2017_2018学年高中物理第二章波粒二象性第四节光的波粒二象性教学案粤教版选修3_5.pdf

第四节第四节 光的波粒二象性光的波粒二象性对应学生用书页码1光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性；光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，必须看成是一颗颗光子的形式出现的，具有粒子性。2在光的双缝干涉实验中，将光源S的强度降低，使前一个光子已经消失在感光片上，后一个入射光子才从光源出发。记录很短一段时间，即把感光片冲洗出来，在感光片上呈现杂乱分布的几个亮点。每个亮点都是一个光子在感光片上留下的记录。这显示了光的粒子性。然后换另一感光片记录光子，适当增加记录时间，我们会惊奇地发现，亮点在感光片上形成模糊的亮纹。光子主要落在感光片的亮纹处，这就是干涉条纹。记录时间越长，干涉条纹越明显。干涉条纹再次显示出光的波动性。3双缝干涉中每次穿过双缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生干涉。但光的干涉还是发生了。可见，波动性是每一个光子的属性。光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子都无法完整地描述光的所有性质。4光既有波动性，又有粒子性，我们把光的这种性质叫做光的波粒二象性。5干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映。这种概率分布就好像波的强度的分布，称光波是一种概率波。6在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，其运动是不可控制的。但对大量光子而言，它们落在光屏上的位置又有规律性，即某些区域光子落点多，另一些区域光子落点少，落点多的区域就是亮条纹，落点少的区域就是暗条纹。对应学生用书页码对光本性的研究1.光本性学说的发展简史1学说名称代表人物实验依据微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性牛顿光的直线传播、光的反射光是一群惠更斯麦克斯韦能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速爱因斯坦公认光 的 干涉、衍射光电效应康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性内容光是一种要点弹性粒子机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的2对光的波粒二象性的理解(1)光的波动性：实验基础：光的干涉和衍射现象具体表现：a：光经过狭缝后能产生干涉、衍射现象说明光具有波动性。b：足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。c：频率低，波长长的光，波动性特征显著。(2)光的粒子性：实验基础：光电效应，康普顿效应具体表现：a：当光同物质发生作用时，作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性。b：少量或个别光子易表现出光的粒子性。c：频率高，波长短的光，粒子性特征显著。(3)光的波动性，粒子性是统一的：光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同。只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为。(1)光子说并不否认光的电磁说：按光子说，光子的能量h，其中 表示光的频率，即表示了波的特征。从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到一致的结论。(2)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用产生的。21下列说法正确的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子与电子是同样的一种粒子C光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D 射线具有显著的粒子性，不具有波动性解析：光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其显示波动特性，因此A、D 错，而 C 正确，光子不同于一般的物质粒子，它没有静止质量，是一个个的能量子，是光的能量的最小单位。答案：C概率波1.概率波的概念干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映。这种概率分布就好像波的强度的分布，因此光波是一种概率波。2概率波的实质概率波的实质是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的。光子是以颗粒的形式到达感光屏幕上的，就像粒子一样；而这些颗粒到达的几率分布则像波的强度的分布。3对概率波的进一步理解(1)单个光子运动的偶然性我们可以知道光子落在某点的概率，但不能预言光子落在什么位置，即光子到达什么位置是随机的，是预先不确定的。(2)大量光子运动的必然性由波动规律，我们可以准确地知道，大量光子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言。(3)概率波体现了波粒二象性的和谐统一概率波的主体是光子，体现了粒子性的一面；同时光子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说，概率波将波动性和粒子性统一在一起。