第十三章光的二象性

16/1616/16第十三章光的波粒二象性本章學習提要1．理解光的干涉、光的衍射。2．知道光的電磁說，*光的偏振。3．知道光電效應、光子說。4．知道光的波粒二象性，知道人們對光的認識歷程。*5．知道物質波。本章的重點內容是認識光的波粒二象性，對光的本性的學習，基于對機械波的學習，又比機械波更抽象更深入。通過對光的干涉、衍射、光的偏振等波所特有的現(xiàn)象的學習，認識光具有通過對光電效應、用光子模型解釋光電效應現(xiàn)象等的學習，認識光具有粒子性。本章關于光的本性的學習，是學習近代物理的切入點，對今后進一步認識微觀物理現(xiàn)象有重要意義。通過人們對光的本性的認識歷程的了解，認識人們探究微觀物質世界的曲折歷程和不斷深化的認識方法，感悟科學發(fā)展是曲折的、辯證的，而且是永無止境的。在本章有許多有關光的創(chuàng)造發(fā)明的生動事例，它們會使我們深刻感受科學的價值。A光的干涉和衍射一、學習要求了解光的干涉現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件，以及光的衍射現(xiàn)象及其觀察到明顯衍射現(xiàn)象的條件。在學生實驗“觀察光的干涉、衍射現(xiàn)象”中，學生們會記錄和描述觀察到的光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象。理解光的干涉、衍射是說明光具有的重要科學依據(jù)。通過實踐，體驗獲得清晰、穩(wěn)定的干涉圖樣的關鍵所在——尋找“相干光源”，體驗“雙縫干涉實驗”所蘊涵的巧妙的科學思想方法。通過探究，發(fā)現(xiàn)干涉圖樣和衍射圖樣的區(qū)別以及與圖樣變化有關的因素，并總結出干涉和衍射圖樣各自具有的特點。通過本節(jié)學習，感悟物理實驗在科學發(fā)現(xiàn)中的重要作用。在實驗中提高認真細致、善于觀察的科學素養(yǎng)。二、要點辨析1．與雙縫干涉實驗有關的幾個問題（1）的干涉實驗中的突破。關鍵在于尋找滿足干涉條件的相干光源，地利用如圖13-1所示的裝置，使光束通過單孔屏形成細小的一束光，被雙孔屏分成“同出一源”的兩束相干光，從而實現(xiàn)了光的干涉?；诖藢嶒灒旭R斯·楊又用狹縫代替小孔，獲得了更加清晰明亮的干涉圖樣。通過使用狹縫替代小孔，我們可以將狹縫轉化為線光源。線光源可以被理解為由許多發(fā)光點沿一條線排列組成的。每個發(fā)光點產(chǎn)生的光斑都會產(chǎn)生各自的干涉圖樣。在屏幕上的干涉條紋實際上是各個點光源干涉圖樣的疊加。由于這些點光源與雙縫的相對位置完全相同，它們產(chǎn)生的干涉圖樣也完全相同。將這些干涉圖樣疊加在一起，形成了清晰的線狀圖樣，便于觀察。（2）在雙縫干涉實驗中，如果用紅色濾光片遮住一個狹縫S1，再用綠濾光片遮住另一個狹縫S2，當用白光入射時，屏上會產(chǎn)生雙縫干涉圖樣嗎？這時在屏上將會出現(xiàn)紅光單縫衍射光振動和綠光單縫衍射光振動的疊加。由于紅光和綠光的頻率不同，因此它們在屏上疊加時不能產(chǎn)生干涉，此時屏上將出現(xiàn)混合色兩單縫衍射圖樣。（3）在雙縫干涉實驗中，如果遮閉其中一條縫，則在屏上出現(xiàn)的條紋有何變化？原來亮的地方會不會變暗？如果遮住雙縫其中的一條縫，在屏上將由雙縫干涉條紋演變?yōu)閱慰p衍射條紋，與干涉條紋相比，這時單縫衍射條紋亮度要減弱，而且中央明紋的寬度要增大。（4）雙縫干涉的亮條紋或暗條紋是兩列光波在光屏處疊加后加強或抵消而產(chǎn)生的，這是否違反了能量守恒定律？暗條紋處的光能量幾乎為零，這表明兩列光波在疊加時相互抵消。這是符合光傳播規(guī)律的現(xiàn)象，暗條紋處沒有光能量傳到該處的原因并非是光能量損耗或轉變?yōu)槠渌问降哪芰?。同樣地，亮條紋處的光能量較強，這并不是因為干涉產(chǎn)生了能量，而是因為按照波傳播規(guī)律，到達該處的光能量相對集中。雙縫干涉現(xiàn)象并不違反能量守恒定律。2．干涉現(xiàn)象以及產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件兩列振動情況完全相同的光波在空間相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強，在另外一些區(qū)域總減弱。出現(xiàn)明暗相間的條紋或者彩色條紋的現(xiàn)象叫做光的干涉。只有兩列光波的頻率相同，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的光的干涉圖樣。