2、康普顿效应

在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。

1、光电效应

(1)光电效应在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。(右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。)

(2)光电效应的实验规律：

　　　 装置：

　　　 ①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，低于极限频率的光不能发生光电效应。

　　　 ②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。

　　　 ③大于极限频率的光照射金属时，光电流强度(反映单位时间发射出的光电子数的多少)，与入射光强度成正比。

　　　 ④ 金属受到光照，光电子的发射一般不超过10^－9秒。

例题： 对爱因斯坦光电效应方程E_K= hν-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E_K

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= hν₀

D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比

解析：爱因斯坦光电效应方程E_K= hν-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= hν₀。由E_K= hν-W可知E_K和ν之间是一次函数关系，但不是成正比关系。本题应选C。

例题：如图，当电键K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。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为

A.1.9eV　　　　　　　　 B.0.6eV　　　

C.2.5eV　　　　　　　　 D.3.1eV　

解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，也就是光电子的最大初动能刚好为0.6eV。由E_K= hν-W可知W=1.9 eV。选A。　　

4、光的偏振

⑴光的偏振也证明了光是一种波，而且是横波。各种电磁波中电场E的方向、磁场B的方向和电磁波的传播方向之间，两两互相垂直。

⑵光波的感光作用和生理作用主要是由电场强度E引起的，因此将E的振动称为光振动。

⑶自然光。太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含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，这种光叫自然光。

⑷偏振光。自然光通过偏振片后，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射和折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振光，且它们的偏振方向互相垂直。我们通常看到的绝大多数光都是偏振光。

例题： 有关偏振和偏振光的下列说法中正确的有　　　　 　　　　　　　　　　　　 　

A.只有电磁波才能发生偏振，机械波不能发生偏振

B.只有横波能发生偏振，纵波不能发生偏振

C.自然界不存在偏振光，自然光只有通过偏振片才能变为偏振光

D.除了从光源直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光都是偏振光

解析：机械能中的横波能发生偏振。自然光不一定非要通过偏振片才能变为偏振光。本题应选BD。

3、光的电磁说

　　　 ⑴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。

⑵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。

	无线电波	红外线	可见光	紫外线	X射线	n射线
组成频率波	增大 　　　　　　　　 减小
产生机理	在振荡电路中，自由电子作周期性运动产生	原子的外层电子受到激发产生的	原子的内层电子受到激发后产生的	原子核受到激发后产生的

⑶红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。

⑷实验证明：物体辐射出的电磁波中辐射最强的波长λ_m和物体温度T之间满足关系λ_m　 T = b(b为常数)。可见高温物体辐射出的电磁波频率较高。在宇宙学中，可以根据接收到的恒星发出的光的频率，分析其表面温度。

⑸可见光频率范围是3.9-7.5×10¹⁴Hz，波长范围是400-770nm。

例题：为了转播火箭发射现场的实况，在发射场建立了发射台，用于发射广播电台和电视台两种信号。其中广播电台用的电磁波波长为550m，电视台用的电磁波波长为0.566m。为了不让发射场附近的小山挡住信号，需要在小山顶上建了一个转发站，用来转发_____信号，这是因为该信号的波长太______，不易发生明显衍射。

解析：电磁波的波长越长越容易发生明显衍射，波长越短衍射越不明显，表现出直线传播性。这时就需要在山顶建转发站。因此本题的转发站一定是转发电视信号的，因为其波长太短。

例题：右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　

解析：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。

⑸光谱

　　　　　　　 ①观察光谱的仪器，分光镜　　 ②光谱的分类，产生和特征　　

　　　 ③ 光谱分析：

　　　　　　　 一种元素，在高温下发出一些特点波长的光，在低温下，也吸收这些波长的光，　　 所以把明线光波中的亮线和吸收光谱中的暗线都称为该种元素的特征谱线，用来进行　　　 光谱分析。

