2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 波粒二象性 2.3 康普頓效應(yīng)及其解釋 2.4 光的波粒二象性教學(xué)案 粵教版選修3-5

第三節(jié)康普頓效應(yīng)及其解釋第四節(jié)光的波粒二象性目標(biāo)定位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)及其解釋1康普頓效應(yīng)(1)用X射線照射物體時，一部分散射出來的X射線的波長會變長，這個現(xiàn)象后來稱為康普頓效應(yīng)(2)光子的能量為h，光子的動量為p.2康普頓對散射光波長變化的解釋(1)散射光波長的變化，是入射光子與物質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞的結(jié)果(2)物質(zhì)中電子的動能比入射光子的能量小很多，電子可以看做是靜止的(3)光子與電子作用過程中，總能量、總動量均守恒(4)光子因與電子相碰，有一部分能量和動量給了電子，光子的能量和動量均減小了，這樣，散射光的波長也就變長了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，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面二、光的波粒二象性1光的波粒二象性的本質(zhì)(1)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示圖1(2)實(shí)驗(yàn)要求：降低光源S的強(qiáng)度，直到入射光減弱到?jīng)]有兩個光子同時存在的程度(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：短時間，感光片上呈現(xiàn)雜亂分布的亮點(diǎn)較長時間，感光片上呈現(xiàn)模糊的亮紋長時間，感光片上形成清晰的干涉圖樣(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性2概率波(1)對干涉實(shí)驗(yàn)中明暗條紋的解釋每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點(diǎn)，概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋(2)光波是一種概率波，干涉條紋是光子在感光片上各點(diǎn)概率分布的反映預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、康普頓效應(yīng)1實(shí)驗(yàn)結(jié)果1918年1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)散射的X射線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線人們把這種波長變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)2光子說對康普頓效應(yīng)的解釋假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，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h，而且還有動量如圖2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h減小為h，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)圖2【例1】康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動量，如圖3給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動方向，則碰撞后光子可能沿方向_運(yùn)動，并且波長_(選填“不變”、“變短”或“變長”)圖3答案1變長解析根據(jù)動量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動量守恒，相碰后合動量應(yīng)沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向運(yùn)動，由于動量變小，故波長應(yīng)變長針對訓(xùn)練在康普頓效應(yīng)中，光子與電子發(fā)生碰撞后，關(guān)于散射光子的波長，下列說法正確的是()A一定變長B一定變短C可能變長，也可能變短D決定于電子的運(yùn)動狀態(tài)答案A解析因?yàn)楣庾尤肷涞哪芰亢艽螅入娮拥哪芰恳蟮枚?，碰撞時，動量和能量都守恒，碰后一定是電子的動能增加，光子的能量減少，所以散射光子的波長一定變長，選項(xiàng)A正確二、對光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射光是一種概率波，即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述頻率較低的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì).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)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子性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”的光子不同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，而少量光子易顯示出粒子性波長長(頻率低)的光波動性強(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng).光子說并未否定波動性，h中，和就是波的概念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.【例2】(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，有時它的粒子性顯著答案AD解析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，D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，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，B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，C錯誤借題發(fā)揮解答此類問題的關(guān)鍵是要理解以下知識要點(diǎn)：(1)光是一種波，同時也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性；(2)光的波動性在光的傳播過程中體現(xiàn)出來，具有一定的波長和頻率，能夠發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象；(3)光的粒子性在它與物質(zhì)的相互作用時體現(xiàn)出來，光子具有一定的能量(h)和動量(p)三、對光是概率波的理解1單個粒子運(yùn)動的偶然性：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)動的統(tǒng)計規(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光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，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落在中央亮紋處的可能性最大答案CD解析根據(jù)光波是概率波的概念，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當(dāng)然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C、D選項(xiàng)正確.對康普頓效應(yīng)的理解1關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法不正確的是()A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)BX射線散射時，波長改變的多少與散射角有關(guān)C發(fā)生散射時，波長較短的X射線或射線入射時，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)D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)支持粒子說答案A解析美國物理學(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(dāng)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對、D對2一個沿著一定方向運(yùn)動的光子和一個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，而光子沿著另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來入射時相比()A散射光子的能量減少B光子的能量增加，頻率也增大C速度減小D波長減小答案A解析由于光子既具有能量，也具有動量，因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長增大對光的波粒二象性的理解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大量光子的行為往往顯示出粒子性答案