2019-2020学年高中物理第十七章波粒二象性2光的粒子性课件新人教版选修3 .ppt

2光的粒子性 一 光电效应的实验规律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 饱和电流就越大 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 3 光电效应具有瞬时性 光电效应几乎是瞬间发生的 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 二 爱因斯坦的光子说与光电效应方程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 三 康普顿效应和光子的动量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 这种现象叫做光的散射 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 4 光子的动量 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 自我检测1 思考辨析 1 同一频率的光照射不同金属 如果都能产生光电效应 则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 解析 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 答案 2 康普顿散射的主要特征是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 答案 3 经典物理学理论不能合理解释康普顿效应 答案 4 不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时 光电子的最大初动能相同 解析 由于同一金属的逸出功相同 而不同频率的光的光子能量不同 由光电效应方程可知 发生光电效应时 逸出的光电子的最大初动能是不同的 答案 5 发生光电效应时 电路中饱和电流的大小取决于入射光的强度 答案 2 探究讨论 1 怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程 答案 爱因斯坦光电效应方程中的h 是入射光子的能量 逸出功W0是光子飞出金属表面消耗的能量 Ek是光子的最大初动能 因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律 2 太阳光从小孔射入室内时 我们从侧面可以看到这束光 白天的天空各处都是亮的 宇航员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目 其他方向的天空却是黑的 为什么 答案 在地球上存在着大气 太阳光经微粒散射后传向各个方向 而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播 探究一 探究二 光电效应的实验规律问题探究当我们走到有自动门的处所时 在光电池电子眼探测到我们到来时 门就会自动打开 这种传感器可以对光做出响应 当光的强度变化时 传感器产生的电流大小将发生改变 与相应的电路耦合 就可以触发将门打开 你知道其中的道理吗 要点提示 这种传感器代表了光电效应的一种应用 当发生光电效应时 光照在金属上是电子从金属中飞出 这种现象在1839年在法国第一次被发现 而由爱因斯坦第一个给出了合理的解释并将其理论化 他阐明了光有粒子流似的行为 探究三 探究一 探究二 归纳总结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 探究三 探究一 探究二 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 探究三 探究一 探究二 6 光电效应现象存在遏止电压和截止频率 当所加电压U为0时 电流I并不为0 只有施加反向电压 也就是阴极接电源正极 阳极接电源负极 在光电管两极间形成使电子减速的电场 电流才有可能为0 使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压 遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度 当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出 但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应 对于某种金属材料 只有当入射光的频率大于某一频率 c时 电子才能从金属表面逸出 形成光电流 当入射光的频率小于 c时 即使不施加反向电压也没有光电流 这表明没有光电子逸出 这一频率 c称为截止频率或极限频率 截止频率与阴极材料有关 不同的金属材料的 c一般不同 如果入射光的频率 小于截止频率 c 那么 无论入射光的光强多大 都不能产生光电效应 探究三 探究一 探究二 7 光电效应几种图象的对比 探究三 探究一 探究二 探究三 探究一 探究二 8 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 探究三 探究一 探究二 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 探究三 探究一 探究二 典例剖析 例题1 多选 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 探究三 探究一 探究二 规律总结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 能否发生光电效应与入射光的强弱无关 探究三 探究一 探究二 变式训练1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 探究三 探究一 探究二 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 探究三 探究一 探究二 爱因斯坦的光电效应方程问题探究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 要点提示 由于光电子具有一定的动能 当所加的电压较小时 光电管中仍然有电流 当电压大于遏止电压时 电路中无电流 探究三 探究一 探究二 知识归纳1 光电效应的四个规律 1 任何一种金属都有一个截止频率 c 入射光的频率必须大于 c 才能产生光电效应 与入射光的强度及照射时间无关 2 光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只与入射光的频率有关 3 当产生光电效应时 单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关 4 光电效应几乎是瞬时的 发生的时间一般不超过10 9s 探究三 探究一 探究二 2 光电效应方程的理解与应用 1 光电效应方程实质上是能量守恒方程能量为E h 的光子被电子吸收 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Ek 根据能量守恒定律可知 Ek h W0 2 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 探究三 探究一 探究二 3 Ekm 