第二十讲光的本性

第二十讲第二十讲 光的本性光的本性高玉镶【知识要点】l一、对光的本性的认识一、对光的本性的认识l二、光的干涉和衍射二、光的干涉和衍射l三、光的电磁说三、光的电磁说l四、光电效应与光子说四、光电效应与光子说一、对光的本性的认识一、对光的本性的认识l人类对光的本性的认识经历了微粒说、波动说、电磁说、光子说几个过程。光子说认为：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。二、光的干涉和衍射二、光的干涉和衍射l光的干涉和光的衍射是光具有波动性的有力证据。l1光的干涉光的干涉l 现象：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域始终减弱，形成稳定的明暗相间条纹的现象。l 产生条件：（1）两列波频率必须相同；（2）在相遇点的振动方向几乎沿同一直线；（3）在观察的时间内，在相遇点的两个振动的位相差保持不变。l 双缝干涉：双缝干涉：l用单色光做波源射到双缝上，比如用红光，光屏上出现明暗相间的红色条纹，明纹是振动的加强点，此点到两狭缝的路程差是波长的整数倍；暗纹是振动的减弱点，此点到两狭缝的路程差是半波长的奇数倍。相邻的明纹（或暗纹）间的距离l式中d是双缝的间距，L是双缝至屏面的距离。如果用白光做光源，光屏上出现的干涉图样是彩色条纹薄膜干涉：l 从透明薄膜前后面反射的两列光波叠加在一起，由于薄膜厚度的差异，产生明暗相间条纹的现象。2光的衍射光的衍射l 现象：光线绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在光屏上出现明暗相间条纹的现象。l 产生条件：障碍物或孔的尺寸比光波的波长小或者相差不多。l 单缝衍射：单缝衍射图样是平行的、中间宽两边窄的明暗相间的条纹。圆孔衍射：圆孔衍射图样是明暗相间的同心圆环。三、光的电磁说三、光的电磁说 l1、电磁波谱电磁波谱l 电磁波按波长以大到小的顺序是：无线电波（包括微波）、红外线、可见光、紫外线、紫外线、x射线、射线、射线。射线。l2、光谱及光谱分析、光谱及光谱分析l 由色散形成的，按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱。l 光谱分类：l（1）连续光谱）连续光谱l l l 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。l（2）明线光谱）明线光谱l 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线叫原子的特征谱线。（3）吸收光谱）吸收光谱l 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。（4）光谱分析）光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。l 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。四、光电效应与光子说四、光电效应与光子说l1光电效应光电效应l 现象：在光的照射下，使物体中的电子逸出的现象叫做光电效应。l实验规律：l （1）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，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应。l （2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大。l （3）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。l （4）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。l2光子说光子说l 在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。光子的能量跟它的频率成正比，即lE=h ，l式中的h=6.6310-34js，是普朗克常量。l3爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程l 根据能量守恒定律，光电子的最大初动能跟入射光子的能量h和逸出功w之间有如下关系l这个方程叫爱因斯坦光电方程。，l4对光电效应的解释对光电效应的解释l 根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，它的能量立刻增加，不需要积累的过程，如果h足够大，电子就可以在瞬间离开物体表面l子吸收的能量h，一部分用来克服原子引力脱离物体表面做逸出功，一部分转化为光电子的最大初动能。对于一定的金属来说，逸出功w是一定的，所以光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大。如果入射光子的能量等于金属的逸出功，它的频率就是极限频率，小于这个频率就不能产生光电效应了，那么极限频率l 0=W/hl 如果入射光比较强，即单位时间内入射光子的数目多，产生的光电子也多，所以光电流的强度与入射光的强度成正比。