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，不可能達到頻率和振動情況完全相同，不能成為相干光源，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。3．光的衍射現(xiàn)象以及產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件當光線繞過障礙物偏離直線傳播路徑并進入陰影區(qū)域時，我們稱之為光的衍射現(xiàn)象。圖13-2展示了一個典型的用于演示衍射現(xiàn)象的實驗裝置。在光屏上出現(xiàn)明暗相間的條紋(使用白光源照射時呈現(xiàn)彩色條紋)的原因在于：當入射光照射到縫隙時，縫隙中的每個點都可以被視為一個點光源。這些點光源發(fā)出的光線在屏上相互疊加，從而在幾何陰影區(qū)內形成明暗相間的條紋。衍射現(xiàn)象是光在遇到障礙物時發(fā)生的現(xiàn)象，但要出現(xiàn)明顯的衍射現(xiàn)象，條件是相當嚴格的。當障礙物的尺寸遠大于光波的波長時，光可以看作是沿直線傳播的。需要注意的是，這只是光的一種近似行為規(guī)律。當光的波長比孔或障礙物小得多時，我們也可以將其視為沿直線傳播。然而，當孔或障礙物的尺寸與光的波長相近，甚至比光的波長短時，衍射效應就會變得非常明顯。由于可見光的波長范圍大約在3.84×10-7米至7.69×10-7米之間，因此在日常生活中，我們很少能看到明顯的衍射現(xiàn)象。無論是衍射還是干涉現(xiàn)象，都證實了光具有波動性。4．雙縫干涉和單縫衍射的比較雙縫干涉和單縫衍射都是波疊加的結果，通常我們將有限的幾束光的疊加叫做干涉；而衍射是極多且復雜的相干光的疊加，一般現(xiàn)象中既有干涉又有衍射，在研究雙縫干涉時也會涉及衍射現(xiàn)象。在雙縫干涉實驗中，屏幕上明暗條紋的位置和寬度受兩縫間距離、縫到屏的距離以及光波波長的影響。同時，相鄰兩個明條紋與相鄰兩個暗條紋之間的距離是相等的。實驗結果表明：當兩縫間距離變小、縫到屏的距離增加以及光波波長變大時，條紋寬度也會相應增大。在實驗裝置固定的情況下，紅光的條紋間距最大，而紫光的條紋間距最小。將激光的單色光照射到狹縫上，當狹縫很寬時，縫的寬度遠大于光的波長，衍射現(xiàn)象不明顯，光沿直線傳播，在屏上產(chǎn)生一條與縫寬度相當?shù)牧辆€。然而，當縫的寬度調至很窄，可以與光波波長相比擬時，光通過縫后明顯偏離了直線傳播方向，照射到屏上的區(qū)域變寬，并出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋。隨著狹縫變小，衍射范圍增大，衍射條紋變寬，但亮度逐漸變暗。干涉和衍射的圖樣相類似，都是明暗相間的條紋。雙縫干涉中各明紋或暗紋的寬度基本相等，各明紋亮度基本相同；而衍射條紋寬度不等，中央明紋最寬，各明紋亮度也不同，中央明紋最亮。三、例題分析示例1一束平行光照射在雙縫上，在縫后屏上得到干涉條紋，下列判斷正確的是（A）改變雙縫到屏的距離，條紋間距不變（B）入射光波長變短，光強不變，條紋間距不變（C）入射光頻率變化時條紋間距跟著變化（D）在水里做雙縫干涉實驗，同樣條件下的條紋間距會變小分析雙縫干涉實驗表明：雙縫到屏的距離越大、入射光波長越長，干涉條紋間距越大；干涉條紋的間距與入射光的強度無關。由此可見，（A）、（B）不正確，（C）是對的。在水中做干涉實驗，入射光頻率一定時，由于光在水中的速度減小，波長減小，所以同樣條件下的條紋間距會變小，D也正確。解答（C）、（D）。示例2如圖13-3所示，P、Q是兩個相干光源，由它們發(fā)出的光在圖中平面內產(chǎn)生干涉。那么，能表示相干結果相同點的軌跡的圖線是"相干結果相同"是指振動增強或減弱的情況。我們可以通過分析波的干涉圖樣(如圖13-4所示)來得出光的干涉結論。在圖13-4中，各條a線(表示振動增強，即峰與峰、谷與谷相遇點連成的線)或b線(表示振動減弱，即波峰、波谷相遇點連成的線)上各點的到兩波(光)源S1、S2的距離之差是一定的。根據(jù)圓錐曲線的知識，到兩定點的距離之差等于定長的點的軌跡為雙曲線。因此，相干結果相同的點的軌跡是一簇雙曲線。這些相干結果相同的點的連線是對稱的兩條雙曲線。解答（B）。示例3在白熾燈的照射下能從兩塊捏緊的玻璃板的表面看到彩色條紋，通過狹縫觀察發(fā)光的白熾燈也會看到彩色條紋。