2019-2020學(xué)年高中物理 第4章 3 光的波粒二象性學(xué)案 教科版選修3-5

3.光的波粒二象性學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道什么是康普頓效應(yīng)及康普頓散射實(shí)驗(yàn)原理(重點(diǎn))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(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)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫光的散射蔚藍(lán)的天空、殷紅的晚霞是大氣層對(duì)陽(yáng)光散射形成的，夜晚探照燈或激光的光柱，是空氣中微粒對(duì)光散射形成的2康普頓效應(yīng)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，除原波長(zhǎng)外，還發(fā)現(xiàn)了波長(zhǎng)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(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為康普頓效應(yīng)3康普頓的理論當(dāng)光子與電子相互作用時(shí)，既遵守能量守恒定律，又遵守動(dòng)量守恒定律在碰撞中光子將能量h的一部分傳遞給了電子，光子能量減少，波長(zhǎng)變長(zhǎng)4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，為光子說(shuō)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(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性光的波動(dòng)性是指光的運(yùn)動(dòng)形態(tài)具有各種波動(dòng)的共同特征，如干涉、衍射和色散等都有波動(dòng)的表現(xiàn)光的粒子性是指光與其他物質(zhì)相互作用時(shí)所交換的能量和動(dòng)量具有不連續(xù)性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等(2)光子的能量和動(dòng)量能量：h.動(dòng)量：p.(3)意義能量和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長(zhǎng)和頻率是描述物質(zhì)的波動(dòng)性的典型物理量因此h和p揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切關(guān)系2光是一種概率波光波在某處的強(qiáng)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(cuò)誤的打“×”)(1)康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也具有動(dòng)量()(2)康普頓效應(yīng)進(jìn)一步說(shuō)明光具有粒子性()(3)光子發(fā)生散射時(shí)，其動(dòng)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(shuō)明光具有波動(dòng)性()(5)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯(×)(6)光子通過(guò)狹縫后落在屏上明紋處的概率大些()2(多選)美國(guó)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(zhǎng)0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為康普頓效應(yīng)關(guān)于康普頓效應(yīng)，以下說(shuō)法正確的是()A康普頓效應(yīng)說(shuō)明光子具動(dòng)量B康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性C康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性D當(dāng)光子與晶體中的電子碰撞后，其能量增加AC康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，B項(xiàng)錯(cuò)誤，A、C項(xiàng)正確；光子與晶體中的電子碰撞時(shí)滿足動(dòng)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(huì)減少，D項(xiàng)錯(cuò)誤3關(guān)于光的波粒二象性，下列說(shuō)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(shuō)B光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說(shuō)，只是說(shuō)某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動(dòng)性明顯，故D錯(cuò)誤光的頻率越高，波長(zhǎng)越短，粒子性越明顯，波動(dòng)性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故B正確，A錯(cuò)誤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，故C錯(cuò)誤對(duì)康普頓效應(yīng)的理解1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象X射線管發(fā)出波長(zhǎng)為0的X射線，通過(guò)小孔投射到散射物石墨上X射線在石墨上被散射，部分散射光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，波長(zhǎng)改變的多少與散射角有關(guān)2康普頓效應(yīng)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(dòng)，振動(dòng)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(yīng)該等于粒子受迫振動(dòng)的頻率(即入射光的頻率)因此散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)應(yīng)該相同，不應(yīng)該出現(xiàn)波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射光另外，經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變與散射角的關(guān)系3光子說(shuō)對(duì)康普頓效應(yīng)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(shí)，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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)(2)因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量與碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)的改變與散射角有關(guān)4康普頓的散射理論進(jìn)一步證實(shí)了愛(ài)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(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動(dòng)量如圖給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰后光子可能沿_方向運(yùn)動(dòng)，并且波長(zhǎng)_(選填“不變”“變短”或“變長(zhǎng)”)解析因光子與電子在碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰前動(dòng)量的方向一致，可見(jiàn)碰后光子運(yùn)動(dòng)的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過(guò)碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量減少，由h知，頻率變小，再根據(jù)c知，波長(zhǎng)變長(zhǎng)答案1變長(zhǎng)(1)動(dòng)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(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的正確性1頻率為的光子，具有的能量為h，動(dòng)量為，將這個(gè)光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上，光子將偏離原運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光子的散射，下列關(guān)于光子散射的說(shuō)法正確的是()A光子改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，且傳播速度變小B光子改變?cè)瓉?lái)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(zhǎng)小于入射光子的波長(zhǎng)B碰撞后光子改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，但傳播速度不變，A錯(cuò)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，再由c12，得到1<2，C、D錯(cuò)誤對(duì)光的波粒二象性的理解1對(duì)光的認(rèn)識(shí)的幾種學(xué)說(shuō)學(xué)說(shuō)名稱(chēng)微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)光子說(shuō)波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛(ài)因斯坦公認(rèn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)、康普頓效應(yīng)光既有波動(dòng)現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)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(dòng)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(duì)光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說(shuō)明光的波動(dòng)性干涉和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(3)波長(zhǎng)長(zhǎng)的光容易表現(xiàn)出波動(dòng)性(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)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性(3)波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中，光子通過(guò)雙縫后，對(duì)某一個(gè)光子而言，不能肯定它落在哪一點(diǎn)，但屏上各處明暗條紋的不同亮度，說(shuō)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小這就是說(shuō)光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律來(lái)確定，因此說(shuō)光是一種概率波【例2】有關(guān)光的本性，下列說(shuō)法正確的是()A光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B光的波動(dòng)性類(lèi)似于機(jī)械波，光的粒子性類(lèi)似于質(zhì)點(diǎn)C大量光子才具有波動(dòng)性，個(gè)別光子只具有粒子性D由于光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，無(wú)法只用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性D光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子波動(dòng)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(gè)不同側(cè)面、不同屬性，我們無(wú)法用其中的一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性只有選項(xiàng)D正確光子是能量為h的微粒，表現(xiàn)出粒子性，而光子的能量與頻率有關(guān)，體現(xiàn)了波動(dòng)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，大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性；光在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，光和其他物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性；頻率低的光波動(dòng)性更強(qiáng)，頻率高的光粒子性更強(qiáng)2(多選)對(duì)光的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法中正確的是()A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B光的波動(dòng)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(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動(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)明顯，在另外某種場(chǎng)合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯ABD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，因?yàn)椴▌?dòng)性表現(xiàn)為粒子分布概率，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)有A、B、D.課 堂 小 結(jié)知 識(shí) 網(wǎng) 絡(luò)1康普頓效應(yīng)及其意義2光的波粒二象性3實(shí)物粒子具有波動(dòng)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(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)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(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著AD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，選項(xiàng)D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項(xiàng)A正確；光在傳播時(shí)波動(dòng)性顯著，光與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性顯著，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動(dòng)性顯著，選項(xiàng)C錯(cuò)誤2(多選)能說(shuō)明光具有波粒二象性的實(shí)驗(yàn)是()A光的干涉和衍射B光的干涉和光電效應(yīng)C光的衍射和康普頓效應(yīng)D光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)BC光的干涉和光的衍射只說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)只說(shuō)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(shuō)法是()A光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B(niǎo)光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量越小，波動(dòng)性越顯著C頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子不具有粒子性D個(gè)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(dòng)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(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，反之波動(dòng)性明顯，個(gè)別光子易顯示粒子性，大量光子顯示波動(dòng)性，故選項(xiàng)A、B、D正確- 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