2、光的衍射　

　　　　　　　 (1)现象：

　　　　　　　 　①单缝衍射

　　　　　　　 　a) 单色光入射单缝时，出现明暗相同不等距条纹，中间亮条纹较宽，较亮两边亮　　　　　　　 条纹较窄、较暗

　　　　　　　 b) 白光入射单缝时，出现彩色条纹

　　　　　　　 ② 园孔衍射：

　　　　　　　　　　 光入射微小的圆孔时，出现明暗相间不等距的圆形条纹

　 　　　　 ③ 泊松亮斑　

　　　　　　　　　　 光入射圆屏时，在园屏后的影区内有一亮斑

　　　　　　　 (2)光发生衍射的条件

　　　　　　　　　　 障碍物或孔的尺寸与光波波长相差不多，甚至此光波波长还小时，出现明显　　　　　　　　　 的衍射现象　　

例题：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　　　

解析：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。

1、光的干涉

　　　 (1)双缝干涉实验

　　　 ①装置：如图包括光源、单缝、双缝和屏　　　

　　　　　　　　　　 双缝的作用是将一束光分为两束

　　　 ②现象：

　　　 ③干涉区域内产生的亮、暗纹

A、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，……)

B、暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ=(n=0，1，2，……)

相邻亮纹(暗纹)间的距离。用此公式可以测定单色光的波长。用白光作双缝干涉实验时，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 光的干涉现象说明了光具有波动性。

　　　　　　　 由于红光入射双缝时，条纹间距较宽，所以红光波长较长，频率较小

　　　 　　　 紫光入射双缝时，条纹间距较窄，所以紫光波长较短，频率较大

　　　 ⑤ 光的传播速度，折射率与光的波长，频率的关系。

　　　　　　　 a)v与n的关系：v=

　　　　　　　 b)v,和f的关系：v=

　　　 (3)薄膜干涉

　　　　　　　 ①现象：　　　

　　　　　　　　　　 单色光照射薄膜，出现明暗相等距条纹

　　　　　　　　　　 白色光照射薄膜，出现彩色条纹

　　　　　　　　　　 实例：动膜、肥皂泡出现五颜六色

　　　　　　　 ②发生干涉的原因：是由于前表面的反射光线和反表面的反射光线叠加而成(图1)

　　　　　　　 ③应用：a) 利用空气膜的干涉，检验工作是否平整(图2)

　　　　　　　　　　 　　　　 (图1)　　　　　　 　　　　　(图2)

　　　　　　　　　　　　　　 若工作平整则出现等间距明暗相同条纹 　

　　　　　　　　　　　　　　 若工作某一点凹陷则在该点条纹将发生弯曲

　　　　　　　　　　　　　　 若工作某一点有凸起，则在该点条纹将变为

　　　　　　　　　　 b) 增透膜

例题：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

解析：公式中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。

例题：登山运动员在登雪山时要注意防止紫外线的过度照射，尤其是眼睛更不能长时间被紫外线照射，否则将会严重地损坏视力。有人想利用薄膜干涉的原理设计一种能大大减小紫外线对眼睛的伤害的眼镜。他选用的薄膜材料的折射率为n=1.5，所要消除的紫外线的频率为8.1×10¹⁴Hz，那么它设计的这种“增反膜”的厚度至少是多少？

解析：为了减少进入眼睛的紫外线，应该使入射光分别从该膜的前后两个表面反射形成的光叠加后加强，因此光程差应该是波长的整数倍，因此膜的厚度至少是紫外线在膜中波长的1/2。紫外线在真空中的波长是λ=c/ν=3.7×10^-7m，在膜中的波长是λ^/=λ/n=2.47×10^-7m，因此膜的厚度至少是1.2×10^-7m。

　　　　　　　　　　　　　　 　　光的本性

　　　　　　　　 波动说　　　　　　　　　　　　　　　 微粒说

　　　　 光的干涉　　 光的衍射

　　　　 双缝干涉　　 明显衍射条件　　　　 牛顿的微粒说　　 光电效应及其规律

　　　　 薄膜干涉

　　　　　　　 光的电磁说　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　光子说

　　　　　　　　 电磁波谱

　　　　　　 光谱与光谱分析

　　　　　　　　　　　　　　　　 光的波粒二象性

6、电磁感应规律的综合应用

(1)电磁感应规律与电路

在电磁感应现象中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，将它们接上电容器，便可使电容器充电，将它们接上电阻等用电器，便可对用电器供电，在回路中形成电流．因此电磁感应问题又往往跟电路问题联系起来，解决这类问题，一方面要考虑电磁学中的有关规律，另一方面又要考虑电路中的有关规律，一般解此类问题的基本思路是：