l5光既具有波动性，又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性。l l 但是接受光的波粒二象性，就要求我们既不可以把光当成宏观观念中的波，也不可以把光当成宏观观念中的粒子。一般说来，大量光子产生的效果往往显示出波动性，这种波动性可以看做是表明大量光子运动规律的一种几率波。而个别光子产生的效果往往显示出粒子性，这种粒子性体现在有能量、有动量，却没有静止质量。【典型例题】l例例1、如图所示的双缝干涉装置，作为线光源的小缝S位于双缝 如果屏上的Q点是暗点，表明两列光波到达Q点时，它们的振动步调相反（如一列波处于波峰时，另一列波处于波谷），所以叠加结果互相削弱。根据波动的知识知道，发出的光波和发出的光波到达Q点的路程差是该光波半波长的奇数倍。解答：解答：O点是亮点。光到达P点的路程差是该光波波长的整数倍。光到达Q点的路程差是该光波半波长的奇数倍。例例2、用细金属丝绕一线框，将线框浸入肥皂水中，然后取出，这时线框里有一肥皂水薄膜。把这金属框竖直放置，光从肥皂液膜反射到我们的眼睛，我们看到的干涉条纹是 A条纹是水平方向，条纹宽度大体相同 B条纹是水平方向，条纹间隔上宽下密 C条纹是水平方向，条纹间隔上密下宽 D条纹是竖直方向，条纹宽度大体相等分分析析：我们眼睛看到的图像是由肥皂液膜的前表面（靠近人的一侧）反射的光和由肥皂液膜的后表面反射的光形成的干涉图样。如果用白光做实验，观察到的干涉图样是彩色条纹；如果用单色光做实验，观察到的是单色明暗条纹。明条纹处是前表面的反射光和由后表面反射的光在到达前表面时的振动步调相同，互相叠加而振动加强；暗条纹处则是前表面的反射光和后表面反射光在到达前表面时的振动步调相反而互相削弱的结果。同一明纹处的各点，前表面的反射光和后表面的反射光的路程差（称为光程差）是相同的，说明这些点处，薄膜的厚度是相同的。同理，同一暗纹处的各点，膜的厚度也是相同的。相邻两条明条纹或相邻两条暗条纹之间，膜的厚度差是相等的。如果肥皂液膜的两表面夹角恒定，那么形成的明暗条纹是等间距的。但本题中，肥皂液膜由于受重力的作用，使其形成的薄膜截面如图（甲）所示，膜的两表面夹角自上而下是由小变大。这种情况形成的明暗条纹的间隔是上边宽、下边密。所以本题所呈现的薄膜干涉图样如图乙所示，条纹是水平方向，条纹的间隔是上宽下密。说明：说明：在薄膜干涉中，前表面反射的光和后表面反射的光的光程差，是由膜的厚度和膜对光的折射率决定的。如果膜的前后表面反射的两列光波的光程差相同，则表明膜的厚度相同，反之亦然。这样就很容易理解，同一明条纹处或同一暗条纹处，膜的厚度是相同的。解答：解答：选项B正确。例例3、太阳光谱中含有许多暗线，这些暗线是由于什么原因形成的？分析分析：首先要认识到太阳的光谱是在连续光谱的背景上有许多暗线，这表明太阳的光谱是吸收光谱，而不是连续光谱。太阳光谱的这些暗线对应着某些元素的特征谱线，它表明太阳大气层中存在着这些元素。太阳光在经过温度较低的太阳大气层时，某些频率的光被太阳大气中的这些元素的原子所吸收而形成了连续光谱中的这些暗线。解答解答：这些暗线是由于太阳光线经过温度较低的太阳大气层时，某些特征谱线的光被吸收而形成的。例例4、入射光照到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变。下列说法正确的是：A逸出的光电子的最大初动能减少；B单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少；C从光照至金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将增加；D不发生光电效应。分析分析：光电效应的实验规律第2条是，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。若入射光的强度减弱，而频率保持不变，显然逸出的光电子的最大初动能不变，选项A错误。光电效应的实验规律第4条是，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。若入射光的强度减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少，选项B正确。光电效应的实验规律的第3条是，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不 将增加的说法不对，选项C错误。光电效应的实验规律第1条是，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；低于这个频率的光不发生光电效应。既然原来入射光照到金属表面上能发生光电效应，说明入射光的频率大于极限频率，既使入射光的强度减弱，频率没发生变化，光电效应还是要继续发生，选项D错误。解答解答：根据光电效应的实验规律可知，只有选项B正确。例例5、能量为6eV的光子射入某金属表面后，逸出光电子的最大初动能为2.5eV，求这种金属发生光电效应的极限频率。