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(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)，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(shí)驗(yàn)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(xiàng)C正確，A、B、D錯誤4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表現(xiàn)為波動性，有時表現(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性越顯著D個別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性E光的波粒二象性應(yīng)理解為，在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯答案C解析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，或者說在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯；個別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性，A、D、E說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性相對波動性越明顯，B說法正確、C說法錯誤(時間：60分鐘)題組一康普頓效應(yīng)1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(yùn)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(yùn)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波長變長答案D解析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、能量均增加，所以光子的動量、能量減小，故C錯誤；由、h可知光子頻率變小，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2光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是()A兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動量守恒定律和能量守恒定律B兩種效應(yīng)都相當(dāng)于電子與光子的彈性碰撞過程C兩種效應(yīng)都屬于吸收光子的過程D光電效應(yīng)是吸收光子的過程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過程答案D解析光電效應(yīng)吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說明光具有粒子性故D正確3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，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，碰撞后的波長為，則碰撞過程中()A能量守恒，動量不守恒，且B能量不守恒，動量不守恒，且C能量守恒，動量守恒，且D能量守恒，動量守恒，且答案C解析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hh，當(dāng)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hh，由可知，選項(xiàng)C正確題組二光的波粒二象性4(多選)說明光具有粒子性的現(xiàn)象是()A光電效應(yīng) B光的干涉C光的衍射 D康普頓效應(yīng)答案AD5(多選)關(guān)于光的波動性與粒子性，以下說法正確的是()A愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說B光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性C光波不同于機(jī)械波，它是一種概率波D光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一答案BC解析愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現(xiàn)粒子性的，A錯；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光子在少量的情況下表現(xiàn)粒子性，大量的情況下表現(xiàn)波動性，所以C對；光的波動性和粒子性不是孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，D錯6下列現(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光的反射和光電效應(yīng) D泊松亮斑和光電效應(yīng)答案D解析光的色散、光的反射可以從波動性和粒子性兩方面分別予以理解，故A、C選項(xiàng)錯誤光的干涉、衍射現(xiàn)象只說明光的波動性，B選項(xiàng)錯誤泊松亮斑能說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故D選項(xiàng)正確7關(guān)于光的本性，下列說法正確的是()A波動性和粒子性是相互矛盾和對立的，因此光具有波粒二象性是不可能的B光的波動性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)C大量光子具有波動性，個別光子具有粒子性D射線具有顯著的粒子性，而不具有波動性答案C解析由光的波粒二象性可知：光是同時具有波粒二象性的但是不同于宏觀的機(jī)械波和宏觀粒子，波動性和粒子性是光在不同情況下的表現(xiàn)，是同一客觀事物的兩個側(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)光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，綜上所述選項(xiàng)C正確8(多選)關(guān)于光的性質(zhì)，下列敘述中正確的是()A在其他同等條件下，光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到B頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動性越顯著C大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性D如果讓光子一個一個地通過狹縫時，它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運(yùn)動答案BC解析光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著；少量光子表現(xiàn)出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的9(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是()A使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣B單個光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C光子通過單縫的運(yùn)動路線像水波一樣起伏D單個光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性答案AD10(多選)為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是()A使光子一個一個地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣B使光子一個一個地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時間很短，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣C大量光子的運(yùn)動顯示光的波動性D個別光子的運(yùn)動顯示光的粒子性，光只有波動性沒有粒性答案AC解析光的波動性是統(tǒng)計規(guī)律的結(jié)果，對個別光子我們無法判斷它落到哪個位置；對于大量光子遵循統(tǒng)計規(guī)律即大量光子的運(yùn)動或曝光時間足夠長，顯示出光的波動性11(多選)關(guān)于光的波粒二象性，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答案ABD解析光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，反之波動性越明顯，個別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動性，故選項(xiàng)A、B、D正確12(多選)人類對光的本性的認(rèn)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(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，A錯；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，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；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確9