①明确哪一部分电路产生电磁感应，则这部分电路就是电源．

②正确分析电路的结构，画出等效电路图．

③结合有关的电路规律建立方程求解．

(2)电磁感应和力学

电磁感应与力学综合中，又分为两种情况：

①与动力学、运动学结合的动态分析，思考方法是：电磁感应现象中感应电动势→感应电流→通电导线受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→感应电动势变化→……周而复始地循环，循环结束时，加速度等于零，导体达到稳定状态．

②与功、能、动量守恒的综合应用．从能量转化的观点求解此类问题可使解题简化．例：闭合电路的部分导体做切割磁感线运动引起的电磁感应现象中，都有安培力做功．正是导体通过克服安培力做功将机械能转化为电能，这个功值总是与做功过程中转化为电能的数值相等．在无摩擦的情况下，又与机械能的减少数值相等，在只有电阻的电路中，电能又在电流流动的过程中克服电阻转化为电热Q_热，这样可得到关系式ΔE_机＝ΔE_电＝Q_热，按照这个关系式解题，常常带来很大方便．

例题：如图所示，U形导线框固定在水平面上，右端放有质量为m的金属棒ab，ab与导轨间的动摩擦因数为μ，它们围成的矩形边长分别为L₁、L₂，回路的总电阻为R。从t=0时刻起，在竖直向上方向加一个随时间均匀变化的匀强磁场B=kt，(k>0)那么在t为多大时，金属棒开始移动？

解：由= kL₁L₂可知，回路中感应电动势是恒定的，电流大小也是恒定的，但由于安

培力F=BIL∝B=kt∝t，所以安培力将随时间而增大。当安培力增大到等于最大静摩擦力时，ab将开始向左移动。这时有：

例题：如图所示，xoy坐标系y轴左侧和右侧分别有垂直于纸面向

⑵线圈的转动轴与磁感线垂直。如图，矩形线圈的长、宽分别为L₁、L₂，所围面积为S，向右的匀强磁场的磁感应强度为B，线圈绕图示的轴以角速度ω匀速转动。线圈的ab、cd两边切割磁感线，产生的感应电动势相加可得E=BSω。如果线圈由n匝导线绕制而成，则E=nBSω。从图示位置开始计时，则感应电动势的瞬时值为e=nBSωcosωt 。该结论与线圈的形状和转动轴的具体位置无关(但是轴必须与B垂直)。

实际上，这就是交流发电机发出的交流电的瞬时电动势公式。

例题： 如图所示，矩形线圈abcd质量为m，宽为d，在竖直平面内由静止自由下落。其下方有如图方向的匀强磁场，磁场上、下边界水平，宽度也为d，线圈ab边刚进入磁场就开始做匀速运动，那么在线圈穿越磁场的全过程，产生了多少电热？

解：ab刚进入磁场就做匀速运动，说明安培力与重力刚好平衡，在下落2d的过程中，重力势能全部转化为电能，电能又全部转化为电热，所以产生电热Q =2mgd。

例题： 如图所示，水平面上固定有平行导轨，磁感应强度为B的匀强磁场方向竖直向下。同种合金做的导体棒ab、cd横截面积之比为2∶1，长度和导轨的宽均为L，ab的质量为m ,电阻为r，开始时ab、cd都垂直于导轨静止，不计摩擦。给ab一个向右的瞬时冲量I，在以后的运动中，cd的最大速度v_m、最大加速度a_m、

产生的电热各是多少？

解：给ab冲量后，ab获得速度向右运动，回路中产生感应电流，cd受安培力作用而加速，ab受安培力而减速；当两者速度相等时，都开始做匀速运动。所以开始时cd的加速度最大，最终cd的速度最大。全过程系统动能的损失都转化为电能，电能又转化为内能。由于ab、cd横截面积之比为2∶1，所以电阻之比为1∶2，根据Q=I ²Rt∝R，所以cd上产生的电热应该是回路中产生的全部电热的2/3。又根据已知得ab的初速度为v₁=I/m，因此有： ，解得。最后的共同速度为v_m=2I/3m，系统动能损失为ΔE_K=I ²/ 6m，其中cd上产生电热Q=I ²/ 9m

例题： 如图所示，水平的平行虚线间距为d=50cm，其间有B=1.0T的匀强磁场。一个正方形线圈边长为l=10cm，线圈质量m=100g，电阻为R=0.020Ω。开始时，线圈的下边缘到磁场上边缘的距离为h=80cm。将线圈由静止释放，其下边缘刚进入磁场和刚穿出磁场时的速度相等。取g=10m/s²，求：⑴线圈进入磁场过程中产生的电热Q。⑵线圈下边缘穿越磁场过程中的最小速度v。⑶线圈下边缘穿越磁场过程中加速度的最小值a。

