4-2光電效應(yīng)-第二課時(shí)(人教2019選擇性必修第三冊-)(解析版)

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性第2節(jié)光電效應(yīng)第二課時(shí)康普頓效應(yīng)光的波粒二象性【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念了解康普頓效應(yīng)，知道光子不僅具有能量，而且具有動量?？茖W(xué)思維理解光的波粒二象性?？茖W(xué)探究學(xué)習(xí)研究石墨對X射線的散射時(shí)康普頓效應(yīng)研究過程科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性知識應(yīng)用的實(shí)例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會的緊密聯(lián)系，體會科學(xué)知識的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和科學(xué)意識。知識點(diǎn)一康普頓效應(yīng)和光子的動量【知識梳理】1．康普頓效應(yīng)：在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．2．康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量而且具有動量．3．光子的動量(1)表達(dá)式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量可能變?。虼?，有些光子散射后波長變大．【重難詮釋】1．康普頓效應(yīng)的解釋假定光子與電子發(fā)生彈性碰撞，按照愛因斯坦的光子說，一個(gè)光子不僅具有能量ε＝hν，而且具有動量．如圖所示，這個(gè)光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞，光子把部分動量轉(zhuǎn)移給了電子，動量由eq\f(h,λ)減小為eq\f(h,λ′)，因此p減小，波長增大．2．康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性．【典例精析】例1．美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變．下列說法正確的是()A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運(yùn)動方向，但頻率保持不變【答案】B【解析】在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據(jù)p＝eq\f(hν,c)，知光子頻率減小，康普頓效應(yīng)說明光不但具有能量而且具有動量，揭示了光的粒子性，故A、C、D錯(cuò)誤，B正確．例2．(多選)“COVID－19”引起的肺炎病人在進(jìn)行CT診斷時(shí)，肺部影像呈白色(“白肺”)，其物理原理是利用X射線穿透人體肺部進(jìn)行掃描并呈現(xiàn)灰度不同的圖像．X射線的穿透量受物質(zhì)吸收程度的影響，吸收程度與物質(zhì)的密度等因素有關(guān)．密度越小，吸收X射線的本領(lǐng)越弱，透過人體的量就越多，呈現(xiàn)的圖片就越暗，如空氣等．密度越大，吸收X射線的本領(lǐng)越強(qiáng)，透過人體的量就越少，呈現(xiàn)的圖片為白色，如骨骼等．X射線被物質(zhì)的吸收主要產(chǎn)生兩種效應(yīng)：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)．依據(jù)以上信息，下列說法正確的是()A．光電效應(yīng)現(xiàn)象是愛因斯坦最先發(fā)現(xiàn)的B．X射線光子被原子中的電子全部吸收從原子中飛出變?yōu)榫哂幸欢▌幽艿墓怆娮拥默F(xiàn)象，屬于光電效應(yīng)，說明X射線具有粒子性C．光電效應(yīng)中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大D．X射線光子只被電子部分吸收，電子能量增大，光子被散射出去，散射光子波長變長，這說明光子既具有能量又具有動量，這屬于康普頓效應(yīng)，說明了X射線具有粒子性【答案】BCD【解析】光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲最先發(fā)現(xiàn)的，故A錯(cuò)誤；根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象及產(chǎn)生原因知，B正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，光電效應(yīng)中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大，故C正確；根據(jù)康普頓效應(yīng)現(xiàn)象及產(chǎn)生原因知，D正確．知識點(diǎn)二光的波粒二象性【知識梳理】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，光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．【重難詮釋】1．光的波動性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的干涉和衍射．2．光的粒子性(1)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)．(2)表現(xiàn)：①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；②少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性．(3)說明：①粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的；②光子不同于宏觀觀念的粒子．【典例精析】例3．關(guān)于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是()A．光子說的確立完全否定了波動說B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象D．