2019-2020學年高中物理 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性課件 新人教版選修3-5.ppt

2光的粒子性 一 光電效應的實驗規(guī)律1 光電效應 照射到金屬表面的光 能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象 2 光電子 光電效應中發(fā)射出來的電子 3 光電效應的實驗規(guī)律 1 存在著飽和光電流 在光的顏色不變的情況下 入射光越強 飽和電流就越大 這表明對于一定顏色的光 入射光越強 單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多 2 存在著遏止電壓和截止頻率 光電子的最大初動能與入射光的頻率有關 而與入射光的強弱無關 當入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應 3 光電效應具有瞬時性 光電效應幾乎是瞬間發(fā)生的 從光照射到產(chǎn)生光電流的時間不超過10 9s 4 逸出功 使電子脫離某種金屬所做功的最小值 不同金屬的逸出功不同 二 愛因斯坦的光子說與光電效應方程1 光子說 光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的 而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的 頻率為 的光的能量子為h 這些能量子被稱為光子 2 愛因斯坦的光電效應方程 1 表達式 h Ek W0或Ek h W0 2 物理意義 金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是h 這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W0 剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek 三 康普頓效應和光子的動量1 光的散射 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用 因而傳播方向發(fā)生改變 這種現(xiàn)象叫做光的散射 2 康普頓效應 美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時 發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中 除了與入射波長 0相同的成分外 還有波長大于 0的成分 這個現(xiàn)象稱為康普頓效應 3 康普頓效應的意義 康普頓效應表明光子除了具有能量之外 還具有動量 深入揭示了光的粒子性的一面 4 光子的動量 2 說明 在康普頓效應中 入射光子與晶體中電子碰撞時 把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子 光子的動量變小 因此 有些光子散射后波長變大 自我檢測1 思考辨析 1 同一頻率的光照射不同金屬 如果都能產(chǎn)生光電效應 則逸出功越大的金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能也越大 解析 同一頻率的光照射到不同金屬上時 因各種金屬的逸出功不相同 產(chǎn)生的光電子的最大初動能也不相同 逸出功越小 電子擺脫金屬的束縛也越容易 電子脫離金屬表面時的初動能越大 答案 2 康普頓散射的主要特征是散射光的波長有些與入射光的相同 有些散射光的波長比入射光的波長長些 且散射光波長的改變量與散射角的大小有關 解析 光子和電子相碰撞 光子有一部分能量傳給電子 散射光子的能量減少 于是散射光的波長大于入射光的波長 散射角不同 能量減少情況不同 散射光的波長也有所不同 答案 3 經(jīng)典物理學理論不能合理解釋康普頓效應 答案 4 不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應時 光電子的最大初動能相同 解析 由于同一金屬的逸出功相同 而不同頻率的光的光子能量不同 由光電效應方程可知 發(fā)生光電效應時 逸出的光電子的最大初動能是不同的 答案 5 發(fā)生光電效應時 電路中飽和電流的大小取決于入射光的強度 答案 2 探究討論 1 怎樣從能量守恒角度理解愛因斯坦光電效應方程 答案 愛因斯坦光電效應方程中的h 是入射光子的能量 逸出功W0是光子飛出金屬表面消耗的能量 Ek是光子的最大初動能 因此愛因斯坦光電效應方程符合能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律 2 太陽光從小孔射入室內(nèi)時 我們從側(cè)面可以看到這束光 白天的天空各處都是亮的 宇航員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目 其他方向的天空卻是黑的 為什么 答案 在地球上存在著大氣 太陽光經(jīng)微粒散射后傳向各個方向 而在太空中的真空環(huán)境下光不再散射只向前傳播 探究一 探究二 光電效應的實驗規(guī)律問題探究當我們走到有自動門的處所時 在光電池電子眼探測到我們到來時 門就會自動打開 這種傳感器可以對光做出響應 當光的強度變化時 傳感器產(chǎn)生的電流大小將發(fā)生改變 與相應的電路耦合 就可以觸發(fā)將門打開 你知道其中的道理嗎 要點提示 這種傳感器代表了光電效應的一種應用 當發(fā)生光電效應時 