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人教版高中物理选修3-5课件：17-2光的粒子性 (共70张PPT)

光电子多
，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比．
三、康普顿效应和光子的动量 1．光的散射光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向
发生改变的现象．
2．康普顿效应在光的散射中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长更长的成分．
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，深入揭示了光的粒子性的一面． 4．光子的动量根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程 E＝mc2 和光子说 ε＝hν，每个光子的质量是 hν 光子的动量是 p＝ c 或
3．光子的能量与入射光的强度：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．
4．光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关． 5．光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系．
要点导学
要点一正确理解光电效应中的五组概念
1.光子与光电子：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．光电子的动能与光电子的最大初动能：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，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能．光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能．

光的粒子性PPT演示文稿(1)

速率最大的是 vc 最大的初动能
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
阴极
光电效应伏安特性曲线
饱和电流遏止电压
A
阳极
K
I
黄光（强）兰光黄光（弱）
O
G
V
Is
Ub Ua
U
一.光电效应的实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
阴极
a.存在遏止电压UC
A
阳极
K
1 2 me vc eU c 2
G
V
更精确的研究推知，光电子发－9 射所经过的时间不超过10 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
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。
三.爱因斯坦的光量子假设
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 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到的光的能量子为hν。这些能了启发，他提出：量子后来被称为光子。
E h
爱因斯坦的光子说
三.爱因斯坦的光量子ຫໍສະໝຸດ 设1.光子： 2.爱因斯坦的光电效应方程
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：

人教版高中物理选修3-5课件 17 光的粒子性课件

人民教育出版社高二 |选修3-5
人民教育出版社高二 |选修3-5
三.光电效应解释中的疑难
看课本思考两个问题： 1.什么是逸出功？ 2.经典电磁理论在哪些方便与实验结论矛盾？
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。
三.光电效应解释中的疑难
人民教育出版社高二 |选修3-5
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。
遏I
止电压
U
I
黄光（强）蓝光
黄光（弱）
人民教育出版社高二 |选修3-5
二.光电效应的实验规律
实验表明：当入射光的频率减小到某一数值γc时，没有光电子发出。
实验结论3：存在截止频率，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
二.光电效应的实验规律
实验表明：产生光电流的时间不超过10－9s。即光电效应发生几乎是瞬时的实验结论4：光电效应具有瞬时性
实验表明：
U1
对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。且光的频率v改变时，遏止电压也会改变。
遏I
止电压
I
黄光（强）蓝光
黄光（弱）
U1 U2
二.光电效应的实验规律
人民教育出版社高二 |选修3-5
实验结论2：
存在遏制电压，且跟光的频率有关，与光强无关，进而说明逸出光电子的最大初动能与光频率有关，与光强无关
保持光频率不变，增大光强，饱和电流增大
人民教育出版社高二 |选修3-5
I
黄光（强）
Is
黄光（弱）
O
UAK
二.光电效应的实验规律

高中物理课件-17.2 光的粒子性 (共33张PPT)

4. 如图所示，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
A.1.9 eV B.0.6 eV
康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
三.康普顿散射实验的意义
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.
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，
在同一散射角( j 1200 )测
量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。
△当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流。 △精确测量表明产生电流的时间不超过10－9 秒，即光电效应几乎是瞬时的。
反馈练习：
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，验电器指针张开一
个角度，如图所示，这时 ( B )
越大
子数越多，光电流越大
遏止电压只与频率有关，遏止电压应与入射光的不
而与强度无关。
强度有关。
符
存在截止频率γc 当入射光频率低于截止频率，不能
如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够
发生光电效应
能量就会形成光电子
不符
光电效应具有瞬时性
能量的可以随时间积累
不符
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。
实验结论2：
I
黄光（强）

光的粒子性课件

③光电效应具有瞬时性．光电效应几乎是瞬时的，无论入射光怎么微弱，时间都不超过 10－9 s.
(4)逸出功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，用 W0 表示，不同金属的逸出功不同．
2．思考判断 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．(×) (2) 金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．(×) (3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的．(√)
光的粒子性
光电效应
1.基本知识 (1)定义照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象． (2)光电子光电效应中发射出来的电子．
(3)光电效应的实验规律 ①存在着饱和电流．入射光强度一定，单位时间内阴极 K 发射的光电子数一定．入射光越强，饱和电流越大．表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．即入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多． ②存在着遏止电压和截止频率．遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度．对于一定颜色(频率)的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的，即光电子的能量只与入射光的频率有关．当入射光的频率低于截止频率时，不论光多么强，光电效应都不会发生．
3．光子的能量与入射光的强度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． 4．光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．

