2017_2018学年高中物理第二章波粒二象性课件(打包5套)粤教版选修3_5

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名称 2017_2018学年高中物理第二章波粒二象性课件(打包5套)粤教版选修3_5
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资源类型 教案
版本资源 粤教版
科目 物理
更新时间 2018-03-26 22:18:19

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课件23张PPT。第一节 光电效应 [目标定位] 1.了解光电效应,掌握光电效应的实验规律.2.知道光电流与光的强度和光的频率之间的关系.3.理解极限频率和遏止电压的概念.一、光电效应与光电流
1.光电效应:金属在光的照射下 的现象.发射出来的电子称为 .
2.光电管是利用 制成的一种常见的光电器件,它可以把 转变成 .
3.光电流:光电管在光的照射下,阴极发出的光电子被阳极收集,在回路中会形成 ,称为光电流.发射电子光电子光电效应光信号电信号电流二、光电流的变化
在正向电压一定的情况下,光电流的变化与入射光的
有关,与入射光的 无关,光源强度可以使光电管 单位时间内发射的 数目变化.
三、极限频率
对于每一种金属,只有当入射光频率 某一频率ν0时,才会产生光电流.我们将ν0称为极极频率.强度频率阴极光电子大于减小eU0eU0预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中【例1】 一验电器与锌板相连(如图1所示),用一紫外线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角.
图1(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触,则验电器指针偏角
将________(填“增大”、“减小”或“不变”).
(2)使验电器指针回到零,再用相同强度的钠灯发出的黄光照
射锌板,验电器指针无偏转.那么,若改用强度更大的红外
线灯照射锌板,可观察到验电器指针________(填“有”或
“无”)偏转.答案 (1)减小 (2)无
解析 (1)当用紫外线灯照射锌板时,锌板发生光电效应,锌板放出光电子而带上正电,此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电,故指针发生了偏转.当带负电的小球与锌板接触后,中和了一部分正电荷,从而使验电器的指针偏角减小.(2)使验电器指针回到零,用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转,说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率,而红外线比黄光的频率还要低,更不可能使锌板发生光电效应.能否发生光电效应与入射光的强弱无关.针对训练1 (多选)光电效应实验的装置如图2所示,用弧光灯照射锌板,验电器指针张开一个角度,则下列说法中正确的是(  )
图2
A.用紫外光照射锌板,验电器指针会发生偏转
B.用绿色光照射锌板,验电器指针会发生偏转
C.锌板带的是负电荷
D.使验电器指针发生偏转的是正电荷
答案 AD解析 将擦得很亮的锌板连接验电器,用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线),验电器指针张开一个角度,说明锌板带电,而且锌板带的是正电,这说明在紫外线照射下,锌板中有一部分自由电子从表面飞出来,锌板中缺少电子,于是带正电,A、D对,C错;绿光不能使锌板发生光电效应,B错.二、光电效应规律及其解释
1.每种金属都有一定的极限频率,当入射光的频率低于极限频率时,不管入射光的强度多大、照射时间多长都不会产生光电子,一旦入射光的频率超过极限频率,则不管光有多么弱都会产生光电效应,发出光电子.
2.在发生光电效应的条件下,光电流的大小或单位时间内逸出的光电子数目由光的强度决定.3.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.
遏止电压随入射光频率的增大而增大,与光强无关.
4.随着反向电压的增大,光电流逐渐减小,说明金属中逸出的光电子的初动能是不同的,而光电子的最大初动能与遏止电压是对应的.
特别提醒 遏止电压只与入射光的频率有关,与入射光的强
度无关.【例2】 利用光电管研究光电效应实验如图3所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则(  )
图3A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过
B.用红光照射,电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头移到A端时,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示数可能不变
答案 D解析 因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A错误;因不知阴极K的极限频率,所以用红光照射时,不一定发生光电效应,所以选项B错误;即使UAK=0,电流表中也有电流,所以选项C错误;当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A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A时,电流达到最大,即饱和电流.若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确.针对训练2 入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么 (  )
A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.逸出的光电子的最大初动能将减小
C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D.有可能不发生光电效应
答案 C解析 发生光电效应几乎是瞬时的,选项A错误;入射光的强度减弱,说明单位时间内的入射光子数目减少,频率不变,逸出的光电子的最大初动能也就不变,选项B错误;光电流随入射光强度的减小而减小,逸出的光电子数目也随入射光强度的减小而减少,故选项C正确;入射光照射到某金属上发生光电效应,说明入射光频率不低于这种金属的极限频率,入射光的强度减弱而频率不变,同样能发生光电效应,故选项D错误.三、经典电磁理论与光电效应的矛盾
在光的照射下,物体内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动.【例3】 在光电效应的规律中,经典电磁理论能解释的有
(  )
A.入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才能产生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光强度无关,只随入射光频率的增大而增大
C.入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9s
D.当入射光频率大于极限频率时,光电子数目随入射光强度的增大而增多
答案 D课件23张PPT。第二节 光 子 [目标定位] 1.知道普朗克的能量子假说.2.知道爱因斯坦的光子说以及光子能量的表达式.3.知道爱因斯坦的光电效应方程以及对光电效应规律的解释.一、能量量子假说
1.假说内容:物体热辐射所发出的电磁波的能量是
,只能是hν的 .
