光的本性
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光的本性. 光的波动性 光的粒子性. 光的波动性. 一、光的本性学说的发展史上的五个学说 1. 牛顿的微粒说:认为光是高速粒子流,它能解释光的直进、光的反射现象 . 2. 惠更斯的波动说:认为光是某种振动,以机械波的形式向周围传播,它能解释光的干涉、衍射现象 . 3. 麦克斯韦的电磁说:认为光是电磁波,赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播的速度相等且均为横波 . 4. 爱因斯坦的光子说:认为光的传播是一份一份的,每一份叫一个光子,其能量与它的频率成正比,即 E=hν ,光子说能成功解释光电效应现象 .

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光的本性

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光的本性

  • 光的波动性

  • 光的粒子性


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光的波动性

一、光的本性学说的发展史上的五个学说

1.牛顿的微粒说:认为光是高速粒子流,它能解释光的直进、光的反射现象.

2.惠更斯的波动说:认为光是某种振动,以机械波的形式向周围传播,它能解释光的干涉、衍射现象.

3.麦克斯韦的电磁说:认为光是电磁波,赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播的速度相等且均为横波.

4.爱因斯坦的光子说:认为光的传播是一份一份的,每一份叫一个光子,其能量与它的频率成正比,即E=hν,光子说能成功解释光电效应现象.

5.波粒二象性学说:认为光既有粒子性、又有波动性.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行出表现为波动性;频率越大的光子粒子性粒明显,频率小的光子波动性越明显.


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二、双缝干涉及衍射

1.光的干涉:两列相干光波相叠加,某些区域的光被加强,某些区域的光被减弱,且加强区与减弱区互相间隔的现象叫光的干涉现象.

①产生干涉现象的条件之一是两列光必须是频率相同的相干光源.

②在杨氏双缝干涉实验中两列光波到达某点的路程差(亦称光程差)为波长的整数倍时,该处出现亮纹;光路程差为半波长的奇数倍时,该处出现暗纹,且条纹间距与光的波长有关,波长越长,则条纹间距越大.所以白光的干涉条纹是彩色的.

③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.由于光波波长极短,因此薄膜极薄.增透膜的厚度应是光在薄膜中波长的1/4.


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2.光的衍射:光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象.

①产生明显衍射现象的条件:孔或障碍物的尺寸比波长小或相差不多.也可以成是,与光的波长可以相比.

②双缝干涉图样与单缝衍射图样的区别:干涉条纹是等间距排列的条纹,衍射图样是不等间距、中间亮纹最亮,而两边条纹逐渐变窄变暗的不均匀条纹.

③了解泊松亮斑的物理意义.


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三、电磁波及电磁波谱

1.电磁波按波长由大到小的顺序为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线.

2.不同电磁波产生的机理不同;无线电波由振荡电路中自由电子的周期性运动产生的;红外线、可见光、紫外线由原子外层电原子受激发后产生的;X射线由原子内层电子受到激发后产生的;射线是原子核受到激发后产生的.

3.不同电磁波的特性不同:无线电波易发生干涉和衍射;红外线有显著的热效应;可见光引起视觉反应;紫外线有显著的化学效应和荧光屏效应;X射线的穿透本领很大;射线的穿透本领最强.

【说明】光子能量和光强是两个概念,要注意区分,光子能量是指一个光子具有的能量,在数值上光子的能量E=hν光强是指在垂直光的传播方向上,单位面积上单位时间内获得所有光子能量的总和,它应当是由单位时间内的光子数与光子能量共同决定.光子能量大并不意味着光强大,同样光强大也不等于每个光子的能量大.


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四、自然光与激光

1.偏振:横波只沿某一特定的方向振动,称为波的偏振.

2.自然光:若光源发出的光,包括在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光,而且沿各个方向振动的光波的强度都相同,这种光叫做自然光.

偏振光:在垂直于传播方向的平面上,只沿一个特定方向振动的光,叫做偏振光.


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3.激光及其特点.

原子受激产生辐射时,发出的光子的频率、发射方向等,都跟入射光子完全一样,如果这样的光子在介质中传播时,再引起其他原子受激产生辐射,就会产生越来越多的频率和发射方向都相同的光子,使光得到加强,这就是激光.

其特点:方向性好(光子的发射方向相同)、单色性好(光子的频率相同)、亮度高.


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五、光谱及光谱分析

(1)光谱:各种不同色光按照一定顺序排列形成的彩色光带.

(2)原子光谱:由于不同的原子结构不同,能级也就各不相同,它们可能辐射的光子也就具有不同的波长,所以每种元素光谱中的谱线分布考与其他元素不一样,这些分交的线状谱是与他元素相对应的,故我们又把线状谱叫做原子光谱.


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2.光谱分析

由于每种元素的谱线分布与其他元素的不一样,

这样就可以通过光谱的分析知道发光的是什么元素,

用这种方法可以确定物质的组成.