高中人教版物理选修3-5课件：17.2 光的粒子性1

这表明对一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多
二光电效应的实验规律
2 存在着遏止电压和截止频率（1）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v改变是，遏止电压也会改变这表明光电子的能量只与入射光的频率有有关，而与入射光的强弱无关
2
光的粒子性
电子
在金属表面处的电子，受到四周正离子的引力合力向指向金属内部，电子要出正离子来须克服这些引力（也是阻力）做功，需要一定的能量（动能）思考3 ：在距金属表面深度不同的电子，在离开金属的过程中，要克服阻力做的功相同吗？不同。越靠近金属表面的电子，克服阻力所要做的功越少我们把电子在离开金属的过程中，克服阻力做功的最小值叫做这种金属的逸出功。（实际也是最表面的电子出来时所要做的功）
2 用什么实验装置来研究光电效应？光电管、电源、变阻器，电压表、电流表 3 你发现光电效应有哪些规律？
2
二光电效应的实验规律 1 存在着饱和电流
光的粒子性
（1）即在入射光照强度不变的情况下，随着所加正向电压的增大，当电压增大到某一值时，光电流不再增大，趋向于一个饱和值
这说明，在入射光照强度不变的情况下，单位时间内阴极K发射的光电子数目是一定的（2）实验表明：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大
思考4：随着AK间电压的不断增大，光电流会一直增大下去吗？不会的。当电压增大到一定的程度，所有的电子将全部被拉过去，此时K板每秒发出多少电子，A板每秒就接收多少电子，即单位时间内通过导线截面的电荷量是一定值，电流为一定值，这个电流，叫做饱和电流石英窗囗
A
K
电场 E V
A
对光电效应的研究

光电子技术课件ppt2[1]

22
θ1
B
半波带 a 半波带
2
21′′
1 2 1′
2′
半波带半波带
A λ/2
两个“半波带”上发的光在P处干涉相消
形成暗纹。 • 当a sin 时3，可将缝分成三个“半波带”
2
Bθ
a
P处近似为明纹中心
A
2024/10/13
λ/2
光电子技术与应用
23
• 当 a sin 2 时,可将缝分成四个“半波
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0 ,
则
I
4I0
cos 2
2
( d sin 2 )
I
4I0
光强曲线
2024/10/13
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
光电子技术与应用
E0 sin 2
2
E0 △Φ
令 a sin
2
有
Ep
E0
sin
又
I
E
2 p
，I0 E02
P点的光强
I
I0
sin
2
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光电子技术与应用
27
由得
I
I0
sin
2
可
(1) 主极大（中央明纹中心）位置：
0处， 0 sin 1 (2) 极小（暗纹）位置：
f
a
a
——衍射反比定律
2024/10/13
光电子技术与应用
sin I

第二节光的粒子性(2课时)

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，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” 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。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。
光子理论对康普顿效应的解释
Байду номын сангаас
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果光子不仅有能量还有动量
光子的能量和动量
hν ∴ m = 2 c hν hν h = ∴ P = mc = 2 • c = c c λ
Q E = mc
2
E = hν
光子的能量和动量
E = hν
P = h
动量能量是描述粒子的, 动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的
康普顿效应
经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
1.根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中 1.根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，根据经典电磁波理论带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，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。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的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。
康普顿效应
1.光的散射: 1.光的散射: 光的散射
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,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射方向发生改变,这种现象叫做光的散射
2.康普顿效应 2.康普顿效应
1923年康普顿在做射线通过物质散射的实验时， 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，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，射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，有关而与入射线波长和散射物质都无关。而与入射线波长和散射物质都无关。

第二节__光的粒子性

2、遏止电压-入射光频率：Uc-ν图像
Uc
W0 h Uc e e
c
ν -W0/e
思考1：截距和斜率的物理意义分别是什么？思考2：如果将两种不同金属的Uc-ν曲线画在同一张图像中，会是怎样的？
例1、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
增透膜
光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
钢针的衍射
圆孔衍射
圆屏衍射
光到底是什么？……………
惠更斯波动说 1690 1672
托马斯· 杨双缝干涉实验
菲涅耳衍射实验
赫兹电磁波实验
麦克斯韦电磁说 1864 1888 ………. 1905
波动性
1801 1814
T/年
粒子性
牛顿微粒说
（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。
0
0.700 0.750
=45O =90
散射中出现 ≠0 的现象，称为康普顿散射。康普顿散射曲线的特点：
1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。 2.新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为
O
=135O
波长 λ（A）
o
0

高中物理第十七章波粒二象性17.2光的粒子性课件新人教版选修350829381

光的大,故选项 C 正确,选项 D 错误。
答案：C
第十九页，共20页。
类型
(lèixíng)一
类型
(lèixíng)
二
题后反思由爱因斯坦光电效应(ɡuānɡ diàn xiào yìng)方程可知:光电子的
最大初动能由入射光的频率和金属材料的逸出功决定;入射光越强,饱和
光电流越大。
第二十页，共20页。
2
光的粒子(lìzǐ)性
第一页，共20页。
1.了解光电效应(ɡuānɡ diàn xiào yìng)及其实验规律。
2.知道爱因斯坦光电效应(ɡuānɡ diàn xiào yìng)方程及其意义。
3.了解康普顿效应及其意义。
第二页，共20页。
一
二
三
四
一、光电效应的实验规律
1.光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出,这种现象
值;斜率为普朗克常量。
第十四页，共20页。
类型(lèixíng)
一
类型
(lèixíng)二
对光电效应规律(guīlǜ)的理解
【例题1】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.从光照射金属表面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
一
类型
(lèixíng)二
爱因斯坦光电效应方程(fāngchéng)的应用
【例题2】
研究光电效应的电路如图所示。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的关系图象正确的是