干涉和衍射的亮条纹处是光子到达概率大的地方；暗条纹处是光子到达概率小的地方，暗条纹处也有光子到达，只是光子数特别少。2(双选)在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占整个从单缝射入的光强的 95%以上，假设现在只有一个光子通过单缝，那么该光子()3A一定落在中央亮纹处B一定落在亮纹处C可能落在暗纹处D落在中央亮纹处的可能性最大解析：根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达到95%以上。当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故C、D 正确。答案：CD对应学生用书页码光的波粒二象性理解例 1(双选)关于光本性的说法，下列说法正确的是()A光的波粒二象性学说是由牛顿的微粒说与惠更斯的波动说组成的B光的波粒二象性表明光有时候具有波动性，有时候具有粒子性C 光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量公式 h 中，频率 表示波的特征，表示粒子的特征D光波不同于宏观概念中的那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波解析现在提出光的波粒二象性学说与 17 世纪牛顿的微粒说和惠更斯的波动说不同，当时他们均把光当作宏观世界中的粒子或波，且这两种观点相互对立，而现在的光的波粒二象性学说是建立在麦克斯韦的光的电磁说和爱因斯坦的光子说的基础上，故 A 错。波动性和粒子性都是光的属性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，故B错。由光子说中提出的光子能量的计算公式 h 可知，反映粒子的特征的 与反映波动特征的 相联系。进一步分析可知，当光子的能量比较小即频率 较小，波长 较大，波动性明显，粒子性不明显。反之，当光子的能量比较大，频率 较大，波长 较小，粒子性明显，波动性不明显，故C、D 对。答案CD(1)光的波动性不同于宏观观念的波，不能认为光子像一个个的小球在做机械振动，光的粒子性也不同于宏观观念的粒子。(2)光子是统一了波粒二象性的粒子，只是在不同条件下的表现不同，具体规律为：大量光子易显示波动性，少量光子易显示粒子性。波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。传播时显示波动性，与其他物质作用时显示粒子性。41关于光的波粒二象性，错误的说法是()A光的频率愈高，光子的能量愈大，粒子性愈显著B光的波长愈长，光子的能量愈小，波动性愈明显C频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性D个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性解析：光具有波粒二象性，频率高的波长短、能量高、粒子性强；频率低的波长长、能量小、波动性强。对大量光子的行为表现为波动性，个别光子的行为表现为粒子性，故A、B、D 正确。答案：C对概率波的理解例 2在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光波的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就出现了规则的干涉条纹，对这个实验结果下列认识错误的是()A曝光时间不长时，光子的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子B单个光子的运动没有确定的轨道C干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D只有大量光子的行为才能表现出波动性解析曝光时间不长时，个别光子表现出粒子性，由于光子到达哪个位置是不确定的，故使底片上出现了不规则的点子，故 A 错 B 对。曝光时间足够长时，大量光子的行为表现出波动性，故使底片上出现了规则的干涉条纹，选项 D 对，干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率大的地方，而暗条纹处是光子到达概率小的地方，故选项C 对。答案A光子(粒子)在空间各处出现的概率受波动规律支配，单个电子(粒子)的运动具有偶然性，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不确定的，而大量粒子的运动具有必然性，符合统计规律，我们可以对宏观现象进行预言。2在双缝干涉实验中，在光屏上放上照相底片，并设法减弱光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，则说法错误的是()A若曝光时间短，底片上出现一些无规则的点B若曝光时间长，底片上出现一些干涉条纹5C这一结果表明光具有波动性D这一结果表明光具有波粒二象性解析：实验表明：个别光子的行为无法预测，表现出粒子性；大量光子的行为表现出波动性。在干涉条纹中，光波强度大的地方，即光子出现概率大的地方；光波强度小的地方，是光子到达机会少的地方，即光子出现概率少的地方。答案：C对应课时跟踪检测十1有关光的本性，下列说法正确的是()A光既有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D由于光既有波动性，又有粒子性，无法只有其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性解析：光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子，波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。