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1、光的粒子性课件新人教选修现在学习的是第1页，共37页现在学习的是第2页，共37页光的本性光的本性1672T/年年1690186419051801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应牛顿微粒说占牛顿微粒说占主导地位主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理.现在学习的是第3页，共37页现在学习的是第4页，共37页当光线照射在金属表面时，金属中有电子当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电逸出的电子称为子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电
2、流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 现在学习的是第5页，共37页实验装置实验装置现在学习的是第6页，共37页现在学习的是第7页，共37页实验发现以下规律：实验发现以下规律：存在着饱和电流存在着饱和电流实验表明：入射光越强，单位时实验表明：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多；间内发射的光电子数越多；入射光越强，饱和光电流越大。入射光越强，饱和光电流越大。现在学习的是第8页，共37页把电源正负极反接把电源正负极反接同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。同一频率光照射，不管光强如何，遏止电压都相同。光照频率越高，遏止电压越高。光照频率越高，遏止电压越高。存在着遏止电压和截止频率
3、存在着遏止电压和截止频率光电子的能量只与入射光的频率有关。入射光的频率低于截光电子的能量只与入射光的频率有关。入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。止频率时不能发生光电效应。现在学习的是第9页，共37页光电效应具有瞬时性光电效应具有瞬时性当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。金属时立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间不超过精确测量表明产生电流的时间不超过10109 9 秒秒，即，即光电光电效应几乎是瞬时的。效应几乎是瞬时的。现在学习的是第10页，共37页 按照光的电磁理论，应得出以下结论：按照光
4、的电磁理论，应得出以下结论：光越光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应应与光的强弱有关与光的强弱有关 ；不管光的频率如何，只要光足不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率存在截止频率 ；如果光很弱，按经典电磁理论估如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出算，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，这个时间远远大于表面所需的能量，这个时间远远大于10-9 S。 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经以上三
5、个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。典的波动理论来解释光电效应。现在学习的是第11页，共37页1.1.光子说光子说( (爱因斯坦于爱因斯坦于19051905年提出年提出) ) 在空间传播的光不是连续的而是一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。的能量跟它的频率成正比。即即:E:Eh h ， 表示光的频率，表示光的频率，h h 叫普朗克常量，叫普朗克常量，h h6.636.631010-34-34焦耳秒焦耳秒现在学习的是第12页，共37页2.2.光电效应方程光电效应方程逸出功：逸出
6、功：金属表面上的电子逸出金属表面上的电子逸出时要克服金属原子核的引力所做功时要克服金属原子核的引力所做功的最小值。不同金属的最小值。不同金属, ,其逸出功不同其逸出功不同。有：有：W0= h0光电效应方程：光电效应方程：EkhW0现在学习的是第13页，共37页3.3.爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释爱因斯坦光电效应方程对实验结论的解释EkhW00EKW00解释截止频率解释截止频率解释饱和光电流解释饱和光电流解释瞬时性解释瞬时性现在学习的是第14页，共37页 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效 应的应的实验规律实验规律, ,荣获荣获192
7、11921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应光电效应”实实验，结果在验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完的值与理论值完全一致，又一次证明了全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。现在学习的是第15页，共37页爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效应光电效应的
8、理论解释和对的理论解释和对理论物理理论物理学学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光光电效应电效应，特别是通过著名的油，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位滴实验，证明电荷有最小单位。获得获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖现在学习的是第16页，共37页例题：由密立根实验例题：由密立根实验(Uc和和v的关系的关系)计算普朗克常量计算普朗克常量很难测很难测Ek ，怎样改成，怎样改成Uc与与v、W0关系？关系？ 提示提示：Ek = eUc 现在学习的是第17页，共37页由图象求参数的方法：由图象求参数的
9、方法：电源电动势和内阻（直接电源电动势和内阻（直接求参数）求参数）用单摆测重力加速度（用用单摆测重力加速度（用图象求平均值）图象求平均值） 现在学习的是第18页，共37页 利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性利用光电效应中光电流与入射光强成正比的特性, ,可以制造可以制造光电转换器光电转换器实现光信号与电信号之间的相互转换。这实现光信号与电信号之间的相互转换。这些些光电转换器光电转换器如光电管如光电管(photoelement)(photoelement)等，广泛应用于光功等，广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多
10、方面。现在学习的是第19页，共37页光电倍增管光电倍增管(photomultiplier)(photomultiplier)是把光信号变为电信号的常用是把光信号变为电信号的常用器件。器件。 当光照射到阴极当光照射到阴极 k k 使它发射光电子，这光电子在电压作用下加使它发射光电子，这光电子在电压作用下加速轰击第一阴极速轰击第一阴极k k1 1，使之又发射次级光电子，这些次级光电子再被，使之又发射次级光电子，这些次级光电子再被加速轰击第二阴极加速轰击第二阴极k k2 ,. 2 ,. 如此继续下去，利用如此继续下去，利用10101515个次阴极个次阴极，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射光，
11、将转变成放大，可将光电流放大几百万倍。即一束微弱的入射光，将转变成放大了的光电流，可以通过电流计显示出来。了的光电流，可以通过电流计显示出来。现在学习的是第20页，共37页1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生因而传播方向发生改变改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角比入射线波
12、长更长的射线，其波长的改变量与散射角有有关，而与入射线波长关，而与入射线波长 和散射物质都无关和散射物质都无关。现在学习的是第21页，共37页3.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 现在学习的是第22页，共37页 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！现在学习的是第23页，共37页康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a.除原
13、波长除原波长 0外出现了移向长波外出现了移向长波方向的新的散射波长方向的新的散射波长 。 b.新波长新波长 随散射角的增大而增随散射角的增大而增大。大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称为为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. . 0 现在学习的是第24页，共37页称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1 (j j c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显著，可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用因此要用X射线才能
14、观察到射线才能观察到康普顿散射，用可见光观康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）现在学习的是第25页，共37页现在学习的是第26页，共37页 现在学习的是第27页，共37页a.a.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； b.b.首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；c.c.证实了证实
15、了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。现在学习的是第28页，共37页康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1
16、927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家1927现在学习的是第29页，共37页19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，d.吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射
17、线散射实验。射线散射实验。0120 j j（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训现在学习的是第30页，共37页2mcE hchcchmcP2hE 2chm现在学习的是第31页，共37页hE hP动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的现在学习的是第32页，共37页1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电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照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，度，如图所示，这时这时( )(
18、)A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习现在学习的是第33页，共37页2.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生光一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是电效应的是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习现在学习的是第34页，共37页练习练习B现在学习的是第35页，共37页练习练习3现在学习的是第36页，共37页练习练习D现在学习的是第37页，共37页