17.2《科学的转折：光的粒子性》PPT课件(新人教版 选修3-5)

(共52张PPT)
新课标人教版课件系列
《高中物理》
选修3-5
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UC
E
E
U
F
K
A
I
I
s
U
a
O
U
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
U
b
(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10 S。
-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
课本P36
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
I
A
K
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
=0
O
j
=45
O
j
=90
O
j
=135
O
j
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o
（A）
0.700
0.750
λ
波长
.
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.
.
.
.
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 = 0.0241 =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
课本P39
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
课本P39
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
课本例题P36
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νc
Uc—ν图象是一条斜率为 的直线
练习
课本P39
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。
G
V
A
K
R
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）