答案：D2(双选)在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是()A使光子一个一个地通过狭缝，如果时间足够长，底片上将会显示衍射图样B单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样C光子通过狭缝的运动路线是直线D光的波动性是大量光子产生的效果解析：个别光子通过狭缝时，会在底片上出现一些不规则的点，光表现出粒子性，如果曝光时间足够长，大量光子通过狭缝在底片上会显示衍射图样，光表现出波动性，故A 对 B错。光子不同于传统的宏观物体，其运动轨道不同于宏观物体的运动轨道，故 C 错。少量光子粒子性显著，大量光子，波动性显著，故D 对。答案：AD3人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是()6A牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C麦克斯韦预言了光是一种电磁波D光具有波粒二象性解析：牛顿的“微粒说”认为光是一群弹性粒子与爱因斯坦的“光子说”本质不同，光的干涉实验显示了光的波动性，故A 错 B、C、D 对。答案：A4为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成感光胶片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是()A曝光时间很短的照片可清楚地看出光的粒子性，曝光时间长的照片，大量亮点聚集起来看起来是连续的，说明大量光子不具有粒子性B单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子打在胶片上的位置表现出波动规律C单个光子通过双缝后做匀速直线运动D干涉条纹的亮条纹处光子到达的概率大，暗条纹处光子不能到达解析：根据光的波粒二象性，大量光子的行为表现出波动性，但波动性并不否定光的粒子性，只不过粒子性没有明确显现而已。单个光子显示了光的粒子性，落点无法预测，大量光子表现出波动性。光子通过双缝后遵从概率波的规律，并不做匀速运动。暗条纹处只是光子到达的概率很小，故 A，C，D 错误，B 对。答案：B5(双选)用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子，比较不同曝光时间摄得的照片，发现曝光时间不长的情况下，照片上是一些散乱的无规则分布的亮点，若曝光时间较长，照片上亮点分布区域呈现出不均匀迹象；若曝光时间足够长，照片上获得清晰的双缝干涉条纹，这个实验说明了()A光具有粒子性B光具有波动性C光既具有粒子性，又具有波动性D光的波动性不是光子之间的相互作用引起的解析：少量光子通过双缝后照片上呈现不规则分布亮点，显示了光的粒子性，大量光子通过双缝后照片上获得了双缝干涉条纹，说明光具有波动性；光子先后通过双缝，说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。答案：CD6在做双缝干涉实验时，发现 100 个光子中有 96 个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处可能是()A亮纹7B暗纹C既有可能是亮纹也有可能是暗纹D以上各种情况均有可能解析：按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b点，故b处一定是亮纹，A 正确。答案：A7(双选)在做双缝干涉实验时，在观察屏的某处是亮纹，则对某个光子到达观察屏的位置，下列说法正确的是()A到达亮纹处的概率比到达暗纹处的概率大B到达暗纹处的概率比到达亮纹处的概率大C该光子可能到达光屏的任何位置D以上说法均有可能解析：根据概率波的含义，一个光子到达亮纹处的概率要比到达暗纹处的概率大得多，但并不是一定能够到达亮纹处，故A、C 正确。答案：AC8如图 1 是一个光源。在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，光子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光。那么在荧光屏上将看到()A只有两条亮纹B有多条明暗相间的条纹C没有亮纹D只有一条亮纹解析：光子运动到达屏上的某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在屏上将看到干涉条纹，所以B 正确。答案：B9我们能感知光现象，是因为我们接收到了一定能量的光。(1)一个频率是 10 Hz 的无线电波的光子的能量是多大？(2)一个频率为 610 Hz 的绿色光子和 10 Hz 的 光子的能量各是多大？(3)请结合以上光子能量的大小，从概率波的角度说明：为什么低频电磁波的波动性显著而高频电磁波的粒子性显著。解析：(1)由公式 h 得：1h16.63103414186图 110 J6.631034628 J(2)2h26.63103.9781019610 J14 J343h36.631010 J6.63101816 J8(3)低频电磁波的光子能量小、波长长，容易观察到干涉和衍射现象，波动性显著，在衍射的亮纹处表示到达的光子数多、概率大，而在暗纹处表示到达的光子数少，概率小。相比之下，高频电磁波光子能量大、波长极短，很难找到其发生明显衍射的狭缝或障碍物，因而波动性不容易观察到，粒子性显著。答案：(1)6.6310663101628 J(2)3.9781019 J J(3)见解析9