高中物理 第17章 第2节 光的粒子性课件 新人教版选修3-5.ppt

第十七章波粒二象性 第2节光的粒子性 栏目链接 学习目标 1 了解光电效应及其实验规律 感受以实验为基础的科学研究方法 2 知道爱因斯坦光电效应方程及其意义 感受科学家在面对科学疑难时的创新精神 3 了解康普顿效应及其意义 栏目链接 1 光电效应现象 如下图所示 用弧光灯照射锌板 与锌板相连的验电器就带正电 即锌板也带正电 这说明锌板在光的照射下发射出了电子 栏目链接 1 定义 在光的照射下物体发射出电子的现象 叫作光电效应 发射出来的电子叫作光电子 2 研究光电效应的实验装置 如下图所示 阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极 K在受到光照时能够发射光电子 电源加在K与A之间的电压大小可以调整 正负极也可以对调 栏目链接 2 光电效应的规律 1 光电效应的实验结果 首先在入射光的强度与频率不变的情况下 IU的实验曲线如下图所示 曲线表明 当加速电压U增加到一定值时 光电流达到饱和值Im 这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A 若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n 则饱和电流Im ne 式中e为电子电荷量 另一方面 当电压U减小到零 并开始反向时 光电流并没有降为零 这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能 所以尽管有电场阻碍它运动 仍有部分光电子到达阳极A 但是当反向电压等于Uc时 就能阻止所有的光电子飞向阳极A 使光电流降为零 这个电压叫遏止电压 它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A 如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差 那么我们就能根据遏止电压Uc来确定电子的最大速度vm和最大动能 即 eUc 在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时 得到的IU曲线如图甲所示 它显示出对于不同强度的光 Uc是相同的 这说明同频率 不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的 此外 用不同频率的光去照射阴极K时 实验结果是 频率越高 Uc越大 如图乙所示 并且 与Uc呈线性关系 如图丙所示 频率低于 c的光 不论强度多大 都不能产生光电子 因此 c称为截止频率 对于不同的材料 截止频率不同 2 光电效应的实验规律 饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比 也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比 见图甲 光电子的最大初动能 或遏止电压 与入射光线的强度无关 见图甲 图中Io1 Io2 Io3表示入射光强度 而只与入射光的频率有关 频率越高 光电子的初动能就越大 见图乙 频率低于 c的入射光 无论光的强度多大 照射时间多长 都不能使光电子逸出 光的照射和光电子的逸出几乎是同时的 在测量的精度范围内 s 观察不出这两者间存在滞后现象 尝试应用1 如图所示 用导线将验电器与洁净锌板连接 触摸锌板使验电器指针归零 用紫外线照射锌板 验电器指针发生明显偏转 接着用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板 发现验电器指针张角减小 此现象说明锌板带 电 选填 正 或 负 若改用红外线重复以上实验 结果发现验电器指针根本不会偏转 说明金属锌的极限频率 选填 大于 或 小于 红外线的频率 解析 紫外线照射锌板后 与锌板相连的验电器指针发生明显偏转 可知锌板带电 毛皮摩擦过的橡胶棒带负电 橡胶棒与锌板接触 验电器指针张角变小 说明锌板上的电荷与橡胶棒上的电荷电性相反 由此可判断锌板带正电 金属要发生光电效应 入射光的频率必须大于金属的极限频率 本题中用红外线照射锌板 验电器指针不偏转 说明没发生光电效应 因此可判断锌的极限频率大于红外线的频率 答案 正大于 栏目链接 1 解释光电效应中的疑难 1 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值 用W0表示 不同金属的逸出功不同 2 光电效应与光的电磁理论的矛盾 矛盾之一 光的能量与频率有关 而不像波动理论中应由振幅决定 按光的波动理论 不论光的频率如何 只要照射时间足够长或光的强度足够大就可以产生光电效应 但实验结果表明 栏目链接 产生光电效应的条件却是入射光频率大于某一极限频率 且光电效应的最大初动能与入射光频率成线性关系 均与光的强度无关 根据能量的观点 