高三物理光的本性复习课件

第二十讲第二十讲 光的本性光的本性淳淳安安中中学学曾曾继继【知识要点】【知识要点】一、对光的本性的认识二、光的干涉和衍射三、光的电磁说 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人类对光的本性的认识经历了l微粒说微粒说:是高速运动的粒子流是高速运动的粒子流l波动说波动说:某种振动在介质中的传播某种振动在介质中的传播(认为是与机械波类似认为是与机械波类似)l电磁说电磁说:光是一种电磁波光是一种电磁波l光子说光子说:光是一份一份的光是一份一份的,不连续的不连续的.每一份光子就是一份能量每一份光子就是一份能量.l光光的的波波粒粒二二象象性性:光光既既具具有有波波动动性性,又又具具有有粒粒子子性性,即即光光具具有有波波粒粒二二 象性。象性。几个过程。几个过程。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。1光的干涉光的干涉 现现象象:两两列列或或几几列列光光波波在在空空间间相相遇遇时时相相互互叠叠加加,在在 某某些些区区域域始始终终加加强强,在在另另一一些些区区域域始始终终减减弱弱,形形成成稳定的明暗相间条纹的现象。稳定的明暗相间条纹的现象。产生条件产生条件:(1)两列波频率必须相同两列波频率必须相同;(2)位相差保持不变。位相差保持不变。双缝干涉：双缝干涉：lA:用单色光做波源射到双缝上，光屏上出现明暗相间的条纹，用单色光做波源射到双缝上，光屏上出现明暗相间的条纹，la:产生明纹的条件是产生明纹的条件是:此点到两狭缝的此点到两狭缝的路程差是波长的整数倍路程差是波长的整数倍；lb:产生暗纹的条件是产生暗纹的条件是:此点到两狭缝的此点到两狭缝的路程差是半波长的奇数倍路程差是半波长的奇数倍。lc:相邻的明纹（或暗纹）间的距离相邻的明纹（或暗纹）间的距离l式式中中d是是双双缝缝的的间间距距，L是是双双缝缝至至屏屏面面的的距距离离。如如果果用用白白光光做做光光源源，光屏上出现的干涉图样是彩色条纹光屏上出现的干涉图样是彩色条纹条纹的条纹的特点特点:等间距等间距薄膜干涉：薄膜干涉：从从透透明明薄薄膜膜前前后后面面反反射射的的两两列列光光波波叠叠加加在在一一起起,由由于于薄薄膜膜厚厚度度的的差差异异,产产生明暗相间条纹的现象。生明暗相间条纹的现象。1.利用薄膜干涉法波长利用薄膜干涉法波长.用用细细金金属属丝丝绕绕一一线线框框,将将线线框框浸浸入入肥肥皂皂水水中中,然然后后取取出出,这这时时线线框框里里有有一一肥肥皂皂水水薄薄膜膜.把把这这金金属属框框竖竖直直放放置置,光光从从肥肥皂皂液液膜膜反反射射到到我我们们的的眼眼睛睛,我我们们看看到到的的干干涉涉条纹是条纹是 A.A.条纹是水平方向条纹是水平方向,条纹宽度大体相同条纹宽度大体相同 B.B.条纹是水平方向条纹是水平方向,条纹间隔上宽下密条纹间隔上宽下密 C.C.条纹是水平方向条纹是水平方向,条纹间隔上密下宽条纹间隔上密下宽 D.D.条纹是竖直方向条纹是竖直方向,条纹宽度大体相等条纹宽度大体相等分分析析：我我们们眼眼睛睛看看到到的的图图像像是是由由肥肥皂皂液液膜膜的的前前表表面面（靠靠近近人人的的一一侧侧）反反射射的的光光和和由由肥肥皂皂液液膜膜的的后后表表面面反反射射的的光光形形成成的的干干涉涉图图样样。如如果果用用白白光光做做实实验验，观观察察到到的的干干涉涉图图样样是是彩彩色色条条纹纹；如如果果用用单单色色光光做做实实验验，观观察察到到的的是是单单色色明明暗暗条条纹纹。明明条条纹纹处处是是前前表表面面的的反反射射光光和和由由后后表表面面反反射射的的光光在在到到达达前前表表面面时时的的振振动动步步调调相相同同，互互相相叠叠加加而而振振动动加加强强；暗暗条条纹纹处处则则是是前前表表面面的的反反射射光光和和后后表表面面反反射射光光在在到到达达前前表表面面时时的的振振动动步步调调相相反反而而互互相相削削弱弱的的结结果果。同同一一明明纹纹处处的的各各点点，前前表表面面的的反反射射光光和和后后表表面面的的反反射射光光的的路路程程差差（称称为为光光程程差差）是是相相同同的的，说说明明这这些些点点处处，薄薄膜膜的的厚厚度度是是相相同同的的。同同理理，同同一一暗暗纹纹处处的的各各点点，膜膜的的厚厚度度也也是是相相同同的的。相相邻邻两两条条明明条条纹纹或或相相邻邻两两条条暗暗条条纹纹之之间间，膜膜的的厚厚度度差差是是相相等等的的。如如果果肥肥皂皂液液膜膜的的两两表表面面夹夹角角恒恒定定，那那么么形形成成的的明明暗暗条条纹纹是是等等间间距距的的。但但本本题题中中，肥肥皂皂液液膜膜由由于于受受重重力力的的作作用用，使使其其形形成成的的薄薄膜膜截截面面如如图图（甲甲）所所示示，膜膜的的两两表表面面夹夹角角自自上上而而下下是是由由小小变变大大。这这种种情情况况形形成成的的明明暗暗条条纹纹的的间间隔隔是是上上边边宽宽、下下边边密密。所所以以本本题题所所呈呈现现的的薄薄膜膜干干涉涉图图样样如如图图乙乙所示，条纹是水平方向，条纹的间隔是上宽下密。所示，条纹是水平方向，条纹的间隔是上宽下密。说明：在薄膜干涉中，前表面反射的光和后表说明：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，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。或同一暗条纹处，膜的厚度是相同的。解答：选项解答：选项B正确正确。2.2.可用薄膜干涉可用薄膜干涉 法检查平面法检查平面3.3.增透膜增透膜d d4.4.