光的本性1.docx
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光的本性1
光的本性
一、教法建议
抛砖引玉
光的本性是物理光学的基础,本章循着历史发展的线索,引导学生了解光的本性,认识光的波粒二象性。
光的本性问题,在近代物理学发展史上占有很重要的地位。
把波粒二象性推广到一切微观粒子上,促进了量子力学的蓬勃发展。
所以,学习光的本性,对于学生进一步了解微观粒子的性质,建立辩证唯物主义世界观,都具有重要意义。
本章内容都是同学们生活中并不熟悉的,无论是光的波动性还是光的粒子性,都需要经过抽象思维,才能理解现象的本质。
因此在本章的教学中,应注意让学生在认真观察实验事实的基础之上,加强抽象思维能力的培养。
如在光的干涉教学中,让学生充分观察干涉图样,再应用波的叠加的知识进行分析、推理,理解图样形成的物理过程。
爱因斯坦的光子说,也就引导学生认真分析光电效应与波支说的矛盾的基础上提出来,然后引导学生研究光子说解决矛盾。
经过充分的思考、分析,学生才能将书本结论真正理解掌握,转化成自己的知识,提高他们分析问题的能力,激发学生的求知欲,引导学生善于思考,提出问题。
教学中还应通过简要的史料介绍,给同学讲一点物理学发展史,一方面让学生体会到科学发展是一代一代科学家辛勤劳动的曲折过程,树立为科学献身的精神,主动钻研文化知识;另一方面从中体会到科学研究的一些基本方法——“实验(事实)——理论假设——实验(提供新的事实)——修正理论(甚至建立新的假设)”,并体会到人们的认识就是从不断地纠正偏差错误中提高的。
由于本章内容抽象、难懂,在教学中应多收集些科学小故事,配合教材放映幻灯和录像,普及科技知识,帮助学生理解书本知识,活跃课堂学习所氛,使学生在轻松的环境中掌握抽象的理论。
指点迷津
本章的教学重点之一是双缝干涉,要明确杨氏双缝干涉实验是光的波动性的有力证据;教学重点之二是光电效应和光子说,应重在理解光电效应的基本规律和光子说的基本内容。
教学中应做好演示实验,调动学生学习的积极性。
光的衍射中,泊松亮斑虽难理解,应让学生明确这个“亮斑”的存在却成了波动理论极其精彩的实证,菲涅尔为此获得了科学奖金。
光的电磁说,电磁波谱、光谱和光谱分析这部分内容大多类似科普常识性的介绍,教学中可让学生自己阅读,归纳总结,关做一些实验让学生观察思考,提高学生学习的兴趣。
二、学海导航
学法指要
本章内容基本上是按照人们对光的本性的认识过程展开的,一条线索是通过光的干涉、衍射现象证实光具有波动性,再由光的电磁说表明在本质上不同于机械波,它是一定频率范围的电磁波;另一条线索是通过光电效应现象,及用光子说圆满解释光电效应规律,证实光具有粒子性。
最后揭示出光的本性是波粒二象性:
光在某些情况下显示出波动性,在另一些情况下又显示出粒子性。
复习中应注意以下问题。
(一)光的色散、干涉、衍射的区别
1.色散是由于媒质对不同频率的光折射率不同(对频率越大的光,媒质的折射率越大),
不同色光通过媒质后的偏折程度不同而引起。
如雨后天空中的彩虹是光的色散现象。
光谱由七色光带连续排列,光带较亮。
2.光的干涉是教学的重点,也是一个教学难点,同时又是考试命题的热点。
1干涉是两列频率相同的光在空间相遇时叠加,某些区域的光被加强,某些区域的光
被减弱,并且加强和减弱的区域之相间隔,从而出现干涉条纹。
本文进述了双缝干涉和薄膜干涉两种。
2在理解光的干涉时,注意相干光源的条件是两列光频率相同,振动方向相同且相差
恒定。
在机械波中容易满足,但对光波不易满足。
即使是“频率相同的单色光源”发出的两束光,也不能保持恒定的相差,必须把同一个点光源(线光源)发出的一束光分成两束,才能得到相干光源。
3白光的双缝干涉图样,中间为一明亮光带,两边是彩色条纹,光带较窄。
单色光的
双缝干涉图样是明暗相间的条纹,且条纹间距相等,中央为明条纹。
若两列光振动相同,在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方属光被加强处,将出现明条纹;光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方属光被减弱处,将出现暗条纹。
4理论证明,在双狭缝间的距离和狭缝与屏间的距离不变的条件下,单色光产生的干
涉条纹间距(相邻两条明条纹中心或相邻两条暗条纹中间的距离)与光的波长成正比。
5薄膜干涉是光照射到薄膜上时,被膜的前、后表面反射的两列光相叠加产生的一种
干涉现象。
阳光下肥皂膜上的彩色条纹就属薄膜干涉。
薄膜干涉常用于检查平面和用于镜头的增透膜。
6在光的薄膜干涉中,前后表面反射光的路程差由膜的厚度决定,所以薄膜干涉中同
一明条纹或同一暗条纹应出现在膜的厚度相同的地方。