解：⑴由于线圈完全处于磁场中时不产生电热，所以线圈进入磁场过

程中产生的电热Q就是线圈从图中2位置到4位置产生的电热，而2、4位置动能相同，由能量守恒Q=mgd=0.50J

⑵3位置时线圈速度一定最小，而3到4线圈是自由落体运动因此有

v₀²-v²=2g(d-l)，得v=2m/s

⑶2到3是减速过程，因此安培力　　　　 　减小，由F-mg=ma知加速度减小，到3位置时加速度最小，a=4.1m/s²

3、自感的应用和防止

(1)应用

自感现象在各种电器设备和无线电设备中有着广泛的应用。自感线圈是交变电流路中的重要元件。在无线电设备中，用它和电容器组成振荡电路，以发射电磁波。日光灯电路中的镇流器，也是利用自感现象制成的。

(2)防止

自感现象也有不利的一面。自感系数很大而电流又很强的电路(如大型电动机的定子绕组)中，在切断电路的瞬间，由于电流在很短时间内发生很大变化，会产生很高的自感电动势，使开关的闸刀和固定的夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。这会烧坏开关，甚至危及工作人员的安全。因此，切断这类电路时必须采取特制的安全开关。常见的安全开关是将开关放在绝缘性能良好的油中，防止电弧的产生，保证安全。

制造精密电阻时，为了消除使用过程中因电流变化引起的自感现象，往往采用双线绕法，如图所示。由于两根平行导线的电流方向相反，它们的电流相互抵消，从而可以使自感现象的影响减弱到可以忽略的程度。

5、(1)自感现象：这种由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫做自感现象。

(2)自感电动势

①概念：在自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势。

②公式

自感电动势也遵从法拉第电磁感应定律。

对于线圈，Φ＝BS，Φ∝B，B∝I，得出

∝

由法拉第电磁感应定律E＝N

E＝L

所以，自感电动势的大小与线圈中电流变化的快慢有关。

③自感电动势方向

由楞次定律得，自感电动势的方向要阻碍原电流的变化。

(3)自感

对于同一个线圈来说，电流变化得快，穿过线圈的磁通量也就变化得快，线圈中产生的自感电动势就大。对于不同的线圈，在电流变化快慢相同的情况下，产生的自感电动势是不同的。

①概念：电学中用自感系数来表示线圈的这种特性，自感系数简称自感或电感。

②意义：L的大小表明了线圈对电流变化的阻碍作用大小，反映了线圈对电流变化的延时作用的强弱。

③单位：自感系数的单位是亨利，简称亨，符号是H。如果通过线圈的电流在1s内改变1A时，产生的自感电动势是1V，这个线圈的自感系数就是1H。

亨利这个单位较大，常用的较小单位有毫亨(mH)和微亨(μH)。

1mH＝10^－3H

1μH＝10^－6H

④决定因素

线圈的自感系数跟线圈的形状、长短、匝数等因素有关系。线圈的横截面积越大，线圈越长，匝数越密，它的自感系数就越大。另外，有铁芯的线圈的自感系数比没有铁芯时大得多。

例题：如图所示，a、b灯分别标有“36V 40W”和“36V 25W”，闭合电键，调节R，使a、b都正常发光。这时断开电键后重做实验：电键闭合后看到的现象是什么？稳定后那只灯较亮？再断开电键，又将看到什么现象？

解：重新闭合瞬间，由于电感线圈对电流增大的阻碍作用，a将慢慢亮起来，而b立即变亮。这时L的作用相当于一个大电阻；稳定后两灯都正常发光，a的额定功率大，所以较亮。这时L的作用相当于一只普通的电阻(就是该线圈的内阻)；断开瞬间，由于电感线圈对电流减小的阻碍作用，通过a的电流将逐渐减小，a渐渐变暗到熄灭，而abRL组成同一个闭合回路，所以b灯也将逐渐变暗到熄灭，而且开始还会闪亮一下(因为原来有I_a>I_b)，并且通过b的电流方向与原来的电流方向相反。这时L的作用相当于一个电源。(若将a灯的额定功率小于b灯，则断开电键后b灯不会出现“闪亮”现象。)