高中物理4.3光的波粒二象性課件(教科版選修3-5)

1、1.了解康普頓效應(yīng)及其意義，了解光子理論對康普頓了解康普頓效應(yīng)及其意義，了解光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋效應(yīng)的解釋.2.知道光的波粒二象性，知道波和粒子的對立統(tǒng)一的知道光的波粒二象性，知道波和粒子的對立統(tǒng)一的關(guān)系關(guān)系.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波了解什么是概率波，知道光也是一種概率波. 學(xué)習(xí)目標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)定位學(xué)習(xí)探究區(qū)一、一、對對康普頓效應(yīng)的理解康普頓效應(yīng)的理解二、二、對光的波粒二象性的理解對光的波粒二象性的理解三三、對光是概率波的理解對光是概率波的理解一、對康普頓效應(yīng)的理解要點要點提煉提煉康普頓效應(yīng)不僅有力地驗證了光子理論，而且也證實康普頓效應(yīng)不僅有力地驗證了光子理論，而且也證

2、實了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象，也嚴(yán)格遵循能量守恒了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象，也嚴(yán)格遵循能量守恒和和 守恒定守恒定律律.康普頓效應(yīng)深刻揭示出光康普頓效應(yīng)深刻揭示出光具有具有 性性的一面的一面.動量動量粒子粒子例例1康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量，也有動量康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量，也有動量.圖圖1給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿方向則碰撞后光子可能沿方向_運動，并且波長運動，并且波長_(填填“不變不變”“”“變短變短”或或“變長變長”).圖圖1解析解析因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞后光

3、子和電子的總動量的方向與光子碰撞前動量的方后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前動量的方向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿1方向，不方向，不可能沿可能沿2或或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，光子的能量減少，由給電子，光子的能量減少，由h知，頻率變小，再知，頻率變小，再根據(jù)根據(jù)c知，波長變長知，波長變長.答案答案1變長變長返回返回問題設(shè)計問題設(shè)計二、對光的波粒二象性的理解聯(lián)系回顧光的波動理論的發(fā)展過程，結(jié)合現(xiàn)學(xué)知識說聯(lián)系回顧光的波動理論的發(fā)展過程，結(jié)合現(xiàn)學(xué)知識說明：哪些現(xiàn)象說明光具有波動性？哪些現(xiàn)象說明光

4、具明：哪些現(xiàn)象說明光具有波動性？哪些現(xiàn)象說明光具有粒子性？人們對光的本性的認(rèn)識發(fā)展史經(jīng)過哪幾個有粒子性？人們對光的本性的認(rèn)識發(fā)展史經(jīng)過哪幾個階段？階段？答案答案光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有波動性光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有波動性.光的光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有粒子性干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有粒子性.對光的本性的認(rèn)識發(fā)展史對光的本性的認(rèn)識發(fā)展史學(xué)說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓托馬斯楊和菲涅耳麥克斯韋愛因斯坦公認(rèn)實驗依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波波速光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是

5、一種機械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是一種概率波光具有波粒二象性 要點提煉要點提煉1.對光的波粒二象性的理解對光的波粒二象性的理解光的光的波粒波粒二象二象性性粒子性粒子性實驗實驗依據(jù)依據(jù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)表現(xiàn)表現(xiàn)個別光子表現(xiàn)出粒子性個別光子表現(xiàn)出粒子性相互作用時表現(xiàn)出粒子性相互作用時表現(xiàn)出粒子性高頻光粒子性顯著高頻光粒子性顯著光的光的波粒波粒二象二象性性波動性波動性實驗依據(jù)實驗依據(jù)干涉干涉衍射衍射表現(xiàn)表現(xiàn)大量光子表現(xiàn)出波動性大量光子表現(xiàn)出波動性光在傳播時表現(xiàn)出波動性光在傳播時表現(xiàn)出波動性低頻光波動性顯著低頻光波動性顯著2.光子的能量光子的能量Eh和動量和動量p普

6、朗克常量普朗克常量h把描述粒子性把描述粒子性的的 和和 ，與描述波與描述波動性動性的的 、 緊密緊密地聯(lián)系在一起，生動地說明地聯(lián)系在一起，生動地說明光具有波粒二象性光具有波粒二象性.能量能量E動量動量p頻率頻率波長波長例例2有關(guān)光的本性，下列說法正確的是有關(guān)光的本性，下列說法正確的是()A.光既具有波動性，又具有粒子性，這是互相矛盾和對立的光既具有波動性，又具有粒子性，這是互相矛盾和對立的B.光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C.大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D.由于光既具有波動性，又具

7、有粒子性，無法只用其中一由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種種 去去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性解析解析19世紀(jì)初，人們成功地在實驗中觀察到了光的干涉、世紀(jì)初，人們成功地在實驗中觀察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說無法解釋衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說無法解釋.但到了但到了19世紀(jì)世紀(jì)末又發(fā)現(xiàn)了光的新現(xiàn)象末又發(fā)現(xiàn)了光的新現(xiàn)象光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象波動說不能光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象波動說不能解釋，證實光具有粒子性解釋，證實光具有粒子性.因此，光既具有波動性，又具有粒因此，光既具有波動性，又具有粒子性，但不同于宏觀的機械波

8、和質(zhì)點子性，但不同于宏觀的機械波和質(zhì)點.波動性和粒子性是光在波動性和粒子性是光在不同的情況下的不同表現(xiàn)，是同一客觀事物的兩個不同側(cè)面、不同的情況下的不同表現(xiàn)，是同一客觀事物的兩個不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中一種去說明光的一切行為，只能不同屬性，我們無法用其中一種去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性認(rèn)為光具有波粒二象性.故選項故選項D正確正確.答案答案D返回返回問題設(shè)計問題設(shè)計三、對光是概率波的理解雙縫干涉實驗中雙縫干涉實驗中(如圖如圖2甲所示甲所示)，在光屏處放置照相底，在光屏處放置照相底片，并設(shè)法減弱光的強度，使光子只能是一個一個地片，并設(shè)法減弱光的強度，使光子只能是一個一個地

