《2019-2020學年高中物理 第4章 3 光的波粒二象性學案 教科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學年高中物理 第4章 3 光的波粒二象性學案 教科版選修3-5（7頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、3.光的波粒二象性 [學習目標]　1.知道什么是康普頓效應及康普頓散射實驗原理．(重點)2.理解光的波粒二象性，了解光是一種概率波． 一、康普頓效應 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)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫光的散射． 蔚藍的天空、殷紅的晚霞是大氣層對陽光散射形成的，夜晚探照燈或激光的光柱，是空氣中微粒對光散射形成的． 2．康普頓效應 康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除原波長外，還發(fā)現(xiàn)了波長隨散射角的增大而增大的譜線．X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長變長的現(xiàn)象，稱為康普頓效應． 3．康普頓的理論 當光子與電子相互作用時，既遵守能量守恒

2、定律，又遵守動量守恒定律．在碰撞中光子將能量hν的一部分傳遞給了電子，光子能量減少，波長變長． 4．康普頓效應的意義 康普頓效應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一面，為光子說提供了又一例證． 二、光的波粒二象性光是一種概率波 1．光的波粒二象性 (1)光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性． 光的波動性是指光的運動形態(tài)具有各種波動的共同特征，如干涉、衍射和色散等都有波動的表現(xiàn)． 光的粒子性是指光與其他物質(zhì)相互作用時所交換的能量和動量具有不連續(xù)性，如光電效應、康普頓效應等． (2)光子的能量和動量 ①能量：ε＝hν. ②動量：p＝. (

3、3)意義 能量ε和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量．因此ε＝hν和p＝揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系． 2．光是一種概率波 光波在某處的強度代表著光子在該處出現(xiàn)概率的大小，所以光是一種概率波． 1．正誤判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也具有動量． (√) (2)康普頓效應進一步說明光具有粒子性． (√) (3)光子發(fā)生散射時，其動量大小發(fā)生變化，但光子的頻率不發(fā)生變化． (×) (4)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性． (√) (5)光子數(shù)量越大，其粒子性越明

4、顯． (×) (6)光子通過狹縫后落在屏上明紋處的概率大些． (√) 2．(多選)美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，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，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應．關(guān)于康普頓效應，以下說法正確的是(　　) A．康普頓效應說明光子具動量 B．康普頓效應現(xiàn)象說明光具有波動性 C．康普頓效應現(xiàn)象說明光具有粒子性 D．當光子與晶體中的電子碰撞后，其能量增加 AC　[康普頓效應說明光具有粒子性，B項錯誤，A、C項正確；光子與晶體中的電子碰撞時滿足動量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量轉(zhuǎn)移給電子，光子的能量會減少，

5、D項錯誤．] 3．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中正確的是(　　) A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到 B．光的頻率越高，粒子性越顯著 C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性 D．光的波粒二象性否定了光的電磁說 B　[光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動性明顯，故D錯誤．光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故B正確，A錯誤．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，故C錯誤．] 對康普頓效應的理解 1．實驗現(xiàn)象 X射線管發(fā)出波長為λ0的X射線，通過小孔投射到散

6、射物石墨上．X射線在石墨上被散射，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)． 2．康普頓效應與經(jīng)典物理理論的矛盾 按照經(jīng)典物理理論，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子的受迫振動，振動著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光．散射光的頻率應該等于粒子受迫振動的頻率(即入射光的頻率)．因此散射光的波長與入射光的波長應該相同，不應該出現(xiàn)波長變長的散射光．另外，經(jīng)典物理理論無法解釋波長改變與散射角的關(guān)系． 3．光子說對康普頓效應的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞． (1)光子和電子相碰撞時，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長．

7、 (2)因為碰撞中交換的能量與碰撞的角度有關(guān)，所以波長的改變與散射角有關(guān)． 4．康普頓的散射理論進一步證實了愛因斯坦的光量子理論，也有力證明了光具有波粒二象性． 【例1】　康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量．如圖給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運動方向，則碰后光子可能沿__________方向運動，并且波長__________(選填“不變”“變短”或“變長”)． [解析]　因光子與電子在碰撞過程中動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一致，可見碰后光子運動的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量減少，由ε