這兩種現(xiàn)象（A）都是光的衍射現(xiàn)象（B）前者是光的色散，后者是光的衍射（C）前者是光的干涉現(xiàn)象，后者是光的衍射現(xiàn)象（D）都是光的波動性的表現(xiàn)分析由于玻璃表面并不十分平整，在兩塊捏緊的玻璃板之間會形成一層厚度不一致的空氣薄層，在白熾燈照射下，不同的色光在厚度不同的地方，從空氣層的上、下表面反射的光會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，互相疊加的結果形成彩色條紋。通過狹縫觀察發(fā)光的白熾燈，不同的色光產(chǎn)生衍射，互相疊加也形成彩色條紋，所以（C）正確，（A）、（B）都錯。干涉和衍射都是光的波動性的表現(xiàn)，（D）正確。解答（C）、（D）。示例4如圖13－5所示的刀片的影的輪廓為什么模糊不清？分析如圖13－5所示現(xiàn)象為光的衍射現(xiàn)象，與產(chǎn)生“泊松亮斑”的原因相同。各種形狀的物體都能夠導致光發(fā)生衍射現(xiàn)象。例如，刮胡須刀片產(chǎn)生的陰影模糊不清，這是因為光線通過刀片邊緣發(fā)生了衍射。泊松亮斑(如圖13-6所示)的形成同樣是小圓板邊緣衍射的結果。當我們制作一個0.1毫米寬的狹縫時，盡管縫隙寬度是光波長的幾百倍，但仍然可以觀察到明顯的衍射條紋，這同樣是因為光線在刀片邊緣發(fā)生了衍射。四、基本訓練兩列_____________的光波相遇時會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，光的干涉現(xiàn)象說明光具有_______性振動情況完全相同，波動。振動情況完全相同，波動薄膜干涉是由于光照射到薄膜上時，從膜的_________和_________分別反射，形成_________相同的兩列波，發(fā)生干涉現(xiàn)象前表面，后表面，振動頻率。前表面，后表面，振動頻率雙縫干涉實驗裝置中，單縫的作用是_____________，雙縫的作用是_________，屏上觀察到的現(xiàn)象是獲得線光源，獲得相干光源，明暗相間的干涉條紋_________。獲得線光源，獲得相干光源，明暗相間的干涉條紋紅光和紫光通過雙縫干涉裝置所成的干涉條紋的相同處是_________，不同處是_________。白光形成的雙縫干涉條紋的中央是_________，外側是明暗相間的條紋，紅光的條紋間距比紫光的條紋間距大，白色，彩色條紋_________。明暗相間的條紋，紅光的條紋間距比紫光的條紋間距大，白色，彩色條紋肥皂泡在太陽光照射下呈現(xiàn)的彩色是_________現(xiàn)象；露珠在太陽光照射下呈現(xiàn)的彩色是_________現(xiàn)象；通過狹縫觀看燭光時呈現(xiàn)的彩色是_________現(xiàn)象干涉，色散，衍射。干涉，色散，衍射凡是波都具有衍射現(xiàn)象，而把光看做直進的條件是___________________________；要使光產(chǎn)生明顯的衍射條件是衍射現(xiàn)象不明顯，障礙物或孔的尺寸與光波波長相差不多____________________________________。衍射現(xiàn)象不明顯，障礙物或孔的尺寸與光波波長相差不多下列情況中，能產(chǎn)生明顯衍射的是（A）光的波長比孔或障礙物的尺寸大得多（B）光的波長與孔或障礙物的尺寸可相比（C）光的波長等于孔或障礙物的大小（D）光的波長比孔或障礙物的尺寸小得多下列有關泊松亮斑的說法正確的是（A）泊松亮斑只能在實驗中看到，無法用波動理論解釋（B）泊松亮斑既可以在實驗中看到，又可以用波動理論證明（C）泊松亮斑只是一種理論假設，沒有被實驗證明（D）泊松亮斑是指用光照射不透明的圓盤時陰影的中心出現(xiàn)一個亮斑在雙縫干涉實驗中，屏上出現(xiàn)的條紋情況是（A）中心處的明條紋寬度比兩側的明條紋寬度大（B）各種不同色光的明條紋間距一樣大（C）相同裝置中紅光的明條紋間距比紫光的明條紋間距大（D）相同裝置中紫光的明條紋間距比紅光的明條紋間距大由兩個不同光源所發(fā)出的兩束白光照在同一點上，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，這是因為（A）白光是由很多不同波長的光所組成的（B）兩個光源發(fā)出的光，其光強不相同（C）不同波長的光的速度不同，（D）兩個光源是彼此獨立、不相干的光源一束白光通過雙縫后在屏上觀察到的干涉條紋，除中央白色條紋外，兩側還有彩色條紋，其原因是（A）各色光的波長不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干涉條紋間距不同（B）各色光的速度不同，造成條紋間距不同（C）各色光的強度不同（D）各色光通過雙縫的距離不同用單色光做雙縫干涉實驗，P從中央O點開始計數(shù)，光屏上某點P恰處于第三條亮紋?