高中物理选修3-5学案：《波粒二象性》 光的波粒二象性165610.pdf

欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！光的波粒二象性导学案 一、康普顿效应 1光的散射 光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象。2康普顿效应 在光的散射中，光经物质散射后波长变长的现象。3康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面。二、光的波粒二象性 1光的本性 光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，即光具有波粒二象性。2光子的能量和动量关系式(1)关系式：h，ph。(2)意义：能量 和动量 p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 和频率 是描述物质的波动性的典型物理量。因此 h 和 ph揭示了光的波动性和粒子性之间的密切关系。特别提醒 普朗克常量 h 架起了粒子性与波动性的桥梁。三、光是一种概率波 1不同强弱下光的干涉图样(1)大量光子表现出光的波动性。(2)少量光子表现出光的粒子性。2光是概率波 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。即，光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！1.康普顿效应的经典解释 单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能作出合理解释。2利用光子说解释康普顿效应 假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。按照爱因斯坦的光子说，一个 X 射线光子不仅具有能量Eh，而且还有动量。如图所示。这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由 h 减小为 h，因此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量。这样就圆满地解释了康普顿效应。1科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为，碰撞后的波长为，则碰撞过程中()A能量守恒，动量守恒，且 B能量不守恒，动量不守恒，且 C能量守恒，动量守恒，且 D能量守恒，动量守恒，且 解析：选 C 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界。光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律。光子与电子碰撞前光子的能量 Ehhc，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量 Ehhc，由 EE，可知，选项 C 正确。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！1.光本性学说的发展历程 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速 光电效应、康普顿效应 光既有波动现象，又有粒子特征 内容要点 光是一群弹性粒子 光是一种机械波 光是一种电磁波 光是由一份一份光子组成的 光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性 2.对光的波粒二象性的理解 实验基础 表现 说明 光的波动性 干涉和衍射 1.光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述。2 足够能量的光在传播时，表现出波的性质。1.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。2 光的波动性不同于宏观观念的波。光的粒子性 光电效应、康普顿效应 当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质。少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性。粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的。光子不同于宏观观念的粒子。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！波动性和粒子性的对立、统一 大量光子易显示波动性，而少量光子易显示出粒子性。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。光子说并未否定波动性，Ehhc中，和 就是波的概念。波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的。光具有波动性的例证是光的干涉和衍射，光具有粒子性的例证是光电效应和康普顿效应。2有关光的本性，下列说法正确的是()A光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的 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，无法只用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：选 D 19 世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象，这属于波的特性，微粒说无法解释，但到了 19 世纪末又发现了光的新现象光电效应，这种现象波动说不能解释，证实光具有粒子性。因此，光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和机械粒子，波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，只能认为光具有波粒二象性，故选项 A、B、C 错，D 正确。例 1 康普顿研究 X 射线经物质散射的实验，进一步证实了爱因斯坦的光子概念。康普顿让一束 X 射线投射到一块石墨上发生散射，测定不同散射方向上 X 射线的波长情况。结果在散射的各个方向上测到了波长比原来更长的 X欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！射线。这种改变波长的散射实验被称为康普顿效应。试用光子的概念和能量守恒的概念解释这种波长变长的现象。解析 X 射线投射到石墨上，X 射线的光子和石墨中的实物粒子(如自由电子、原子等)发生碰撞，碰撞后，光子将沿某一方向散射，同时把一部分能量传给实物粒子，根据能量守恒的原理，散射光子的能量就比入射光子的能量低，根据光子理论，光子能量 Eh，所以散射光的频率比入射光的频率小，即散射光的波长较长。答案 见解析 根据光子理论运用能量守恒和动量守恒解释康普顿效应，不仅验证了光子理论，而且也说明了微观领域的现象也严格遵循能量守恒和动量守恒定律。例 2 下列有关光的波粒二象性的说法中，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大量光子的行为往往显示出粒子性 解析 一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著。