2.能量量子: 称为一个能量量子,其中ν是辐射频率,h是一个常量,称为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s.
3.假说的意义:能量量子假说能够非常合理地解释某些电磁波的 和 的实验现象.
4.量子化现象:在微观世界里,物理量的取值很多时候是不连续的,只能取一些分立值的现象.不连续的整数倍hν辐射吸收二、光子假说
1.内容:光的能量不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个 ,频率为ν的光的能量子为 .
2.意义:利用光子假说可以完美地解释 的各种特征.光子hν光电效应想一想 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hν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.一个小于大于等于极限频率频率光的强弱预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中一、对光子概念的理解
1.光子不是光电子: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,光子是光电效应的因,光电子是果.2.由光子的能量确定光电子的动能: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,需克服原子核的引力做功最小,具有的初动能最大.光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能.3.光子的能量与入射光的强度的关系:光子的能量即每个光子的能量,其值为E=hν(ν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与入射光子数的乘积.【例1】 氦氖激光器发射波长为6.328×10-7 m的单色光,试计算这种光的一个光子的能量为多少?若该激光器的发光功率为18 mW,则每秒钟发射多少个光子?(h=6.63×10-34 J·s)
答案 3.14×10-19 J 5.73×1016个借题发挥 光能量子E=hν,光能是光子能量的整数倍,即E总=nε=nhν.
普朗克量子化理论,认为电磁波的能量是量子化的、不连续的,总能量是能量子的整数倍,即E总=nε,其中ε=hν,因此,只要知道电磁波的频率ν即可解答.光是一种电磁波,光能量子简称光子.其能量值是光能量的最小单位,ε=hν,其中ν为光的频率,通常结合c=λν,确定ε的值.二、光电效应方程的理解与应用
1.光电效应方程Ek=hν-W0的理解
(1)式中的Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属表面时剩余动能大小可以是0~Ek范围内的任何数值.
(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程
能量为ε=hν的光子被电子所吸收,电子把这些能量的一部分用来克服原子核对它的吸引,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=hν-W0.图1【例2】 如图2所示,当电键K断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零.合上电键,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电流表读数仍不为零.当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为 (  )
图2A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
答案 A
解析 由题意知光电子的最大初动能为Ek=eU0=0.60 eV,所以根据光电效应方程Ek=hν-W0可得
W0=hν-Ek=(2.5-0.6) eV=1.9 eV针对训练2  (多选)如图3所示是某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象,由图象可知(  )
图3
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为2E
答案 AB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ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,知当入射光的频率恰为该金属的极限频率ν0时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hν0=W0,即该金属的逸出功等于hν0,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.课件20张PPT。第三节 康普顿效应及其解释
第四节 光的波粒二象性 [目标定位] 1.了解康普顿效应及其意义.2.知道光的波粒二象性并会分析有关现象.3.了解什么是概率波,知道光也是一种概率波.变长hν2.康普顿对散射光波长变化的解释
(1)散射光波长的变化,是入射光子与物质中的 发生碰撞的结果.
(2)物质中电子的动能比 小很多,电子可以看做是静止的.
(3)光子与电子作用过程中,总能量、总动量均 .
(4)光子因与电子相碰,有一部分能量和动量给了电子,光子的能量和动量均 了,这样,散射光的 也就变长了.
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 性的一面.电子入射光子的能量守恒减小波长粒子二、光的波粒二象性
1.光的波粒二象性的本质
(1)双缝干涉实验装置如图1所示.
图1(2)实验要求:降低光源S的强度,直到入射光减弱到没有两个光子同时存在的程度.