9、通過狹縫通過狹縫.圖圖2如圖乙所示，曝光時間短時，可看到底片上出現(xiàn)一些如圖乙所示，曝光時間短時，可看到底片上出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的亮點，如圖丙所示，延長曝光時間底片不規(guī)則分布的亮點，如圖丙所示，延長曝光時間底片上出現(xiàn)的亮點更多了上出現(xiàn)的亮點更多了.曝光時間足夠長，有大量光子通曝光時間足夠長，有大量光子通過狹縫，底片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，如圖丁所示過狹縫，底片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，如圖丁所示.如何解釋曝光時間較短時的亮點和曝光時間較長時的如何解釋曝光時間較短時的亮點和曝光時間較長時的干涉圖樣呢？干涉圖樣呢？答案答案底片上的亮點表明，光表現(xiàn)出粒子性，也看到底片上的亮點表明，光表現(xiàn)出粒子性，也看到

10、光子的運動與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點的運動不同，沒有一定光子的運動與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點的運動不同，沒有一定的軌道的軌道.丙和丁圖樣說明，光的波動性是大量光子表現(xiàn)丙和丁圖樣說明，光的波動性是大量光子表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，在干涉條紋中，那些光波強的地方是光出來的現(xiàn)象，在干涉條紋中，那些光波強的地方是光子到達(dá)機會多的地方或是到達(dá)幾率大的地方，光波弱子到達(dá)機會多的地方或是到達(dá)幾率大的地方，光波弱的地方是光子到達(dá)機會少的地方的地方是光子到達(dá)機會少的地方.光子在空間出現(xiàn)的概光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以光是一種概率波率可以通過波動的規(guī)律確定，所以光是一種概率波. 要點提煉要點提煉1.單個粒子運動的偶然性：我

11、們可以知道粒子落在某點單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒子到達(dá)，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒子到達(dá)什么位置是隨機的，是預(yù)先不能確定的什么位置是隨機的，是預(yù)先不能確定的.2.大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現(xiàn)空間出現(xiàn)的的 可以可以通過波動規(guī)律確定，所以光是一通過波動規(guī)律確定，所以光是一種種 波波.概率概率概率概率例例3在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的入的整個光強的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通以上，假

12、設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子過單縫，那么該光子()A.一定落在中央亮紋處一定落在中央亮紋處B.一定落在亮紋處一定落在亮紋處C.可能落在暗紋處可能落在暗紋處D.落在中央亮紋處的可能性最大落在中央亮紋處的可能性最大解析解析根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個光子通過根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是落在中單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處央亮紋處.當(dāng)然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋當(dāng)然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項正確選項正確.答案答案CD返

13、回返回課堂要點小結(jié)光的波粒二象性光的波粒二象性返回返回自我檢測區(qū)123412341.一個沿著一定方向運動的光子和一個原來靜止的自由一個沿著一定方向運動的光子和一個原來靜止的自由電子相互碰撞，碰撞之后電子向某一方向運動，而光電子相互碰撞，碰撞之后電子向某一方向運動，而光子沿著另一方向散射出去子沿著另一方向散射出去.則這個散射光子跟原來入射則這個散射光子跟原來入射時相比時相比()A.散射光子的能量減少散射光子的能量減少B.光子的能量增加，頻率也增大光子的能量增加，頻率也增大C.速度減小速度減小D.波長減小波長減小1234解析解析由于光子既具有能量，也具有動量，因此在碰由于光子既具有能量，也具有動量

14、，因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長增大率減小，波長增大.答案答案A12342.下列實驗中，能證實光具有粒子性的是下列實驗中，能證實光具有粒子性的是()A.光電效應(yīng)實驗光電效應(yīng)實驗B.光的雙縫干涉實驗光的雙縫干涉實驗C.光的圓孔衍射實驗光的圓孔衍射實驗D.泊松亮斑實驗泊松亮斑實驗解析解析光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實驗都說光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實驗都說明光具有波動性明光具有波動性.A12343.下列現(xiàn)象中說明光具有波動性的是下列現(xiàn)象中說明光具有波動性的是()A.光的直線傳播光的直線傳播 B.光的衍射光的

15、衍射C.光的干涉光的干涉 D.光電效應(yīng)光電效應(yīng)BC12344.在雙縫干涉實驗中，若在光屏處放上照相底片，并使在雙縫干涉實驗中，若在光屏處放上照相底片，并使光子流減弱到使光子只能一個一個地通過狹縫，實驗光子流減弱到使光子只能一個一個地通過狹縫，實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上出現(xiàn)出現(xiàn)_；如果曝光時間足夠長，底片上出現(xiàn)如果曝光時間足夠長，底片上出現(xiàn)_.解析解析在雙縫干涉實驗中，如果能使光子一個一個地在雙縫干涉實驗中，如果能使光子一個一個地通過狹縫，則曝光時間短時，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)通過狹縫，則曝光時間短時，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的點，不形成干涉特有的明暗相間的條紋，則分布的點，不形成干涉特有的明暗相間的條紋，表表1234現(xiàn)出光的粒子性現(xiàn)出光的粒子性.點的分布看似不規(guī)則，但點在底片上點的分布看似不規(guī)則，但點在底片上各處出現(xiàn)的概率卻遵從雙縫干涉實驗中光強分布的規(guī)各處出現(xiàn)的概率卻遵