8、＝hν知，頻率變小，再根據(jù)c＝λν知，波長變長． [答案]　1　變長 (1)動量守恒定律不但適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子間的作用； (2)康普頓效應進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． 1．頻率為ν的光子，具有的能量為hν，動量為，將這個光子打在處于靜止狀態(tài)的電子上，光子將偏離原運動方向，這種現(xiàn)象稱為光子的散射，下列關(guān)于光子散射的說法正確的是(　　) A．光子改變原來的運動方向，且傳播速度變小 B．光子改變原來的傳播方向，但傳播速度不變 C．光子由于在與電子碰撞中獲得能量，因而頻率增大 D．由于受到電子碰撞，散射后的光子波長小于入射光

9、子的波長 B　[碰撞后光子改變原來的運動方向，但傳播速度不變，A錯誤，B正確；光子由于在與電子碰撞中損失能量，因而頻率減小，即ν＞ν′，再由c＝λ1ν＝λ2ν′，得到λ1<λ2，C、D錯誤．] 對光的波粒二象性的理解 1．對光的認識的幾種學說 學說名稱 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 公認 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，光速等于電磁波速度 光電效應、康普頓效應 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

10、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 理論領(lǐng)域 宏觀世界 宏觀世界 微觀世界 微觀世界 微觀世界 2．對光的波粒二象性的理解 實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明 光的波動性 干涉和衍射 (1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述 (2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì) (3)波長長的光容易表現(xiàn)出波動性 (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、康普頓效應 (1)當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一

11、份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì) (2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性 (3)波長短的光，粒子性顯著 (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 3．光波是一種概率波 在雙縫干涉實驗中，光子通過雙縫后，對某一個光子而言，不能肯定它落在哪一點，但屏上各處明暗條紋的不同亮度，說明光子落在各處的可能性即概率是不相同的．光子落在明條紋處的概率大，落在暗條紋處的概率?。? 這就是說光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律來確定，因此說光是一種概率波． 【例2】　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，兩種性質(zhì)是不相容的 B

12、．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 D．由于光既具有波動性，又具有粒子性，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 D　[光既具有波動性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機械波和粒子．波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性．只有選項D正確．] 光子是能量為hν的微粒，表現(xiàn)出粒子性，而光子的能量與頻率ν有關(guān)，體現(xiàn)了波動性，所以光子是統(tǒng)一了波粒二象性的微粒．但是它在不同條件下的表現(xiàn)不同，大量光子

13、表現(xiàn)出波動性，個別光子表現(xiàn)出粒子性；光在傳播時表現(xiàn)出波動性，光和其他物質(zhì)相互作用時表現(xiàn)出粒子性；頻率低的光波動性更強，頻率高的光粒子性更強． 2．(多選)對光的認識，下列說法中正確的是(　　) A．個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性 B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的 C．光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了 D．光的波粒二象性應理解為：在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯 ABD　[個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性；光與物質(zhì)相互作用

14、，表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律，故正確選項有A、B、D.] 課 堂 小 結(jié) 知 識 網(wǎng) 絡 1．康普頓效應及其意義． 2．光的波粒二象性． 3．實物粒子具有波動性和粒子性. 1．(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是(　　) A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B．光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子 C．高頻光是粒子，低頻光是波 D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，

15、有時它的粒子性顯著 AD　[光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，選項D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著，選項B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，選項C錯誤．] 2．(多選)能說明光具有波粒二象性的實驗是(　　) A．光的干涉和衍射 B．光的干涉和光電效應 C．光的衍射和康普頓效應 D．光電效應和康普頓效應 BC　[光的干涉和光的衍射只說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應只說明光具有粒子性，B、C正確．] 3．(多選)關(guān)于光的波粒二象性，下列正確的說法是(　　) A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著 B．光的波長越長，光的能量越小，波動性越顯著 C．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 D．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 ABD　[光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長越短，粒子性越強，反之波動性明顯，個別光子易顯示粒子性，大量光子顯示波動性，故選項A、B、D正確．] - 7 -