，F(xiàn)改用頻率較高的單色光照射，裝置的其他條件不變，那么（A）P處仍為第三條亮紋（B）P處可能是第四條亮紋（C）P處可能是第二條亮紋（D）若將光屏向雙縫移近一些，在P處可能看到第二條亮紋用單色平行光照射單縫，觀察單縫衍射現(xiàn)象，下列說法中正確的是（A）縫越窄，衍射現(xiàn)象越顯著（B）縫越寬，衍射現(xiàn)象越顯著（C）照射光的波長越長，衍射現(xiàn)象越顯著（D）照射光的波長越短，衍射現(xiàn)象越顯著下列對衍射現(xiàn)象的定性分析，不正確的是（A）光的衍射是光在傳播過程中繞過障礙物發(fā)生彎曲傳播的現(xiàn)象（B）障礙物的寬度與光的波長相差不多時有明顯衍射現(xiàn)象（C）光的衍射現(xiàn)象為光的波動說提供了有力的證據(jù)（D）光的衍射現(xiàn)象完全否定了光的直線傳播結論下列關于衍射的說法中，正確的是（A）衍射現(xiàn)象中衍射花樣的明暗條紋的出現(xiàn)是光干涉的結果（B）雙縫干涉中也存在著光衍射現(xiàn)象（C）影的存在是一個與衍射相矛盾的客觀事實（D）一切波都可以產(chǎn)生衍射五、學生實驗觀察光的干涉和衍射現(xiàn)象1．實驗目的利用自制的雙繾，觀察光的干涉條紋的間距隨雙縫的間隙、光屏到縫的距離變化的情況。利用自制的雙縫和可調節(jié)間隙的狹縫，觀察光的衍射條紋的間距隨狹縫間隙寬度變化的情況。2．實驗器材激光，自制的雙縫屏，自制的狹縫屏，光屏。3．實驗原理當激光通過雙縫時，被分為兩束振動情況相同的兩束光，照射到光屏上產(chǎn)生疊加形成光的干涉現(xiàn)象，當激光通過狹縫時，光離開直線路徑繞到障礙物陰影里去，形成光的衍射現(xiàn)象。4．實驗步驟（1）自制雙縫屏。將兩片刀片合在一起，在涂有墨汁的玻璃片上劃出有很小間隙（約0.1mm）的雙縫，再在兩刀片間夾上紙片，在涂有墨汁的玻璃片上劃出不同間隙的雙縫。（2）自制狹縫。用兩片中央有孔的硬紙片夾住兩片刀片，形成一個可以調節(jié)縫寬的狹縫。（3）按圖13-5所示的方法，讓激光束通過自制的雙縫屏，觀察在光屏上出現(xiàn)的現(xiàn)象；換用不同間隙的雙縫，保持縫到光屏的距離不變，記錄下觀察到的現(xiàn)象；保持雙縫的間隙不變，改變光屏到縫的距離，記錄下觀察到的現(xiàn)象。觀察結果：______________________________________________________。（4）按圖13-5所示的方法，讓激光束通過自制的狹縫屏，觀察在光屏上出現(xiàn)的現(xiàn)象；保持縫到光屏的距離不變，調節(jié)狹縫的縫寬，記錄下觀察到的現(xiàn)象。觀察結果：______________________________________________________。5．實驗結論結論1：______________________________________________________；結論2：______________________________________________________。6．問題討論（1）用白光做雙縫干涉實驗或單縫衍射實驗時，將觀察到怎樣的現(xiàn)象？為什么？（2）比較雙縫干涉圖樣與單縫衍射圖樣，它們有何相似與不同？B光的電磁波說*光的偏振一、學習要求了解光的本質是一種電磁波；牢記在真空中，光的速度c=3.00×10^8m/s。理解不同色光的頻率各異，并能運用公式c=λν(其中：ν為光的頻率，λ為光的波長)計算光的波長；掌握無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線在傳播過程中的共性特點。通過電磁波說的形成過程認識類比推理方法，通過光的偏振實驗認識歸納推理方法。通過本節(jié)學習感悟光的理論發(fā)展有一個逐步深化的過程。并從本節(jié)中了解偏振在技術中的應用價值。二、要點辨析波長和頻率的關系：（1）光的顏色由光的頻率決定，與光的波長和波速無關。（2）各種色光在真空中的速度都相同，都是3.00×108m/s，光從真空中進入其他介質時，光的傳播速度將減小。當光從一種介質進入另一種介質時，其頻率保持不變，但波長和波速會發(fā)生變化。在真空中，各種色光的波長與頻率之間的關系為c=λ0ν，其中λ0表示該種光在真空中的波長；而在其他介質中，光的速度v與波長λ以及頻率ν之間的關系為v=λν，其中λ表示該種光在該介質中的波長。（4）在同種均勻介質中，可見光從紅光到紫光的各種光學性質如下表所示。