2022-2023年高考物理一轮复习 科学的转折：光的粒子性

《科学的转折：光的粒子性》\n问题1：回顾前面的学习,总结人类对光的本性的认识的发展过程？\n用弧光灯照射擦得很亮的锌板,(注意用导线与不带电的验电器相连）,使验电器张角增大到约为30度时,再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板,则验电器的指针张角会变大..一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电\n用弧光灯照射擦得很亮的锌板,(注意用导线与不带电的验电器相连）,使验电器张角增大到约为30度时,再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板,则验电器的指针张角会变大..表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一.光电效应的实验规律\n1.什么是光电效应当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应.逸出的电子称为光电子.一.光电效应的实验规律光电子定向移动形成的电流叫光电流\n一.光电效应的实验规律2.光电效应实验规律（1）存在饱和电流光照不变,增大UAK,G表中电流达到某一值后不再增大,即达到饱和值.因为光照条件一定时,K发射的电子数目一定.实验表明：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.阳极阴极\n：使光电流减小到零的反向电压－++++++一一一一一一v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相反,光电子作减速运动.若最大的初动能U=0时,I≠0,因为电子有初速度则I=0,式中UC为遏止电压一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UCEEUFKA\nIIsUaOU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线遏止电压饱和电流一.光电效应的实验规律兰光Ub(2)存在遏止电压和截止频率阳极阴极\n实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率改变是,遏止电压也会改变.一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UC光电子的最大初动能只与入射光的频率有关,与入射光的强弱无关.阳极阴极\n经研究后发现：一.光电效应的实验规律b.存在截止频率c对于每种金属,都相应确定的截止频率c.当入射光频率>c时,电子才能逸出金属表面；当入射光频率<c时,无论光强多大也无电子逸出金属表面.(2)存在遏止电压和截止频率阳极阴极\n实验结果：即使入射光的强度非常微弱,只要入射光频率大于被照金属的极限频率,电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转.更精确的研究推知,光电子发射所经过的时间不超过10－9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）.光电效应在极短的时间内完成一.光电效应的实验规律(3)具有瞬时性阳极阴极\n勒纳德等人通过实验得出以下结论：①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应；②当入射光的频率大于极限频率时,入射光越强,饱和电流越大；③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；④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.一.光电效应的实验规律\n以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所以无法用经典的波动理论来解释光电效应.逸出功W0使电子脱离某种金属所做功的最小值,叫做这种金属的逸出功.光越强,逸出的电子数越多,光电流也就越大.①光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压UC应与光的强弱有关.②不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率.③如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,这个时间远远大于10S.-9√实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.温度不很高时,电子不能大量逸出,是由于受到金属表面层的引力作用,电子要从金属中挣脱出来,必须克服这个引力做功.二.光电效应解释中的疑难\n1.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν.这些能量子后来被称为光子.爱因斯坦的光子说爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发,他提出：三.爱因斯坦的光量子假设\n2.爱因斯坦的光电效应方程1.光子：或——光电子最大初动能——金属的逸出功W0一个电子吸收一个光子的能量hν后,一部分能量用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek,即：三.爱因斯坦的光量子假设\n3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明,光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系,与光强无关.只有当hν>W0时,才有光电子逸出,就是光电效应的截止频率.②电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时发生的.③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.三.爱因斯坦的光量子假设\n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1921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,但当时并未被物理学家们广泛承认,因为它完全违背了光的波动理论.4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根,花了十年时间做了“光电效应”实验,结果在1915年证实了爱因斯坦方程,h的值与理论值完全一致,又一次证明了“光量子”理论的正确.三.爱因斯坦的光量子假设\n爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应,特别是通过著名的油滴实验,证明电荷有最小单位.获得1923年诺贝尔物理学奖.\n思考与讨论？课本P36\n放大器控制机构可以用于自动控制,自动计数、自动报警、自动跟踪等.四.光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器可对微弱光线进行放大,可使光电流放大105~108倍,灵敏度高,用在工程、天文、科研、军事等方面.2.光电倍增管\n应用光电管光电源电流计IAK\n康普顿效应第2课时\n1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射2.康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时,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,其波长的改变量与散射角有关,而与入射线波长和散射物质都无关.一.康普顿效应\n3.康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长一.康普顿效应\n康普顿正在测晶体对X射线的散射按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波,散射光的波长是不会改变的！一.康普顿效应\n康普顿散射曲线的特点：a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长.b.新波长随散射角的增大而增大.散射中出现≠0的现象,称为康普顿散射.