光照在金屬上是電子從金屬中飛出 這種現(xiàn)象在1839年在法國第一次被發(fā)現(xiàn) 而由愛因斯坦第一個給出了合理的解釋并將其理論化 他闡明了光有粒子流似的行為 探究三 探究一 探究二 歸納總結(jié)1 光子與光電子 光子指光在空間傳播時的每一份能量 光子不帶電 光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子 其本質(zhì)是電子 光照射金屬是因 產(chǎn)生光電子是果 2 光電子的動能與光電子的最大初動能 光照射到金屬表面時 光子的能量全部被電子吸收 電子吸收了光子的能量 可能向各個方向運動 需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量 剩余部分為光電子的初動能 只有金屬表面的電子直接向外飛出時 只需克服原子核的引力做功 才具有最大初動能 光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能 探究三 探究一 探究二 3 光子的能量與入射光的強度 光子的能量即每個光子的能量 其值為 h 為光子的頻率 其大小由光的頻率決定 入射光的強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量 入射光的強度等于單位時間內(nèi)光子能量h 與入射光子數(shù)n的乘積 即光強等于nh 4 光電流和飽和光電流 金屬板飛出的光電子到達陽極 回路中便產(chǎn)生光電流 隨著所加正向電壓的增大 光電流趨于一個飽和值 這個飽和值是飽和光電流 在一定的光照條件下 飽和光電流與所加電壓大小無關 5 光的強度與飽和光電流 飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的 對于不同頻率的光 由于每個光子的能量不同 飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系 探究三 探究一 探究二 6 光電效應現(xiàn)象存在遏止電壓和截止頻率 當所加電壓U為0時 電流I并不為0 只有施加反向電壓 也就是陰極接電源正極 陽極接電源負極 在光電管兩極間形成使電子減速的電場 電流才有可能為0 使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓 遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度 當光照射在金屬表面時有電子從金屬表面逸出 但并不是任何頻率的入射光都能引起光電效應 對于某種金屬材料 只有當入射光的頻率大于某一頻率 c時 電子才能從金屬表面逸出 形成光電流 當入射光的頻率小于 c時 即使不施加反向電壓也沒有光電流 這表明沒有光電子逸出 這一頻率 c稱為截止頻率或極限頻率 截止頻率與陰極材料有關 不同的金屬材料的 c一般不同 如果入射光的頻率 小于截止頻率 c 那么 無論入射光的光強多大 都不能產(chǎn)生光電效應 探究三 探究一 探究二 7 光電效應幾種圖象的對比 探究三 探究一 探究二 探究三 探究一 探究二 8 光電效應與經(jīng)典電磁理論的矛盾 1 矛盾之一 遏止電壓由入射光頻率決定 與光的強弱無關按照光的經(jīng)典電磁理論 光越強 光電子的初動能應該越大 所以遏止電壓應與光的強弱有關 而實驗表明 遏止電壓由入射光的頻率決定 與光強無關 2 矛盾之二 存在截止頻率按照光的經(jīng)典電磁理論 不管光的頻率如何 只要光足夠強 電子都可獲得足夠的能量從而逸出表面 不應存在截止頻率 而實驗表明 不同金屬有不同的截止頻率 入射光頻率大于截止頻率時才會發(fā)生光電效應 3 矛盾之三 具有瞬時性按照光的經(jīng)典電磁理論 如果光很弱 電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量 而實驗表明 無論入射光怎樣微弱 光電效應幾乎是瞬時的 探究三 探究一 探究二 光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子 其本質(zhì)是電子 光照射金屬是因 產(chǎn)生光電子是果 探究三 探究一 探究二 典例剖析 例題1 多選 一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應 則下列說法正確的是 A 若增加綠光的照射強度 則逸出的光電子數(shù)增加B 若增加綠光的照射強度 則逸出的光電子最大初動能增加C 若改用紫光照射 則可能不會發(fā)生光電效應D 若改用紫光照射 則逸出的光電子的最大初動能增加解析 光電效應的規(guī)律表明 入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應以及發(fā)生光電效應時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小 當入射光頻率增加后 產(chǎn)生的光電子最大初動能也增加 而照射光的強度增加 會使單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加 又知紫光頻率高于綠光 故選項正確的有A D 答案 AD 探究三 探究一 探究二 規(guī)律總結(jié)入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應以及發(fā)生光電效應時產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小 