1、一、光的波動性 光是電磁波 理論證明：麥克斯韋的經典電磁場理論 實驗驗證：赫茲的電火花實驗，發(fā)現電磁波的速度和光速相同。 其它實驗證據： 1、光的干涉：托馬斯楊 2、光的衍射：菲涅耳 3、光的偏振：馬呂斯,二、光電效應現象 把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。 這個現象說明了說明問題？ 結論：鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。,光電效應： 當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象，稱為光電效應。 逸出的電子稱為光電子。 光電子定向移動形成的電流叫光電流。,三、實驗研究光電效應的規(guī)律 1、存在飽和電流 當A接正極，K接負極 時

2、，控制入射光的強度一 定，使UAK從0開始增大， 觀察到電流表的示數一開 始增大，到某一數值后就 不再增大。 這個最大電流就叫做 飽和電流。,對存在飽和電流的解釋： K板逸出的電子向各個方向運動， 如果不加電壓，很多電子無法到 達A板，無法形成較大電流。 加上電壓后，越來越多的電子 到達A板，電流越來越大。 但是，如果所有電子都達到了 A板，繼續(xù)增大電壓，就無法 再增大電流。,實驗表明：在光的顏色不變的情 況下，入射光越強，飽和電流越大。這表明對于一定顏色的光，飽和電流強度與入射光強度成正比。,光強：單位時間內垂直于 光的傳播方向上的單位面 積所通過的能量I= nh,思考1：如果AK之間不加電

3、壓，電流是否為0？ 思考2：如何才能使電流為0？,2、存在遏止電壓Uc （反向截止電壓） 當A接負極，K接正極 時，控制入射光的強度一 定，使UKA從0開始增大， 觀察到電流表的示數逐漸 減小到0。 電流剛減小到0時對應 的UKA叫做遏止電壓Uc。,對存在遏止電壓的解釋： 加上反向電壓后，電 子受到的電場力方向與運 動方向相反，電子減速。 如果反向電壓足夠大， 電子將無法達到A板。臨界 的電壓值即為遏止電壓Uc。 其中，vc是所有光電子的最大初速度， 是光電子的最大初動能。,+ + + + + +,一 一 一 一 一 一,實驗表明，對于一定顏色（頻率）的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的

4、。 光的頻率v改變時，遏止電壓Uc也會改變，這表明光電子的能量只與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關。,3、存在截止頻率c 當入射光的頻率減小 到某一數值c時，無論光 的強度多大，加上怎樣的 電壓，都不會有光電流。 這個臨界頻率叫做截 止頻率或極限頻率c。 當入射光的頻率低于 截止頻率時不發(fā)生光電 效應。 實驗表明，不同的金屬 的截止頻率不同。,4、光電效應的瞬時性 當入射光的頻率超過截止頻率時，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時立即產生光電流。精確測量表明產生電流的時間不超過10-9s，即光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的。,光電效應中各相關物理量間的關系,四、光電效應的解釋中的疑難,按照光的電

5、磁理論，應得出以下結論： 光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關 ；,逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。,實驗結果：遏止電壓只與光的頻率有關。對于一定 顏色（頻率）的光, 無論光的強弱如何，遏止電壓 是一樣的。,不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率 ；,實驗結果：對于不同的物體，都有相應的截止頻率。,如果光很弱，按經典電磁理論估算，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，這個時間遠遠大于10-9 S。,以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以 無法用經典的波動理論來解釋光電效應。,實驗結果：時間小

6、于10-9s,五、愛因斯坦的光電效應方程 1、光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為h。這些能量子后來被稱為光子。 2、電子從金屬中逃逸，需要克服阻力做功。使電子脫離金屬所要做的最小的功，叫做金屬的逸出功。 不同金屬的逸出功是不同的。 3、一個電子一瞬間吸收一個光子的能量，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能Ek，即： 上式即為愛因斯坦的光電效應方程。 如果電子克服阻力做功大于逸出功，則逸出后電子的初動能小于最大初動能。,光子說對光電效應的解釋 (1)飽和光電流與光強關系 光越強，包含的光子數越多，照射金屬時產生的光電子越 多，因

