(fā)生光電效應時,光電子的初動能為零, 能發(fā)生光電效應,A、D選項正確;,填一填,練一練,同一頻率的光照射到不同金屬上時,因各種金屬的逸出功不相同,產(chǎn)生的光電子的最大初動能也不相同,逸出功越小,電子擺脫金屬的束縛也越容易,電子脫離金屬表面時的初動能越大,C選項錯誤;若照射光的頻率不變,對于特定的金屬,增加光強,不會增加光電子的最大初動能,因頻率不變時,入射光的光子能量不變,但由于光強的增加,入射光的光子數(shù)目增加,因而產(chǎn)生的光電子數(shù)目也隨之增加,B選項正確。 答案:ABD,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一正確理解光電效應中的五組概念 將鋅板和驗電器連在一起,然后用紫外線燈照射鋅板,會發(fā)生一個奇妙的現(xiàn)象,驗電器的金屬箔片張開一個角度,這一現(xiàn)象說明了鋅板在紫外線照射下帶電了。為什么會這樣呢?驗電器上帶何種電荷?,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,1.光子與光電子:光子指光在空間傳播時的每一份能量,光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子,其本質是電子,光照射金屬是因,產(chǎn)生光電子是果。 2.光電子的動能與光電子的最大初動能:光照射到金屬表面時,光子的能量全部被電子吸收,電子吸收了光子的能量,可能向各個方向運動,需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,3.光子的能量與入射光的強度:光子的能量即每個光子的能量,其值為ε=hν(ν為光子的頻率),其大小由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量,入射光的強度等于單位時間內光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積。即光強等于nhν。 4.光電流和飽和光電流:金屬板飛出的光電子到達陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關。 5.光的強度與飽和光電流:飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的。對于不同頻率的光,由于每個光子的能量不同,飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,6.光電效應與經(jīng)典電磁理論的矛盾 (1)矛盾之一:遏止電壓由入射光頻率決定,與光的強弱無關 按照光的經(jīng)典電磁理論,光越強,光電子的初動能應該越大,所以遏止電壓應與光的強弱有關,而實驗表明:遏止電壓由入射光的頻率決定,與光強無關。 (2)矛盾之二:存在截止頻率 按照光的經(jīng)典電磁理論,不管光的頻率如何,只要光足夠強,電子都可獲得足夠的能量從而逸出表面,不應存在截止頻率。而實驗表明:不同金屬有不同的截止頻率,入射光頻率大于截止頻率時才會發(fā)生光電效應。 (3)矛盾之三:具有瞬時性 按照光的經(jīng)典電磁理論,如果光很弱,電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量。而實驗表明:無論入射光怎樣微弱,光電效應幾乎是瞬時的。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,【例題1】 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應,則下列說法正確的是( ) A.若增加綠光的照射強度,則逸出的光電子數(shù)增加 B.若增加綠光的照射強度,則逸出的光電子最大初動能增加 C.若改用紫光照射,則可能不會發(fā)生光電效應 D.若改用紫光照射,則逸出的光電子的最大初動能增加 解析:光電效應的規(guī)律表明:入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應以及發(fā)生光電效應時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小,當入射光頻率增加后,產(chǎn)生的光電子最大初動能也增加,而照射光的強度增加,會使單位時間內逸出的光電子數(shù)增加,又知紫光頻率高于綠光,故選項正確的有A、D。 答案:AD,,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓練1 一真空光電管的應用電路如圖所示,其陰極金屬材料的極限頻率為4.5×1014 Hz,則以下判斷正確的是( ) A.發(fā)生光電效應時,電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率 B.發(fā)生光電效應時,電路中光電流的飽和值取決于入射光的強度 C.用λ=0.5 μm的光照射光電管時,電路中有光電流產(chǎn)生 D.