高中物理 第17章 波粒二象性 2 光的粒子性课件 新人教版选修3-5.ppt

2光的粒子性 情景导入 如图所示 把一块锌板连接在验电器上 用紫外线灯照射锌板 观察到验电器的指针发生了变化 这说明锌板带了电 你知道锌板是怎样带上电的吗 思维导图 一 二 三 填一填 练一练 四 一 光电效应的实验规律 见课本第31页 1 光电效应 照射到金属表面的光 能使金属中的电子从表面逸出的现象 2 光电子 光电效应中发射出来的电子 3 光电效应的实验规律 1 存在着饱和光电流 在光的颜色不变的情况下 入射光越强 饱和电流越大 这表明对于一定颜色的光 入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 2 存在着遏止电压和截止频率 光电子的最大初动能与入射光的频率有关 而与入射光的强弱无关 当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应 一 二 三 填一填 练一练 四 3 光电效应具有瞬时性 光电效应几乎是瞬时发生的 从光照射到产生光电流的时间不超过10 9s 4 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值 不同金属的逸出功不同 一 二 三 填一填 练一练 四 二 爱因斯坦的光子说与光电效应方程 见课本第32页 1 光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的 而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率为 的光的能量子为h 这些能量子被称为光子 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 表达式 h Ek W0或Ek h W0 2 物理意义 金属中电子吸收一个光子获得的能量是h 这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0 剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek 一 二 三 填一填 练一练 四 三 康普顿效应 见课本第35页 1 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 这种现象叫作光的散射 2 康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时 发现在散射的X射线中 除了与入射波长 0相同的成分外 还有波长大于 0的成分 这个现象称为康普顿效应 3 康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的粒子性的一面 一 二 三 填一填 练一练 四 四 光子的动量 见课本第35页 1 表达式 2 说明 在康普顿效应中 入射光子与晶体中电子碰撞时 把一部分动量转移给电子 光子的动量变小 因此 有些光子散射后波长变大 填一填 练一练 关于光电效应的规律 下面说法正确的是 A 当某种色光照射金属表面时 能产生光电效应 则入射光的频率越高 产生的光电子的最大初动能越大B 当某种色光照射金属表面时 能产生光电效应 则入射光的强度越大 产生的光电子数越多C 同一频率的光照射不同金属 如果都能产生光电效应 则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大D 对某金属 入射光波长必须等于小于某一极限波长 才能产生光电效应 填一填 练一练 解析 由光电效应规律知 对于某种金属 其逸出功是一个定值 当照射光的频率一定时 光子的能量是一定的 产生的光电子的最大初动能也是一定的 若提高照射光的频率 则产生的光电子最大初动能也将增大 要想使某种金属发生光电效应 必须使照射光的频率大于其极限频率 0 因刚好发生光电效应时 光电子的初动能为零 能发生光电效应 A D选项正确 填一填 练一练 同一频率的光照射到不同金属上时 因各种金属的逸出功不相同 产生的光电子的最大初动能也不相同 逸出功越小 电子摆脱金属的束缚也越容易 电子脱离金属表面时的初动能越大 C选项错误 若照射光的频率不变 对于特定的金属 增加光强 不会增加光电子的最大初动能 因频率不变时 入射光的光子能量不变 但由于光强的增加 入射光的光子数目增加 因而产生的光电子数目也随之增加 B选项正确 答案 ABD 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究一正确理解光电效应中的五组概念将锌板和验电器连在一起 然后用紫外线灯照射锌板 会发生一个奇妙的现象 验电器的金属箔片张开一个角度 这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了 为什么会这样呢 验电器上带何种电荷 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 1 光子与光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 其本质是电子 光照射金属是因 产生光电子是果 2 光电子的动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时 光子的能量全部被电子吸收 电子吸收了光子的能量 可能向各个方向运动 需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量 剩余部分为光电子的初动能 只有金属表面的电子直接向外飞出时 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初动能 光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 3 光子的能量与入射光的强度 光子的能量即每个光子的能量 其值为 h 为光子的频率 其大小由光的频率决定 入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量 入射光的强度等于单位时间内光子能量h 与入射光子数n的乘积 即光强等于nh 4 光电流和饱和光电流 金属板飞出的光电子到达阳极 回路中便产生光电流 随着所加正向电压的增大 光电流趋于一个饱和值 这个饱和值是饱和光电流 在一定的光照条件下 