《2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 波粒二象性 第三節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第四節(jié) 光的波粒二象性同步備課教學(xué)案 粵教版選修3-5》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 波粒二象性 第三節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第四節(jié) 光的波粒二象性同步備課教學(xué)案 粵教版選修3-5（9頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第三節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第四節(jié) 光的波粒二象性 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.了解康普頓效應(yīng)及其意義.2.知道光的波粒二象性并會(huì)分析有關(guān)現(xiàn)象.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波． 一、康普頓效應(yīng) [導(dǎo)學(xué)探究]　太陽光從小孔射入室內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中會(huì)發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的，為什么？ 答案　在地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)大氣中微粒散射后傳向各個(gè)方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不再散射只向前傳播． [知識(shí)梳理] 1．光的散射 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射． 2．康普

2、頓效應(yīng) 美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)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)． 3．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(dòng)量，深入揭示了光的粒子性的一面． 4．光子的動(dòng)量 (1)表達(dá)式：p＝. (2)說明：在康普頓效應(yīng)中，入射光子與物質(zhì)中電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量變?。虼?，有些光子散射后波長變大． [即學(xué)即用]　判斷以下說法的正誤． (1)光子的動(dòng)量與波長成反比．(　√　) (2)光子發(fā)生散射后，其動(dòng)量大小發(fā)生變化，但光子的頻率不發(fā)生變化．(　×　)

3、(3)有些光子發(fā)生散射后，其波長變大．(　√　) 二、光的波粒二象性的本質(zhì) [導(dǎo)學(xué)探究]　人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的過程中先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，比如： 光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)(圖A) 光的雙孔干涉實(shí)驗(yàn)(圖B) 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖C) 光的康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖D) 康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等等． (1)在以上實(shí)驗(yàn)中哪些體現(xiàn)了光的波動(dòng)性？哪些體現(xiàn)了光的粒子性？ (2)光的波動(dòng)性和光的粒子性是否矛盾？ 答案　(1)單縫衍射、雙孔干涉體現(xiàn)了光的波動(dòng)性． 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)體現(xiàn)了光的粒子性． (2)不矛盾．大量光子在傳播過程中顯示出波動(dòng)性，比如干涉和衍射．當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，顯示出粒

4、子性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)．光具有波粒二象性． [知識(shí)梳理] 1．對(duì)光的波粒二象性 實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ) 表現(xiàn) 光 的 波 動(dòng) 性 干涉和衍射 1.大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性 2．足夠能量的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì) 1.光的波動(dòng)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(dòng)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(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)出粒子性 2．少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性 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 說

5、 明 對(duì)于不同頻率的光，頻率越高，光的粒子性越強(qiáng)；頻率越低，光的波動(dòng)性越強(qiáng) 2．光子的能量ε＝hν和動(dòng)量p＝，說明了光具有波粒二象性．普朗克常量h把描述粒子性的能量ε和動(dòng)量p，與描述波動(dòng)性的頻率ν、波長λ緊密聯(lián)系在一起． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性．(　√　) (2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯．(　×　) (3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子．(　√　) (4)光在傳播過程中，有的光是波，有的光是粒子．(　×　) 三、概率波 [導(dǎo)學(xué)探究]　雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中(如圖1甲所示)，在光屏處放置感光片，并設(shè)法減弱

6、光的強(qiáng)度，使光子只能是一個(gè)一個(gè)地通過狹縫． 曝光時(shí)間短時(shí)，可看到感光片上出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的亮點(diǎn)，如圖乙所示．曝光時(shí)間足夠長，有大量光子通過狹縫，感光片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，如圖丁所示． 如何解釋曝光時(shí)間較短時(shí)的亮點(diǎn)和曝光時(shí)間較長時(shí)的干涉圖樣呢？ 圖1 答案　圖片上的亮點(diǎn)表明，光表現(xiàn)出粒子性，也看到光子的運(yùn)動(dòng)與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不同，沒有一定的軌道．圖丙和圖丁圖樣說明，光的波動(dòng)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(qiáng)的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)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(jī)會(huì)少的地方，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)的規(guī)律確定，所以光波是一種概率波．

