20172018學(xué)年高中物理波粒二象性第3節(jié)光的波粒二象性教學(xué)案教科版選修

第3節(jié)光的波粒二象性： (對應(yīng)學(xué)生用書頁碼P56)一、 康普頓效應(yīng)1?光的散射光在介質(zhì)中與物體微粒的相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象?？灯疹D效應(yīng)在光的散射中，光經(jīng)物質(zhì)散射后波長變長的現(xiàn)象。康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的二面。二、 光的波粒二象性1.光的本性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象表明光具有波動性, 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，即光具有波粒二象性。2?光子的能量和動量關(guān)系式(1)關(guān)系式：h￡=hV,p=入(2)意義：能量￡和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量; 波長入和頻率V是描h述物質(zhì)的波動性的典型物理量。 因此￡=hV和p=—揭示了光的波動性和粒子性之間的密入切關(guān)系。［特別提醒］普朗克常量h架起了粒子性與波動性的橋梁。三、光是一種概率波1?不同強弱下光的干涉圖樣大量光子表現(xiàn)出光的波動性。少量光子表現(xiàn)出光的粒子性。2?光是概率波干涉條紋是光子在感光片上各點的概率分布的反映。 這種概率分布就好像波的強度的分布，稱光波是一種概率波。即，光波在某處的強度代表著光子在該處出現(xiàn)概率的大小(對應(yīng)學(xué)生用書頁碼(對應(yīng)學(xué)生用書頁碼P56)| 對康普頓效應(yīng)的理解1.康普頓效應(yīng)的單色電磁波作用于比波長尺寸小的帶電粒子上時,引起受迫振動，向各方向輻射同頻率單色電磁波作用于比波長尺寸小的帶電粒子上時,引起受迫振動，向各方向輻射同頻率的電磁波。經(jīng)典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對康普頓效應(yīng)不能作出合理解釋。2?利用光子說解釋康普頓效應(yīng)假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞， 這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似。 按照愛因斯坦的光子說，一個 X射線光子不僅具有能量 E=hv,而且還有動量。如圖 4-3-1所示。這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰， 光子把部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，能量由hv減小為hv'，因此頻率減小，波長增大。同時，光子還使電子獲得一定的動量。這樣就圓滿地解釋了康普頓效應(yīng)。匸……賭撞前一圖4-3-1話惓試應(yīng)用1?科學(xué)研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為 入，碰撞后的波長為入’，則碰撞過程中（ ）能量守恒，動量守恒，且 入=入’能量不守恒，動量不守恒，且 入=入’能量守恒，動量守恒，且 入v入’能量守恒，動量守恒，且 入>入’解析：選C能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界也適用于微觀世界。光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律。 光子與電子碰撞前光子的能量E=hv=hf,入當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量 E'=hv'=肝2，由入E>E',可知入v入’，選項C正確。rrrw | 人類對光的本性的研究1.光本性學(xué)說的發(fā)展歷程學(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惠更斯麥克斯韋愛因斯坦實驗依據(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具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性2.對[?光的波粒二二象性的理解實驗基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射1.光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大?。ǜ怕剩┛捎貌▌右?guī)律來描述。2.足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。1.光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的。2.光的波動性不同于宏觀觀念的波。光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)①當光冋物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。②少量或個別光子清楚地顯示出光的粒子性。粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的。光子不冋于宏觀觀念的粒子。波動性和粒子性的對立、統(tǒng)一大量光子易顯示波動性，而少量光子勿顯示出粒子性。波長長（頻率低）的光波動性強，而波長短（頻率高）的光粒子性強。①光子說并未否定波一" he亠動性，E=hv=—中，入v和入就是波的概念。②波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的。光具有波動性的例證是光的干涉和衍射，光具有粒子性的例證是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。=償試應(yīng)用2.2.有關(guān)光的本性，下列說法正確的是 （ ）A.B.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A.B.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光既具有波動性，又具有粒子性，這是互相矛盾和對立的D.P57)D.P57)由于光既有波動性，又有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性解析：選D19世紀初，人們成功地在實驗中觀察到了光的干涉、 衍射現(xiàn)象，這屬于波的特性，微粒說無法解釋，但到了 19世紀末又發(fā)現(xiàn)了光的新現(xiàn)象一一光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象波動說不能解釋，證實光具有粒子性。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和機械粒子，波動性和粒子性是光在不同的情況下的不同表現(xiàn)， 是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性，只能認為光具有波粒二象性，故選項 A、B、C錯，D正確。|對康普頓效應(yīng)的理解［例1］康普頓研究X射線經(jīng)物質(zhì)散射的實驗，進一步證實了愛因斯坦的光子概念?？灯疹D讓一束X射線投射到一塊石墨上發(fā)生散射， 測定不同散射方向上X射線的波長情況。結(jié)果在散射的各個方向上測到了波長比原來更長的 X射線。這種改變波長的散射實驗被稱為康普頓效應(yīng)。試用光子的概念和能量守恒的概念解釋這種波長變長的現(xiàn)象。［解析］X射線投射到石墨上，X射線的光子和石墨中的實物粒子（如自由電子、原子等）發(fā)生碰撞，碰撞后，光子將沿某一方向散射， 同時把一部分能量傳給實物粒子，根據(jù)能量守恒的原理，散射光子的能量就比入射光子的能量低，根據(jù)光子理論，光子能量 E=hv,所以散射光的頻率比入射光的頻率小，即散射光的波長較長。［答案］見解析根據(jù)光子理論運用能量守恒和動量守恒解釋康普頓效應(yīng)， 不僅驗證了光子理論，而且也說明了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象也嚴格遵循能量守恒和動量守恒定律。