光電效應(yīng)說明光具有粒子性，康普頓效應(yīng)說明光具有波動性【答案】C【解析】光子說的確立，沒有完全否定波動說，使人們對光的本質(zhì)認(rèn)識更完善，光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A錯(cuò)誤；光的波粒二象性，與宏觀概念中的波相同，與微觀概念中的粒子不相同，故B錯(cuò)誤；波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故C正確；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都說明光具有粒子性，故D錯(cuò)誤．例4．(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出波動性【答案】CD【解析】一切光都具有波粒二象性，光的有些現(xiàn)象(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，有些現(xiàn)象(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，A錯(cuò)誤；電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，B錯(cuò)誤；光的波長越長，波動性越顯著，光的波長越短，粒子性越顯著，C正確；大量光子運(yùn)動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性，D正確．針對訓(xùn)練一、單選題1．在下列各組現(xiàn)象中，都表現(xiàn)出光具有粒子性的是（）A．光的折射現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象B．光的反射現(xiàn)象、干涉現(xiàn)象C．光的衍射現(xiàn)象、光電效應(yīng)現(xiàn)象D．光電效應(yīng)現(xiàn)象、康普頓效應(yīng)現(xiàn)象【答案】D【解析】A．光的折射現(xiàn)象不能說明光的粒子性，衍射現(xiàn)象說明光的波動性，A錯(cuò)誤；B．光的反射現(xiàn)象不能說明光的粒子性，干涉現(xiàn)象說明光的波動性，B錯(cuò)誤；C．光的衍射現(xiàn)象說明光的波動性，光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光的粒子性，C錯(cuò)誤；D．光電效應(yīng)現(xiàn)象、康普頓效應(yīng)均表現(xiàn)出光有粒子性，D正確。故選D。2．關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法正確的是（）A．康普頓效應(yīng)證明光具有波動性B．康普頓效應(yīng)可用經(jīng)典電磁理論進(jìn)行解釋C．康普頓在研究石墨對射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，在散射的射線中，有些波長變長了D．康普頓在研究石墨對射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，在散射的射線中，有些波長變短了【答案】C【解析】A．康普頓效應(yīng)揭示了光具有粒子性，故A錯(cuò)誤；B．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都無法用經(jīng)典電磁理論進(jìn)行解釋，B錯(cuò)誤；CD．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則動量減小，根據(jù)知波長變長，故C正確，D錯(cuò)誤。故選C。3．下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應(yīng)表明光具有波動性【答案】C【解析】A．一切光都具有波粒二象性，光的有些現(xiàn)象（如干涉、衍射）表現(xiàn)出波動性，光的有些現(xiàn)象（如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，A錯(cuò)誤；B．電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，B錯(cuò)誤；C．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確；D．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，D錯(cuò)誤。故選C。4．康普頓散射的主要特征是（）A．散射光的波長與入射光的波長全然不同B．散射光的波長有些與入射光的相同，但有些變短了，散射角的大小與散射波長無關(guān)C．散射光的波長有些與入射光的相同，但也有變長的，也有變短的D．散射光的波長有些與入射光的相同，有些散射光的波長比入射光的波長長些，且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān)【答案】D【解析】測量發(fā)現(xiàn)康普頓散射后的X射線中，既有波長不變的X射線，又有波長變長的X射線，而且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān)，波長變長的X射線動量和能量的大小均變小了，這是散射過程中動量和能量守恒的體現(xiàn)，故D正確，ABC錯(cuò)誤。故選D。5．下列有關(guān)波粒二象性的說法中，正確的是（）A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出光的粒子性B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光具有波粒二象性C．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性D．實(shí)物粒子不具有波粒二象性【答案】C【解析】A．光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規(guī)律，大量光子運(yùn)動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性，而單個(gè)光子或少數(shù)光子的運(yùn)動表現(xiàn)出光的粒子性，故A錯(cuò)誤；B．光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故B錯(cuò)誤；C．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性，故C正確；D．宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實(shí)際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性，故D錯(cuò)誤。故選C。6．以下說法正確的是（）A．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波動性B．