光照射時間越長,電路中的電流越大,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,解析:在光電管中若發(fā)生了光電效應,光電流的飽和值只與單位時間內發(fā)射光電子的數(shù)目有關,單位時間內發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強度有關,據(jù)此可判斷選項A、D錯誤,選項B正確。波長λ=0.5 μm的光子的頻率 =6×1014 Hz4.5×1014 Hz,可發(fā)生光電效應,選項C正確。 答案:BC,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓練2 利用光電管研究光電效應實驗如圖所示,用頻率為ν的可見光照射陰極K,電流表中有電流通過,則( ) A.用紫外線照射,電流表不一定有電流通過 B.用紅外線照射,電流表一定無電流通過 C.用頻率為ν的可見光照射陰極K,當滑動變阻器的滑片移到最右端時,電流表一定無電流通過 D.用頻率為ν的可見光照射陰極K,當滑動變阻器的滑片向左端移動時,電流表示數(shù)可能不變,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,解析:因紫外線的頻率比可見光的頻率高,所以用紫外線照射,電流表一定有電流通過,選項A錯誤;因不知陰極K的極限頻率,所以用紅外線照射,可能發(fā)生光電效應,電流表可能有電流通過,選項B錯誤;由于發(fā)生了光電效應,即使A、K間的電壓UAK=0,電流表中也有電流通過,所以選項C錯誤;當滑動變阻器的滑片向左端移動時,陽極吸收光電子的能力增強,光電流會增大,當所有光電子都到達陽極時,電流達到最大,即飽和電流,若在移動前,電流已經(jīng)達到飽和電流,那么再增大UAK,光電流也不會增大,所以選項D正確。 答案:D,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究二愛因斯坦的光電效應方程 用光照射光電管且能產(chǎn)生光電效應,如果給光電管加上反向電壓,光電管中就沒有電流了嗎?,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,1.光電效應方程:Ek=hν-W0,其中Ek為光電子的最大初動能,W0為金屬的逸出功。 2.對方程的四點理解 (1)公式中的 是光電子的最大初動能,對某個光電子而言,其離開金屬時剩余動能大小可以是 范圍內的任何數(shù)值。 (2)光電效應方程實質上是能量守恒方程。 能量為ε=hν的光子被電子所吸收,電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引,另一部分就是電子離開金屬表面時的動能。如果克服吸引力做功最少為W0,則電子離開金屬表面時動能最大為 ,根據(jù)能量守恒定律可知: Ek=hν-W0。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,(3)光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件。 若發(fā)生光電效應,則光電子的最大初動能必須大于零,即Ek=hν-W00,亦即 恰好是金屬的截止頻率。 (4)Ek-ν曲線。如圖所示是光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線。這里,橫軸上的截距是截止頻率;縱軸上的截距是逸出功的負值;斜率為普朗克常量。,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,【例題2】 已知金屬銫的逸出功為1.9 eV,在光電效應實驗中,要使銫表面發(fā)出的光電子的最大初動能為1.0 eV,則入射光子的能量應為多大?入射光的波長是多少? 解析:由愛因斯坦的光電效應方程 Ek=hν-W0 得hν=Ek+W0=(1.0+1.9) eV=2.9 eV。 又因為ε=hν,c=λν 答案:2.9 eV 4.3×10-7 m,,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,變式訓練3 實驗得到金屬鈣的光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關系如圖所示。下表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功,參照下表可以確定的是( ),探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,A.如用金屬鎢做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 B.如用金屬鈉做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,其斜率比圖中直線的斜率大 C.如用金屬鈉做實驗得到的Ekm-ν圖線也是一條直線,設其延長線與縱軸交點的坐標為(0,-Ek2),則Ek2Ek1 D.如用金屬鎢做實驗,當入射光的頻率νν1時,可能會有光電子逸出 解析:由光電效應方程Ekm=hν-W可知Ekm-ν圖線是直線,且斜率相同,為h,A、B項錯誤;由表中所列的截止頻率和逸出功數(shù)據(jù)可知C項正確,D項錯誤。 