分析分析：已知光子的能量，光电子的最大初动能，根据爱因斯坦光电效应方程，可计算出金属的逸出功。再根据金属的极限频率与逸出功的关系，计算出金属的极限频率。金属的逸出功为【反馈练习】1下面几种光学现象中，属于光的衍射现象的是 A浮在水平上的薄油层在太阳光的照射下，呈现各种不同颜色 B将两块平玻璃片紧紧捏在一起，会从玻璃片面上看到许多彩色花纹 C通过并在一起的两根铅笔间的狭缝，看远处与缝平行的线状白炽灯灯丝，会看到许多彩色条纹 D太阳光通过玻璃三棱镜后形成彩色光带答案答案:C2下列现象中，属于光的干涉现象的是：A天空出现的彩虹B肥皂泡在阳光照射中呈现彩色花纹C隔着棱镜观察物体，在物体边缘看到彩色D通过靠得很近的两根平行铅笔间的缝隙观察远处的日光灯时，见到的彩色光带答案答案:B 3如图所示，是干涉法检查某块厚玻璃板的上表面是否平的装置，所用单色光是用普通光源加滤光片产生的，检查中所观察到的干涉条纹是由下列哪两表面反射的光线叠加而成的 Aa的上表面和b的下表面 Ba的上表面和b的上表面 Ca的下表面和b的上表面 Da的下表面和b的下表面答案答案:C 4通过游标卡尺两测脚间的狭缝观看远处与缝平行的白炽灯的直灯丝，可以看到衍射图样。现在将红色和蓝色滤光片分别放到卡尺与灯泡间，如果其它条件不变，那么衍射图样的中央亮纹宽度，红光与蓝光的相比较 A红色的较窄 B蓝色的较窄 C两种光的宽度相等 D需经计算才能确定答案答案:B5如图所示，用频率为f的单色光垂直照射双缝，在光屏上的P应为答案答案:D 6关于光谱，下面说法中正确的是 A炽热的液体发射连续光谱 B太阳光谱中的暗线说明太阳上缺少与这些暗线相应的元素 C明线光谱和暗线光谱都可用于对物质成分进行分析 D发射光谱一定是连续光谱答案答案:AC 7关于电磁波，下列说法中哪些是正确的？A电磁波中最容易表现出干涉、衍射现象的是无线电波 B红外线、可见光、紫外线是原子外层电子受激发后产生的。C射线是原子内层电子受激发后产生的 D红外线的波长比红光波长长，它的显著作用是热作用答案答案:ABD 8某种无色透明玻璃对于在真空中的波长为0.60m的单色光的折射率是1.50。则 C这种光在该玻璃中的波长是0.9m D对于真空中波长为0.40m的单色光，该玻璃的折射率略小于1.50答案答案:AB 9某激光器能发射波长为的激光，发射功率为P，c表示光速，h表示普朗克常量，则激光器每秒发射的光子数为答案答案:A 10用绿光照射一光电管，能产生光电效应。欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应 A改用红光照射；B增大绿光的强度 C增大光电管上的加速电压 D改用紫光照射答案答案:D【课后练习】1关于光的干涉和衍射，以下说法正确的是 A在波峰跟波峰叠加的地方，光就加强，出现亮条纹 B在波谷跟波谷叠加的地方，光就削弱，出现暗条纹 C在双缝干涉的实验条件不变的情况下，红光的条纹间距比紫光的大 D双缝干涉的明条纹或暗条纹之间的距离总是相等的；单缝衍射的明条纹或暗条纹的间距也是相等的答案答案:AC 2、用频率为的光照射某种金属表面产生光电子。当光电子垂直进入强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动时，其最大半径为R，以W表示逸出功，m、e、h分别表示电子质量、电量和普朗克常量。下列表示电子最大初动能的式子中哪些是正确的答案答案:CD 3、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，指针带负电答案答案:B4、一盏电灯发光功率为100W，假设它发出的光向四周均匀辐射，答案答案:C 5用红光做双缝干涉实验，在屏上观察到干涉条纹。在其它条件不变的情况下，改用紫光做实验，则干涉条纹间距将变_。如果改用白光做实验，在屏上将出现_色条纹。答案答案:小，彩色。6在太阳光照射下，水面油膜上会出现彩色的花纹，这是两列相干光波发生干涉的结果，这两列相干光波是太阳光分别经_而形成的。用平行的单色光垂直照射不透明的小圆板，在圆板后面的屏上发现圆板阴影中心处有一个亮斑，这是光的_现象。答案答案:油膜上下表面反射的两列光波叠加;衍射。7凡是波都具有衍射现象，而把光线看成直线传播的条件是_，要使光产生明显的衍射条件是_。答案答案:障碍物或孔的尺寸比波长大得多；障碍物或孔的尺寸比光波波长小或相差不大。8、低压汞蒸气发光产生的光谱是属于连续光谱，明线光谱，吸收光谱中的哪一种？_。无线电波，可见光，伦琴射线，射线中的_（填是哪一种）是原子内层电子受到激发后原子辐射的电磁波。答案答案:明线光谱，伦琴射线。9、在光电效应实验中，为了增大从锌板发射的光电子的最大初动能，可以增大入射光的_。答案答案:频率。10、已知某金属表面接受波长为和2的单色光照射时，释放出的光电子的最大初动能分别是30eV和10eV，则能使此金属表面产生光电效应的入射光的极限波长是多大？答案答案:4。答案答案:答案答案:1、AC2、CD3、B4、C5、小，彩色。6、油膜上下表面反射的两列光波叠加;衍射。7、障碍物或孔的尺寸比波长大得多；障碍物或孔的尺寸比光波波长小或相差不大。8、明线光谱，伦琴射线。9、频率。10、4。