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、光的波動性

光是電磁波理論證明：麥克斯韋的經典電磁場理論實驗驗證：赫茲的電火花實驗，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度和光速相同。其它實驗證據：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、光電效應現(xiàn)象用導線將帶負電的鋅板與驗電器相連，驗電器指針張開。用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，驗電器張角先閉合后再張開。

結論：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月當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動形成的電流叫光電流。1.什么是光電效應第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、實驗研究光電效應的規(guī)律1、存在飽和電流當A接正極，K接負極時，控制入射光的強度一定，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。這個最大電流就叫做飽和電流。陽極陰極實驗表明：入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(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，單位時間內陰極發(fā)射出的光電子數(shù)目是一定的，K板逸出的電子向各個方向運動，如果不加電壓，很多電子無法到達A板，無法形成較大電流。加上電壓后，越來越多的電子到達A板，電流越來越大。但是，如果所有電子都達到了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A接負極，K接正極時，控制入射光的強度一定，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時對應的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動方向相反，電子減速。如果反向電壓足夠大，電子將無法達到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能遏止電壓與光的顏色（頻率）有關，與入射光的強弱無關第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能2.遏止電壓與光的顏色（頻率）有關，與入射光的強弱無關3.光電子的能量只與入射光的顏色（頻率）有關，與入射光的強弱無關第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3、存在截止頻率νc

當入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時，無論光的強度多大，加上怎樣的電壓，都不會有光電流。這個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不發(fā)生光電效應。（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）黃光（弱）實驗測得的光電效應曲線藍光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、光電效應的瞬時性當入射光的頻率超過截止頻率時，無論光如何微弱，幾乎在瞬間就會產生光電流。時間間隔不超過10-9s。即光效應幾乎是瞬時發(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驗得出以下結論：①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應；②當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.

一.光電效應的實驗規(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，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大?！虦囟炔缓芨邥r，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，必須克服這個引力做功。二.光電效應解釋中的疑難第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月經典的理論無法解釋光電效應中的一些現(xiàn)象：困難1：光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓Uc應與光的強弱有關。實驗結果：遏止電壓只與光的頻率有關。對于一定顏色（頻率）的光,無論光的強弱如何，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，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。實驗結果：對于不同的物體，都有相應的截止頻率。困難3：如果光很弱，電子需要很長時間才能獲得逸出表面需要的能量。實驗結果：時間小于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方程1.光子：或——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W0一個電子吸收一個光子的能量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能Ek，即：三.愛因斯坦的光光電效應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能小于最大初動能。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.光子說對光電效應的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只有當hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。③光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。三.愛因斯坦的光光電效應方程第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的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。4.光電效應理論的驗證

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，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的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。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月放大器控制機構

可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。四.光電效應在近代技術中的應用1.光控繼電器可對微弱光線進行放大，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間內的光子數(shù)有關。2、截止頻率只與金屬的逸出功有關，即只與金屬的種類有關。3、遏制電壓與入射光頻率和逸出功有關。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，增強入射光時，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：相同強度（單位時間內的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時，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、光電效應方程的圖像：1、外加電壓和光電流的關系（同種金屬）光的強弱影響飽和電流光的頻率影響遏制電壓IUc2OU黃光（強）黃光（弱）藍光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、光電效應方程的驗證密立根設計實驗，測量金屬的遏止電壓與入射光頻率的關系曲線，根據曲線斜率算出普朗克常數(shù)h，進而與普朗克從黑體輻射得出的h相比較。實驗結論：兩種方法計算出的普朗克常數(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的實驗規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學獎第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月七、康普頓效應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)象叫做光的散射。2、康普頓效應康普頓在做X射線通過物質散射的實驗時，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，而與入射波長和散射物質都無關。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3、康普頓散射實驗的裝置

晶體

光闌X射線管探測器X射線譜儀

石墨體(散射物質)j0散射波長第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4、康普頓效應的解釋經典理論：光的散射不會改變光的波長和頻率。光子模型解釋：根據動量守恒定律，發(fā)生碰撞后光子的動量會發(fā)生變化。光子的動量與波長存在一定的關系：發(fā)生碰撞后，光子的動量減小，即光的波長增大。散射角不同，說明碰撞后光子的動量也不同，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：發(fā)生碰撞后，光子能量減小，因此光的頻率減小。