2022-2023年高考物理一轮复习 科学的转折：光的粒子性课件

这是一份2022-2023年高考物理一轮复习 科学的转折：光的粒子性课件，共50页。PPT课件主要包含了光电效应现象，什么是光电效应，光电效应实验规律，光电管，电流计，康普顿效应，第2课时，一康普顿效应，四光子的动量等内容，欢迎下载使用。
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..
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
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.
光电子定向移动形成的电流叫光电流
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.
：使光电流减小到零的反向电压
+ + + + + +
一 一 一 一 一 一
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
则I=0,式中UC为遏止电压
(2)存在遏止电压和截止频率
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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
——光电子最大初动能
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：
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.
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.
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
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
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.
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
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.
3.康普顿散射的实验装置与规律：
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！
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.
称为电子的Cmptn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）
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
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,1927年获诺贝尔物理学奖
(1892-1962)美国物理学家
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.
动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的
一、光电效应的基本规律
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
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
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
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
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.
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
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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
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
其中e为电子的电量,测出U1与U2就可测出普朗克常量
（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.