例题:


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练习

1.下列哪些属于光的干涉现象()

A.雨后美丽的彩虹

B.对着日光灯从两铅笔的缝中看到的彩色条纹

C.阳光下肥皂膜上的彩色条纹

D.光通过三棱镜产生的彩色条纹


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2.对光的衍射现象的定性分析,不正确的是()

A.光的衍射是光在传播过程中绕过障碍物传播的

 现象

B.衍射现象是光波互相叠加的结果

C.衍射现象否定了光的直线传播的结论

D.光的衍射现象为波动说提供了有力的证据


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3.认为光波和无线电波都是电磁波的理由有以下几

 方面,正确的理由是()

A.真空中传播速度相同

B.都能发生反射、衍射、折射现象

C.传播都不依靠别的介质

D.都是由振荡电路中自由电子的运动产生的


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4.有一种看不见的射线是原子的外层电子受激发

 后产生的,波长比红光短,一切高温物体都辐

 射这种射线,这种射线是()

A.红外线 B.紫外线

C.伦琴射线 D.射线


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5.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明线光谱

 B.霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是

  明线光谱

 C.进行光谱分析时,可以利用明线光谱,不能用连续光  谱

 D.我们观察月亮射来的光谱,可以确定月亮的化学组成


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【例1】下列说法中正确的是( )

A.用白光做光的干涉实验时,偏离中央明条纹较 远的是紫光

B.用白光做光的干涉实验时,偏离中央明条纹较 远的是红光

C.涂有增透膜的照相机镜头,增强了对紫光的透 射程度

D.从竖立肥皂膜上看到的彩色条纹是从膜的两表 面反射光干涉的结果


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【解析】由于在干涉实验中,有条纹间距

x=lλ/d的关系,即条纹间距与光波波长成正比.

而白光中红光的波长最长,故偏离中央明条纹最

远的是红光;增透膜应该增强透射的是人的视觉

最敏感的绿光,这样才能使所成的像即亮又清晰;

肥皂膜上的条纹是由于光从膜前、后表面反射后,

相互干涉而形成的.综上所述答案为B、D.


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【例2】市场上有种灯具俗称“冷光灯”,用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低,从而广泛应用于各种场所,这种灯降低热效应的原理之一是灯泡后面放置的反光镜的表面上镀有一层薄膜(例如氟化镁),这种膜能消除不镀膜时表面反射回来的热效应最显著的红外线,以λ表示此红外线在薄膜中的波长,则所镀薄膜的厚度最小应为(B)

A./8 B.4 C./2 D


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【解析】本题实际考查的是干涉知识的应用,

要认真读题,实际很简单,要消除反射回来的

红外线,即要使红外线全部透射,此膜即为增

透膜,厚度最小应为/4,综上所述答案为:B.


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【解题回顾】解决本题,要求学生要能理解

增透膜的含义及作用,增透膜从薄膜前后表

反射叠加后相互削弱,从而减少反射光强度,

增加透射光的强度.


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【例3】在双缝干涉实验中,双缝到光屏上P点的距离之差d=0.6μm;若分别用频率为f1=5.0×1014Hz和频率为f2=7.5×1014Hz的单色光垂直照射双缝隙,则P点出现条纹的情况是以下哪种(AD)

A.用频率f1的单色光照射时,P点出现明条纹

B.用频率f2的单色光照射时,P点出现明条纹

C.用频率f1的单色光照射时,P点出现暗条纹

D.用频率f2的单色光照射时,P点出现暗条纹


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【解析】根据波的叠加的规律,P点出现条纹的情

况决定于路程差d与波长的关系.由c=f,可知两种

单色光的波长:1=c/f1=0.6m;=c/f2=0.4m:

与d相比较得:d=1=32/2,则用f1光照射时,P点

出现亮条纹,用f2光照射时,P点出现暗条纹,综

上所述答案为:AD.

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光的粒子性

一、光电效应

1.光电效应:物体在光的照射下释放出电子的现象叫光电效应.在光电效应中物体释放出的电子叫光电子.光电子定向移动形成的电流叫光电流.

2.光电效应的规律.

①对于任何一种金属,都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率,才能发生光电效应,低于这个频率就不能发生光电效应;

②光电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增大而增大;

③入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9秒;

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.


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二、光子说

1.光子说:空间传播的光不是连续的,是一份一份的,每一份叫一个光子,每个光子的能量E=h 0(其中h=6.63×10-34J·s,称做普朗克常量).

爱因斯坦就是因为提出了光子说及对光电效应的研究而获得诺贝尔物理学奖的.


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2.光子说对光电效应的解释.

光子照射到金属上时,某个电子吸收光子的能量后动能变大,若电子的动能增大到足以克服原子核的引力时,便飞出金属表面,成为光电子.