牛顿环牛顿环.2光的衍射光的衍射现象现象:光线绕过障光线绕过障碍物偏离直线传碍物偏离直线传播而进入几何阴播而进入几何阴影影,并在光屏上并在光屏上出现明暗相间条出现明暗相间条纹的现象。纹的现象。产生条件产生条件:障碍物或孔障碍物或孔的尺寸比光的尺寸比光波的波长小波的波长小或者相差不或者相差不多。多。单缝衍射条纹特单缝衍射条纹特点点:单缝衍射图样是单缝衍射图样是平行的平行的,中间宽两中间宽两边窄的明暗相间边窄的明暗相间的条纹。的条纹。圆孔衍射圆孔衍射条纹特点：条纹特点：圆孔衍射圆孔衍射图样是明图样是明暗相间的暗相间的同心圆环。同心圆环。1.光波在传播时，引起感光作用（和生理作用）光波在传播时，引起感光作用（和生理作用）的主要是电矢量的主要是电矢量E.2.光是横波光是横波,但由于经过偏振片前后的横波有一定差别但由于经过偏振片前后的横波有一定差别,我们把前面的叫自然光我们把前面的叫自然光,后面的叫偏振光后面的叫偏振光.形成偏振光的形成偏振光的过程叫起偏或偏振过程叫起偏或偏振.当其中一个方向上的光振动当其中一个方向上的光振动E强于强于另一个方向上的光振动另一个方向上的光振动,则称为部分偏振光则称为部分偏振光;如果只存在如果只存在了一个方向上的振动分量了一个方向上的振动分量,就称为完全偏振光就称为完全偏振光.3.反射光中反射光中,垂直垂直(“三线三线”平面的平面的)振动多于平行振动振动多于平行振动;折折射光中射光中,平行振动多于垂直振动平行振动多于垂直振动.即即:反射光和折射光均反射光和折射光均为部分偏振光为部分偏振光.当入射角当入射角i=arctgn21(n21表示折射媒质表示折射媒质对入射媒质的相对折射率对入射媒质的相对折射率)时时,反射光只存在垂直振动反射光只存在垂直振动,为完全偏振光为完全偏振光.而折射光仍存在平行振动而折射光仍存在平行振动(较多较多)和垂直和垂直振动振动(较少较少),为部分偏振光为部分偏振光.光的光的偏振偏振-横波特有的现象横波特有的现象.三、光的电磁说三、光的电磁说 1.电磁波谱: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、x射线、射线。产生机理?2.光谱及光谱分析: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。3.光谱分类：麦克斯韦的预言麦克斯韦的预言,赫兹的实验验证赫兹的实验验证元素元素的特的特征谱征谱线线产生产生?l(1)连续光谱 l l 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光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。谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体炽热的固体、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、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。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 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱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明线光谱中的亮线叫谱线,各条谱线对应不同波长各条谱线对应不同波长的光的光.稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱谱.明线光谱是由游离状态的原子发射的明线光谱是由游离状态的原子发射的,所以也所以也叫原子的光谱叫原子的光谱.实践证明实践证明:原子不同原子不同,发射的明线光发射的明线光谱也不同谱也不同,每种原子只能发出具有本身特征的某些每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光波长的光,因此明线光谱的谱线叫原子的特征谱线。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）通过温度较低的物质时，某些波长切波长的光）通过温度较低的物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。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，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。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由于每种原子都有自己的特征谱线,因因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成化学组成.这种方法叫做光谱分析。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原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性结构的不连续性,所以光谱分析也可以所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。用于探索原子的结构。明线谱明线谱吸收谱吸收谱四、光电效应与光子说四、光电效应与光子说l 1.1.