10^ |對光的本質(zhì)的認識［例2］下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是 （ ）有的光是波，有的光是粒子光子與電子是同樣的一種粒子光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著大量光子的行為往往顯示出粒子性［解析］一切光都具有波粒二象性， 光的有些行為（如干涉、衍射）表現(xiàn)出波動性，光的有些行為（如光電效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子。雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)， 光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子。光的波粒二象性的理論和實驗表明， 大量光子的行為表現(xiàn)出波動性， 個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著。故選項 C正確,AB、D錯誤。［答案］C光具有波粒二象性，是指每一個光子都既有波動性又有粒子性， 不能理解成有的光子具有波動性，有的光子具有粒子性。'''' （對應(yīng)學(xué)生用書頁碼P58）1?關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法不正確的是（ ）康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，為波動說提供了依據(jù)X射線散射時，波長改變的多少與散射角有關(guān)發(fā)生散射時，波長較短的X射線或丫射線入射時，發(fā)生康普頓效應(yīng)愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說解析：選A美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動說無法解釋，用光子說卻可以解釋， A錯，波長改變的多少與散射角有關(guān)，B對。當波長較短時發(fā)生康普頓效應(yīng)，較長時發(fā)生光電效應(yīng)， C、D對。2?關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是 （ ）光子說否定了光的電磁說光電效應(yīng)現(xiàn)象反映了光的粒子性光的波粒二象性是綜合了牛頓的微粒說和惠更斯的波動說得出來的大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性解析：選B光既有粒子性，又有波動性，但這兩種特性并不是牛頓所支持的微粒說和惠更斯提出的波動說，它體現(xiàn)出的規(guī)律不再是宏觀粒子和機械波所表現(xiàn)出的規(guī)律， 而是自身體現(xiàn)的一種微觀世界特有的規(guī)律。光子說和電磁說各自能解釋光特有的現(xiàn)象，兩者構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體，而微粒說和波動說是相互對立的。3?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 95%^上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子()—定落在中央亮紋處—定落在亮紋處可能落在暗紋處落在中央亮紋處的可能性最大解析：選CD對于一個光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達到95%以上，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，故選項C、D正確。4．下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是 ( )光的色散和光的干涉 B.光的干涉和光的衍射C.泊松亮斑和光電效應(yīng)D.光的反射和光電效應(yīng)解析：選C光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據(jù)，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，因此 C正確。5．人類對光的本性的認識經(jīng)歷了曲折的過程。下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實的是( )牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波光具有波粒二象性解析：選BCD牛頓的“微粒說”認為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然 A選項錯誤。干涉、衍射現(xiàn)象是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，選項B正確。麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)， 以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗驗證了光的電磁說，選項C正確。光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，所以選項 D正確。6．在做雙縫干涉實驗時，在觀察屏的某處是亮紋，則對光子到達觀察屏的位置，下列說法正確的是( )到達亮紋處的概率比到達暗紋處的概率大到達暗紋處的概率比到達亮紋處的概率大該光子可能到達光屏的任何位置以上說法均有可能解析：選AC根據(jù)概率波的含義，一個光子到達亮紋處的概率要比到達暗紋處的概率要大得多，但并不是一定能夠到達亮紋處，故 AC正確。7．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果。美國物理學(xué)家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎。假設(shè)一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個方向運動，光子沿另一方向散射出去， 則這個散射光子跟原來的光子相比（)A.頻率變大B.速度變小C.光子能量變大D.波長變長解析：選D光子與自由電子碰撞時，遵守動量守恒和能量守恒，自由電子碰撞前靜止,碰撞后動量、能量增加，所以光子的動量、能量減小，故 C錯誤；由入=-,E=hv，可知p光子頻率變小，波長變長，故A錯誤，D正確。由于光子速度是不變的，故 B錯誤。&關(guān)于光的波粒二象性，正確的說法是（ ）光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越明顯光的波長越長，光子的能量越小，波動性越明顯頻率高的光子不具有波動性，波長較長的光子不具有粒子性個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性解析：選ABD從光的波粒二象性可知：光是同時具有波粒二象性，只不過在有的情況下波動性顯著，有的情況下粒子性顯著。頻率高、個數(shù)少時粒子性明顯，波長長、數(shù)量大時波動性明顯。下列說法中正確的是（ ）光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性光的頻率越大，波長越長光的波長越大，光子的能量越大光在真空中的傳播速度為3.0x108m/s解析：選AD干涉和衍射是波的特性，A正確；由》=入f知B錯；由愛因斯坦光子理he論E=hv=T知波長越大，光的頻率越小，光子能量越小，C錯；任何光在真空中的傳播速入8度均為3.0x10m/s,D正確。在雙縫干涉實驗中，若在像屏處放上照相底片，并使光子流減弱到使光子只能一個一個地通過狹縫，實驗結(jié)果證明，如果曝光時間不太長， 底片上出現(xiàn) ；如果曝光時間足夠長，底片上出現(xiàn) 。解析：在雙縫實驗中，如能使光子一個一個地通過狹縫， 如果曝光時間短時，底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點，形不成干涉特有的明、 暗相間的條紋，表現(xiàn)出光的粒子性。點分布看似無規(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波強分布的規(guī)律； 如果曝光時間足夠長，底片上就出現(xiàn)如同強光短時間曝光一樣的規(guī)則的