高中物理：17.2《科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性》課件(新人教版 選修3-5)

1、高中物理新人教版選修- 5系列課件17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 知識與技能：知識與技能：v1通過實驗了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動量過程與方法：過程與方法：v經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價值觀：、情感態(tài)度與價值觀：v領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。v【重點難點重點難點】v1、重點：、重點：光電效應(yīng)的實驗規(guī)律v2、難點：、難點：愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義問題問題1：回顧前

2、面的學(xué)習(xí)，總結(jié)回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展過程？過程？用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），不帶電的驗電器相連），使驗電使驗電 器張角增大到器張角增大到約為約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角

3、會變大。近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電 當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中當(dāng)光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。逸出的電子稱為逸出的電子稱為光電子光電子。光電子定向移動形成的電流叫光電子定向移動形成的電流叫光電流光電流 光照不變，增大光照不變，增大UAK，G表中電流表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。飽和值。因為光照條件一定時，因為光照條件一定時，K發(fā)射的發(fā)射的電子數(shù)目一定。電子數(shù)目一定。實驗表明：實驗表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，

4、單位時間內(nèi)發(fā)射的入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。光電子數(shù)越多。VGAK陽極陽極陰極陰極：使光電流減小到零的反向電壓：使光電流減小到零的反向電壓v加反向電壓，如右圖所示：加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場力方向與光電子光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運速度方向相反，光電子作減速運動。若動。若c221eUvmcecv速率最大的是U=0時，時，I0， 因為電子有初速度因為電子有初速度則則I=0，式中，式中UC為為遏止電壓遏止電壓(2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率a.存在存在遏止電壓遏止電壓EEUFKAIIsUaOU黃光（黃光（ 強(qiáng)）強(qiáng)

5、）黃光（黃光（ 弱）弱）光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流蘭光蘭光Ub(2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率VGAK陽極陽極陰極陰極實驗表明實驗表明: 改變是，改變是，(2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率c221eUvmcea.存在存在遏止電壓遏止電壓VGAK陽極陽極陰極陰極經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：b.存在存在截止頻率截止頻率 (2)存在存在遏止電壓和截止頻率遏止電壓和截止頻率AKGV陽陽極極陰陰極極實驗結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度實驗結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，非常微弱，電流電流表指針也幾乎是隨著入射光照表指針也幾乎是隨著入射

6、光照射就立即偏轉(zhuǎn)。射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過射所經(jīng)過的時間不超過10109 9 秒秒（這個現(xiàn)象一般稱作（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子光電子的瞬時發(fā)射的瞬時發(fā)射”）。）。光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成 (3)具有瞬時性具有瞬時性VGAK陽極陽極陰極陰極： 以上三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的，所以上三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功逸出功。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。

7、光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電光越強(qiáng)，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 S。-9實驗表明實驗表明:對于一定顏色對于一定顏色(頻率頻率)的光的光, 無論光的強(qiáng)弱如何

8、無論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的遏止電壓是一樣的.溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這個引力做功。脫出來，必須克服這個引力做功。光本身就是由一個個不可分光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為的光的能量子為h。這些能。這些能量子后來被稱為量子后來被稱為光子光子。愛因斯坦的光子說愛因斯坦的光子說hE 愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：了啟發(fā)，他提出：2.愛因斯坦的

9、光電效應(yīng)方程愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：0WEhk0WhEk或光電子最大初動能光電子最大初動能 金屬的逸出功金屬的逸出功 W0221cekvmE 一個電子吸收一個光子的能量一個電子吸收一個光子的能量h后，一部分能后，一部分能量用來克服金屬的逸出功量用來克服金屬的逸出功，剩下的表現(xiàn)為逸，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能出后電子的初動能Ek，即：，即：3.3.光子說對光電效應(yīng)的解釋光子說對光電效應(yīng)的解釋愛因斯坦方程表明，光電子的初動能愛因斯坦方程表明，光電子的初動能E Ek k與與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)有當(dāng)hh 時，才有光電子逸出，時，才有光電子

10、逸出， 就是就是光電效應(yīng)的截止頻率。光電效應(yīng)的截止頻率。hWc0電子一次性吸收光子的全部能量，不需要電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。生的。光強(qiáng)較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金光強(qiáng)較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律效應(yīng)的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時愛因斯坦光子

11、假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的波動理論。波動理論。 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實驗，結(jié)果在實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量子”理論理論的正確。的正確。愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對的理論解釋和對理論理論物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎密立根由于密立根由于研究

12、基本電荷和研究基本電荷和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過著名，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最的油滴實驗，證明電荷有最小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)獎。思考與討論思考與討論課本P36ceUWh0cceKeUvm：E221因為可得代入0WhEk放大器放大器控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)K1K2K3K4K5KA。應(yīng) 用v光電管光電源電流計IAK 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)第第2課時課時1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方因而傳播方向發(fā)生改變向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19

13、231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)和散射物質(zhì)都無關(guān)。3.3.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長散射波長 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某