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光阑散射波长
j
0
探测
器
石墨体
(散射物质)
X 射线谱仪
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！
.... .. .............................................................................
5. 为什么在光电效应中只考虑 “光子─电子系统”的能量守恒，不考虑动量守恒？
在光电效应中，入射的是可见光和紫外线，与X射线相比，光子能量较低，电子与整个原子的联系不能忽略，
在光电效应中，原子也要参与动量交换， ∴ “光子─电子系统”动量不守恒。
康普顿散射实验的意义
（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”的设；
密立根
密立根的本意是去否定结果、却验证了光子理论！这对爱因斯坦光子假设是极大的支持。
他还通过著名的油滴实验研究基本电荷，证明电荷有最小单位。
爱因斯坦----1921年获诺贝尔物理奖密立根---- 1923年诺贝尔物理学奖
3 康普顿效应
康普顿散射是光显示出其粒子性的又一著名实验
X 射线管
晶体
（最大为 0．0482Å；是可见光波长的～10-5）
4.为什么康普顿效应中的自由电子不能像光电效应那样吸收光子而是散射光子？
若静止的自由电子吸收光子，
h0 m0c2 mc2
ˆ 0
m m0 / 1 v2 / c2
v
v2
1 c
1 c2
v c 不可能！
∴自由电子不可能吸收光子，只能散射光子。
Uc Cs Na Ca
0
I GD
KA
（2）截止电压Uc与光强 I 无关
Uc
1 2
mvm2
（3）存在红限频率
i
V
R
A
当光电子的最大初动能为零时，存在红限频率
0
A h
1 2
mvm2
h
A
（4）光电转换时间极短 <10-9s
密立根整整化了10年时间，克服了重重困难，利用巧妙而复杂的装置，于1915年完成了光电效应的高精度实验。
发展了普朗克开创的量子论：光的发射、传播、吸收都是量子化的，一束光就是以速率 c 运动的一束光子流。
光子能量 h（不是nh ）
光子理论对光电效应的解释
爱因斯坦光电效应方程：
1 2
mvm2
h
A
A是逸出功
1 2
mvm2
是光电子的最大初动能
i im2 im1 Uc 0
I2 I1
I2 I1 U
（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。
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，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，对证实康普顿效应作出了重要贡献。
吴有训（1897-1977）
光子把部分能量传给了电子，光子能量减小,频率变小,因而波长就变长。
定量计算按能量与动量守恒定律应有
h
h0 e j
m0
自由电子(静止)
mv
h0 m0c2 h mc2
h
0
nˆ0
h
nˆ
mv
解出的波长偏移
0
h m0c
(1
cosj
)
0.02431cosj Å
和实验结果符合得相当好！
j =0O 但是，散射中出现了 ≠0 的
现象，称为康普顿散射。
j =45O j =90O
康普顿散射的特点：
1.除原波长0外，出现了移向长波方向的新的散射波长。
2.新波长随散射角 j 的
增大而增大。波长的偏移为
0 j =135O
0 c (1cos j)
实验测得 c = 0.0241Å c 称为电子的Compton波长
在频率一定时，im I
（2）截止电压Uc 与光强 I 无关
i im 2 im1 Uc 0
I2 I1
I2 I1 U
Uc Cs Na Ca
（3）存在红限频率
0
（4）光电转换时间极短 <10-9s(即使光非常非常弱)。
波动理论存在困难，不能解释以上（2）（3）（4）
2 爱因斯坦的光子理论(1905年)
讨论
1. 为什么与散射物的种类无关？
散射物中的电子都看成自由电子了。
2. 为什么在散射线中还观察到有与原波长的射线？光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞。
∵ m原子 m光子
∴ 弹性碰撞中，入射光子几乎不损失能量，即散射光子波长不变。
3. 为什么用可见光做散射实验，观察不到波长的偏移现象？
4 光的波粒二象性
光子的能量： = h
h 光子的质量： m c2 , m0 0
光子的动量： p mc h h c
描写光的粒子性的、p，与描写光的波动性的、通过
= h ； p h 相联系
波长大或障碍物小→波动性突出波长小或障碍物大→粒子性突出
光有二象性
λ 0.700
0.750
o
波长（A）
对康普顿散射的定性分析
X射线光子与“静止”的“自由电子”发生碰撞。
X光的光子能量很大，波长1Å的X射线 , ~ 104 eV
石墨中的外层电子在原子中结合较弱，束缚能~eV, 在室温下的热运动能量 kT~10-2eV，所以可认为
这些电子是静止的自由电子。
X射线的光子与静止的自由电子之间是弹性碰撞，并假设在碰撞过程中能量守恒,动量守恒。
2 光的粒子性
1 光电效应
金属及其化合物在电磁波照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。
实验装置：
I GD
KA
i
V
R
GD为光电管，光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。
光电子在电场加速下向 A 阳极A 运动，形成光电流。
实验规律如下：
实验规律：
（1）光强 I 对饱和光电流 im的影响：