紅光→紫光頻率低→高折射率小→大光速大→小波長長→短三、例題分析*示例關于電磁波的產(chǎn)生，下列說法中正確的是（A）X射線是原子的內層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的（B）紅外線與無線電波產(chǎn)生的機理相同（C）紫外線與X射線產(chǎn)生的機理相同（D）所有的電磁波都是由原子的內、外層電子受激發(fā)產(chǎn)生的電磁波按照產(chǎn)生的原因不同，賦予不同的名稱，它們的本質是相同的。自由電子的周期性振蕩產(chǎn)生無線電波，原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生紅外線和可見光，原子的內層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生紫外線和X射線，原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生γ射線。解答正確選項為（A）、（C）。四、基本訓練下列有關電磁波的特性和應用，說法正確的是（A）紅外線和X射線都有很高的穿透本領，常用來在醫(yī)學上做人體透視（B）過強的紫外線照射有利于人的皮膚健康（C）電磁波中頻率最大的γ射線，最容易用來觀察衍射現(xiàn)象（D）紫外線和X射線都可以使感光底片感光將光波與聲波比較，下列說法中，錯誤的是（A）光波是電磁波，能在真空中傳播；聲波是機械波，不能在真空中傳播（B）光波是橫波，聲波是縱波（C）光波與聲波都有反射、折射、干涉和衍射現(xiàn)象（D）當光波和聲波由空氣進入水中以后，它們各自的頻率都不變，波速和波長都減小認為光波和無線電波都是電磁波的理由有以下幾種說法，不正確的理由是（A）真空中傳播速度相同（B）都能發(fā)生反射、衍射、折射等現(xiàn)象（C）傳播都不依靠別的介質（D）都是由振蕩電路中自由電子的運動產(chǎn)生的下列各組電磁波，按波長由長到短正確排列的是（A）γ射線、紅外線、紫外線、可見光（B）紅外線、可見光、紫外線、γ射線（C）可見光、紅外線、紫外線、γ射線（D）紫外線、可見光、紅外線、γ射線對紅外線的作用和來源，正確的敘述有（A）一切物體都在不停地輻射紅外線（B）紅外線有很強的熒光效應（C）紅外線最顯著的作用是熱作用（D）紅外線容易穿過云霧煙塵關于光的偏振，下列說法正確的是（A）所有的波都具有偏振現(xiàn)象（B）橫波具有偏振現(xiàn)象，縱波沒有偏振現(xiàn)象（C）垂直于波傳播方向的狹縫能使橫波產(chǎn)生偏振（D）偏振是橫波的特性之一各種電磁波按波長由小到大排列的次序是無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線；

其中可見光的頻率范圍是380~780KHz;

具有顯著熱作用的是紅外線；具有顯著化學作用的是紫外線；穿透本領特別強的是X射線。在垂直于光傳播方向的平面內包含___________的光，叫做自然光。經(jīng)過起偏器后，在垂直傳播方向的平面內的光只沿___________振動，這種光叫做偏振光各種振動方向，某一個方向。各種振動方向，某一個方向廣播收音機在中波段的接收頻率范圍是535kHz至1605kHz,而可見光的波長范圍為400nm至770nm。那么，可見光的頻率范圍相比于無線電波中波段的頻率范圍，應該是多少倍呢？(提示：根據(jù)波長和波速的關系計算可見光的頻率范圍，然后將兩者進行比較即可得出答案。)“……研究表明，從無線電波到了射線，本質上都是電磁波，光是一種電磁波，……”請你簡要回答有哪些研究能證實以上結論。為什么說光是一種電磁波提示：可以從麥克斯韋的理論研究，赫茲的實驗研究，以及在太陽光中發(fā)現(xiàn)紅外線、紫外線等過程，說明光是一定頻率范圍內的電磁波。？提示：可以從麥克斯韋的理論研究，赫茲的實驗研究，以及在太陽光中發(fā)現(xiàn)紅外線、紫外線等過程，說明光是一定頻率范圍內的電磁波。C光電效應光子說一、學習要求知道光電效應現(xiàn)象和光電效應的主要規(guī)律，知道愛因斯坦“光子說”的主要觀點，了解光電管的應用和光電技術的發(fā)展。通過光子說的形成過程認識科學假說。通過本節(jié)學習進一步感悟光的理論發(fā)展是一個不斷深化的過程，并從本節(jié)中了解光電效應在技術中的應用價值。二、要點辨析1．光電效應有哪些主要規(guī)律？在光電效應的實驗研究中，人們已經(jīng)確定了一條核心規(guī)律：對于任何一種金屬，都有一個特定的極限頻率。只有當入射光的頻率超過這個極限頻率時，才能觀察到光電效應的發(fā)生；反之，如果入射光的頻率低于這個極限頻率，那么就不會產(chǎn)生光電效應。