由于光波波长极短,因此做薄膜干涉所用介质膜应足够薄,才能观察到干涉条纹。
3.光的衍射是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象。
1能够发生明显的光衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比光的波长小,或者与光波
长相差不多。
著名的泊松亮斑就是典型的光的衍射现象形成的。
2光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果,但存在明显的区别:
双缝干涉条纹
是等间距等亮度的,而单缝衍射条纹除中央明条纹最宽最亮外,两侧条纹亮度、逐渐减小。
对着日光从两铅笔的窄缝中看到的彩色条纹是光的衍射现象。
(二)光的颜色、频率和波长
光的颜色由频率决定,光的频率由光源决定。
光在不同介质中传播时频率不变,颜色
不变,其传播速度改变,由u=af可知,波长随传播速度的变化而变化。
不同频率的光在同一介质中传播时,频率越高的光传播速度越小,波长越短,即同一介质对频率越高的光折射率越大。
(三)光的电磁说,电磁波谱,光谱和光谱分析
1.光的电磁说说明光波跟机械波有本质的不同,光波属于电磁波,电磁场本身就是物
质,因此不需要“弹性介质”来传递。
光的电磁说揭露了光现象的电本质,把光学和电磁学统一起来了。
2.电磁波按波长由大到小顺序排列起来就构成了范围非常广阔的电磁波谱,即:
无线
电波,红外线,可见光,紫外线,伦琴射线、γ射线。
其中最长波长是最短波长的1021倍以上。
不同电磁波产生机理不同。
无线电波是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的;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。
不同波长的电磁波,它们的本质是相同的,他们的行为服从共同的规律,同时它们又具有某些特性——因此,观察方法和应用上就有所不同,归纳如下表:
观察方
无线电波
无线电技术
红外线
可见光
紫外线
X射线
γ射线
利用热效应,激发荧光,利用贯穿本领。
照相底片感光(化学效应)
核技术
用途
通讯、广播
导航
加热烘干
遥测遥感
医疗,导向
照明,照相加热
日光灯,
黑光灯,
手术室杀
菌消毒,治疗皮肤病
检查,探
测,透视治疗
探测治疗
3.光谱和光谱分析,通过阅读课文,明确以下两点。
1光谱的分析,通过阅读课文,明确以下两点。
发射光谱—由发光本直接产生的光谱
产生条件—炽热固体、液体和高压气体发光形成的光谱
连续谱
光谱的形式—连续分布,一切波长的光都有
线状谱
光谱产生条件—稀薄气体发光形成的光谱
(又名原子光谱)
光谱形成—一些不连续的明线组成;不同元素的线状谱
不同(特征谱线)
产生的条件——炽热的白光通过温度较白光低的气体后,再色散形成光谱,
吸收光谱
光谱形式——用分光镜观察时,见到连续谱背景上出现一些暗线
(与元素的特征谱对应)
2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。
(四)光电效应和光子学说
1.光电效应是本章的重点,一定要做好演示实验。
1
光电效应演示实验如图8-1所示。
图8-1
2在光的照射下,从物体发射电子的现象叫光电效应,发射出的电子叫光电子。
3在理解光电效应的四条规律时应注意:
“光电流的强度”指的是光电流的最大值,因
为光电流未达到最大值之前,其值大小,不仅与入射的强度有关。
还与光电管两极间的电压有关。
只有在光电流达到最大以后,才和入射光的强度成正比:
“入射光的强度”,指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量。
在入射光频率不变的条件下,光强正比于单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数。
若换用不同频率的光照射,即使光强相同,单位时间内照射到金属表面单位面积的光子数也不相同,因而从金属表面逸出的光电子数也不相同,形成的光电流也不同。
2.爱因斯坦为解释光电效应现象,提出光子说。
其内容为:
空间传播的光是不连续的,
是一份一份的,每一份叫一个光子,每个光子的能量E=hv。
3.爱因斯坦光电效应方程:
,只作定性分析,不作定量计算。
(五)光的波粒二象性
1.即不可把光当成宏观观念中的波,也不可把光当成宏观观念中的粒子。
2.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性:
频率越高的光粒子性越明显,频率越低的光波动性越明显。
3.光在传播过程中往往显示出波动性,在与物质作用时往往显示出粒子性。