饱和光电流与所加电压大小无关 5 光的强度与饱和光电流 饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的 对于不同频率的光 由于每个光子的能量不同 饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 6 光电效应与经典电磁理论的矛盾 1 矛盾之一 遏止电压由入射光频率决定 与光的强弱无关按照光的经典电磁理论 光越强 光电子的初动能应该越大 所以遏止电压应与光的强弱有关 而实验表明 遏止电压由入射光的频率决定 与光强无关 2 矛盾之二 存在截止频率按照光的经典电磁理论 不管光的频率如何 只要光足够强 电子都可获得足够的能量从而逸出表面 不应存在截止频率 而实验表明 不同金属有不同的截止频率 入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应 3 矛盾之三 具有瞬时性按照光的经典电磁理论 如果光很弱 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 而实验表明 无论入射光怎样微弱 光电效应几乎是瞬时的 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 例题1 一束绿光照射某金属发生了光电效应 则下列说法正确的是 A 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子数增加B 若增加绿光的照射强度 则逸出的光电子最大初动能增加C 若改用紫光照射 则可能不会发生光电效应D 若改用紫光照射 则逸出的光电子的最大初动能增加解析 光电效应的规律表明 入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小 当入射光频率增加后 产生的光电子最大初动能也增加 而照射光的强度增加 会使单位时间内逸出的光电子数增加 又知紫光频率高于绿光 故选项正确的有A D 答案 AD 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 变式训练1一真空光电管的应用电路如图所示 其阴极金属材料的极限频率为4 5 1014Hz 则以下判断正确的是 A 发生光电效应时 电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B 发生光电效应时 电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C 用 0 5 m的光照射光电管时 电路中有光电流产生D 光照射时间越长 电路中的电流越大 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 解析 在光电管中若发生了光电效应 光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关 单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关 据此可判断选项A D错误 选项B正确 波长 0 5 m的光子的频率 6 1014Hz 4 5 1014Hz 可发生光电效应 选项C正确 答案 BC 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 变式训练2利用光电管研究光电效应实验如图所示 用频率为 的可见光照射阴极K 电流表中有电流通过 则 A 用紫外线照射 电流表不一定有电流通过B 用红外线照射 电流表一定无电流通过C 用频率为 的可见光照射阴极K 当滑动变阻器的滑片移到最右端时 电流表一定无电流通过D 用频率为 的可见光照射阴极K 当滑动变阻器的滑片向左端移动时 电流表示数可能不变 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 解析 因紫外线的频率比可见光的频率高 所以用紫外线照射 电流表一定有电流通过 选项A错误 因不知阴极K的极限频率 所以用红外线照射 可能发生光电效应 电流表可能有电流通过 选项B错误 由于发生了光电效应 即使A K间的电压UAK 0 电流表中也有电流通过 所以选项C错误 当滑动变阻器的滑片向左端移动时 阳极吸收光电子的能力增强 光电流会增大 当所有光电子都到达阳极时 电流达到最大 即饱和电流 若在移动前 电流已经达到饱和电流 那么再增大UAK 光电流也不会增大 所以选项D正确 答案 D 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究二爱因斯坦的光电效应方程用光照射光电管且能产生光电效应 如果给光电管加上反向电压 光电管中就没有电流了吗 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 1 光电效应方程 Ek h W0 其中Ek为光电子的最大初动能 W0为金属的逸出功 2 对方程的四点理解 1 公式中的是光电子的最大初动能 对某个光电子而言 其离开金属时剩余动能大小可以是范围内的任何数值 2 光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为 h 的光子被电子所吸收 电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引 另一部分就是电子离开金属表面时的动能 如果克服吸引力做功最少为W0 则电子离开金属表面时动能最大为 根据能量守恒定律可知 Ek h W0 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应 则光电子的最大初动能必须大于零 即Ek h W0 0 亦即恰好是金属的截止频率 4 Ek 曲线 如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率 的变化曲线 这里 横轴上的截距是截止频率 纵轴上的截距是逸出功的负值 斜率为普朗克常量 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 例题2 已知金属铯的逸出功为1 9eV 在光电效应实验中 要使铯表面发出的光电子的最大初动能为1 0eV 则入射光子的能量应为多大 入射光的波长是多少 解析 由爱因斯坦的光电效应方程Ek h W0得h Ek W0 1 0 