能否發(fā)生光電效應與入射光的強弱無關 探究三 探究一 探究二 變式訓練1利用光電管研究光電效應實驗如圖所示 用頻率為 的可見光照射陰極K 電流表中有電流通過 則 A 用紫外線照射 電流表不一定有電流通過B 用紅外線照射 電流表一定無電流通過C 用頻率為 的可見光照射陰極K 當滑動變阻器的滑片移到最右端時 電流表一定無電流通過D 用頻率為 的可見光照射陰極K 當滑動變阻器的滑片向左端移動時 電流表示數(shù)可能不變 探究三 探究一 探究二 解析 因紫外線的頻率比可見光的頻率高 所以用紫外線照射 電流表一定有電流通過 選項A錯誤 因不知陰極K的極限頻率 所以用紅外線照射 可能發(fā)生光電效應 電流表可能有電流通過 選項B錯誤 由于發(fā)生了光電效應 即使A K間的電壓UAK 0 電流表中也有電流通過 所以選項C錯誤 當滑動變阻器的滑片向左端移動時 陽極吸收光電子的能力增強 光電流會增大 當所有光電子都到達陽極時 電流達到最大 即飽和電流 若在移動前 電流已經(jīng)達到飽和電流 那么再增大UAK 光電流也不會增大 所以選項D正確 答案 D 探究三 探究一 探究二 愛因斯坦的光電效應方程問題探究用光照射光電管且能產(chǎn)生光電效應 如果給光電管加上反向電壓 光電管中就沒有電流了嗎 要點提示 由于光電子具有一定的動能 當所加的電壓較小時 光電管中仍然有電流 當電壓大于遏止電壓時 電路中無電流 探究三 探究一 探究二 知識歸納1 光電效應的四個規(guī)律 1 任何一種金屬都有一個截止頻率 c 入射光的頻率必須大于 c 才能產(chǎn)生光電效應 與入射光的強度及照射時間無關 2 光電子的最大初動能與入射光的強度無關 只與入射光的頻率有關 3 當產(chǎn)生光電效應時 單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的電子數(shù)與入射光的強度有關 4 光電效應幾乎是瞬時的 發(fā)生的時間一般不超過10 9s 探究三 探究一 探究二 2 光電效應方程的理解與應用 1 光電效應方程實質(zhì)上是能量守恒方程能量為E h 的光子被電子吸收 電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引 另一部分就是電子離開金屬表面時的動能 如果克服吸引力做功最少為W0 則電子離開金屬表面時動能最大為Ek 根據(jù)能量守恒定律可知 Ek h W0 2 光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件 探究三 探究一 探究二 3 Ekm 曲線右圖是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率 的變化曲線 這里 橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率 縱軸上的截距是逸出功的負值 斜率為普朗克常量 探究三 探究一 探究二 4 光電效應規(guī)律中的兩條線索 兩個關系 2 兩個關系 光照強 光子數(shù)目多 發(fā)射光電子多 光電流大 光子頻率高 光子能量大 產(chǎn)生光電子的最大初動能大 探究三 探究一 探究二 特別提醒 1 逸出功和截止頻率均由金屬本身決定 與其他因素無關 2 光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大 但不是正比關系 探究三 探究一 探究二 典例剖析 例題2 如圖所示 當開關K斷開時 用光子能量為2 5eV的一束光照射陰極P 發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零 合上開關 調(diào)節(jié)滑動變阻器 發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0 60V時 電流表讀數(shù)仍不為零 當電壓表讀數(shù)大于或等于0 60V時 電流表讀數(shù)為零 由此可知陰極材料的逸出功為 A 1 9eVB 0 6eVC 2 5eVD 3 1eV 思考問題 如何求解光電子的最大初動能 提示 利用電場力做功公式W eUc 解析 由題意知光電子的最大初動能為Ek eUc 0 60eV 所以根據(jù)光電效應方程Ek h W0可得W0 h Ek 2 5 0 6 eV 1 9eV 答案 A規(guī)律總結(jié)光電子克服電場力做功 動能減少 電勢能增加 探究三 探究一 探究二 變式訓練2 多選 某金屬在光的照射下 光電子最大初動能Ek與入射光頻率 的關系圖象如圖所示 由圖象可知 A 該金屬的逸出功等于EB 該金屬的逸出功等于h 0C 入射光的頻率為 0時 產(chǎn)生的光電子的最大初動能為ED 入射光的頻率為2 0時 產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2E解析 題中圖象反映了光電子的最大初動能Ek與入射光頻率 的關系 根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek h W0 知當入射光的頻率恰為該金屬的截止頻率 0時 光電子的最大初動能Ek 0 此時有h 0 W0 即該金屬的逸出功等于h 0 選項B正確 根據(jù)圖線的物理意義 有W0 E 故選項A正確 而選項C D錯誤 答案 AB 探究三 探究一 探究二 探究三 康普頓效應問題探究光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用 