高中物理 第17章 波粒二象性 2 光的粒子性课件 新人教版选修3-5

人民教育出版社 高二 |选修3-5
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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
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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）
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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
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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
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I
黄光（强）
Is
黄光（弱）
O
UAK
二.光电效应的实验规律

-
30
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。
-
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运 动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概 念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，
该波的波长λ= h / p。
【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意 波的波长。
解：估计一个中学生的质量m≈50kg ，百米跑 时速度v≈7m/s ，则
h6.6 310 34m1.910 3m 6
j =0O j =45O
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 。
j =90O
2.新波长 随散射角的增大
而增大。波长的偏移为
0
0 j =135O
λ 0.700
0.750
o
波长 （A）-
34
光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的 结果，具体解释如下：
4.从光电效应方程中，当初动能为零时， 可得极极限频率：
-
25
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。

2. 存在遏止电压和截止频率
U = 0 时，I ≠ 0，因为电子有初速度。 A
K
U
加反向电压，如图所示：
光电子所受电场力方向与光电子
E
速度方向相反，光电子做减速运
动。若
最大初动能
1 2
mevc2
eUc
则 I = 0，式中 Uc 为遏止电压 。

v－ F
E
速率最大的是 vc
遏止电压 Uc ：使光电流减小到零的反向电压
第十七章：波粒二象性
第2节：光的粒子性
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。
把一块锌板连接在验电器上，用紫外线照射 锌板，观察验电器指针的变化。
光电效应
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。
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。
三、光电效应解释中的疑难
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。 按照光的电磁理论，可以得到以下结论：
后来经过汤姆逊等多名科学家的实验研究，证实了
这个现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子
从表面逸出，这个现象就叫光电效应。
二、光电效应的实验规律
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。

C．光子能量变大
D．波长变长
解析：光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能 量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加， h 所以光子的动量、能量减小，故 C 错误；由 λ＝p、E＝hν 可知光子频率变小，波长变长，故 A 错误，D 正确；由 于光子速度是不变的，故 B 错误． 答案：D
拓展一 光电效应 1．光电效应现象． 如图所示，用弧光灯照射锌板， 与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也 带正电．这说明锌板在光的照射下发射出了电子． (1)定义：在光的照射下物体发射出电子的现象，叫 作光电效应，发射出来的电子叫作光电子．
二、爱因斯坦的光电效应方程 1．光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份 的，是不连续的，而且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，每一个光 的能量子被称为一个光子，这就是爱因斯坦的光子说．
2．爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦说，在光电效 应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 hν，这 些能量的一部分用来克服金属的逸出功，剩下的表现为 逸出的光电子的初动能 Ek，公式表示为 Ek＝hν－W．
D．对于某种金属，只要入射光的强度足够大，就会 发生光电效应
解析：光电子的最大初动能与入射光的频率有关， 与入射光的强度无关，故选项 A 错，B 对；对于任何一 种金属都存在一个发生光电效应的入射光的最小频率(截 止频率)，对应着一个“最大波长”，故选项 C 对，D 错． 答案：BC
知识点二 康普顿效应 提炼知识 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．
判断正误 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．(√)