电子要从物体中飞出 必须使之具有一定的能量 而这一能量只能来源于照射光 为什么实验表明发射电子的能量与照射光的强度无关 而与光的频率有关 这个问题曾使物理界大为困惑 使经典的光的波动理论面临挑战 矛盾之二 光电效应产生的时间极短 电子吸收光的能量是瞬时完成的 而不像波动理论所预计的那样可能逐渐积累 当一束很细的光照射到物体上时 它的能量将分布到大量的原子上 怎么可能在极短时间内把足够的能量集中到电子上而使之从物体中飞出 栏目链接 2 爱因斯坦的光电效应方程 1 光子说 爱因斯坦于1905年提出 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫作一个光子 光子的能量跟它的频率成正比 即 h 式中h叫普朗克常量 h 6 63 J s 2 光电效应方程 Ekm h W0 其中Ekm 为光电子的最大初动能 W0为金属的逸出功 注意要正确理解光电效应方程 栏目链接 式中Ekm是光电子的最大初动能 就某个光电子而言 其离开金属时的动能大小可以是0 Ekm范围内的任何数值 光电效应方程表明 光电子的最大初动能与入射光的频率 呈线性关系 注意不是正比关系 与光强无关 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 即 光电效应方程实质上是能量守恒方程 逸出功W0 电子从金属中逸出所需要的克服束缚而消耗的能量的最小值 叫作金属的逸出功 光电效应中 从金属表面逸出的电子消耗能量最少 栏目链接 3 光子说对光电效应规律的解释 1 由于光的能量是一份一份的 那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量 而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为 如果光的频率低于极限频率 则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚 就不能发生光电效应 2 而当光的频率高于极限频率时 能量传递给电子以后 电子摆脱束缚要消耗一部分能量 剩余的能量以光电子的动能形式存在 这样光电子的最大初动能Ekm mvm2 h W0 其中W0为金属的逸出功 因此光的频率越高 电子的初动能越大 栏目链接 3 电子接收能量的过程极其短暂 接收能量后的瞬间即挣脱束缚 所以光电效应的发生也几乎是瞬间的 4 发生光电效应时 单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比 光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多 那么逸出的光电子数目也就越多 尝试应用2 用同一束单色光 在同一条件下 先后照射锌片和银片 都能产生光电效应 在这两个过程中 对下列四个物理量来说 一定相同的是 可能相同的是 一定不相同的是 A 光子的能量B 金属的逸出功C 光电子的初动能D 光电子的最大初动能解析 光子的能量由光的频率决定 同一束单色光频率相同 因而光子能量相同 逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功 因此只由材料决定 锌片和银片的光电效应中 光电子的逸出功一定不相同 由Ek h W0 照射光子能量k 相同 逸出功W0不同 则电子最大初动能不同 由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同 途中损失的能量也不同 因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间 所以 在两个不同光电效应的光电子中 初动能是可能相等的 答案 ACBD 1 光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用 光的传播方向发生改变的现象叫作光的散射 2 康普顿效应 在散射线中 除有与入射波长相同的射线外 还有波长比入射线波长更长的射线 人们把这种波长变化的现象叫作康普顿效应 Comptoneffect 栏目链接 3 光子说对康普顿效应的解释 假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞 这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似 按照爱因斯坦的光子说 一个X射线光子不仅具有能量 h 而且还有动量 如下图所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 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 光子还使电子获得一定的动量 这样就圆满地解释了康普顿效应 尝试应用3 多选 关于康普顿效应 下列说法正确的是 BCD A 康普顿在研究X射线散射时 发现散射光的波长发生了变化 