7、 [知識(shí)梳理] 1．單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性：我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，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(jī)的，是預(yù)先不能確定的． 2．大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)光子通過狹縫后落在屏上的位置是可以確定的．(　×　) (2)光子通過狹縫后落在屏上亮條紋處的概率大些．(　√　) (3)電子通過狹縫后運(yùn)動(dòng)的軌跡是確定的．(　×　) 一、對(duì)康普頓效應(yīng)的理解 1．光電效應(yīng)揭示出光的粒子性，每個(gè)光子攜帶的能量為ε＝hν，愛因斯坦進(jìn)一步提出光子

8、的動(dòng)量應(yīng)為p＝，式中λ為光波的波長． 2．康普頓效應(yīng)不僅有力地驗(yàn)證了光子理論，而且證實(shí)了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象也嚴(yán)格遵循能量守恒和動(dòng)量守恒．康普頓效應(yīng)揭示出光具有粒子性的一面． 例1　康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動(dòng)量．如圖2給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰撞后光子可能沿方向________運(yùn)動(dòng)，并且波長________(填“不變”“變短”或“變長”)． 圖2 答案　1　變長 解析　由于光子不僅具有能量，它還具有動(dòng)量，因此我們可以根據(jù)能量和動(dòng)量的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行分析和解答．因光子與電子的碰撞過程動(dòng)量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與碰撞前光子動(dòng)量的方向一致，可

9、見碰撞后光子運(yùn)動(dòng)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，光子的能量減少，由ε＝hν知，頻率變小，再根據(jù)c＝λν知，波長變長． 二、對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí) 1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性；個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性． 2．光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣，具有能量和動(dòng)量．和其他物質(zhì)相互作用時(shí)，粒子性起主導(dǎo)作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用，因此稱光波為概率波． 3．頻率低、波長長的光，波動(dòng)性特征顯著，而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著． 4．光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比，而頻率是描述波動(dòng)性特

10、征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切聯(lián)系． 例2　(多選)對(duì)光的認(rèn)識(shí)，以下說法中正確的是(　　) A．個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性 B．高頻光是粒子，低頻光是波 C．光表現(xiàn)出波動(dòng)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(dòng)性了 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)得明顯，在另外某種場(chǎng)合下，光的粒子性表現(xiàn)得明顯 答案　AD 解析　個(gè)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(dòng)性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動(dòng)性，光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，頻率高的光粒子性強(qiáng)，頻率低的光波

11、動(dòng)性強(qiáng)，光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性，因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律，故正確選項(xiàng)為A、D. 三、對(duì)光的概率波的理解 1．單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性：我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，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(jī)的，是預(yù)先不能確定的． 2．大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． 例3　(多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過單縫，那么該光子(　　) A．一定落在中央亮紋處 B．一定落在亮紋處 C．可能落在暗紋處 D．落在中央亮紋處

12、的可能性最大 答案　CD 解析　根據(jù)光波是概率波的概念，對(duì)于一個(gè)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．當(dāng)然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項(xiàng)正確. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．一個(gè)沿著一定方向運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)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(yùn)動(dòng)，而光子沿著另一方向散射出去，則這個(gè)散射光子跟原來入射時(shí)相比(　　) A．能量減少 B．動(dòng)量增加 C．頻率增大 D．波長減小 答案　A 2．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

13、 B．光子與電子是同樣的一種粒子 C．光的波長越長，其波動(dòng)性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著 D．大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 答案　C 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(dòng)性，有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，A錯(cuò)誤．雖然光子與電子都是微觀粒子，但電子是實(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(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所以B錯(cuò)誤．光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)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(dòng)性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著，故選項(xiàng)C正確，

14、D錯(cuò)誤． 3．關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是(　　) A．關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動(dòng)說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性 B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子 C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性 D．光的波粒二象性是將牛頓的粒子說和惠更斯的波動(dòng)說真正有機(jī)地統(tǒng)一起來 答案　C 選擇題(1～6題為單選題，7～9為多選題) 1．頻率為ν的光子，具有的能量為hν，動(dòng)量為，將這個(gè)光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上，光子將偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象稱為光的散射，散射后的光子(