波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波长.......0一.康普顿效应\n称为电子的Compton波长只有当入射波长0与c可比拟时,康普顿效应才显著,因此要用X射线才能观察到康普顿散射,用可见光观察不到康普顿散射.波长的偏移只与散射角有关,而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关,c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）一.康普顿效应\n1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难二.康普顿效应解释中的疑难①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受迫振动,其频率等于入射光频率,所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率.②无法解释波长改变和散射角关系.\n2.光子理论对康普顿效应的解释二.康普顿效应解释中的疑难①若光子和外层电子相碰撞,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长.②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,碰撞前后光子能量几乎不变,波长不变.③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关,所以波长改变和散射角有关.\n1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；3.证实了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.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“混进来了某种荧光辐射”；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.康普顿于1927年获诺贝尔物理奖.三.康普顿散射实验的意义\n康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家1927\n1925—1926年,吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质,4.吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,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重要贡献.在同一散射角()测量各种波长的散射光强度,作了大量X射线散射实验.（1897-1977）吴有训三.康普顿散射实验的意义\n四.光子的动量\n动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的\n光的粒子性一、光电效应的基本规律小结1.光电效应现象2.光电效应实验规律①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应；②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；③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；④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.\n（3）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1）光子：二、光电效应解释中的疑难\n1.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,验电器的指针就张开一个角度,如图所示,这时()A.锌板带正电,指针带负电B.锌板带正电,指针带正电C.锌板带负电,指针带正电D.锌板带负电,指针带负电B练习\n2.一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是()A.延长光照时间B.增大光束的强度C.换用红光照射D.换用紫光照射D练习\n3.关于光子说的基本内容有以下几点,不正确的是()A.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B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.光子的能量跟它的频率成正比D.光子客观并不存在,而是人为假设的练习B\n4.能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J,已知可见光的平均波长约为0.6m,则进入人眼的光子数至少为个,恰能引起人眼的感觉.练习3\n5.关于光电效应下述说法中正确的是()A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B.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C.在光电效应中,饱和光电流的大小与入射光的频率无关D.任何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练习D\n练习课本P391、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？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.一为光强,因为光的亮度由两个因素决定,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色光感觉最灵敏,因此黄绿色光应最亮.\n练习课本P392、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？（2）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,发射的光电子数增多；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.（2）入射光的频率增加,发射的光电子最大初动能增加.\n练习课本例题分析由上面讨论结果可得：对于一定金属,逸出功W0是确定的,电子电荷e和普朗克常量h都是常量.所以遏止电压UC与光的频率ν之间是线性关系即：Uc—ν图象是一条斜率为的直线\n练习课本例题分析由上面讨论结果可得：遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关Ek越大,Uc越高；Uc为零,Ek为零,即没有光电子所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率νc\n由以上分析可知：根据数据作Uc—ν图象即可求得遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率νcUc—ν图象是一条斜率为的直线\n练习5、根据图17.2-2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.GVAKR单色光分析：阳极与电源负极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率ν1、ν2光的遏止电压U1、U2代入公式：\n当入射光频率分别为ν1、ν2时,测出遏止电压U1、U2,由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式,解得其中e为电子的电量,测出U1与U2就可测出普朗克常量\n实验步骤：（1）将图17.2-2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ν1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,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U1.（2）用频率为ν2的光照射,重复（1）的操作,记下伏特表的示数U2.（3）应用计算h.（4）多次测量取平均值.\n颜色波长λ/nm频率/1014HZ遏制电压U/V最大动能EKm/eV绿兰紫（光强）紫（光弱）