因而傳播方向發(fā)生改變 這種現(xiàn)象叫做光的散射 美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時 發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中 除了與入射波長 0相同的成分外 還有波長大于 0的成分 這個現(xiàn)象稱為康普頓效應 在原子物理學中 康普頓散射 或稱康普頓效應 是指當X射線或伽馬射線的光子跟物質(zhì)相互作用 因失去能量而導致波長變長的現(xiàn)象 康普頓效應說明了什么 要點提示 康普頓效應表明 光子除了具有能量之外還有動量 說明光具有粒子性 探究一 探究二 探究三 知識歸納1 光電效應和康普頓效應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還有動量 探究一 探究二 探究三 典例剖析 例題3 康普頓效應證實了光子不僅具有能量 也有動量 如圖給出了光子與靜止電子碰撞后 電子的運動方向 則碰后光子可能沿方向運動 并且波長 選填 不變 變短 或 變長 思考問題 解決問題的思路與方法是什么 提示 根據(jù)碰撞過程中動量 能量均守恒以及動量是矢量分析此題 探究一 探究二 探究三 解析 因光子與電子在碰撞過程中動量守恒 所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致 可見碰后光子運動的方向可能沿1方向 不可能沿2或3方向 通過碰撞 光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子 能量減少 由E h 知 頻率變小 再根據(jù)c 知 波長變長 答案 1變長 探究一 探究二 探究三 規(guī)律總結(jié)對康普頓效應的三點認識 1 光電效應主要用于電子吸收光子的問題 而康普頓效應主要用于討論光子與電子碰撞且沒有被電子吸收的問題 2 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞 光子和電子相碰撞時 光子有一部分能量傳給電子 散射光子的能量減少 于是散射光的波長大于入射光的波長 3 康普頓效應進一步揭示了光的粒子性 也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性 探究一 探究二 探究三 變式訓練3科學研究證明 光子有能量也有動量 當光子與電子碰撞時 光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子 假設光子與電子碰撞前的波長為 碰撞后的波長為 則碰撞過程中 A 能量守恒 動量守恒 且 B 能量不守恒 動量不守恒 且 C 能量守恒 動量守恒 且 解析 光子與電子碰撞過程中 能量守恒 動量也守恒 因光子撞擊電子的過程中光子將一部分能量傳遞給電子 光子的能量減少 由E 可知 光子的波長增大 即 故C正確 答案 C 1 2 3 4 5 1 當用一束紫外線照射鋅板時 產(chǎn)生了光電效應 這時 A 鋅板帶負電B 有正離子從鋅板逸出C 有電子從鋅板逸出D 鋅板會吸附空氣中的正離子解析 當用一束紫外線照射鋅板時 產(chǎn)生了光電效應 有電子從鋅板逸出 鋅板帶正電 選項C正確 A B D錯誤 答案 C 1 2 3 4 5 2 用某種單色光照射某種金屬表面 發(fā)生光電效應 現(xiàn)將該單色光的光強減弱 則下列說法中正確的是 光電子的最大初動能不變 光電子的最大初動能減小 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少 可能不發(fā)生光電效應A B C D 解析 由光電效應規(guī)律知 光電子的最大初動能由入射光的頻率和金屬的逸出功共同決定 與入射光的強度無關 故 正確 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的強度成正比 光強減弱 則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少 即 也正確 答案 A 1 2 3 4 5 3 某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應 則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的是 A 延長光照時間B 增大光的強度C 換用波長較短的光照射D 換用頻率較低的光照射解析 光照射金屬時能否產(chǎn)生光電效應 取決于入射光的頻率是否大于金屬的截止頻率 與入射光的強度和照射時間無關 故選項A B D均錯誤 又因 所以選項C正確 答案 C 1 2 3 4 5 4 下列說法中正確的是 A 光子射到金屬表面時 可能有電子發(fā)出B 光子射到金屬表面時 一定有電子發(fā)出C 電子轟擊金屬表面時 可能有光子發(fā)出D 電子轟擊金屬表面時 一定沒有光子發(fā)出解析 光的頻率需達到一定值時照射到金屬表面才會有電子發(fā)出 電子如果能量不夠大 轟擊金屬表面就不會有光子發(fā)出 因此 選A C 答案 AC 1 2 3 4 5 5 多選 右圖是光電效應中光電子的最大初動能Ek與入射光頻率 的關系圖象 從圖中可知 A Ek與 成正比B 入射光頻率必須高于或等于極限頻率 c時 才能產(chǎn)生光電效應C 對同一種金屬而言 Ek僅與 有關D Ek與入射光強度成正比解析 由Ek h W0知B C正確 A D錯誤 答案 BC