(3)实验结果:
①短时间,感光片上呈现杂乱分布的 .
②较长时间,感光片上呈现模糊的 .
③长时间,感光片上形成清晰的 .
(4)实验结论:光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性.亮点亮纹干涉图样2.概率波
(1)对干涉实验中明暗条纹的解释
每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点,概率大的地方落下的光子多,形成 ;概率小的地方落下的光子少,形成 .
(2)光波是一种 ,干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映.亮纹暗纹概率波预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中一、康普顿效应
1.实验结果
1918年~1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现散射的X射线中,除有与入射线波长相同的射线外,还有波长比入射线波长更长的射线.人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应.2.光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞,这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说,一个X射线光子不仅具有能量ε=hν,而且还有动量.如图2所示.这个光子与静止的电子发生弹性斜碰,光子把部分能量转移给了电子,能量由hν减小为hν′,因此频率减小,波长增大.同时,光子还使电子获得一定的动量.这样就圆满地解释了康普顿效应.图2【例1】 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量,如图3给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰撞后光子可能沿方向____________运动,并且波长________(选填“不变”、“变短”或“变长”).
图3
答案 1 变长解析 根据动量守恒定律知,光子与静止电子碰撞前后动量守恒,相碰后合动量应沿2方向,所以碰后光子可能沿1方向运动,由于动量变小,故波长应变长.针对训练 在康普顿效应中,光子与电子发生碰撞后,关于散射光子的波长,下列说法正确的是 (  )
A.一定变长
B.一定变短
C.可能变长,也可能变短
D.决定于电子的运动状态
答案 A
解析 因为光子入射的能量很大,比电子的能量要大得多,碰撞时,动量和能量都守恒,碰后一定是电子的动能增加,光子的能量减少,所以散射光子的波长一定变长,选项A正确.二、对光的波粒二象性的理解【例2】 (多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是(  )
A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
答案 AD解析 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,D正确;大量光子的效果往往表现出波动性,A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,C错误.三、对光是概率波的理解
1.单个粒子运动的偶然性:我们可以知道粒子落在某点的概率,但不能预言粒子落在什么位置,即粒子到达什么位置是随机的,是预先不能确定的.
2.大量粒子运动的统计规律:光在传播过程中,光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定,所以光波是一种概率波.【例3】 (多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上,假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子 (  )
A.一定落在中央亮纹处
B.一定落在亮纹处
C.可能落在暗纹处
D.落在中央亮纹处的可能性最大
答案 CD
解析 根据光波是概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处.当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故C、D选项正确.课件18张PPT。第五节 德布罗意波 [目标定位] 1.了解德布罗意假说的内容,知道德布罗意波的波长和粒子动量的关系.2.知道粒子和光一样具有波粒二象性,了解电子波动性的实验验证.3.初步了解不确定性关系的内容,感受数学工具在物理学发展过程中的作用.物质波二、电子衍射
1.美国工程师戴维孙做了电子束在 表面上散射的实验,观察到了和X射线衍射类似的电子衍射现象,首次证实了电子的 性.
2. 做电子束穿过多晶薄膜的衍射实验,也证实了电子的 性.
三、电子云
1.定义:用点的多少表示电子出现的 分布图.
2.电子的分布:某一空间范围内电子出现概率 的地方点多,电子出现概率 的地方点少.电子云反映了原子核外电子位置的不确定性,说明电子对应的波也是一种 波.晶体波动汤姆生波动概率大小概率不确定性ΔxΔp预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 4.德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率是符合波动规律的,不要以宏观概念中的波来理解德布罗意波.【例1】 (多选)下列关于德布罗意波的认识,正确的解释是
(  )
A.任何一个实物粒子都和一个波相对应
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性
答案 AC解析 宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有A、C项正确.二、对不确定性关系的理解
1.单缝衍射现象中,粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的,即通过挡板前粒子的位置具有不确定性.
2.单缝衍射现象中,粒子通过狭缝后,在垂直原来运动方向的动量是不确定的,即通过挡板后粒子的动量具有不确定性.【例3】 在单缝衍射实验中,若单缝宽度是1.0×10-9 m,那么光子经过单缝发生衍射,动量不确定量是多少?
答案 Δp≥5.3×10-26 kg·m/s针对训练 一颗质量为10 g的子弹,具有200 m/s的速率,若其动量的不确定范围为其动量的0.01%(这在宏观范围是十分精确的),则该子弹位置的不确定量范围为多大?