此外，當入射光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬間完成的，這一過程通常不超過10^-9秒。此外，光電效應還有兩條重要的規(guī)律：光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光頻率的增大而增大；當入射光的頻率大于極限頻率時，單位時間內發(fā)射出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比。2．波動理論在解釋光電效應中遇到的主要困難是什么？波動理論主張，光的能量主要由其振幅決定，而振幅又與光波的頻率無關，只取決于光的強度。因此，無論光的頻率如何，只要光的強度足夠大或照射時間足夠長，都能使電子獲得足夠的能量以產(chǎn)生光電效應。然而，這與光電效應實驗結果存在直接矛盾。

在某些特定頻率下(即極限頻率),光的強度再高也無法產(chǎn)生光電效應。這是波動理論無法解釋的現(xiàn)象。同樣，波動理論也不能解釋光電效應中光電子的最大初動能僅與光的頻率有關，而與光的強度無關這一現(xiàn)象。

此外，光電效應發(fā)生的時間極短，這也與波動理論產(chǎn)生了尖銳的矛盾。按照波動理論，一束微弱的光波照射到物體上時，其能量應均勻分布在大量原子之間，不可能在如此短暫的時間內將足夠的能量集中到一個電子上使其從物體中飛出。3．光電子和光子赫茲在研究電磁波時發(fā)現(xiàn)：在光的照射下，從物體表面會發(fā)射出電子來(光電效應)。這一現(xiàn)象無法用光的波動理論加以解釋。從物體表面發(fā)出的電子叫做光電子，它實質還是電子。注意，在光電效應中，一個電子只能吸收一個光子的能量，不然將違反極限頻率存在這一規(guī)律。普朗克常量是一個基本物理常數(shù)，用于描述光子或其他粒子的能量與其頻率之間的關系。普朗克常量的值約為6.62607015×10?34Js。普朗克常量在量子力學中具有極為重要的地位，它體現(xiàn)了能量的量子化特性。

光子說是指空間傳播的光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個光子，一個光子的能量為E=hν，ν為光的頻率。光子說能很好地解釋光電效應。4．極限頻率和光強能夠使金屬發(fā)生光電效應的入射光的最低頻率叫做極限頻率，金屬表面上的電子，吸收光子能量后，克服原子核的束縛，從金屬表面逃逸出來成為“光電子”，金屬表面上的電子克服原子核束縛逃逸出來所需做功的最小值叫做逸出功。若逸出功為W，極限頻率為ν0，則ν0＝。光強是衡量單位時間內射入金屬表面的光子在單位面積上的能量總和。當單位時間內垂直射向單位面積的光子數(shù)量為n,且每個光子的能量為hν時，我們可以計算出光強的值為nhν。需要注意的是，具有相同光強的兩束光中，頻率越高時，光子的數(shù)量越少；而頻率較低時，光子的數(shù)量則較多。三、例題分析在光電效應實驗的演示過程中，將某種金屬板連接到驗電器上。首先，通過弧光燈直接照射金屬板，使驗電器指針張開一個角度。然后，在弧光燈與金屬板之間插入一塊普通玻璃板，再次用弧光燈照射，此時驗電器指針不再張開。根據(jù)這一系列實驗現(xiàn)象，我們可以得出結論：使金屬板產(chǎn)生光電效應的是弧光中的。（A）可見光成分 （B）紫外光成分（C）紅外光成分 （D）無線電波成分當用弧光燈直接照射金屬板時，金屬板上的電子會逸出并帶有正電荷，導致驗電器指針張開。然而，如果插入普通玻璃板后，由于玻璃能吸收紫外線，雖然可見光仍然可以透過玻璃照射到金屬板上，但驗電器指針不會張開。因此，我們可以得出結論：使金屬板產(chǎn)生光電效應的是弧光中的紫外線成分。解答（B）。示例2簡要說說愛因斯坦是如何用“光子說”解釋光電效應現(xiàn)象的。當光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中的某個電子全部吸收。電子吸收光子能量后，動能立刻增加。如果電子動能足夠大，能夠克服內部原子核對它的引力，就可以離開金屬表面逃逸出來，成為光電子，這就是光電效應。金屬表面上的電子只有獲得足夠的能量才能克服金屬原子核的引力從金屬中逃逸出來。

