高中物理新课标版人教版选修3-5课件：17《科学的转折： 光的粒子性》

高中物理新课标版人教版选修3-5课件：17《科学的转折： 光的粒子性》

17.2《科学的转折：光的粒子性》 教学目标知识与技能：1．通过实验了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。3．了解康普顿效应，了解光子的动量过程与方法：经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。3、情感态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。【重点难点】1、重点：光电效应的实验规律2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义 问题1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？ 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。。一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一.光电效应的实验规律 1.什么是光电效应当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。一.光电效应的实验规律光电子定向移动形成的电流叫光电流 一.光电效应的实验规律2.光电效应实验规律（1）存在饱和电流光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。阳极阴极 ：使光电流减小到零的反向电压－++++++一一一一一一v加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运动。若最大的初动能U=0时，I≠0，因为电子有初速度则I=0，式中UC为遏止电压一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UCEEUFKA IIsUaOU黄光（强）黄光（弱）光电效应伏安特性曲线遏止电压饱和电流一.光电效应的实验规律兰光Ub(2)存在遏止电压和截止频率阳极阴极 实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率改变是，遏止电压也会改变。一.光电效应的实验规律(2)存在遏止电压和截止频率a.存在遏止电压UC光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。阳极阴极 经研究后发现：一.光电效应的实验规律b.存在截止频率c对于每种金属，都相应确定的截止频率c。当入射光频率>c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率<c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。(2)存在遏止电压和截止频率阳极阴极 实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。光电效应在极短的时间内完成一.光电效应的实验规律(3)具有瞬时性阳极阴极 勒纳德等人通过实验得出以下结论：①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；②当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒.一.光电效应的实验规律 以上三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。逸出功W0使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。②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，不应存在截止频率。③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表面所需的能量，这个时间远远大于10S。-9√实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。二.光电效应解释中的疑难 1.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。爱因斯坦的光子说爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：三.爱因斯坦的光量子假设 2.爱因斯坦的光电效应方程1.光子：或——光电子最大初动能——金属的逸出功W0一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：三.爱因斯坦的光量子假设 3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。三.爱因斯坦的光量子假设 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921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，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。三.爱因斯坦的光量子假设 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。 思考与讨论？ 放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。四.光电效应在近代技术中的应用1.光控继电器可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2.光电倍增管 应用光电管光电源电流计IAK 康普顿效应第2课时17.1科学的转折：光的粒子性 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1923年康普顿在做X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，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。一.康普顿效应 3.康普顿散射的实验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j0散射波长一.康普顿效应 康普顿正在测晶体对X射线的散射按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！一.康普顿效应 康普顿散射曲线的特点：a.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。b.新波长随散射角的增大而增大。散射中出现≠0的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波长.......0一.康普顿效应 称为电子的Compton波长只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，c=0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）一.康普顿效应 1.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难二.康普顿效应解释中的疑难①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。②无法解释波长改变和散射角关系。 2.光子理论对康普顿效应的解释二.康普顿效应解释中的疑难①若光子和外层电子相碰撞，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。②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。 1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；2.首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；3.证实了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。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“混进来了某种荧光辐射”；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。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。三.康普顿散射实验的意义 康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家1927 1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，4.吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,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重要贡献。在同一散射角()测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。（1897-1977）吴有训三.康普顿散射实验的意义 四.光子的动量 动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的 光的粒子性一、光电效应的基本规律小结1.光电效应现象2.光电效应实验规律①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；②当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒. （3）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1）光子：二、光电效应解释中的疑难 1.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，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时()A.锌板带正电，指针带负电B.锌板带正电，指针带正电C.锌板带负电，指针带正电D.锌板带负电，指针带负电B练习 2.一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的是()A.延长光照时间B.增大光束的强度C.换用红光照射D.换用紫光照射D练习 3.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是()A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.光子的能量跟它的频率成正比D.光子客观并不存在，而是人为假设的练习B 4.能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6m，则进入人眼的光子数至少为个，恰能引起人眼的感觉.练习3 5.关于光电效应下述说法中正确的是()A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应练习D 练习1、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。紫光不是最亮的。一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。 练习2、在光电效应实验中（1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。（2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。 练习分析由上面讨论结果可得：对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止电压UC与光的频率ν之间是线性关系即：Uc—ν图象是一条斜率为的直线 练习课本例题P36分析由上面讨论结果可得：遏止电压Uc与光电子的最大初动能Ek有关Ek越大，Uc越高；Uc为零，Ek为零，即没有光电子所以与遏止电压Uc=0对应的频率应该是截止频率νc 由以上分析可知：根据数据作Uc—ν图象即可求得遏止电压Uc=0对应的频率就是截止频率νcUc—ν图象是一条斜率为的直线 练习5、根据图17.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。GVAKR单色光分析：阳极与电源负极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率ν1、ν2光的遏止电压U1、U2代入公式： 当入射光频率分别为ν1、ν2时，测出遏止电压U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式，解得其中e为电子的电量，测出U1与U2就可测出普朗克常量 实验步骤：（1）将图17.2-2电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为ν1的光照射，此时电流表中有电流。将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数U1。（2）用频率为ν2的光照射，重复（1）的操作，记下伏特表的示数U2。（3）应用计算h。（4）多次测量取平均值。 颜色波长λ/nm频率/1014HZ遏制电压U/V最大动能EKm/eV绿兰紫（光强）紫（光弱） 再见