高三物理光的本性人教版知识精讲.doc

高三物理光的本性人教版
【同步教育信息】
一. 本周教学内容: 光的本性 (一)光的波动性 1. 光的干涉: 两列光波在空中相遇时发生叠加,在某些区域总加强,某些区域减弱,相间的条纹或 者彩色条纹的现象。 (1)光的干涉的条件:是有两个振动情况总是相同的波源,即相干波源。(相干波源 的频率必须相同)。 (2)形成相干波源的方法有两种: ① 利用激光(因为激光发出的是单色性极好的光)。 ② 设法将同一束光分为两束 (这样两束光都来源于同一个光源, 因此频率必然相等) 。 (3)杨氏双缝实验:
S1 S2 S

P O δ

亮纹:屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍,即δ= nλ(n=0,1,2,……) 暗纹: 屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍, 即δ= ? (2n ? 1) (n=0, 1, 2, ……) 2 相邻亮纹(暗纹)间的距离 ?x ? l ? ? ? 。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作
d

双缝干涉实验时,由于白光内各种色光的波长不同,干涉条纹间距不同,所以屏的中央是 白色亮纹,两边出现彩色条纹。 (4)薄膜干涉:

应用: ① 使被检测平面和标准样板间形成空气薄层,用单色光照射,入射光在空气薄层上下 表面反射出两列光波,在空间叠加。干涉条纹均匀:表面光滑;不均匀:被检测平面不光滑。 ② 增透膜:镜片表面涂上的透明薄膜的厚度是入射光在薄膜中波长的

1 ,在薄膜的两 4

个表面上反射的光,其光程差恰好等于半个波长,相互抵消,达到减少反射光增大透射光 强度的作用。 ③ 其他现象:阳光下肥皂泡所呈现的颜色。 2. 光的衍射: 注意关于衍射的表述一定要准确。(区分能否发生衍射和能否发生明显衍射) (1)各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。 (2)发生明显衍射的条件是:障碍物(或孔)的尺寸可以跟波长相比,甚至比波长还 小。
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(3)衍射现象:明暗相间的条纹或彩色条纹。 (与干涉条纹相比,中央亮条纹宽两边窄,是不均匀的。若为白光,存在一条白色中 央亮条纹) 3. 光谱:

光谱分析可用原子光谱,也可用吸收光谱。太阳光谱是吸收光谱,由太阳光谱的暗线 可查知太阳大气的组成元素。 4. 光的电磁说: (1)麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同,提出光在本质上是一种电磁 波——这就是光的电磁说,赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。 (2)电磁波谱。波长从大到小排列顺序为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线。各种电磁波中,除可见光以外,相邻两个波段间都有重叠。 各种电磁波的产生机理分别是:无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生 的;红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的;伦琴射线是原子的内 层电子受到激发后产生的;γ射线是原子核受到激发后产生的。 (3)红外线、紫外线、X 射线的主要性质及其应用举例。 种 类 产 生 主要性质 热效应 化学效应 穿透能力强 应用举例 遥感、遥控、加热 荧光、杀菌 人体透视、金属探伤 红外线 紫外线 X 射线 一切物体都能发出 一切高温物体能发出 阴极射线射到固体表面

(二)光的粒子性 1. 光电效应 (1)在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。(下图装置中,用弧光灯照射锌 板,有电子从锌板表面飞出,使原来不带电的验电器带正电。)

(2)爱因斯坦的光子说。光是不连续的,是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子 的能量 E 跟光的频率 v 成正比: E ? hv
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(3)光电效应的规律: ① 各种金属都存在极限频率 v0 ,只有 v ≥ v0 才能发生光电效应; ② 瞬时性(光电子的产生不超过 10 s); ③ 光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的增大而增大; ④ 当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成正比。 (4)爱因斯坦光电效应方程:Ek= hv ? W (Ek 是光电子的最大初动能;W 是逸出功, 即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。) (三)光的波粒二象性 1. 光的波粒二象性 干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波;光电效应和康普顿效应又用无 可辩驳的事实表明光是一种粒子;因此现代物理学认为:光具有波粒二象性。 2. 正确理解波粒二象性 波粒二象性中所说的波是一种概率波,对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒 子,是指其不连续性,是一份能量。 (1) 个别光子的作用效果往往表现为粒子性; 大量光子的作用效果往往表现为波动性。 (2) v 高的光子容易表现出粒子性; v 低的光子容易表现出波动性。 (3)光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现为粒子性。 (4)由光子的能量 E=h v ,光子的动量 p ?
-9

h

?