光电效应光电效应现象现象:在光的照射下在光的照射下,使物体中的使物体中的电子逸出的现象叫做光电效应。电子逸出的现象叫做光电效应。l实验规律：实验规律：(1)(1)任何一种金属都有一个极限频率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入射光的频率必须大于这个极限频率率,才能产生光电效应才能产生光电效应;低于这个频低于这个频率的光不能产生光电效应。率的光不能产生光电效应。(2)(2)光电子的最大初动能与入射光的强度光电子的最大初动能与入射光的强度无关无关,只随入射光的频率的增大而增大。只随入射光的频率的增大而增大。(3)(3)入射光照到金属上时入射光照到金属上时,光电子的发射光电子的发射几乎是瞬时的几乎是瞬时的,一般不超过一般不超过1010-9-9秒。秒。(4)(4)当入射光的频率大于极限频率时当入射光的频率大于极限频率时,光光电流的强度与入射光的强度成正比。电流的强度与入射光的强度成正比。光电子光电子:每秒钟逸出光电子数每秒钟逸出光电子数-决定光电流决定光电流I=Q/t=Ne/t 光电子逸出的最大初动能光电子逸出的最大初动能Ek=hv-hv0入射光入射光:频率频率-决定每个光子的能量决定每个光子的能量.强度强度-决定每秒钟光源发射的光电子数决定每秒钟光源发射的光电子数光电子光电子:光光 子子:l2光子说光子说在空间传播的光不是连续的，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的而是一份一份的,每一份叫做一个每一份叫做一个光子光子.光子的能量跟它的频率光子的能量跟它的频率成成正比正比,即即:E=h,式中的式中的h=6.6310-34js,是普朗克常量。是普朗克常量。l3爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程 根据能量守恒定律根据能量守恒定律,光电子的最大初光电子的最大初动能跟入射光子的能量动能跟入射光子的能量h和逸出功和逸出功w之之间有如下关系间有如下关系:这个方程叫爱因斯坦光电方程。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根据爱因斯坦的理论,当光子照射到物体上时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它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收,电子电子吸收光子的能量后吸收光子的能量后,它的能量立刻增加，不需要积它的能量立刻增加，不需要积累的过程，如果累的过程，如果h足够大足够大,电子就可以在瞬间离开电子就可以在瞬间离开物体表面逃逸出来物体表面逃逸出来,因此光电子的发射一般不超过因此光电子的发射一般不超过10-9秒秒.在这个过程中电子吸收的能量在这个过程中电子吸收的能量h,一部分用一部分用来克服原子引力脱离物体表面做逸出功来克服原子引力脱离物体表面做逸出功,一部分转一部分转化为光电子的最大初动能化为光电子的最大初动能.对于一定的金属来说对于一定的金属来说,逸逸出功出功w是一定的是一定的,所以光电子的最大初动能随着入射所以光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大光频率的增大而增大.如果入射光子的能量等于金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属的逸出功，它的频率就是极限频率,小于这个频小于这个频率就不能产生光电效应了率就不能产生光电效应了,那么极限频率那么极限频率l 0=W/hl 如果入射光比较强如果入射光比较强,即单位时间内入射光子的数即单位时间内入射光子的数目多目多,产生的光电子也多产生的光电子也多,所以光电流的强度与入射所以光电流的强度与入射光的强度成正比。光的强度成正比。5.光既具有波动性光既具有波动性,又具有粒子性又具有粒子性,也就是说光具有也就是说光具有波粒二象性。波粒二象性。但是接受光的波粒二象性但是接受光的波粒二象性,就要求我们就要求我们既不既不可以把光当成宏观观念中的波可以把光当成宏观观念中的波,也不可以把光当也不可以把光当成宏观观念中的粒子成宏观观念中的粒子.一般说来一般说来,大量光子大量光子产生产生的效果往往显示出的效果往往显示出波动性波动性,这种波动性可以看做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是表明大量光子运动规律的一种几率波.而而个别个别光子光子产生的效果往往显示出产生的效果往往显示出粒子性粒子性,这种粒子性这种粒子性体现在有能量、有动量体现在有能量、有动量,却没有静止质量却没有静止质量.6.物质波物质波:实物粒子同时具有波动性实物粒子同时具有波动性,这种波称为物质波这种波称为物质波,也叫德布罗意波。也叫德布罗意波。德布罗意波长：德布罗意波长：=h/p【典型例题】如图所示的双缝干涉装置,作为线光源的小缝S位于双缝 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。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。答案答案:B 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。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日