曲线右图是光电子最大初动能Ekm随入射光频率 的变化曲线 这里 横轴上的截距是截止频率或极限频率 纵轴上的截距是逸出功的负值 斜率为普朗克常量 探究三 探究一 探究二 4 光电效应规律中的两条线索 两个关系 2 两个关系 光照强 光子数目多 发射光电子多 光电流大 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 探究三 探究一 探究二 特别提醒 1 逸出功和截止频率均由金属本身决定 与其他因素无关 2 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大 但不是正比关系 探究三 探究一 探究二 典例剖析 例题2 如图所示 当开关K断开时 用光子能量为2 5eV的一束光照射阴极P 发现电流表读数不为零 合上开关 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于0 60V时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60V时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 A 1 9eVB 0 6eVC 2 5eVD 3 1eV 思考问题 如何求解光电子的最大初动能 提示 利用电场力做功公式W eUc 解析 由题意知光电子的最大初动能为Ek eUc 0 60eV 所以根据光电效应方程Ek h W0可得W0 h Ek 2 5 0 6 eV 1 9eV 答案 A规律总结光电子克服电场力做功 动能减少 电势能增加 探究三 探究一 探究二 变式训练2 多选 某金属在光的照射下 光电子最大初动能Ek与入射光频率 的关系图象如图所示 由图象可知 A 该金属的逸出功等于EB 该金属的逸出功等于h 0C 入射光的频率为 0时 产生的光电子的最大初动能为ED 入射光的频率为2 0时 产生的光电子的最大初动能为2E解析 题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率 的关系 根据爱因斯坦光电效应方程Ek h W0 知当入射光的频率恰为该金属的截止频率 0时 光电子的最大初动能Ek 0 此时有h 0 W0 即该金属的逸出功等于h 0 选项B正确 根据图线的物理意义 有W0 E 故选项A正确 而选项C D错误 答案 AB 探究三 探究一 探究二 探究三 康普顿效应问题探究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 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 在原子物理学中 康普顿散射 或称康普顿效应 是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用 因失去能量而导致波长变长的现象 康普顿效应说明了什么 要点提示 康普顿效应表明 光子除了具有能量之外还有动量 说明光具有粒子性 探究一 探究二 探究三 知识归纳1 光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面 前者表明光子具有能量 后者表明光子除了具有能量之外还有动量 探究一 探究二 探究三 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 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰后光子可能沿方向运动 并且波长 选填 不变 变短 或 变长 思考问题 解决问题的思路与方法是什么 提示 根据碰撞过程中动量 能量均守恒以及动量是矢量分析此题 探究一 探究二 探究三 解析 因光子与电子在碰撞过程中动量守恒 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 可见碰后光子运动的方向可能沿1方向 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E 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 规律总结对康普顿效应的三点认识 1 光电效应主要用于电子吸收光子的问题 而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题 2 假定X射线光子与电子发生弹性碰撞 光子和电子相碰撞时 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 3 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性 也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性 探究一 探究二 探究三 变式训练3科学研究证明 光子有能量也有动量 当光子与电子碰撞时 光子的一些能量转移给了电子 假设光子与电子碰撞前的波长为 碰撞后的波长为 则碰撞过程中 A 能量守恒 动量守恒 且 B 能量不守恒 动量不守恒 且 C 能量守恒 动量守恒 且 解析 光子与电子碰撞过程中 能量守恒 动量也守恒 因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子 光子的能量减少 由E 可知 光子的波长增大 即 故C正确 答案 C 1 2 3 4 5 1 当用一束紫外线照射锌板时 产生了光电效应 这时 A 锌板带负电B 有正离子从锌板逸出C 有电子从锌板逸出D 锌板会吸附空气中的正离子解析 当用一束紫外线照射锌板时 产生了光电效应 有电子从锌板逸出 锌板带正电 选项C正确 A B D错误 答案 C 1 2 3 4 5 2 用某种单色光照射某种金属表面 发生光电效应 现将该单色光的光强减弱 则下列说法中正确的是 光电子的最大初动能不变 光电子的最大初动能减小 单位时间内产生的光电子数减少 可能不发生光电效应A B C D 解析 由光电效应规律知 光电子的最大初动能由入射光的频率和金属的逸出功共同决定 与入射光的强度无关 故 正确 单位时间内产生的光电子数与入射光的强度成正比 光强减弱 则单位时间内产生的光电子数减少 即 也正确 答案 A 1 2 3 4 5 3 某单色光照射某金属时不能产生光电效应 则下述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 增大光的强度C 换用波长较短的光照射D 换用频率较低的光照射解析 光照射金属时能否产生光电效应 取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率 与入射光的强度和照射时间无关 故选项A B D均错误 又因 所以选项C正确 答案 C 1 2 3 4 5 4 下列说法中正确的是 A 光子射到金属表面时 可能有电子发出B 光子射到金属表面时 一定有电子发出C 电子轰击金属表面时 可能有光子发出D 电子轰击金属表面时 一定没有光子发出解析 光的频率需达到一定值时照射到金属表面才会有电子发出 电子如果能量不够大 轰击金属表面就不会有光子发出 因此 选A C 答案 AC 1 2 3 4 5 5 多选 右图是光电效应中光电子的最大初动能Ek与入射光频率 的关系图象 从图中可知 A Ek与 成正比B 入射光频率必须高于或等于极限频率 c时 才能产生光电效应C 对同一种金属而言 Ek仅与 有关D Ek与入射光强度成正比解析 由Ek h W0知B C正确 A D错误 答案 BC