高中物理选修3 5《波粒二象性》教学课件(全章).ppt
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1、 1900 1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:“科学的大厦已经基本完成,科学的大厦已经基本完成,后辈的物理学家只要做一些零碎的修后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。补工作就行了。”-开尔文开尔文-也就是说:物理学已经没有什么新东西了,后一也就是说:物理学已经没有什么新东西了,后一辈只要把做过的实验再做一做,在实验数据的小辈只要把做过的实验再做一做,在实验数据的小数点后面在加几位罢了!数点后面在加几位罢了!但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的但开尔文毕尽是一位重
2、视现实和有眼力的科学家,就在上面提到的文章中他还讲到:科学家,就在上面提到的文章中他还讲到:“但是,在物理学晴朗天空的远处,还有但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云,两朵令人不安的乌云,-”这两朵乌云是指什么呢?这两朵乌云是指什么呢?一朵与黑体辐射有关,一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克尔逊实验有关。另一朵与迈克尔逊实验有关。事隔不到一年事隔不到一年(1900(1900年底年底),就从第一朵乌,就从第一朵乌云中降生了量子论,紧接着云中降生了量子论,紧接着(1905(1905年年)从第二朵从第二朵乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻乌云中降生了相对论。经典物理学的大厦被彻底动摇
3、,物理学发展到了一个更为辽阔的领域。底动摇,物理学发展到了一个更为辽阔的领域。正可谓正可谓“山重水复疑无路山重水复疑无路,柳暗花明又一村柳暗花明又一村17.1能量量子化:能量量子化:物理学的新纪元物理学的新纪元一、黑体与黑体辐射一、黑体与黑体辐射1、热辐射、热辐射(1)定义:一切物体在任何温度下都在辐射)定义:一切物体在任何温度下都在辐射 各种波长的电磁波,这种辐射与各种波长的电磁波,这种辐射与 物体的温度有关,称为物体的温度有关,称为热辐射热辐射。(2)特征:辐射强度按波长的分布情况随)特征:辐射强度按波长的分布情况随 物体的物体的温度温度而有所不同。而有所不同。固体在温度升高时颜色的变化1
4、400K800K1000K1200K 例如:铁块例如:铁块 温度温度 从从看不出发光看不出发光到到暗红暗红到到橙色橙色到到黄白色黄白色温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 直觉直觉:低温物体发出的是红外光低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光高温物体发出的是紫外光(3 3)平衡热辐射)平衡热辐射 加热一物体加热一物体,物体的温度恒定时,物体物体的温度恒定时,物体所吸收的能量所吸收的能量等于等于在同一时间内辐射的在同一时间内辐射的能量,这时得到的辐射称为能量,这时得到的辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。2、黑体、黑体(
5、1)定义:能全部吸收各种波长的辐射)定义:能全部吸收各种波长的辐射 而不发生反射,折射和透射的而不发生反射,折射和透射的 物体称为物体称为绝对黑体绝对黑体,简称,简称黑体黑体。(2)黑体模型)黑体模型(3)特征:)特征:黑体辐射电磁波的强度按黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的波长的分布只与黑体的温度温度有关,与有关,与材料的种类及表面状况材料的种类及表面状况无关。无关。0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 二、黑体辐射的实验规律二、黑体辐射的实验规律 随着温度的增高,随着温度的增高,一方面各种波长的辐射一方面各种波长的辐射强度都有增加,另
6、一方强度都有增加,另一方面辐射强度的极大值向面辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。波长较短的方向移动。o实验值/m)(0TM维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难12345678黑体辐射实验黑体辐射实验是物理学晴朗是物理学晴朗天空中一朵天空中一朵令人不安的乌云。令人不安的乌云。三、能量子:超越牛顿的发现三、能量子:超越牛顿的发现1、普朗克能量子假说:微观粒子的能量、普朗克能量子假说:微观粒子的能量是某一最小能量是某一最小能量(称为(称为能量子能量子)的)的整数整数倍倍,即:,即:,1,2,3,.n,n为正整数,为正整数,称为称为量子数量子数。2、能量子:、能量子:h346.626
7、 10J sh普朗克常量普朗克常量(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克实验值实验值),(0Te 普朗克后来又为这种与经典普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安,只物理格格不入的观念深感不安,只是在经过十多年的努力证明任何复是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告归于经典物理的企图都以失败而告终之后,他才坚定地相信终之后,他才坚定地相信h h的引入的引入确实反映了新理论的本质。确实反映了新理论的本质。19181918年年他荣获诺贝尔物理学奖,他的墓碑他荣获诺贝尔物理学奖,他的墓碑上只刻着他的姓名和上只刻着他的姓名和秒焦3410626.6hM.Planc
8、k 德国人德国人 1858194718881888年,霍瓦年,霍瓦(HallwachsHallwachs)发现金属板被紫发现金属板被紫外光照射会放电。近外光照射会放电。近1010年以后(因为年以后(因为18971897年,年,J.ThomsonJ.Thomson才发现电子)人们认识到那才发现电子)人们认识到那就是从金属表面射出的电子,这些电子被就是从金属表面射出的电子,这些电子被称作称作光电子光电子(photoelectron)(photoelectron),相应的效应,相应的效应叫做叫做光电效应光电效应。物理难题:物理难题:17.2科学的转折:科学的转折:光的粒子性光的粒子性回顾人类对光的本