学法指要
例1在双缝干涉实验中,以白光为光源,在屏幕上观察到了彩色干涉条纹,若在双缝的一缝前一红色滤光片(只能通过红光),另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光),这时()。
A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹消失,其它颜色的双缝干涉条纹不消失。
B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失,其它的干涉条纹依然存在。
C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在,但屏上仍有光亮。
D.屏上无任何光亮。
分析与解答
产生光的干涉现象的条件是两个光源的频率相同,两个光源发出的光在空间叠加。
在
双缝干涉实验中,如果在一缝前放红色滤光片,在另一缝前放绿色滤光片,则因红光和绿光的频率不同,不会发生干涉现象,在屏上任何颜色的干涉条纹都不存在。
产生明显的光的衍射现象的条件是障碍物或小孔尺寸小于光波的波长相差不多。
就其
每个狭缝而言,红光和绿光均可发生衍射现象,故在屏上会出现红、绿衍射条纹,即屏上仍有光亮,至于在重叠区域里发生的红、绿条纹颜色复合现象,试题未作要求,答案为C。
例2如图8-2所示,用单色光做双缝干涉实验,O为双缝,S1、S2连线中垂线与屏交
点,若S2P-S1P=4λ(λ为单色光的波长),则OP之间的暗条纹数为()。
A.2条B.3条C.4条D.条
图8-2
分析与解答
在双缝干涉实验中,当两束光波到屏上某点的路程差为光波波长的整数倍时,该处的
光互相加强出现明条纹;当两束光波到达屏上某点的路程差为半个波长的奇数倍时,该处的光互相削弱出现暗条纹。
因为明、暗条纹相间出现,所以仅用其中的一个条件即可判断,现用产生明条纹的条件判断。
光的路程差S2P-S1P=kλ
据题中条件0≤kλ≤4λ,即0≤k≤4。
K只取0、1、2、3、4。
其中k=0时形成中央亮
纹在O处;k=4时,形成的第四亮纹在P处。
在O、P之间共有条亮纹、4条暗纹,答案为C。
例3一束黄光在真空中的波长为6000埃,当它由某种透明介质射入空气时,临界角
为53°,求该介质中黄光的频率、波长和速度。
解由c=λv,得
赫,在介质中仍是这个频率。
因为sinC=
所以在介质中黄光的速度
,
因为介质中v=λv,所以小组长
米=4800埃。
例4在观察光的衍射的实验中,通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝,观看远处的
日光灯管或线状白炽灯丝(灯丝或灯管都要平行于狭缝)可以看到()。
A.黑白相嶂的直条纹B.黑白相间的弧形条纹
C.彩色的直条纹D.彩色的弧形条纹
分析与解答
这就是单缝衍射,按照课本上对单缝衍射的叙述和实验:
“用卡尺观察光的衍射现象”中的叙述可以得到衍射现象为彩色的直条纹,故答案为C。
错题辨析
有同学错选A、B,其原因是不理解白光是复色光,衍射时会出同彩色条纹,有同学错选D,B,其原因是肖有认真阅读课文,没有观看课本前的彩色插图,两种错解均与没做过这一实验密切相关。
例5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,产生这些暗线是由于()。
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相应的元素
D.太阳内部存在相应的元素
分析与解答
构成吸收光谱的暗线谱线是由于连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的。
研究
太阳光谱发现它是由许多暗线组成的,它是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱,这一知识性的内容,考生应该知识。
在现行通用的教材中都有简明的叙述,只要考生复习过有关内容,就立即可以断定在给出的四个选项中,C项是正确的选项。
例6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。
如图8-3所示,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
图8-3
分析与解答
锌板被弧光灯发出的光照射,产生的是光电效应,使原本呈电中性的锌板放出电子(光
电子)后,带正电,因此,与锌板相连的验电器指针带正电,从而张开一个角度,故选B。
错解辨析
有同学错选A,原因是以为锌板发射出的光电子射到验电器上,使验电器张开,其实
使指针张开的不是光电子,而是正电荷,有同学错选C或D,主要以为发生电效应产生的电子不是锌析射出的,而是弧光灯射出的。