14、光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波， 散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會改變的！康普頓散射曲線的特點：康普頓散射曲線的特點： a.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。 b.新波長新波長 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，的現(xiàn)象，稱為稱為康普頓散射?？灯疹D散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長. . 0 稱為電子的稱為電子的Compton波長波長)cos1 (j j c只

15、有當(dāng)入射波長只有當(dāng)入射波長 0與與 c可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。見光觀察不到康普頓散射。波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關(guān)，有關(guān)，而與散射物質(zhì)而與散射物質(zhì)種類及入射的種類及入射的X X射線的波長射線的波長 0 0 無關(guān)，無關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實驗值）（實驗值） 1.1.有力地支持了愛因斯坦有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； 2.2.首次在實驗上證實了首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量”的假

16、設(shè)；的假設(shè)；3.3.證實了證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒?？紤]能量守恒，后來才認(rèn)識到還要用動量守恒?？灯疹D于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎。康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1

17、927年獲諾貝爾物理學(xué)獎年獲諾貝爾物理學(xué)獎(1892-1962)美國物理學(xué)家美國物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，4.吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對證實康普頓效應(yīng)作出了對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測量測量各種波長的散射光強(qiáng)度，作各種波長的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。01

18、20 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動量能量是描述粒子的動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的光的粒子性光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律1.光電效應(yīng)現(xiàn)象光電效應(yīng)現(xiàn)象2.光電效應(yīng)實驗規(guī)律光電效應(yīng)實驗規(guī)律 （3 3）光子說對光電效應(yīng)的解釋）光子說對光電效應(yīng)的解釋（2）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程）愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程（1 1）光子：）光子：二、光電效應(yīng)解釋中的疑難二、光電效應(yīng)解釋中的疑難1.1.在演示光電效應(yīng)的

19、實驗中，原來不帶在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，一個角度，如圖所示，這時這時( )( )A.A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.B.鋅板帶正電，指針帶正電鋅板帶正電，指針帶正電C.C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B練習(xí)練習(xí)2.2.一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該

20、金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是( )( )A.A.延長光照時間延長光照時間B.B.增大光束的強(qiáng)度增大光束的強(qiáng)度C.C.換用紅光照射換用紅光照射D.D.換用紫光照射換用紫光照射D練習(xí)練習(xí)練習(xí)練習(xí)B練習(xí)練習(xí)3練習(xí)練習(xí)D練習(xí)練習(xí)課本課本P391、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想、在可見光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其在可見光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。頻率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一為光強(qiáng)，一為光強(qiáng)，因為光的亮度由兩個因素決定，因為光的亮

21、度由兩個因素決定，二為人眼的視覺靈敏度。二為人眼的視覺靈敏度。在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位在光強(qiáng)相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應(yīng)最亮。練習(xí)練習(xí)課本課本P392、在光電效應(yīng)實驗中、在光電效應(yīng)實驗中 （1）如果入射光強(qiáng)度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？）如果入射光強(qiáng)度增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（2）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？）如果入射光頻率增加，將產(chǎn)生什么結(jié)果？（1）當(dāng)入射光頻率高于截止頻率時，光強(qiáng)增加，）當(dāng)入射光頻率高于截止頻率時，光強(qiáng)增加，發(fā)射的光電子數(shù)增多；發(fā)射的光電子數(shù)增多； 當(dāng)入射光頻率低于當(dāng)

22、入射光頻率低于截止頻率時，無論光強(qiáng)怎么增加，都不會有光截止頻率時，無論光強(qiáng)怎么增加，都不會有光電子發(fā)射出來。電子發(fā)射出來。 （2）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初）入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初動能增加。動能增加。練習(xí)練習(xí)課本例題課本例題P36分析ceUWh0由上面討論結(jié)果eWehUc0可得： 對于一定金屬，逸出功對于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷是確定的，電子電荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率之間是線性關(guān)系eW0hW0即：Uc圖象是一條斜率為 的直線eh練習(xí)練習(xí)課本例題P36分析ceUWh0由上面討論結(jié)果eWehUc0可得：eW0

23、hW0cceKeUvm：E221因為遏止電壓遏止電壓Uc與光電子與光電子的最大初動能的最大初動能Ek有關(guān)有關(guān)Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc為零，為零，Ek為零，即沒有光電子為零，即沒有光電子所以與遏止電壓所以與遏止電壓U Uc c=0=0對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率對應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率c c00ceUWh0WhC由以上分析可知：由以上分析可知：根據(jù)數(shù)據(jù)作根據(jù)數(shù)據(jù)作Uc圖象即可求得圖象即可求得遏止電壓遏止電壓U Uc c=0=0對應(yīng)的頻率就是截止頻率對應(yīng)的頻率就是截止頻率c cU Uc c圖象是一條斜率為圖象是一條斜率為 的直線的直線eh練習(xí)練習(xí)課本課本P395 5、根據(jù)圖、根據(jù)圖17.2-217.2-2所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種（或多種）已知頻率的光來進(jìn)夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種（或多種）已知頻率的光來進(jìn)行實驗，怎樣測出普朗克常量？