9、性回顾人类对光的本性的认识的发展过程。的认识的发展过程。波动说(惠更斯)波动说(惠更斯)微粒说(牛顿)微粒说(牛顿)电磁说电磁说(麦克斯韦)(麦克斯韦)用用紫外线紫外线灯照射擦得很灯照射擦得很亮的锌板,亮的锌板,(注意用导注意用导线与不带电的验电器相线与不带电的验电器相连连),),使验电器张角增使验电器张角增大到约为大到约为 3030度时,再度时,再用与用与丝绸磨擦过的玻璃丝绸磨擦过的玻璃棒棒去靠近锌板,发现验去靠近锌板,发现验电器的指针张角电器的指针张角变大变大。表明锌板在紫外线照射下失去电子而带正电。实验实验一、光电效应现象一、光电效应现象在光在光(包括不可见光包括不可见光)的照射下,从物
10、的照射下,从物体发射电子的现象叫做体发射电子的现象叫做光电效应光电效应。发射出来的电子叫做发射出来的电子叫做光电子。光电子。二、光电效应的实验规律二、光电效应的实验规律AKGV阳阳极极阴阴极极光线经石英窗照在阴极光线经石英窗照在阴极上,便有电子逸出上,便有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下光电子在电场作用下形成形成光电流光电流。1、每种金属都存在、每种金属都存在截止频率(极限频率)截止频率(极限频率)c;当入射光频率当入射光频率 c c 时,电子才能逸出金属表面;时,电子才能逸出金属表面;当入射光频率当入射光频率 W0才有光电子逸出,所以c=W0/h。最大初动能 EKm与成线性关系。瞬
11、时效应电子一次性吸收一个光子的全部能量,不需要积累。饱和光电流光强较大时,单位时间内发射的光子数较多,照射金属时产生的光电子多。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美国物理学家密立根密立根,花了十年时间做了,花了十年时间做了“光电效应光电效应”实验,结果在实验,结果在1915年证实了年证实了爱因斯坦方程,爱因斯坦方程,h 的值与理论值完全一致,的值与理论值完全一致,又一次证明了又一次证明了“光量子光量子”理论的正确。理论的正确。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说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明了光电效应的实验规律,荣获荣获1921年诺年诺贝尔物理学奖。
12、贝尔物理学奖。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应,特别是通过著名,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。获得获得19231923年诺贝年诺贝尔物理学奖尔物理学奖。密立根的实验的目的是:测量金属的遏止电密立根的实验的目的是:测量金属的遏止电压压UC与入射光频率与入射光频率,由此算出普朗克常数,由此算出普朗克常数h h。UC/V0.5410.637 0.7140.809 0.87
13、8/10/101414HZHZ5.6445.888 6.0986.303 6.501作出作出UC-图象。图象。CKeUE 0WEhKeWehUC0求普朗克常数求普朗克常数h这种金属的截止频率这种金属的截止频率C CeWehUC0JSh341030.6HzC141027.4五、光电效应在近代技术中的应用五、光电效应在近代技术中的应用光电管:把光信号转化为电信号。光电管:把光信号转化为电信号。光控继电器光控继电器放大器放大器控制机构控制机构可以用于自动控制,自动计可以用于自动控制,自动计数、自动报警、自动跟踪等数、自动报警、自动跟踪等如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的如图所示是做光电
14、效应实验的装置简图。在抽成真空的玻璃管内,玻璃管内,K K为阴极为阴极(用金属铯制成,发生光电效应的逸(用金属铯制成,发生光电效应的逸出功为出功为1.9eV1.9eV),),A A为阳极为阳极。在。在a a、b b间不接任何电源,用间不接任何电源,用频率为频率为(高于铯的极限频率)的单色光照射阴极(高于铯的极限频率)的单色光照射阴极K K,会,会发现电流表指针有偏转。这时,若在发现电流表指针有偏转。这时,若在a a、b b间接入直流电间接入直流电源,源,a a接正极,接正极,b b接负极,并使接负极,并使a a、b b间电压从零开始逐渐间电压从零开始逐渐增大,发现当电压表的示数增大到增大,发现
15、当电压表的示数增大到2.1V2.1V时,电流表的示时,电流表的示数刚好减小到零。求:数刚好减小到零。求:a a、b b间未接直流电源时,间未接直流电源时,通过电流表的电流方向。通过电流表的电流方向。从阴极从阴极K K发出的光电子的发出的光电子的 最大初动能最大初动能E EK K是多少焦?是多少焦?入射单色光的频率是多少?入射单色光的频率是多少?V AKAab单色光单色光六、康普顿效应六、康普顿效应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,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射。光的散射。1923年年康普顿康普顿在做在做 X
16、 射线射线通过物质通过物质散射散射的实验时,发现散射的的实验时,发现散射的X射线中除有与入射线中除有与入射波长射波长0 0相同的成分外,还有相同的成分外,还有波长大于波长大于0 0的成分,这个现象称为的成分,这个现象称为康普顿效应康普顿效应。2、康普顿效应、康普顿效应3、经典电磁理论的困难、经典电磁理论的困难根据经典电磁波理论,当电磁波通过物根据经典电磁波理论,当电磁波通过物质时,物质中带电粒子将作质时,物质中带电粒子将作受迫振动受迫振动,其频率等于入射光频率,所以它所发射其频率等于入射光频率,所以它所发射的的散射光频率应等于入射光频率散射光频率应等于入射光频率。4、光子理论对康普顿效应的解释
17、、光子理论对康普顿效应的解释光子不仅具有光子不仅具有能量能量也具有也具有动量动量,在与,在与电子碰撞时要遵守电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动能量守恒定律和动量守恒定律量守恒定律,光子的部分能量传给电,光子的部分能量传给电子子,散射光子的散射光子的能量减少能量减少,于是散射光,于是散射光的波长的波长大于大于入射光的波长。入射光的波长。5 5、康普顿散射实验的意义、康普顿散射实验的意义(1 1)有力地支持了爱因斯坦)有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设;假设;(2 2)首次在实验上证实了)首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设;的假设;(3 3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中,
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