表示式也可以看出,光的波动性和粒子

性并不矛盾:表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量—— 频率 v 和波长 ? 。

【典型例题】
[例 1] 用绿光做双缝干涉实验,在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹,相邻两条绿条纹间的 距离为Δx。下列说法中正确的有( ) A. 如果增大单缝到双缝间的距离,Δx 将增大 B. 如果增大双缝之间的距离,Δx 将增大 C. 如果增大双缝到光屏之间的距离,Δx 将增大 D. 如果减小双缝的每条缝的宽度,而不改变双缝间的距离,Δx 将增大 解:公式 ?x ?

l ? 中 l 表示双缝到屏的距离,d 表示双缝之间的距离。因此Δx 与单 d

缝到双缝间的距离无关,于缝本身的宽度也无关。本题选 C。 [例 2] 平行光通过小孔得到的衍射图样和泊松亮斑比较,下列说法中正确的有( ) A. 在衍射图样的中心都是亮斑 B. 泊松亮斑中心亮点周围的暗环较宽 C. 小孔衍射的衍射图样的中心是暗斑,泊松亮斑图样的中心是亮斑 D. 小孔衍射的衍射图样中亮、暗条纹间的间距是均匀的,泊松亮斑图样中亮、暗条纹 间的间距是不均匀的 解:从课本上的图片可以看出:A、B 选项是正确的,C、D 选项是错误的。 [例 3] 当开关 S 断开时,用光子能量为 2.5ev 的一束光照射阴极 P,发现电流表读数不为 零,合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于 0.6V 时, 的读数仍不为零,
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当电压表读数大于或等于 0.6V 时, A. 1.9ev B. 0.6ev

读数为零,由此可知阴极材料的逸出功为( C. 2.5ev D. 3.1ev



分析与解答:用光照射,发生光电效应,电子离开金属表面后具有初动能,设最大初 动能为 E km ,逸出功为 W,反向电压 U ? 0.6V 时, E0 ? W ? 0.6ev ? 0 ∴ W ? E0 ? 0.6ev ? 2.5ev ? 0.6ev ? 1.9ev 正确答案:A [例 4] 下图是伦琴射线管的结构示意图。电源 E 给灯丝 K 加热,从而发射出热电子,热电 子在 K、A 间的强电场作用下高速向对阴极 A 飞去。电子流打到 A 极表面,激发出高频电磁 波,这就是 X 射线。下列说法中正确的有( ) A. P、Q 间应接高压直流电,且 Q 接正极 B. P、Q 间应接高压交流电 C. K、A 间是高速电子流即阴极射线,从 A 发出的是 X 射线即一种高频电磁波 D. 从 A 发出的 X 射线的频率和 P、Q 间的交流电的频率相同

解:K、A 间的电场方向应该始终是向左的,所以 P、Q 间应接高压直流电,且 Q 接正极。 从 A 发出的是 X 射线,其频率由光子能量大小决定。若 P、Q 间电压为 U,则 X 射线的频率 最高可达 Ue/h。本题选 AC。 [例 5] 对爱因斯坦光电效应方程 EK= hv ? W ,下面的理解正确的有( ) A. 只要是用同种频率的光照射同一种金属,那么从金属中逸出的所有光电子都会具有 同样的初动能 EK B. 式中的 W 表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C. 逸出功 W 和极限频率ν0 之间应满足关系式 W= h v0 D. 光电子的最大初动能和入射光的频率成正比 解:爱因斯坦光电效应方程 EK= hv ? W 中的 W 表示从金属表面直接中逸出的光电子克 服金属中正电荷引力做的功,因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对应的 光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。若入射光的 频率恰好是极限频率,即刚好能有光电子逸出,可理解为逸出的光电子的最大初动能是 0, 因此有 W= h v0 。由 EK= h ν -W 可知 EK 和ν之间是一次函数关系,但不是成正比关系。本题应 选 C。
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【模拟试题】(答题时间:60 分钟)
1. 下图给出氢原子最低的 4 个能级,氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最 多有 种,其中最小的频率等于 Hz(保留两个有效数字)。

2. 太阳的连续光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征谱线,产生这些谱线是由 于( ) A. 太阳表面大气层中缺少相应的元素 B. 太阳内部缺少相应的元素 C. 太阳表面大气层中存在着相应的元素 D. 太阳内部存在着相应的元素 3. 对于光的波粒二象性的说法中,正确的是( ) A. 单个光子的运动呈现粒子性 B. 大量光子的运动呈现波动性 C. 一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子 D. 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的 4. 根据玻尔理论,某原子的电子从能量为 E 的轨道跃迁到能量为 E ? 的轨道,辐射出波 长为 ? 的光子,以 h 表示普朗克恒量,C 表示真空中的光速,则 E ? 等于( ) A. E ? h

?
c

B. E ? h

?
c

C. E ? h

c

?

D. E ? h

c

?

5. 氢原子核外电子由一个轨道向另一个轨道跃迁时,可能发生的情况是( ) A. 原子吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,原子的能量增大 B. 原子放出光子,电子的动能减少,原子的电势能减少,原子的能量减少 C. 原子吸收光子,电子的动能减少,原子的电势能增大,原子的能量增大 D. 原子放出光子,电子的动能增加,原子的电势能减少,原子的能量减少 6. 两个微观粒子质量之比是 1:2,速度之比是 1:3,它们的德布罗意波长之比是( ) A. 1:2 B. 1:3 C. 1:6 D. 6:1 7. 如下图,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,验电器的指针就张开一个角度,这时( ) A. 锌板带正电,指针带负电 B. 锌板带正电,指针带正电 C. 锌板带负电,指针带正电 D. 锌板带负电,指针带负电

8. 在双缝干涉实验中,双缝间距为 d,缝到光屏间距离为 L,入射到双缝的单色光的波 长为 ? ,试证明光屏上相邻亮条纹(或暗条纹)间距 ?x ?

L ?。 d

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试题答案
1. 6; 1.6 ? 10 7. B
14

2. C 8. 略

3. AB

4. C

5. CD

6. D

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