理解光的波粒二象性应注意以下几个方面： 1．大量光子产生的效果容易显示出波动性，比如干涉、衍 射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射 条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果容易显示出粒 子性，如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫 无规律的光点，粒子性充分体现；但是如果微弱的光在照射时 间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规 律性，倾向于干涉、衍射的分布规律．这些实验为人们认识光 的波粒二象性提供了良好的依据．
5．由Ek－ν图象可以得到的物理量 (1)极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc. (2)逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝E. (3)普朗克常量：图线的斜率k＝h.
用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到 光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图．则这两种光 ( )
A．照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大 B．从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角大 C．通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距大 D．通过同一玻璃三棱镜时，a光的偏折程度大
【答案】
BC
研究光电效应规律的实验装置如图所示，光电管的阴极材 料为金属钾，其逸出功为W0＝2.25 eV，现用光子能量为10.75
eV的紫外线照射光电管，调节变阻器滑片位置，使光电流刚好 为零．求：
(1)电压表的示数是多少？ (2)若照射光的强度不变，紫外线的频率增大一倍，阴极K 每秒内逸出的光电子数如何变化？到达阳极的光电子动能为多 大？ (3)若将电源的正负极对调，到达阳极的光电子动能为多 大？
4.入射光强度指的是单位时间内入射到金属表面垂直光传 播方向上单位面积上的光子的总能量，在入射光频率ν不变时， 光强正比于单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数，但 若入射光频率不同，即使光强相同，单位时间内照到金属表面 单位面积上的光子数也不相同，因而从金属表面逸出的光电子 数也不相同(形成的光电流也不相同)．

第17章 波粒二象性
一、对黑体及黑体辐射的理解
热辐射特点
吸收、反射特点
一 辐射电磁波的情况与温
般 度有关，与材料的种类
物 及表面状况有关
体
既吸收，又反射，其能 力与材料的种类及入射 光波长等因素有关
辐射电磁波的强度按波 黑
长的分布只与黑体的温 体
度有关
完全吸收各种入射电磁 波，不反射
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第17章 波粒二象性

一个假设：普朗克的能量量子化假设。 本章内容可分为三个单元：( 第一～二节)主要介绍了能 量量子化和光的粒子性；第二单元(第三节)介绍了粒子的波动 性；第三单元(第四～五节)介绍了概率波和不确定性关系。 本章的重点是：普朗克的能量量子化假设、光电效应、 光 电效应方程、德布罗意波。本章的难点是：光电效应的实验 规律和波粒二象性。
你想探究什么是能量量子化吗？
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第17章 波粒二象性
知识点1 黑体与黑体辐射
1.热辐射 (1)定义：我们周围的一切物体都在辐射 电磁波 ，这种 辐射与物体的 温度 有关，所以叫热辐射。 (2)特征：热辐射强度按波长的分布情况随物体的 温度 而有所不同。
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黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 温度 有关，如图所示。
(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都 增加 ； (2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长 较短 的 方向移动。
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第17章 波粒二象性
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第17章 波粒二象性
知识点3 能量子
1.定义：普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小 能量值ε的 整数倍 ，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是 以这个最小能量值为单位 一份一份 地辐射或吸收的，这个 不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

密立根 1188
例题：由密立根实验(Uc和v的关系)计算 普朗克常量。
UC/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878 v/1014Hz 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
试做出UC-v图像并通过图像求出： （1）这种金属的极限频率 （2）普朗克常量
Ek 图像和Uc 图像
1 康普顿实验装置
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康普顿散射实验的意义 支持了“光量子”概念，进一步证实了
E = h
首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子
具有动量”的假设 p = h /c = h /
证实了在微观领域的单个碰撞事件中，动 量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖。
康普顿 （A. pton) 美国人(1892-1962）EKUc来自ν0ν0
－W0
方程：Ek h W0
横轴截距： c
纵轴截距： W0 斜率：h
ν
0
方程：U c
h
e
W0 e
横轴截距： c
纵轴截距： W0
斜率：h
e
e
引言：爱因斯坦断言：光是由光子组成， 但真正证明光是由光子组成的还是康普 顿实验。
X射线散射的实验，按经典理论是X 射线的电场迫使散射物中的电子作逼迫 振荡，而向周围辐射同频率的电磁波的 过程。
得出结论:光电效应的产生与否，与光的强弱 无关，与照射时间的长短无关，与光的频率、 金属材料的种类有关。
爱因斯坦
德国科学家爱因 斯坦（Albert Einstein， 1879-1955 ） 在 普 朗 克 的量子假设基础上， 给出了光电效应方程， 成功解释了光电效应 的全部实验规律。
获1921年诺贝尔物理学奖