15、　　) A．改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變 B．光子將從電子處獲得能量，因而頻率將增大 C．散射后的光子運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑴c電子運(yùn)動(dòng)方向在一條直線上，但方向相反 D．由于電子受到碰撞時(shí)會(huì)吸收光子的一部分能量，散射后的光子頻率低于入射前光子的頻率 答案　D 解析　由于電子的能量增加，光子的能量減少，所以光子的頻率降低． 2．下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是(　　) A．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) 答案　C 解析　光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動(dòng)性的證據(jù)，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，光的反射和色散不能說

16、明光具有波動(dòng)性或粒子性，故選項(xiàng)C正確． 3．2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中的一項(xiàng)是獎(jiǎng)勵(lì)美國科學(xué)家賈科尼和日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源．X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以ε和p分別表示X射線每個(gè)光子的能量和動(dòng)量，則(　　) A．ε＝，p＝0 B．ε＝，p＝ C．ε＝，p＝0 D．ε＝，p＝ 答案　D 解析　根據(jù)ε＝hν，且λ＝，c＝λν可得X射線每個(gè)光子的能量為ε＝，每個(gè)光子的動(dòng)量為p＝. 4．在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過雙縫后打到了觀察屏上的b處，則b處是(　　) A．亮紋 B．暗紋

17、 C．既有可能是亮紋也有可能是暗紋 D．以上各種情況均有可能 答案　A 解析　由光子按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷，由于大部分光子都落在b點(diǎn)，故b處一定是亮紋，選項(xiàng)A正確． 5．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中不正確的是(　　) A．波粒二象性指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性 B．光波頻率越高，粒子性越明顯 C．能量越大的光子其波動(dòng)性越顯著 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為，在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 答案　C 解析　光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯，或者說在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場(chǎng)

18、合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯；個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性，A、D說法正確；光的頻率越高，光子能量越大，粒子性相對(duì)波動(dòng)性越明顯，B說法正確，C說法錯(cuò)誤． 6．關(guān)于光的本性，下列說法正確的是(　　) A．波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾和對(duì)立的，因此光具有波粒二象性是不可能的 B．光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn) C．大量光子往往表現(xiàn)為波動(dòng)性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)為粒子性 D．γ射線具有顯著的粒子性，而不具有波動(dòng)性 答案　C 解析　由光的波粒二象性可知：光是同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性的．但是不同于宏觀的機(jī)械波和宏觀粒子，波動(dòng)性和粒子性是光在不同情況下的表現(xiàn)，是同一客觀事物的

19、兩個(gè)側(cè)面．我們無法用一種學(xué)說去解釋光的所有行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性．實(shí)際上光是一種概率波，即少數(shù)光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，綜上所述選項(xiàng)C正確． 7．物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強(qiáng)度，使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)；如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下列認(rèn)識(shí)正確的是(　　) A．曝光時(shí)間不長時(shí)，光子的能量太小，底片上的條紋看不清楚，故出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn) B．單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出波動(dòng)性 C．干涉條紋中明亮的部分是光

20、子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方 D．只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性 答案　CD 解析　光是一種概率波，對(duì)于一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是中央亮紋處，可達(dá)95%以上，還可能落到暗紋處，不過落在暗紋處的概率最小(注意暗紋處并非無光子到達(dá))．故C、D選項(xiàng)正確． 8．人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)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(shí)的是(　　) A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的 B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)性 C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波 D．光具有波粒二象性 答案　BCD 解析　牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微

21、粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然A錯(cuò)；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動(dòng)性，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(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確． 9．為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成感光片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)間足夠長，感光片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)間很短，感光片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣 C．大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示光的波動(dòng)性 D．個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示光的粒子性，光只有粒子性沒有波動(dòng)性 答案　AC 解析　光的波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果，對(duì)個(gè)別光子我們無法判斷它落到哪個(gè)位置；對(duì)于大量光子遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即大量光子的運(yùn)動(dòng)或曝光時(shí)間足夠長，顯示出光的波動(dòng)性． 9