當光子頻率小于某個值時，電子獲得的能量不足以克服金屬原子核的束縛從金屬中逃逸出來，則不會發(fā)生光電效應。因此存在極限頻率。當光照射金屬時，一個光子的能量全部被某個電子吸收，該電子的動能立即增大。由于不需要積累能量的過程，因此光電子的產(chǎn)生幾乎都是瞬時的。四、基本訓練當用紫外線照射鋅板時，鋅板會帶_______電，說明鋅板_______電子，這種現(xiàn)象叫做_______。為了解釋上述現(xiàn)象的規(guī)律，著名科學家_______提出了“光子說正，表面發(fā)射出，光電效應，愛因斯坦”。正，表面發(fā)射出，光電效應，愛因斯坦“光子說”指出，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是離散的，每一份叫做一個光子，它的能量等于普朗克常量乘以頻率，其中h稱為普朗克常量，h=6.63×10-34J·s。在某種介質中，光子的能量為4.4×10-19J,波長為3×10-7m,則該光的頻率為(4.4×10-19J)/(3×10-7m)=1.4×10^8Hz。從光的_______現(xiàn)象以及光的_______說，我們認識了光的波動性；而從光的_______現(xiàn)象，認識了光還具有_______，物理學家的研究成果告訴我們光具有干涉和衍射，電磁，光電效應，粒子性，波粒二象性_______。干涉和衍射，電磁，光電效應，粒子性，波粒二象性對于光電效應的研究結果，下列敘述中不正確的是（A）入射光的頻率必須大于極限頻率時才能產(chǎn)生光電效應（B）光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的（C）發(fā)生光電效應時，單位時間里照射到金屬表面的光子數(shù)目越多，則單位時間內從金屬表面逸出的光電子數(shù)會越多（D）發(fā)生光電效應時，從金屬表面逸出的光電子的速度大小均相等可見光、無線電波和X射線所對應的每個光子的能量最大的和最小的分別是（A）X射線和可見光 （B）X射線和無線電波（C）可見光和X射線 （D）可見光和無線電波可見光光子能量的數(shù)量級為（A）10-13J （B）10-16J （C）10-19J （D）10-22J用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，采用下列措施，可能產(chǎn)生光電效應的是（A）換用強度更大的紫外線照射 （B）換用X射線照射（C）換用極限頻率較大的金屬 （D）換用極限波長較大的金屬光電管問世后不久，工程師把它應用到電影技術中，發(fā)明了有聲電影，如圖所示是電影放映機的原理示意圖。請你簡要說明有聲電影的制作和放映過程提示：利用光電管把光信號轉換為電信號。。提示：利用光電管把光信號轉換為電信號。當用一束紫外線照射安裝在原不帶電的驗電器金屬球上的鋅板時，發(fā)生了光電效應，這時發(fā)生的現(xiàn)象是（A）驗電器內的金屬箔帶正電 （B）有電子從鋅板上飛出來（C）有正離子從鋅板上飛出來 （D）鋅板吸收空氣中的正離子三種不同的入射光A、B、C分別射在三種不同的金屬a、b、c表面，均恰能使金屬中逸出光電子，若三種入射光的波長λA＞λB＞λC，則（A）用入射光A照射金屬b和c，金屬b和c均可發(fā)出光電效應現(xiàn)象（B）用入射光A和B照射金屬c，金屬c可發(fā)生光電效應現(xiàn)象（C）用入射光C照射金屬a與b，金屬a、b均可發(fā)生光電效應現(xiàn)象（D）用入射光B和C照射金屬a，均可使金屬a發(fā)生光電效應現(xiàn)象下列關于光子的說法中，正確的是（A）在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子（B）光子的能量由光強決定，光強大，每份光子的能量一定大（C）光子的能量由光的頻率決定，其能量與它的頻率成正比（D）光子可以被電場加速光電管是一種把_______信號轉換成_______信號的器件，它主要用于自動化裝置及_______等技術裝置里光，電，攝像。光，電，攝像在水中，波長為400nm的光子的能量為_______J（已知光在真空中的速度與在水中的速度之比為1.33，普朗克常量h＝6.63×10-34J·s）。能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應的單色光的極限頻率是6.0×1014Hz。根據(jù)能量守恒定律，用頻率是7.0×1014Hz的紫光照射金屬鈉，產(chǎn)生光電子的最大初動能是_______J6.63×10-20。6.63×10-20D光的波粒二象性*物質波一、學習要求知道光既有波動性又有粒子性，光是具有波粒二象性的微觀物質。通過提出問題，閱讀、交流，討論總結等過程認識光的本性。并能運用建模方法對光現(xiàn)象進行解釋。回顧人類對光本性認識的歷程，感悟科學發(fā)現(xiàn)的曲折艱辛。二、要點辨析1．