愛因斯坦指出“光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的”C．光表現(xiàn)出波動性時(shí)，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不再具有波動性了D．只有運(yùn)動著的微觀粒子才有物質(zhì)波，對于宏觀物體，不論其是否運(yùn)動，都沒有相對應(yīng)的物質(zhì)波【答案】B【解析】A．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；B．愛因斯坦指出“光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的”，選項(xiàng)B正確；C．光具有波粒二象性，當(dāng)光表現(xiàn)出波動性時(shí)，仍具有粒子性，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，也仍具有波動性，故C錯(cuò)誤；D．只要是運(yùn)動著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應(yīng)的波與之對應(yīng)，這就是物質(zhì)波。故D錯(cuò)誤。故選B。7．科學(xué)研究證明，光子有能量也有動量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，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λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中（

）A．能量守恒，動量守恒，且λ=λ′ B．能量不守恒，動量不守恒，且λ=λ′C．能量守恒，動量守恒，且λλ′ D．能量守恒，動量守恒，且λλ′【答案】C【解析】光子與電子的碰撞過程中，系統(tǒng)不受外力，也沒有能量損失，故系統(tǒng)動量守恒，系統(tǒng)能量也守恒。光子與電子碰撞后，電子能量增加，故光子能量減小，根據(jù)E=hv，光子的頻率減小，根據(jù)知波長變長，即λ<λ′。A.能量守恒，動量守恒，且λ=λ′。與上述結(jié)論不符，故A錯(cuò)誤；

B.能量不守恒，動量不守恒，且λ=λ′。與上述結(jié)論不符，故B錯(cuò)誤；C.能量守恒，動量守恒，且λλ′。與上述結(jié)論相符，故C正確；

D.能量守恒，動量守恒，且λλ′。與上述結(jié)論不符，故D錯(cuò)誤。故選：C.8．假設(shè)一個(gè)運(yùn)動的光子和一個(gè)靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一方向運(yùn)動，光子沿另一方向散射出去，則這個(gè)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【答案】D【解析】A．光子與自由電子碰撞時(shí)，遵守動量守恒定律和能量守恒定律，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，由可知光子頻率變小，故A錯(cuò)誤；B．碰撞前后光子的速度是不變的，故B錯(cuò)誤；C．碰撞后光子的動量和能量都減小，故C錯(cuò)誤；D．由于光子的動量減小，由可知光子的波長變長，故D正確。故選D。9．美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變．下列說法正確的是A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運(yùn)動方向，但頻率保持不變【答案】B【解析】在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據(jù)：知光子頻率減小，康普頓效應(yīng)說明光不但具有能量而且具有動量，證明了光的粒子性，故ACD錯(cuò)誤，B正確；故選B。10．實(shí)驗(yàn)表明：光子與速度不太大的電子碰撞發(fā)生散射時(shí)，光的波長會變長或者不變，這種現(xiàn)象叫康普頓效應(yīng)，該過程遵循能量守恒定律和動量守恒定律．如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過程中有能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，則該現(xiàn)象被稱為逆康普頓效應(yīng)，這一現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)．關(guān)于上述逆康普頓效應(yīng)，下列說法正確的是A．該過程不遵循能量守恒定律B．該過程不遵循動量守恒定律C．散射光中存在波長變長的成分D．散射光中存在頻率變大的成分【答案】D【解析】AB．射線的光子與電子撞時(shí)要遵守能量守恒定律和動量守恒定律，可以推知，在逆康普頓效應(yīng)中，同樣遵循能量守恒定律與動量守恒定律，故AB錯(cuò)誤；CD．逆康普頓散射的過程中有能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，則光子的能量增大，根據(jù)公式：可知散射光中存在頻率變大的成分，或者說散射光中存在波長變短的成分，故C錯(cuò)誤，D正確。故選D。11．一臺激光器發(fā)出的激光功率為P，光束垂直入射到真空中的某一平面，被平面完全反射后頻率保持不變。已知光的波長為λ，光在真空中的速度為c，下列說法正確的是（）A．激光的波長越短，其光子的動量越小B．被平面反射后激光光子的動量變大C．增大激光器發(fā)出的激光功率，光束對平面的壓力增大D．單位時(shí)間里入射到平面的光子數(shù)目為【答案】C【解析】A．根據(jù)可知，激光的波長越短，其光子的動量越大，故A錯(cuò)誤；B．被平面完全反射后頻率保持不變，被平面反射后激光光子的動量大小不變，故B錯(cuò)誤；C．功率增大，光子數(shù)增大，光束對平面的壓力增大，故C正確；D．單位時(shí)間（t=1s）里入射到平面的光子數(shù)目為故D錯(cuò)誤。故選C。12．康普頓效應(yīng)揭示了光既有能量也有動量。如圖所示為X射線中的光子與晶體中的電子在碰撞前、后的示意圖。則碰撞后（）A．光子的動量大小不變 B．光子的速度減小C．光子的波長變長 D．電子的動量增加了【答案】C【解析】AC．光子和電子碰撞動量守恒，則光子的動量會減小，由可知光子的波長變長，故C正確，A錯(cuò)誤；B．由光速不變原理可知，光子的速度不變，故B錯(cuò)誤；D．由動量守恒定律結(jié)合題意可知，電子的動量增加量小于，故D錯(cuò)誤。故選C。13．在“焊接”視網(wǎng)膜的眼科手術(shù)中，所用激光的波長為，每個(gè)激光脈沖中的光子數(shù)目為n，已知普朗克常量為h，光速為c，則（）A．用激光“焊接