高二物理光的粒子性

1、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第2課時課時教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 知識與技能：知識與技能： 1通過實驗了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動量過程與方法：過程與方法： 經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價值觀：、情感態(tài)度與價值觀： 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點難點重點難點】 1、重點：、重點：光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 2、難點：、難點：愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義 當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中當(dāng)光線照射在金屬

2、表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。逸出的電子稱為逸出的電子稱為光電子光電子。光電子定向移動形成的電流叫光電子定向移動形成的電流叫光電流光電流 光照不變，增大光照不變，增大UAK，G表中電流表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。飽和值。因為光照條件一定時，因為光照條件一定時，K發(fā)射的發(fā)射的電子數(shù)目一定。電子數(shù)目一定。實驗表明：實驗表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。光電子數(shù)越多。VGAK陽極陽極陰極陰極：使光電流減小到零的反向電壓：使光電流減小到零的反向

3、電壓v加反向電壓，如右圖所示：加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場力方向與光電光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減子速度方向相反，光電子作減速運(yùn)動。若速運(yùn)動。若c221eUvmcecv速率最大的是U=0時，時，I0， 因為電子有初速度因為電子有初速度則則I=0，式中，式中UC為為遏止電壓遏止電壓(2)存在遏止電壓和截止頻率存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓存在遏止電壓EEUFKA經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：b.存在截止頻率存在截止頻率 (2)存在遏止電壓和截止頻率存在遏止電壓和截止頻率AKGV陽陽極極陰陰極極實驗結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度實驗結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，非

4、常微弱，電流電流表指針也幾乎是隨著入射光照表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過射所經(jīng)過的時間不超過109 秒秒（這個現(xiàn)象一般稱作（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子光電子的瞬時發(fā)射的瞬時發(fā)射”）。）。光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成 (3)具有瞬時性具有瞬時性VGAK陽極陽極陰極陰極： 光本身就是由一個個不可分光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為的光的能量子為h。這些能。這些能量子后來被稱為量子后來被稱為光子光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦的光子說hE 愛因斯坦從普朗克的能

5、量子說中得到愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：了啟發(fā)，他提出：2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：0WEhk0WhEk或光電子最大初動能光電子最大初動能 金屬的逸出功金屬的逸出功 W0221cekvmE 一個電子吸收一個光子的能量一個電子吸收一個光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用來克服金屬的逸出功量用來克服金屬的逸出功，剩下的表現(xiàn)為逸，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能出后電子的初動能Ek，即：，即：3.光子說對光電效應(yīng)的解釋光子說對光電效應(yīng)的解釋愛因斯坦方程表明，光電子的初動能愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只入射光的

6、頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)有當(dāng)h時，才有光電子逸出，時，才有光電子逸出， 就就是光電效應(yīng)的截止頻率。是光電效應(yīng)的截止頻率。hWc0電子一次性吸收光子的全部能量，不需要電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。生的。光強(qiáng)較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金光強(qiáng)較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律效應(yīng)的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎

7、年諾貝爾物理學(xué)獎。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的波動理論。波動理論。 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對的理論解釋和對理論理論物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢

8、獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過著名，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最的油滴實驗，證明電荷有最小單位。小單位。獲得獲得1923年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)獎。思考與討論思考與討論課本P33ceUWh0cceKeUvm：E221因為可得代入0WhEk放大器放大器控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)K1K2K3K4K5KA。應(yīng) 用 光電管光電源電流計IAK1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方因而傳播方向發(fā)生改變向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.

9、康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 1923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。3.3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j0散射波長散射波長 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射

10、如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波， 散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會改變的！練習(xí)練習(xí)課本例題課本例題P36分析ceUWh0由上面討論結(jié)果eWehUc0可得： 對于一定金屬，逸出功對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷是確定的，電子電荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率之間是線性關(guān)系eW0hW0即：Uc圖象是一條斜率為 的直線eh練習(xí)練習(xí)課本例題P36分析ceUWh0由上面討論結(jié)果eWehUc0可得：eW0hW0cceKeUvm：E221因為遏止電壓遏止電壓Uc與光電子與光電子的最大初動能的最大初動能Ek有關(guān)有關(guān)Ek

11、越大，越大， Uc越高；越高；Uc為零，為零，Ek為零，即沒有光電子為零，即沒有光電子所以與遏止電壓所以與遏止電壓Uc=0對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率c00ceUWh0WhC由以上分析可知：由以上分析可知：根據(jù)數(shù)據(jù)作根據(jù)數(shù)據(jù)作Uc圖象即可求得圖象即可求得遏止電壓遏止電壓Uc=0對應(yīng)的頻率就是截止頻率對應(yīng)的頻率就是截止頻率cUc圖象是一條斜率為圖象是一條斜率為 的直線的直線eh2.如圖17.2-1所示，用導(dǎo)線將驗電器與潔凈鋅板連接，觸摸鋅板使驗電器指示歸零，用紫外線照射鋅板，驗電器指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，接著用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板，發(fā)現(xiàn)驗電器指針張角減小，此現(xiàn)象說明鋅板帶 _

12、 電（選填“正”或“負(fù)”）;若改用紅外線重復(fù)以上實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)驗電器指針根本不會偏轉(zhuǎn),說明金屬鋅的極限頻率_紅外線的頻率（選填“大于”或“小于”）。正 大于 1.1.有力地支持了愛因斯坦有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； 2.2.首次在實驗上證實了首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量”的假設(shè)；的假設(shè)；3.3.證實了證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一

13、直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒?？紤]能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒。康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎?？悼灯掌疹D頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線(0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，4.吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)

14、的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實康普頓效應(yīng)作出了對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測量測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 （1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動量能量是描述粒子的動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的光的粒子性光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律1.光電效應(yīng)現(xiàn)象光

15、電效應(yīng)現(xiàn)象2.光電效應(yīng)實驗規(guī)律光電效應(yīng)實驗規(guī)律 （3）光子說對光電效應(yīng)的解釋）光子說對光電效應(yīng)的解釋（2）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：）光子：二、光電效應(yīng)解釋中的疑難二、光電效應(yīng)解釋中的疑難1.在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，一個角度，如圖所示，這時這時( )A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.鋅板帶正電，指針帶

16、正電鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B練習(xí)練習(xí)2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是( )A.延長光照時間延長光照時間B.增大光束的強(qiáng)度增大光束的強(qiáng)度C.換用紅光照射換用紅光照射D.換用紫光照射換用紫光照射D練習(xí)練習(xí)練習(xí)練習(xí)B練習(xí)練習(xí)D練習(xí)練習(xí)1、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。頻率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一為光強(qiáng)，一為光強(qiáng)，因為光的亮度由兩個因素決定，因為光的亮度由兩個因素決定，二為人眼的視覺靈敏度。二為人眼的視覺靈敏度。在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。練習(xí)練習(xí)2、在光電效應(yīng)實驗中、在光電效應(yīng)實驗中