答案:C,,,探究一,探究二,問題導引,名師精講,探究三,典例剖析,探究一,探究二,探究三,問題導引,名師精講,典例剖析,探究三光子說對康普頓效應的解釋 (1)康普頓效應說明了什么問題? (2)為什么說康普頓效應反映了光子具有動量?,探究一,探究二,探究三,問題導引,名師精講,典例剖析,X射線的光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞,光子把部分能量轉移給了電子,能量由hν減小為hν',因此頻率減小,波長增大。同時,電子獲得一定的動量,進一步說明了光的粒子性。,探究一,探究二,探究三,問題導引,名師精講,典例剖析,【例題3】 康普頓效應證實了光子不僅具有能量,也有動量。圖甲給出了光子與靜止電子碰撞后,電子的運動方向,則碰后光子可能沿 (選填“1”“2”或“3”)方向運動,并且波長 (選填“不變”“變短”或“變長”)。,探究一,探究二,探究三,問題導引,名師精講,典例剖析,解析:因光子與電子的碰撞過程動量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致,可見碰后光子可能沿1方向運動,光子與電子的豎直方向上動量的矢量和為零,不可能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分能量轉移給電子,能量減少,由ε=hν知,頻率變小,再根據(jù)c=λν知,波長變長。 答案:1 變長,,探究一,探究二,探究三,問題導引,名師精講,典例剖析,1,2,3,4,5,1.下列對光子的認識,正確的是( ) A.光子說中的光子就是牛頓在微粒說中所說的粒子 B.光子說中的光子就是光電效應中的光電子 C.在空間中傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫作一個光量子,簡稱光子 D.光子的能量跟光的頻率成正比 解析:根據(jù)光子說,在空間傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫作一個光量子,簡稱光子,而牛頓的微粒說中的微粒指的是宏觀世界的微小顆粒,光電效應中的光電子指的是金屬內的電子吸收光子后克服原子核的庫侖引力等束縛,逸出金屬表面的粒子,故選項A、B錯誤,選項C正確。由ε=hν知,光子能量ε與其頻率ν成正比,故選項D正確。 答案:CD,,,1,2,3,4,5,2.光電效應實驗的裝置如圖所示,用弧光燈照射鋅板,驗電器指針張開一個角度。則下面說法中正確的是( ) A.用紫外光照射鋅板,驗電器指針會發(fā)生偏轉 B.用綠色光照射鋅板,驗電器指針會發(fā)生偏轉 C.鋅板帶的是負電荷 D.使驗電器指針發(fā)生偏轉的是正電荷,1,2,3,4,5,解析:將擦得很亮的鋅板連接驗電器,用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線),驗電器指針張開一個角度,說明鋅板帶了電。進一步研究表明鋅板帶正電,這說明在紫外光的照射下,鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來,鋅板中缺少電子,于是帶正電,選項A、D正確。綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應。 答案:AD,,1,2,3,4,5,3.康普頓散射的主要特征是( ) A.散射光的波長與入射光的波長全然不同 B.散射光的波長有些與入射光的相同,但有些變短了,散射角的大小與散射波長無關 C.散射光的波長有些與入射光的相同,但也有變長的,也有變短的 D.散射光的波長有些與入射光的相同,有些散射光的波長比入射光的波長長些,且散射光波長的改變量與散射角的大小有關 解析:光子和電子相碰撞,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。散射角不同,能量減少情況不同,散射光的波長也有所不同。故只有選項D正確。 答案:D,,,1,2,3,4,5,4.在做光電效應的實驗時,某金屬被光照射發(fā)生了光電效應,實驗測得光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關系如圖所示,由實驗圖象可求出( ) A.該金屬的極限頻率和極限波長 B.普朗克常量 C.該金屬的逸出功 D.單位時間內逸出的光電子數(shù),1,2,3,4,5,解析:金屬中電子吸收光子的能量為hν,根據(jù)愛因斯坦光電效應方程有Ek=hν-W0。任何一種金屬的逸出功W0一定,說明Ek隨ν的變化而變化,且是線性關系,所以直 線的斜率等于普朗克常量,直線與橫軸的截距OA表示 Ek=0時的頻率ν0,即該金屬的極限頻率。根據(jù)hν0-W0=0,求得逸出功W0=hν0。已知極限頻率,根據(jù)波速公式可求出極限波長 。由Ek-ν圖象并不能知道在單位時間內逸出的光子數(shù)。 答案:ABC,,1,2,3,4,5,5. (選做題)若一個光子的能量等于一個電子的靜止能量,試問該光子的動量和波長是多少?(電子的靜止能量為m0c2) 解析:一個電子的靜止能量為m0c2,由題意知hν=m0c2,,,,