光的粒子性解析实用教案

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1、一、光电效应一、光电效应(undinxioyng)(undinxioyng) 物体在光的照射下发射电子的现象物体在光的照射下发射电子的现象物体在光的照射下发射电子的现象物体在光的照射下发射电子的现象(xinxing)(xinxing)(xinxing)(xinxing)叫光电叫光电叫光电叫光电效应，发射出来的电子叫光电子。效应，发射出来的电子叫光电子。效应，发射出来的电子叫光电子。效应，发射出来的电子叫光电子。 1 1、光电效应、光电效应(un din xio yng):(un din xio yng):2 2 2 2、光电管、光电管、光电管、光电管: : : : 利用光电效应制成的一种利用光

2、电效应制成的一种利用光电效应制成的一种利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信光学元件，它的作用是把光信光学元件，它的作用是把光信光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号号转变为电信号号转变为电信号号转变为电信号第1页/共34页第一页，共35页。二、光电效应二、光电效应(undinxioyng)(undinxioyng)的实验规律的实验规律实验实验(shyn)装置装置第2页/共34页第二页，共35页。二、光电效应二、光电效应(undinxioyng)(undinxioyng)的实验规律的实验规律第3页/共34页第三页，共35页。二、光电效应的实验二、光电效应的实验(shyn)(shyn

3、)规律规律（1 1）存在）存在(cnzi)(cnzi)饱和电流饱和电流光照光照光照光照(gungzho)(gungzho)(gungzho)(gungzho)不变，增大不变，增大不变，增大不变，增大UAKUAKUAKUAK，G G G G表中电流达到某一值后不再增大，即表中电流达到某一值后不再增大，即表中电流达到某一值后不再增大，即表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。达到饱和值。达到饱和值。达到饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K K K K发射的电子发射的电子发射的电子发射的电子数目一定。数目一定。数目一定。数目一定。实验表明：实

4、验表明：在光的颜色不变的情况下，入射光越在光的颜色不变的情况下，入射光越在光的颜色不变的情况下，入射光越在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射强，饱和电流越大，单位时间内发射强，饱和电流越大，单位时间内发射强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。的光电子数越多。的光电子数越多。的光电子数越多。阳极阳极阴极阴极第4页/共34页第四页，共35页。二、光电效应的实验二、光电效应的实验(shyn)(shyn)规律规律(2)(2)存在遏止存在遏止( zh)( zh)电压和截止频电压和截止频率率第5页/共34页第五页，共35页。二、光电效应的实验二、光电效应的实验(shy

5、n)(shyn)规律规律实验表明实验表明: :对于一定对于一定(ydng)(ydng)颜色颜色( (频率频率) )的光的光, ,无论光的强弱无论光的强弱如何如何, ,遏止电压是一样的遏止电压是一样的. . 光的光的频率频率 改变时，遏止电压也会改变时，遏止电压也会改变。改变。a.a.存在存在(cnzi)(cnzi)遏止电压遏止电压UCUC光电子的光电子的最大初动能最大初动能只与只与入射入射光的频率光的频率有关，与入射光的强弱有关，与入射光的强弱无关。无关。阳极阳极阴极阴极(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率第6页/共34页第六页，共35页。二、光电效应的实验二、光电效应的实

6、验(shyn)(shyn)规律规律阳极阳极阴极阴极b.b.对于对于(duy)(duy)每种金每种金属，都相应确定的截止频属，都相应确定的截止频率率c c 。 当入射光频率当入射光频率 c c 时，电子才能时，电子才能(cinng)(cinng)逸出金属面；逸出金属面；(2)(2)存在遏止电压和截止频率存在遏止电压和截止频率第7页/共34页第七页，共35页。二、光电效应二、光电效应(undinxioyng)(undinxioyng)的实验规律的实验规律(3)(3)具有具有(jyu)(jyu)瞬时性瞬时性阳极阳极阴极阴极只要入射光频率大于被照金属只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针就立

7、的极限频率，电流表指针就立即即(lj)偏转。偏转。光电子发射所经过的时间不超过光电子发射所经过的时间不超过光电子发射所经过的时间不超过光电子发射所经过的时间不超过10109 9 秒秒秒秒光电效应在极短的时间内完成光电效应在极短的时间内完成 第8页/共34页第八页，共35页。二、光电效应的实验二、光电效应的实验(shyn)(shyn)规律规律光电效应光电效应(un din (un din xio yng)xio yng)的规律的规律1 1、任何一种金属，都存在极限频率、任何一种金属，都存在极限频率0 0 ，只有，只有当入射光当入射光 0 0 ，才能，才能(cinng)(cinng)发生光发生光电

8、效应电效应 2 2 2 2、光电流随入射光强度的增大而增大、光电流随入射光强度的增大而增大、光电流随入射光强度的增大而增大、光电流随入射光强度的增大而增大3 3 3 3、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能、光电子的最大初动能Ek k与入射光强度无关，与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大只随入射光频率的增大而增大 4 4、光电效应的发生几乎是瞬时的、光电效应的发生几乎是瞬时的, , , ,t10t10t10tW0hW0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累电子一次性吸收光子