例7入射光照射到金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不
变,那么()。
A.从光照至金属表面上到光子发射出之间的时间将明显增加
B.逸出的光电子最大初动能将减小
C.单位时间内从金属表面逸出的电光电子数目将减少
D.有可能不发生光电效应
分析与解答
在光电效应中,任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于或等于这个
频率,才能发生光电效应。
在本题中,已经发生光电效应,那就是说,入射光的频率是大于此金属的极限频率的,而光强弱,不可能影响现象的发生与否,因而排除D项;光电子的最大初动能与入射光强度无关,只随入射光频率的增大而增大,故排除B项;入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,因此,排除A项;入射光度的减弱,单位时间内入射的光子数也随之减少,因而,单位时间内从金属逸出的光电子数也将减少,应选C。
错解辨析
有同学错选A,主要是对光照至金属表面上到发射出光子之间所用的时间间隔不了解,
实际上这一时间几乎是瞬时的,一般不超过10-9s,所以不会明显增加。
例8已知铯的极限频率为4.545×1014Hz,钠的极限频率为6.000×1014Hz,银的极限
频率为1.153×1015Hz,铂的极限频率为1.529×1015Hz。
当用波长为0.375μm的光照射它们时,可能发生光电效应的是。
分析与解答
铯、钠、银、铂被所给光照射,哪种或哪几种金属可能发生光电效应,只须检验一下
就知道了,检验需要计算和比较,从迅捷的眼光看,需要计算一下照射光的频率。
V照=
,与四种金属的极限频率相比较:
V照>V钢,V照>V铯,V照 分析至此,答案是明显的,可能发生光电效应的 是铯和钠。 错解辨析 有同学错答: 主要是对极限频率的含义不了解,实验上极限频率是指可发生光电效应 的最小频率,如果入射光的频率大于极限频率,就定会发生光电效应,另外计算频率时涉及到10的几次方的计算,有可能马虎算错。 课外阅读 黑洞新证据 新出版的《新科学家》杂志载文介绍: 前不久,英国剑桥大学的科学家探测到一些神秘的天体,它们不断地吞噬气体物质,然后永远地消失在宇宙之中。 研究人员认为它们是黑洞。 剑桥大学的天文学家马丁·黑思说,我们探测到的坍塌天体没有稳定的表面,这些天体符合黑洞的特征,它们不可能是我们已知的任何一种天体。 黑洞是一种引力巨大的坍塌天体,在它的引力范围内不连光线都无法逃逸出去。 因为人们对它知之甚少,黑洞研究一直是天文学极感兴趣的前沿科学,自从受因斯坦推论出黑洞的存在之后,科学家已对黑洞理论进行了长达20年的探索和研究。 黑洞不放射,不反射任何电磁波和光线,而且有着与中子星相同的形成方式,以致测定黑洞的确切存在和证明它们不是中子星都非常困难。 但是从理论上讲,中子星是质理不会超过3个太阳的质量,超过这一质量极限的任何可疑天体都可能是黑洞。 根据这一理论,天文学家探测出几个黑洞,它们是天鹅座X-1,天鹅座V404和天蝎座1994新星。 但是一些天文学家指出,证明某种天体质量超过中子星并不能同时证明它们就是黑洞,它们还可能是某种不为人知的更为异乎的导常的天体。 思维体操 一个手电筒灯泡在3V的电压下,通过0.25A的电流,灯泡所发出的光会聚后形成一个面积为10cm2的平行光束。 如果灯泡所消耗的能量中有1%转化为波长6000Å的可见光。 求: (1)沿光传播方向上1m长的光束内有多少光子; (2)在光不垂直照射的物体表面上,平均每秒钟每平方厘米的表面上接收到多少光子(S=10-3m2)? 分析: 根据光子说,手电筒发光的能量是由光子组成。 λ=6×10-7m,S=10-3m2 解 (1)P=IuE=h 每秒钟发出的光子数 设1m长的光柱中光子个数为x,则: (2)n'为每秒钟、每平方厘米的表面上接收的光子数为: 所以 个。 三、智能显示 心中有数 本章内容较多,光的干涉和光电效应是本章重点,只要同学们理解并熟记有关知识,就能熟练做题。 高考中本章多以选择题、填空题的形式出现。 动手动脑 1.将焦距为f的凸透镜切成上、下两半,沿主轴拉开距离f,如图8-4所示。 点光源S 置于透镜主轴上离左边半个透镜f处,该装置可演示两束光的干涉现象,请在原图上画出点光源S经上、下两半透镜后的光束,并用斜线画出两束光线发生干涉的区域。 解光路图如图8-5所示。 图8-4图8-5 2.S1、S2为两上相干光源,发出的光的频率为7.5×1014Hz,光屏上A点与S1、S2的路 程差为1.8×10-6m。 (1)若S1、S2的振动步调完全一致,则A点出现什么条纹? (2)若S1、S2的振动步调完全相反,则A点出现什么条纹? 