7、而飽和光電流越大，所以，入射光頻率一定時，飽和光 電流與光強成正比 (2)存在截止頻率和遏止電壓 愛因斯坦的光電效應方程表明光電子的初動能與入射光頻 率呈線性關系，與光強無關，所以遏止電壓由入射光頻率決定， 與光強無關光電效應方程同時表明，只有 hW0時，才有光,(3)效應具有瞬時性,電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以 光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的,思考1：同種頻率的光射到同種金屬上，增強入射光時，飽和電流、遏止電壓分別如何變化？ 答案：飽和電流增大，遏止電壓不變。 思考2：相同強度（單位時間內的能量）的單色光射到同種金屬上，增加入射光的頻率時，飽和電流、遏止電壓分別如何變化

8、？ 答案：飽和電流減小，遏止電壓增大。,六、光電效應方程的圖像： 1、外加電壓和光電流的關系（同種金屬） 光的強弱影響飽和電流 光的頻率影響遏制電壓,2、遏止電壓-入射光頻率：Uc-圖像 思考1：截距和斜率的物理意義分別是什么？ 思考2：如果將兩種不同金屬的Uc-曲線畫在同一張圖像中，會是怎樣的？,【典例1】(2010上海高考)根據愛因斯坦光子說，光子能量等于(h為普朗克常量，c、為真空中的光速和波長)( ),A,【變式訓練】一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應，則下列說法正確的是( ) A.若增加綠光的照射強度，則逸出的光電子數增加 B.若增加綠光的照射強度，則逸出的光電子的最大初動能增加 C.

9、若改用紫光照射，則可能不會發(fā)生光電效應 D.若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動能增加,A、D,【典例2】(2010四川高考)用波長為2.010-7 m的紫外線照射鎢的表面，釋放出來的光電子中最大的動能是4.710-19 J，由此可知，鎢的極限頻率是(普朗克常量h=6.63 10-34 Js，光速c=3.0108 m/s，結果取兩位有效數字) _. A.5.51014 Hz B.7.91014 Hz C.9.81014 Hz D.1.21015 Hz,B,【變式訓練】（2011福建高考）愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎.某種金屬逸出光電子的

10、最大初動能Ekm與入射光頻率的關系如圖所示，其中0為極限頻率.從圖中可以確定的是_.（填 選項前的字母） A.逸出功與有關 B.Ekm與入射光強度成正比 C.當0時，會逸出光電子 D.圖中直線的斜率與普朗克常量有關,D,一、正確理解光電效應中的五組概念,1.光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量,光子不帶電,光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質是電子，光子是光電效應的因，光電子是果. 2.光電子的動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時,光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量,可能向各個方向運動,需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的

11、初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初動能.光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能.,3.光子的能量與入射光的強度：光子的能量即每個光子的能量，其值為E=h(為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定.入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量，入射光的強度等于單位時間內光子能量與入射光子數的乘積. 4.光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關.,5.光的強度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強度成

12、正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系.,(1)光電效應的實質是光現象轉化為電現象. (2)發(fā)生光電效應時，飽和光電流與入射光的強度有關，要明確不同頻率的光、不同金屬與光電流的對應關系.,二、全面理解光電效應方程及其規(guī)律,1.光電效應方程Ek=h-W0的理解 (1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩余動能大小可以是0Ek范圍內的任何數值. (2)光電效應方程實質上是能量守恒方程. 能量為E=h的光子被電子所吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另

13、一部分就是電子離開金屬表面時的動能.如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據能量守恒定律可知：Ek=h-W0.,(3)光電效應方程包含了產生光電效應的條件. 若發(fā)生光電效應，則光電子的最大初動能必須大于零，即 Ek=h-W00，亦即hW0， 恰好是光 電效應的截止頻率. (4)Ekm-曲線.如圖所示是光電子最大 初動能Ekm隨入射光頻率的變化曲線. 這里，橫軸上的截距是截止頻率或極 限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負 值；斜率為普朗克常量.,2.光子說對光電效應的解釋 (1)飽和光電流與光強關系：光越強,包含的光子數越多,照射 金屬時產生的光電子越多,因而飽和光電流

14、越大.所以,入射光 頻率一定時,飽和光電流與光強成正比. (2)存在截止頻率和遏止電壓：愛因斯坦光電效應方程表明光 電子的初動能與入射光頻率成線性關系,與光強無關,所以遏 止電壓由入射光頻率決定，與光強無關.光電效應方程同時表 明,只有hW0時,才有光電子逸出, 就是光電效應的 截止頻率.,(3)效應具有瞬時性：電子一次性吸收光子的全部能量,不需要積累能量的時間,所以光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的. (1)逸出功和截止頻率均由金屬本身決定，與其他因素無關.(2)光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系.,七、光電效應方程的驗證 密立根設計實驗，測量金屬的遏止電壓與入射光頻率的關系曲