9、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。能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时光强较大时，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。产生的光电子多，因而饱和电流大。第14页/共34页第十四页，共35页。三三. . . .爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设(jish)(jish)(jish)(jish)由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电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效应的实验规律(gul),(gul),荣获荣获19211921年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖。理学奖。 爱因斯坦光子

10、假说圆满解释爱因斯坦光子假说圆满解释爱因斯坦光子假说圆满解释爱因斯坦光子假说圆满解释(jish)(jish)(jish)(jish)了光电效应，但当了光电效应，但当了光电效应，但当了光电效应，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。论。论。论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根

11、，花了十年时间做了“光电效应光电效应光电效应光电效应”实验，结果在实验，结果在实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h h 的值与的值与的值与的值与理论值完全一致，又一次证明了理论值完全一致，又一次证明了理论值完全一致，又一次证明了理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子光量子光量子”理论的正确。理论的正确。理论的正确。理论的正确。第15页/共34页第十五页，共35页。三三. . . .爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设(jish)(jish)(jish)(jish)爱因斯坦由于对光电效爱因斯坦由于对光电效应的理论应的理论(lln)(lln)解释和

12、解释和对理论对理论(lln)(lln)物理学的物理学的贡献获得贡献获得19211921年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖密立根由于研究基本电荷和密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位小单位(dnwi)(dnwi)。获得。获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。第16页/共34页第十六页，共35页。 四、光电效应在近代四、光电效应在近代(jndi)(jndi)技术中的应用技术中的应用放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控制，可以用于自动控制，可以用于自动控制，可以用于自动控制，自动计数、自动

13、报警自动计数、自动报警自动计数、自动报警自动计数、自动报警(bo jng)(bo jng)(bo jng)(bo jng)、自动跟、自动跟、自动跟、自动跟踪等。踪等。踪等。踪等。1.1.光控继电器光控继电器光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放可对微弱光线进行放大大(fngd)(fngd)，可使，可使光电流放大光电流放大(fngd)105108 (fngd)105108 倍，灵敏度高，用在倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、工程、天文、科研、军事等方面。军事等方面。2.2.2.2.光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管第17页/共34页第十七页，共35页。典例精讲典例精讲例例例例题题题题：由

14、由由由密密密密立立立立根根根根实实实实验验验验(Uc(Uc(Uc(Uc和和和和v v v v的的的的关关关关系系系系) ) ) )计计计计算算算算(j (j (j (j sun)sun)sun)sun)普普普普朗朗朗朗克常量克常量克常量克常量很难测很难测Ek ，怎样改成，怎样改成(i chn)Uc与与v、W0关系？关系？ 提示：提示：Ek = eUc 第18页/共34页第十八页，共35页。由图象求参数的方法：由图象求参数的方法：由图象求参数的方法：由图象求参数的方法：电源电源电源电源(di(di(di(dinyunyunyunyun)n)n)n)电电电电动势和内阻（直接求动势和内阻（直接求动势

15、和内阻（直接求动势和内阻（直接求参数）参数）参数）参数）（用图象求平均值）（用图象求平均值）（用图象求平均值）（用图象求平均值） 随堂演练随堂演练(yn lin)(yn lin)(yn lin)(yn lin)第19页/共34页第十九页，共35页。第2课时(ksh)、康普顿散射2、光的粒子(lz)性第20页/共34页第二十页，共35页。一、康普顿效应一、康普顿效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)1.1.光的散射光的散射(snsh)(snsh) 光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用, ,因而传播因而传播(chunb)(chunb)方向发生改变方

16、向发生改变, ,这种现象叫做光的这种现象叫做光的散射散射2.2.2.2.康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实射线通过物质散射的实验时，发现：验时，发现：散射线中除有与入射线波长相同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波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长和散射物质都无关。和散射物质都无关。第21页/共34页第二十一页，共35页。一、康普顿效应一、康普顿效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)

17、康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体(jngt)(jngt)对对X X 射线射线的散射的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果如果(rgu)(rgu)入射入射X X光是光是某种波长的电磁波，散射某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！光的波长是不会改变的！第22页/共34页第二十二页，共35页。二二. . . .康普顿效应解释康普顿效应解释(jish)(jish)(jish)(jish)中的疑难中的疑难 1.1.经典电磁理论经典电磁理论(lln)(lln)在解释康普顿效应时遇到的困难在解释康普顿效应时遇到的困难根据根据(gnj)(gnj)经典电磁波理论，当电磁波经典电磁波理论，当电磁波通

18、过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，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。射光频率应等于入射光频率。无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角关系。第23页/共34页第二十三页，共35页。2.2.光子光子(gungz)(gungz)理论对康普顿效理论对康普顿效应的解释应的解释若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量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传给电子，散射光子的能量减少(jinsho)(jinsho)，于是散射光的波长大于入射光的波长。于

19、是散射光的波长大于入射光的波长。 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，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，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，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，根据碰撞理论根据碰撞理论根据碰撞理论根据碰撞理论(lln)(lln)(lln)(lln)， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。碰撞前后光子能