解 (1)若S1、S2的振动步调完全一致,则A点出现暗条纹。 (2)若S1、S2的振动步调完全相反,则A点出现明条纹。 3.阳光垂直照射地面时,地面上1m2接收到的可见光功率1.4×103W,若可见光的平均 波长取λ=5.0×10-7m,则每秒钟每平方厘米的地面上接收到的可见光的光子数是多少? 解每个光子的能量hv= 每秒每平方厘米的地面上接收到的光子数为 。 创新园地 波长为λ=0.17μm的紫外线照射至金属筒上,使之发射光电子,光电子在磁感强度为B的匀强磁场中,作最大半径为r的匀速圆周运动,已知r·B=5.6×10-6T·m,光电子质量m=9.1×10-31kg,电量e=1.6×10-19C。 求: (1)每个光电子的动能; (2)金属筒的逸出功。 分析与解答 光电子作匀速圆周运动时,在垂直磁场方向的平面运动,它的动能即是最大初动能。 解 (1) 所以 。 (2)W= 。 四、同步题库 1.关于光谱和光谱分析,下列说法中正确的是()。 A.太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱 B.霓红灯和煤气灯火争中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是线状谱 C.进行光谱分析时,只能用线状谱 D.观察月光,可以确定月亮的化学组成 2.根据电磁波谱选出下列各组电磁波,其中频率互相交错重叠,且波长顺序由短到长 排列的是()。 A.微波、红外线、紫外线 B.γ射线、X射线、紫外线 C.紫外线、线外线、无线电波 D.紫外线、X射线、γ射线 3.用频率为v1的单色光照射金属甲,用频率v2的光照射金属乙,若从金属甲中逸出的光电子的最大初动能较大,则()。 A.v1一定大于v2 B.v1一定小于v2 C.v1一定等于v2 D.v1不一定大于v2 4.关于光的波粒二象性,下列说法正确的是()。 A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子和电子是同样的一种粒子,称为光电子 C.光的波长越长,波动性越显著 D.光子数越多,粒子性越显著 5.某激光源的发光功率P,发射激光的波长λ,当该激光照射到折射率为n的介质中 时,由于反射其能量减小了10%,介质中激光束的直径为d,那么在介质中单位时间内通过与激光束垂直的截面上,单位面积的光子数为() A.3.6pλ/πd2hcB.3.6pλ/πd2nhcC.0.9pλ/hcD.3.6pλ/hc 6.A、B为两束平行的单色光,当它们从空气中通过界面OO'射放水中时分别发生如图8-6所示的抓射现象,已知α<β,则()。 A.单色光A的光子能量较大 B.单色光A在水中波长较短 C.单色光B在水中波长较短 D. 单色光B在水中传播速度较大 图8-6 7.关于太阳光谱,下列说法正确的是()。 A.太阳光谱是连续谱 B.太阳光谱是吸收光谱 C.通过研究太阳光谱,可了解太阳大气层的成分 D.通过研究太阳光谱,可了解地球大气层的成分 8.如图8-7所示是光电管的使用原理图。 已知当有波长为λ0的光照射到阴极K上时, 电路中有光电流,则()。 图8-7 A.若换用波长为λ1(λ1<λ0)的光照射阴极K时,电路中一定没有光电流 B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K时,电路中光电流一定增大 C.若将电源极性反接,电路中仍可能有光电流产生 D.增加电路中电源两极电压,电路中光电流一定增大 9.在光电效应实验中,若要增大光电子到达阳极时的动能,可采用的方法有()。 A.增加光的照射时间 B.增大入射光的强度 C.增大入射光频率 D.增大光电管两极间正向电压 10.用同一束单色光,在同一条件下,先后照射锌片和银片,都能产生光电效应。 对 于这两个过程,下面所列四个物理量中一定相同的是,可能相同的是(只填物理量的序号)。 11.如图8-8所示,一束太阳光通过三棱镜后,在光屏MN上形成彩色带ad,今将一温 度计放在屏上不同区域,其中温度计示数升高最快的区域为。 图8-8 12.黄光频率为5.0×1014Hz,功率为40W的发射黄光的灯每秒钟发射的光子数为 。 在以灯为中心,半径为10m的球面上1min通过1cm2面积的光子数为。 (普朗克恒量h=6.63×10-34J·s,结果取两位有效数字) 【同步题库】参考答案 1.B2.B3.D4.C5.A6.C7.B,C8.C9.C,D10.A,C11.a~c红外线的主要作用是热作用12.1.2×1020,9.55×1014.
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- 本性