为波动说提供了依据B X射线散射时 波长改变的多少与散射角有关C 发生散射时 波长较短的X射线或 射线入射时 产生康普顿效应D 爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应 所以康普顿效应支持粒子说 解析 美国物理学家康普顿在研究X射线散射时 发现散射光波长发生了变化 这种现象用波动说无法理解 用光子说却可以解释 A错 波长改变的多少与散射角有关 B对 当波长较短时发生康普顿效应 较长时发生光电效应 C对 D对 用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应 可能使该金属产生光电效应的措施是 A 改用频率更小的紫外线照射B 改用X射线照射C 改用强度更大的原紫外线照射D 延长原紫外线的照射时间 审题指导 要产生光电效应 根据光电效应的条件必须用能量更大 即频率更高的粒子 解析 根据光电效应的条件 o 要产生光电效应 必须用能量更大 即频率更高的粒子 能否发生光电效应与光的强度和照射时间无关 X射线的频率大于紫外线的频率 故A C D错误 B正确 答案 B点评 解决本题的关键掌握光电效应的条件及各种电磁波的频率大小关系 变式训练1 多选 如图所示的光电管的实验中 发现用一定频率的A单色光照射光电管时 电流表指针会发生偏转 而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应 那么 AC A A光的频率大于B光的频率B B光的频率大于A光的频率C 用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向bD 用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a解析 根据光电效应的条件可知 A光的频率高于极限频率 c B光的频率小于极限频率 c 故A光的频率大于B光的频率 A项正确 光电管工作时光电子从阴极 右侧 飞向阳极 左侧 由此可知 电路中的电流为a b 即C项正确 2014 广东卷 多选 在光电效应实验中 用频率为 的光照射光电管阴极 发生了光电效应 下列说法正确的是 A 增大入射光的强度 光电流增大B 减小入射光的强度 光电效应现象消失C 改变频率小于 的光照射 一定不发生光电效应D 改变频率大于 的光照射 光电子的最大初动能变大 审题指导 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率 与入射光的强度无关 根据光电效应方程判断影响光电子最大初动能的因素 解析 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率 能否发生光电效应 与入射光的强度无关 与光照时间也无关 当发生光电效应时 增大入射光的强度 则光电流会增大 故A正确 入射光的频率大于金属的极限频率 才会发生电效应 与入射光的强度无关 故B错误 光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率 当改变频率小于 但不一定小于极限频率 故C错误 在光电效应中 根据光电效应方程知 Ekm h W0 入射光的频率越高 光电子最大初动能越大 故D正确 答案 AD 变式训练2 2014 上海卷 在光电效应的实验结果中 与光的波动理论不矛盾的是 C A 光电效应是瞬时发生的B 所有金属都存在极限颇率C 光电流随着入射光增强而变大D 入射光频率越大 光电子最大初动能越大 解析 光具有波粒二象性 即既具有波动性又具有粒子性 光电效应证实了光的粒子性 因为光子的能量是一份一份的 不能积累 所以光电效应具有瞬时性 这与光的波动性矛盾 A项错误 同理 因为光子的能量不能积累 所以只有当光子的频率大于金属的极限频率时 才会发生光电效应 B项错误 光强增大时 光子数量和能量都增大 所以光电流会增大 这与波动性无关 C项正确 一个光电子只能吸收一个光子 所以入射光的频率增大 光电子吸收的能量变大 所以最大初动能变大 D项错误 白天的天空各处都是亮的 是大气分子对太阳光散射的结果 美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖 假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后 电子向某一个方向运动 光子沿另一方向散射出去 则这个散射光子跟原来的光子相比 A 频率变大B 速度变小C 光子能量变大D 波长变长 变式训练3 一个沿着一定方向运动的光子和一个原来静止的自由电子相互碰撞 碰撞之后电子向某一方向运动 而光子沿着另一方向散射出去 则这个散射光子跟原来入射时相比 A A 散射光子的能量减少B 光子的能量增加 频率也增大C 速度减小D 波长减小解析 由于光子既具有能量 也具有动量 因此在碰撞过程中遵循能量守恒定律 所以光子能量减少 频率减小 波长增大