15、線，根據曲線斜率算出普朗克常數h，進而與普朗克從黑體輻射得出的h相比較。 實驗結論：兩種方法計算出的普朗克常數幾乎一樣，從而證明了光子假說的正確性。 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。 密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學獎,例題：由密立根實驗(Uc和v的關系)計算普朗克常量,很難測Ek ，怎樣改成Uc與v、W0關系？ 提示：Ek = eUc,由圖象求參數的方法： 電源電動勢和內阻（直接求參數） 用單擺測重力加速度（用圖象求平均值）,八、康普頓效應 1、光的散射 光在介質

16、中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現象叫做光的散射。 2、康普頓效應 康普頓在做 X 射線通過物質散射的實驗時，發(fā)現散射線中除有與入射波長相同的射線外，還有比入射波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射波長和散射物質都無關。,3、康普頓散射實驗的裝置,晶體,光闌,探 測 器,0,散射波長,4、康普頓效應的解釋 經典理論：光的散射不會改變光的波長和頻率。 光子模型解釋：根據動量守恒定律，發(fā)生碰撞后光子的動量會發(fā)生變化。 光子的動量與波長存在一定的關系： 發(fā)生碰撞后，光子的動量減小，即光的波長增大。 散射角不同，說明碰撞后光子的動量也不同，光的波長也不同。,也可以從光子能

17、量的角度解釋康普頓效應： 發(fā)生碰撞后，光子能量減小，因此光的頻率減小。 碰撞的角度不同時，光子能量的減小也不同，頻率的減小也不同。,5、康普頓效應的意義 (1) 有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設 (2)首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設 (3)證實了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。 康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”。 康普頓于1927年獲諾貝爾物理學獎。,【典例3】康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量.如圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰后光子可能沿方向_運動，并

18、且波長_(選填“不變”、“變短”或“變長”).,1 變長,科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子.假設光子與電子碰撞前的波長為，碰撞后的波長為，則碰撞過程中( ) A.能量守恒，動量守恒，且= B.能量不守恒，動量不守恒，且= C.能量守恒，動量守恒，且,C,一束黃光照射某金屬表面時，不能產生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是( ) A、延長光照時間 B、增大光束的強度 C、換用紅光照射 D、換用紫光照射,D,如圖所示，陰極K用極限波長是0=0.66 m的金屬銫制成，用波長=0.50 m的綠光照射陰極K，調整兩個極板電壓.當A板電壓比陰

19、極高出2.5 V時，光電流達到飽和，電流表G的示數為0.64 A.求：,(1)每秒鐘內陰極發(fā)射的光電子數和光電子飛出陰極K時的最大初動能； (2)若把入射到陰極的綠光的光強增大到原來的二倍，求每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數和光電子到達A極的最大動能； (3)G中電流為零的條件即遏止電壓UAK.,【解析】題目中的光電流達到飽和是指光電流達到最大值.因 為光電流未達到最大值之前，其值大小不僅與入射光強度有 關，還跟光電管兩極的電壓有關，只有在光電流達到最大以 后才和入射光的強度成正比. (1)光電流達到飽和時，陰極發(fā)射的光電子全部到達陽極A， 所以陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個數： 根據光電效應方程：Ek=

20、h-W, 代入可求得Ek=9.610-20J.,(2)若入射光的頻率不變，光的強度加倍，則陰極每秒發(fā)射的光電子數也加倍，即n=2n=8.01012個.根據Ek=h-W可知，光電子的最大初動能不變,由于A、K之間電勢差是2.5 V，所以電子到達A極時的最大動能為： Ek=Ek+eU=4.9610-19J (3)光電子的最大初動能Ek=9.610-20J=0.6eV. 若使G中電流為零，光電子到達A極時克服電場力做功至少為W=eU=Ek，解得U=0.6 V,即UAK=-0.6 V.,練習,課本P36,1、在可見光范圍內，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？,在可見光范圍內，紫光的光子能量最大，因為其頻率最高。,紫光不是最亮的。,一為光強，,因為光的亮度由兩個因素決定，,二為人眼的視覺靈敏度。,在光強相同的前提下，由于人眼對可見光中心部位的黃綠色光感覺最靈敏，因此黃綠色光應最亮。,練習,