20、量几乎不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以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。波长改变和散射角有关。二二. . . .康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难 第24页/共34页第二十四页，共35页。三三. . . .康普顿散射实验康普顿散射实验(shyn)(shyn)(shyn)(shyn)的意义的意义1.1.有力有力(yul)(yul)地支持了爱因斯坦地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2.2.首次在实验上证实首次在实验上证实(zhngsh)(zhngsh)了了“光子具有动光子具有动量量”的假设；的假设；3.3.证实了证实了

21、在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量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。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中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种混进来了某种荧光辐射荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认；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。识到还要用动量守恒。第25页/共34页第二十五页，共35页。康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿, ,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1

22、962)美国美国(mi u)物理学家物理学家三三. . . .康普顿散射康普顿散射(snsh)(snsh)(snsh)(snsh)实验的意义实验的意义第26页/共34页第二十六页，共35页。三三. . . .康普顿散射康普顿散射(snsh)(snsh)(snsh)(snsh)实验的意义实验的意义1925192619251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的年，吴有训用银的年，吴有训用银的X X射线射线射线射线( (0 =5.62nm) 0 =5.62nm) 为入射线为入射线为入射线为入射线, ,以以以以1515种轻重种轻重种轻重种轻重(qngzhng)(qngzhng)不同的元素为散射物质，

23、不同的元素为散射物质，不同的元素为散射物质，不同的元素为散射物质，4.4.吴有训对研究吴有训对研究(ynji)(ynji)康普顿效应的贡献康普顿效应的贡献1923年年, , , ,参加了发现康普顿效应的研究工作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对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( ( ) )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。 （1897-19771897-1977） 吴有训吴有训吴有训吴有训第27页/

24、共34页第二十七页，共35页。四四. . . .光子光子(gungz)(gungz)(gungz)(gungz)的动量的动量光子光子(gungz)(gungz)的动量的动量第28页/共34页第二十八页，共35页。动量和能量动量和能量(nngling)(nngling)是描是描述粒子的述粒子的, ,频率和波长是用来描述波的频率和波长是用来描述波的四四. . . .光子光子(gungz)(gungz)(gungz)(gungz)的动量的动量第29页/共34页第二十九页，共35页。1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一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

25、锌板块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针时，验电器的指针(zhzhn)(zhzhn)就张开一个角就张开一个角度，如图所示，度，如图所示，这时这时( )( )A.A.锌板带正电锌板带正电(zhngdin)(zhngdin)，指针，指针带负电带负电B.B.锌板带正电锌板带正电(zhngdin)(zhngdin)，指针，指针带正电带正电(zhngdin)(zhngdin)C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电(zhngdin)(zhngdin)D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B随堂演练随堂演练(ynlin)(ynlin)第30页/共34页第三十页

26、，共35页。随堂演练随堂演练(ynlin)(ynlin)2、第31页/共34页第三十一页，共35页。3 3、如图所示，当开关、如图所示，当开关s s断开时候断开时候(sh hou)(sh hou)，用光子能，用光子能量为量为2.5ev2.5ev的一束光照射阴极的一束光照射阴极K K时，发现电流表示数不为时，发现电流表示数不为零。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，发现当电压表零。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，发现当电压表示数小于示数小于0.6V0.6V时，电流表示数仍不为零；电压表示数大时，电流表示数仍不为零；电压表示数大于或等于于或等于0.6V0.6V时，电流表示数为零，求此时光电子的最时，电

27、流表示数为零，求此时光电子的最大初动能和该阴极材料的逸出功。大初动能和该阴极材料的逸出功。随堂演练随堂演练(ynlin)(ynlin)第32页/共34页第三十二页，共35页。随堂演练随堂演练(ynlin)(ynlin)4 4 4 4、在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效、在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效、在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效、在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能应，实验测得光电子的最大初动能应，实验测得光电子的最大初动能应，实验测得光电子的最大初动能(dngnng)EK(dngnng)EK(dng

28、nng)EK(dngnng)EK与入射与入射与入射与入射光的频率光的频率光的频率光的频率的关系如图，由图可求出（的关系如图，由图可求出（的关系如图，由图可求出（的关系如图，由图可求出（ ）A A A A、该金属的极限频率和极限波长、该金属的极限频率和极限波长、该金属的极限频率和极限波长、该金属的极限频率和极限波长B B B B、普朗克常量、普朗克常量、普朗克常量、普朗克常量C C C C、该金属的逸出功、该金属的逸出功、该金属的逸出功、该金属的逸出功D D D D、单位时间逸出的电子数、单位时间逸出的电子数、单位时间逸出的电子数、单位时间逸出的电子数第33页/共34页第三十三页，共35页。谢谢(xi xie)大家观赏！第34页/共34页第三十四页，共35页。内容(nirng)总结一、光电效应。因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。2、光电流随入射光强度的增大而增大。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。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。为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质(wzh)，。C.锌板带负电，指针带正电。D.锌板带负电，指针带负电。A、该金属的极限频率和极限波长。谢谢大家观赏第三十五页，共35页。