故选项 C 正确，A、B、D 错误。答案 C 光具有波粒二象性，是指每一个光子都既有波动性又有粒子性，不能理解成有的光子具有波动性，有的光子具有粒子性。1关于康普顿效应，下列说法不正确的是()A康普顿在研究 X 射线散射时，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据 BX 射线散射时，波长改变的多少与散射角有关 C发生散射时，波长较短的 X 射线或 射线入射时，发生康普顿效应 D爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支持粒子说 解析：选 A 美国物理学家康普顿在研究 X 射线散射时，发现散射光波长发生了变化，这种现象用波动说无法解释，用光子说却可以解释，A 错，波长改变的多少与散射角有关，B 对。当波长较短时发生康普顿效应，较长时发生光电效应，C、D 对。2关于光的本性，下列说法中正确的是()A光子说否定了光的电磁说 B光电效应现象反映了光的粒子性 C光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的 D大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性 解析：选 B 光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律。光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的。3在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的 95%以欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！上。假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子()A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：选 CD 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，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，故选项 C、D 正确。4下列各组现象能说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泊松亮斑和光电效应 D光的反射和光电效应 解析：选 C 光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，反射和色散不能说明光具有波动性或粒子性，因此 C 正确。5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符合科学规律或历史事实的是()A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：选 BCD 牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然 A 选项错误。干涉、衍射现象是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，选项 B 正确。麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验验证了光的电磁说，选项 C 正确。光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，所以选项 D 正确。6在做双缝干涉实验时，在观察屏的某处是亮纹，则对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 欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！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：选 AC 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要大得多，但并不是一定能够到达亮纹处，故 A、C 正确。7白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了 1927 年的诺贝尔物理学奖。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比()A频率变大 B速度变小 C光子能量变大 D波长变长 解析：选 D 光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，故 C 错误；由 hp，Eh，可知光子频率变小，波长变长，故 A 错误，D 正确。由于光子速度是不变的，故 B 错误。8关于光的波粒二象性，正确的说法是()A光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越明显 B光的波长越长，光子的能量越小，波动性越明显 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：选 ABD 从光的波粒二象性可知：光是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。频率高、个数少时粒子性明显，波长长、数量大时波动性明显。9下列说法中正确的是()A光的干涉和衍射现象说明光具有波动性B光的频率越大，波长越长 C 光的波长越大，光子的能量越大D 光在真空中的传播速度为3.0108 m/s 欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网整理，如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档！解析：选 AD 干涉和衍射是波的特性，A 正确；由 f 知 B 错；由爱因斯坦光子理论 Ehhc知波长越大，光的频率越小，光子能量越小，C 错；任何光在真空中的传播速度均为 3.0108 m/s，D 正确。10在双缝干涉实验中，若在像屏处放上照相底片，并使光子流减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果证明，如果曝光时间不太长，底片上出现_；如果曝光时间足够长，底片上出现_。解析：在双缝实验中，如能使光子一个一个地通过狭缝，如果曝光时间短时，底片上只出现一些无规则分布的点，形不成干涉特有的明、暗相间的条纹，表现出光的粒子性。点分布看似无规则，但点在底片上各处出现的概率却遵从双缝干涉实验中波强分布的规律；如果曝光时间足够长，底片上就出现如同强光短时间曝光一样的规则的干涉条纹。在干涉条纹中光波强大的地方，也就是光子到达机会多的地方。所以，这种意义上，可以把光的波动性看作表明光子运动规律的一种概率波。答案：无规则分布的光点 规则的干涉图样 11(江苏高考)A、B 两种光子的能量之比为 21，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为 EA、EB。求 A、B 两种光子的动量之比和该金属的逸出功。解析：光子能量 h，动量 ph，且 c 得 pc，则 pApB21。A 照射时，光电子的最大初动能EAAW0。同理，EBBW0 解得 W0EA2EB。答案：21 EA2EB