1 9 eV 2 9eV 又因为 h c 答案 2 9eV4 3 10 7m 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 变式训练3实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率 的关系如图所示 下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功 参照下表可以确定的是 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 A 如用金属钨做实验得到的Ekm 图线也是一条直线 其斜率比图中直线的斜率大B 如用金属钠做实验得到的Ekm 图线也是一条直线 其斜率比图中直线的斜率大C 如用金属钠做实验得到的Ekm 图线也是一条直线 设其延长线与纵轴交点的坐标为 0 Ek2 则Ek2 Ek1D 如用金属钨做实验 当入射光的频率 1时 可能会有光电子逸出解析 由光电效应方程Ekm h W可知Ekm 图线是直线 且斜率相同 为h A B项错误 由表中所列的截止频率和逸出功数据可知C项正确 D项错误 答案 C 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 探究三 典例剖析 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究三光子说对康普顿效应的解释 1 康普顿效应说明了什么问题 2 为什么说康普顿效应反映了光子具有动量 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 X射线的光子与静止的电子发生弹性碰撞 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 因此频率减小 波长增大 同时 电子获得一定的动量 进一步说明了光的粒子性 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 例题3 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也有动量 图甲给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰后光子可能沿 选填 1 2 或 3 方向运动 并且波长 选填 不变 变短 或 变长 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 解析 因光子与电子的碰撞过程动量守恒 所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致 可见碰后光子可能沿1方向运动 光子与电子的竖直方向上动量的矢量和为零 不可能沿2或3方向 通过碰撞 光子将一部分能量转移给电子 能量减少 由 h 知 频率变小 再根据c 知 波长变长 答案 1变长 探究一 探究二 探究三 问题导引 名师精讲 典例剖析 1 2 3 4 5 1 下列对光子的认识 正确的是 A 光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的粒子B 光子说中的光子就是光电效应中的光电子C 在空间中传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫作一个光量子 简称光子D 光子的能量跟光的频率成正比解析 根据光子说 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫作一个光量子 简称光子 而牛顿的微粒说中的微粒指的是宏观世界的微小颗粒 光电效应中的光电子指的是金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚 逸出金属表面的粒子 故选项A B错误 选项C正确 由 h 知 光子能量 与其频率 成正比 故选项D正确 答案 CD 1 2 3 4 5 2 光电效应实验的装置如图所示 用弧光灯照射锌板 验电器指针张开一个角度 则下面说法中正确的是 A 用紫外光照射锌板 验电器指针会发生偏转B 用绿色光照射锌板 验电器指针会发生偏转C 锌板带的是负电荷D 使验电器指针发生偏转的是正电荷 1 2 3 4 5 解析 将擦得很亮的锌板连接验电器 用弧光灯照射锌板 弧光灯发出紫外线 验电器指针张开一个角度 说明锌板带了电 进一步研究表明锌板带正电 这说明在紫外光的照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出来 锌板中缺少电子 于是带正电 选项A D正确 绿光不能使锌板发生光电效应 答案 AD 1 2 3 4 5 3 康普顿散射的主要特征是 A 散射光的波长与入射光的波长全然不同B 散射光的波长有些与入射光的相同 但有些变短了 散射角的大小与散射波长无关C 散射光的波长有些与入射光的相同 但也有变长的 也有变短的D 散射光的波长有些与入射光的相同 有些散射光的波长比入射光的波长长些 且散射光波长的改变量与散射角的大小有关解析 光子和电子相碰撞 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 散射角不同 能量减少情况不同 散射光的波长也有所不同 故只有选项D正确 答案 D 1 2 3 4 5 4 在做光电效应的实验时 某金属被光照射发生了光电效应 实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率 的关系如图所示 由实验图象可求出 A 该金属的极限频率和极限波长B 普朗克常量C 该金属的逸出功D 单位时间内逸出的光电子数 1 2 3 4 5 解析 金属中电子吸收光子的能量为h 根据爱因斯坦光电效应方程有Ek h W0 任何一种金属的逸出功W0一定 说明Ek随 的变化而变化 且是线性关系 所以直线的斜率等于普朗克常量 直线与横轴的截距OA表示Ek 0时的频率 0 即该金属的极限频率 根据h 0 W0 0 求得逸出功W0 h 0 已知极限频率 根据波速公式可求出极限波长 由Ek 图象并不能知道在单位时间内逸出的光子数 答案 ABC 1 2 3 4 5 5 选做题 若一个光子的能量等于一个电子的静止能量 试问该光子的动量和波长是多少 电子的静止能量为m0c2 解析 一个电子的静止能量为m0c2 由题意知h m0c2