①光子的能量和频率有关,金属的逸出功是一定的,光子的能量必须大于逸出功才能发生光电效应,这就是每一种金属都存在一个极限频率的原因;


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②光照射到金属上时,电子吸收光子能量不需要积累,吸收能量立刻增大动能,如果光子的能量大于逸出功,则电子就会逸出金属表面成为光电子;

③电子吸收光子能量后,从金属表面逸出,其中金属表面电子克服逸出功飞出金属表面后具有最大初动能,根据能量守恒,应是:1/2mvmax2=h-W,该方程为爱因斯坦光电效应方程,显然最大初动能和入射光子频率有关,但不是成正比;

④光强越大,单位时间内入射光子数越多,因此在单位时间内从金属中逸出的光电子数越多,且成正比;

例题:


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练习

1.某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是()

A.延长光照时间

B.增大光的强度

C.换用波长较短的光照射

D.换用频率较低的光照射


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2.关于光子说的基本内容有以下几点,不正确的

是()

A.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,

每一份叫一个光子

B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子

C.光子的能量跟它的频率成正比

D.光子客观并不存在,而是人为假设的


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3.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16-2-1所示,

图16-2-1


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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


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4.能引起人的视觉感应的最小能量为

10-18J,已知可见光的平均波长约为

0.6m,则进入人眼的光子数至少为3

个,恰能引起人眼的感觉.


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【例1】关于光电效应下述说法中正确的是(D)

A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大

而增大

B.只要入射光的强度足够强,照射时间足够长,

就一定能产生光电效应

C.在光电效应中,饱和光电流的大小与入射光

的频率无关

D.任何一种金属都有一个极限频率,低于这个

频率的光不能发生光电效应


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【解析】可根据光电效应的四条规律进行分析.光电子的最大初动能是随着入射光的频率的增大而增大,与光强无关,A错;而光电效应产生的条件是入射光的频率大于或等于金属的极限频率,B错;在答案C中,当入射光的频率大于极限频率的前提下,饱和电流与光强成正比,若入射光强度一定时,入射光的光子数便取决于光子的能量了,光强一定时光子的能量越大,则单位时间内的光子数就越少,单位时间内入射光子数少,则打出的光电子数就少,饱和光电流就越小了,所以在光强一定时,入射光的频率越大,则饱和光电流越小,本题答案D.


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【例2】氢氖激光器发射的波是波长为

6328埃的单色光,试计算这种光的一个

光子能量为多少?若该激光器的发光功

率18mW,则每秒钟发射多少个光子?


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【解析】光子的能量:E=hν,或E=hc/,知道光子的波长就可计算每个光子的能量.而每秒钟发出的光的总能量应当为每秒内的光子数与每个光子能量的乘积.

根据光子说,

E=hc/=3.14×10-19J=1.96eV,

因为发光功率等于光子的总能量与时间的比值,所以单位时间内发射的光子数为:n=Pt/E=5.75×1016个.


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【例3】一束细平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光,分别照射到相同的金属板a、b、c上,如图16-2-2所示.已知金属板b有光电子逸出,

图16-2-2


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则可知(D)

A.板a一定不放出光电子

B.板a一定放出光电子

C.板c一定不放出光电子

D.板c一定放出光电子

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【解析】该题有考查综合分析能力的作用.学生要会融汇贯通,首先根据三棱镜对复色光起的色散作用及其规律,即偏折角越大的光的频率越高,其次要知道发生光电效应的条件,即入射光的频率大于极限频率.由题中可分析得,b金属板有光电子放出,则照射到c的光频率更高,c金属板一定有光电子放出,而a金属板是否发生光电效应,不能确定,综上所述,答案为:D.


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【解题回顾】把几何光学与物理光学结合起来考查学生综合能力是每年高考的热点之一,请们注意这方面练习.


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【例4】某广播电台发射功率为10kW,在空气中波长为187.5m的电磁波,试求:

(1)该电台每秒钟从天线发射多少个光子?

(2)若发射的光子向四面八方视为均匀的,求在离天线2.5km处,直径为2m的环状天线每秒接收的光子个数.接收功率为多大?


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【解析】本题一是考查能量守恒问题,二是考查光子与光子能量问题,三是几何知识在物理学中的运用.

(1)每个光子的能量:E=h=hc/=1.06×10-27J,

则每秒钟电台发射上述波长的光子数为:

N=Pt/E=1031(个/秒).


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(2)设环状天线每秒接收光子数为n个,以电台

发射天线为球心,则半径为R的球面积S=4R2;

而环状天线的面积S′= r2,所以

n=r2/(4R2) ×N=4×1023个;

接收功率:P= r2/(4R2) ×P总=4×10-4W.

解此题之后,应当清楚地知道为什么离发射台

越远,电磁波的信号就越弱的原因了.

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