答案 Δx≥2.6×10-31 m课件21张PPT。章末整合提升一、量子论与光子说
量子论:德国物理学家普朗克提出.电磁波的发射和吸收是不连续的,是一份一份的,每一份电磁波的能量E=hν.
光子说:爱因斯坦提出.空间传播的光也是不连续的,是一份一份的,每一份称为一个光子,光子具有的能量与光的频率成正比,即ε=hν其中h为普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s.【例1】 (多选)下列对光子的认识,正确的是
(  )
A.“光子说”中的光子就是我们平时所说的“微粒”
B.“光子说”中的光子就是光电效应的光电子
C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
答案 CD解析 根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子.我们平时所说的微粒指宏观世界的微小颗粒.光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确;由ε=hν知,光子能量ε与其频率ν成正比,故D选项正确.【例2】 20世纪20年代,剑桥大学学生泰勒做了一个实验:在一个密闭的箱子里放上小灯泡,烟熏黑的玻璃、狭缝、针尖、照相底板,整个装置如图1所示.小灯泡发出的光通过熏黑的玻璃后变得十分微弱,经过三个月的曝光,在底片上针尖影子周围才出现非常清晰的衍射条纹.泰勒对这照片的平均黑度进行测量,得出每秒到达底片的能量是5×10-13 J(h=6.63×10-34 J·s).
图1(1)假如起作用的光波波长约为500 nm,计算从一个光子到下一光子到达底片所相隔的平均时间及光束中两邻近光子之间的平均距离;
(2)如果当时实验用的箱子长为1.2 m,根据(1)的计算结果,能否找到支持光是概率波的证据?
答案 (1)8.0×10-7 s 240 m (2)见解析 (2)由(1)的计算结果可知,两光子间距有240 m,而箱子长只有1.2 m,所以在箱子里一般不可能有两个光子同时在运动.这样就排除了光的衍射行为是光子相互作用的可能性.因此,衍射条纹的出现是许多光子各自独立行为积累的结果,衍射条纹的亮区是光子到达可能性较大的区域,而暗区是光子到达可能性较小的区域.这个实验支持了光波是概率波的观点.二、光电效应的规律和光电效应方程
1.光电效应规律
(1)任何一种金属都对应一个极限频率,入射光的频率低于极限频率不会产生光电效应.
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着入射光频率的增大而增大.
(3)当入射光频率大于极限频率时,保持频率不变,光电流的强度与入射光的强度成正比.
(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 s.
2.爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0.
W0表示金属的逸出功,ν0表示金属的极限频率,则W0=hν0.【例3】 用波长为2.0×10-7 m的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10-19 J.由此可知,钨的极限频率是(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s,结果取两位有效数字)
(  )
A.5.5×1014 Hz B.7.9×1014 Hz
C.9.8×1014 Hz D.1.2×1015 Hz
答案 B三、用图象表示光电效应的规律
1.Ek-ν图象
根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,光电子的最大初动能Ek是入射光频率ν的一次函数,图象如图2所示.其横轴截距为金属的极限频率ν0,纵轴截距是金属的逸出功的负值,斜率为普朗克常量h.
图2【例4】 (1)研究光电效应的电路如图4所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是 (  )图4(2)钠金属中的电子吸收光子的能量,从金属表面逸出,这就是光电子.光电子从金属表面逸出的过程中,其动量的大小________(选填“增大”、“减小”或“不变”),原因是
_______________________________________________.四、光的波粒二象性、物质波
1.光的干涉、衍射、光的偏振说明光具有波动性,光电效应、康普顿效应则证明光具有粒子性,因此,光具有波粒二象性,对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发,才能统一说明光的各种行为.
2.电子的衍射实验,说明了一些物质微粒也像光子一样具有波粒二象性.【例5】 (多选)现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是 (  )
A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多
B.肥皂液是无色的,吹出的肥皂泡却是彩色的
C.质量为10-3 kg、速度为10-2 m/s的小球,其德布罗意波长约为10-23 m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹
D.人们常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
答案 BD解析 光子照到锌板上,发生光电效应,说明光有粒子性,A不正确;白光在肥皂泡上发生薄膜干涉时,会出现彩色条纹,光的干涉现象说明了光有波动性,B正确;由于实物的波长很小,波动性不明显,表现为粒子性,C不正确;用热中子研究晶体结构,其实是通过中子的衍射来“观察”晶体的,是利用中子的波动性,D正确.故选B、D.