牛頓的微粒說與惠更斯的波動說（1）牛頓的微粒說基本觀點：認為光是像彈性小球一樣的微粒流，人的視覺是光粒子進入人的眼睛引起的，事實基礎：光的直線傳播、光的反射現(xiàn)象。困難問題：無法解釋在兩種介質界面上同時發(fā)生的反射現(xiàn)象、折射現(xiàn)象，以及幾束光交叉相遇后會毫無妨礙地繼續(xù)向前傳播（光的獨立傳播規(guī)律）等。（2）惠更斯的波動說基本觀點：認為光是某種振動所激起的波（機械波）。事實基礎：光的反射和折射、光的獨立傳播現(xiàn)象跟水波、聲波相似。困難問題：難以解釋光的直進現(xiàn)象、光能在真空中傳播等。2．微粒說和波動說的爭論微粒說主張光的直線傳播是其主要論據(jù)，認為光是由微粒流組成的，從光源發(fā)出后，在均勻介質中遵循力學規(guī)律進行勻速直線運動。牛頓通過彈性小球撞擊平面時發(fā)生反彈的現(xiàn)象來類比光的反射；并利用介質對光微粒的吸引來解釋光的折射。根據(jù)牛頓的分析，介質對微粒的引力會導致微粒速度發(fā)生變化，當光從空氣進入介質時，速度會增大。此外，牛頓還對色散、衍射等現(xiàn)象進行了解釋，盡管其中一些解釋可能顯得牽強。惠更斯是光的波動理論的代表人物。他在1678年撰寫并于1690年出版的《關于光的專題論文》一書中提出了“光的傳播方式與聲波相似，是以球面波的形式進行”。他主張將光的振動視為在一種特殊的介質——被稱為“以太”的介質中傳播的彈性脈動。他認為“以太”這種特殊介質充滿了整個宇宙空間?；莞怪赋觯ㄟ^這種方法，可以原則上解釋光的所有特性以及與光相關的反射和折射問題。

根據(jù)他的波動理論，惠更斯成功解釋了反射和折射等現(xiàn)象。然而，他的波動理論并不完善，沒有建立起波的周期性概念。事實上，可以說惠更斯否認了波具有一定的周期性。在他的波動理論中，沒有提出波長的概念，因此在利用惠更斯原理解釋光的直線傳播時，很多現(xiàn)象無法得到解釋。當時，人們還沒有弄清楚光的顏色與光波頻率之間的關系，因此波動理論也很難解釋牛頓發(fā)現(xiàn)的光的色散問題。光的微粒說和波動說幾乎是同一時代形成的，但是為什么在19世紀以前的100多年時間里一直是微粒說占主導地位呢？其原因可能有這么幾點：①17世紀到18世紀經(jīng)典力學已經(jīng)建立，并且在各方面取得了巨大的成就，這就容易使人們用經(jīng)典力學的機械論觀點去理解光的本性；②當時的實驗條件還不足以證明哪種學說是錯誤的，而牛頓的威望比惠更斯高，容易為人們所迷信；③惠更斯提出的波動說本身還很粗糙，很不完善。3．如何用物理建模的思想方法正確理解光的本性？當我們探討物理概念或定律時，通常會在腦海中構建一個模型，用以表示那些無法直接觀察到的現(xiàn)象。例如，在討論氣體分子的熱運動時，我們會將氣體分子想象成一個個剛性小球，在容器中進行無序運動；而談到電流時，我們會將其類比為水流，帶電微粒在導體中的流動就像水流一樣。當我們觀察到光的波動性時，會自然地聯(lián)想到水波；而當看到光的粒子性時，又會想到飛行的子彈。

光既表現(xiàn)出波動性，又表現(xiàn)出粒子性，這就使得問題變得棘手，因為在我們的經(jīng)驗中，很難找到同時具有波和粒子特性的物體。我們所面臨的這種困難源自何處呢？這是因為我們的認知局限于宏觀物體的運動，而微觀世界的某些特性與宏觀世界存在差異，我們從未有過類似的體驗。隨著人類認知能力的不斷拓展，那些原本無法直接感知的事物逐漸呈現(xiàn)在我們面前。在這種情況下，我們需要構建一種模型來描述這些現(xiàn)象。盡管從日常經(jīng)驗的角度來看，這個模型的表現(xiàn)可能顯得頗為奇特，但只要它能與實驗結果相符，就能在一定程度上準確地反映所研究對象的本質。三、例題分析示例1下列關于光的波粒二象性的說法中，正確的是（A）有的光是波，有的光是粒子（B）光子與電子是同樣的一種粒子（C）光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著（D）大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性分析既不能認為光是宏觀的機械波，也不能認為是宏觀的粒子。在某些條件下我們可以觀察到它的波動性，在某些條件下我們可以觀察到它的粒子性，所以說光是一種具有波粒二象性的微觀物質。解答（C）。示例2為了說明光的本性，牛頓和惠更斯分別將光比作什么？這兩種學說在解釋光現(xiàn)象上各有哪些成功之處和不足之處？牛頓將光視為沿直線前進的“彈丸”，而惠更斯則將其比作與“水波”類似的機械波。牛頓的微粒說能夠解釋光的直線傳播、反射