高三物理第十七章 波粒二象性 第节.pdf

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1、准兑市爱憎阳光实验学校高三物理第十七章准兑市爱憎阳光实验学校高三物理第十七章 波粒波粒二象性二象性 第第 1515 节节【本讲信息本讲信息】一.教学内容：35第十七章波粒二象性第一节能量量子化：物理学的纪元第二节的转折：光的粒子性第三节崭的一页：粒子的波动性第四节概率波第五节不确性关系二.、难点解析1.光电效的规律1光电效是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的。金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量，只有当吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时，才能产生光电效，而光子的能量与光的频率有关，由此可解释光电效的瞬时性和存在极限频率的原因。2“光电子的动能可以介于 0Ekm的任意值，只有从金属外表

2、逸出的光电子才具有最大初动能，且随入射光频率增大而增大。3“入射光强度，指的是单位时间内入射到金属外表单位面积上的光子的总能量，在入射光频率不变时，光强正比于单位时间内照到金属外表单位面积上的光子数，但假设入射光频率不同，即使光强相同，单位时间内照到金属外表单位面积上的光子数也不相同，因而从金属外表逸出的光电子数也不相同 形成的光电流也不相同。2.光的波粒二象性的理解、物质波的理解1光的粒子性并不否光的波动性。现在提到的波动性和粒子性与 17 提出的波动说和粒子说不同。当时的两种学说是相互对立的，都企图用一种观点去说的各种“行为。并否对方观点。这是由于受传统观念的影响，这些传统观念是人们观察周

3、围的宏观物体形成的。波动性与粒子性在宏观中是相互对立的、矛盾的，但对光子就不同了，光子属于微观粒子，光具有波粒二象性。2对于光子这样的微观粒子，只有从波粒二象性的角度出发。才能统一说的各种“行为。光子说并不否认光的电磁说。按光子说，光子的能量 h，其表示光的频率，即表示了波的特征，而且从光子说或电磁说推导光子的动量以及光速都得到一致的结论。可见光确实既具有波动性，也具有粒子性。在光的干预现象中。假设曝光时间不长，在底片上只出现一些不规那么的点，这些点表示光子的运动跟宏观的质点不同。但曝光时间足够长时，底片上出现了有规律的干预条纹。可见，光的波动性是大量光子表现出来的现象。在干预条纹中，光强大的

4、地方，光子到达的时机多，或说光子出现的概率大。光强小的地方。光子到达的概率小。所以大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著。要综合理解各种频率的电磁波，就必须综合地运用波动性和粒子性两种观点。从发现光的波粒二象性起，使得人们认识到微观具有特殊的规律。后来人们观察到电子的衍射图样，这些说明一切物质微粒也像光子一样具有波粒二象性。3物质波：任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对，波长hp，人们把这种波叫做物质波。物质波和光波一样，也属于概率波，概率波的实质是指粒子在空间分布的概率

5、是受波动规律支配的。三.知识内容1.能量量子化1黑体辐射的规律：随着温度的升高，各种波长的幅射都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动2能量子：微观粒子的能量是量子化的：h2.光电效1产生条件：入射光频率大于被照射金属的极限频率2入射光频率决每个光子能量 h，决光电子逸出后最大初动能3入射光强度决每秒钟逸出的光电子数，决光电流大小4爱因斯坦光电效方程：Ek hWW0表示金属的逸出功，c表示金属的极限频率，那么W0ch3.康普顿效1用 X 射线照射物体时，散射出来的 x 射线的波长会变长。2光子不仅具有能量，也具有动量。p h4.光的波粒二象性1光既具有波动性，又具有粒子性。光的波动性和粒子

6、性是光在不同条件下的不同表现2大量的光子产生的效果显示波动性；个别光子产生的效果显示粒子性3波长短的光粒子性显著，波长长的光波动性显著4当光和其他物质发生相互作用时表现为粒子性，当光在传播时表现为波动性。5光波不同于宏观观念中那种连续的波，它是表示大量光子运动规律的一种概率波。5.粒子的波动性：1一切运动的物体都具有波粒二象性2物质波波长hp电子衍射现象验证了实物粒子的波动性3物质波既不是机械波，也不是电磁波。而是概率波。6.不确性关系：xp h4，x表示粒子位置的不确，p 表示粒子在x方向上的动量的不确量。【典型例题】【典型例题】例 1 红光和紫光相比A.红光光子的能量较大；在同一种介质中传

7、播时红光的速度较大B.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较大C.红光光子的能量较大；在同一种介质中传播时红光的速度较小D.红光光子的能量较小；在同一种介质中传播时红光的速度较小解析：解析：在电磁波谱中，紫光的频率比红光高，由爱因斯坦的光子说可知，紫光的能量较大；由于紫光的频率高，故紫光在同介质中的折射率较大，由ncv可知，在同一介质中，紫光传播速度较小，而红光传播速度较大；由以上分析得，正确选项为 B。答案：答案：B例 2 对爱因斯坦光电效方程Ek hW，下面的理解正确的有A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的W表

8、示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功C.逸出功W和极限频率c之间满足关系式W=hcD.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比解析：解析：爱因斯坦光电效方程Ek hW中的W表示从金属外表直接逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值。对的光电子的初动能是所有光电子中最大的。其它光电子的初动能都小于这个值。假设入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的最大初动能是 0，因此有W=hc，由Ek hW可知EK和c之间是一次函数关系，但不是成正比关系。答案：答案：C。例 3 用某种频率的紫外线分别照射铯、锌、铂

9、三种金属，从铯中发射出的光电子的最大初动能是 eV，从锌中发射出的光电子的最大初动能是 eV，铂没有光电子射出，那么对这三种金属逸出功大小的判断，以下结论正确的选项是 A.铯的逸出功最大，铂的逸出功最小 B.锌的逸出功最大，铂的逸出功最小 C.铂的逸出功最大，铯的逸出功最小 D.铂的逸出功最大，锌的逸出功最小解析：解析：根据爱因斯坦光电效方程：Ek hW。当照射光的频率一时，光子的能量就是一个值，在光电效中的所产生的光电子的最大初动能于光子的能量减去金属的逸出功。最大初动能越大，说明这种金属的电子逸出功越小，假设没有光电子射出，说子的能量小于电子的逸出功。因此说铂的逸出功最大，而铯的逸出功最小

10、。答案：答案：C例 4 入射光线照射到某金属外表上发生光电效，假设入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么以下说法中正确的选项是 A.从光照到金属外表上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B.逸出的光电子的最大初动能减小 C.单位时间内从金属外表逸出的光电子数目将减小 D.有可能不发生光电效解析：解析：入射光的强度，是指单位时间内入射到金属外表单位面积上的光子的总能量，“入射光的强度减弱而频率不变，表示单位时间内到达同一金属外表的光子数目减少而每个光子的能量不变。根据对光电效的研究，只要入射光的频率大于金属的极限频率，那么当入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是同时完成的，与入射光的强度无关

11、。具有最大初动能的光电子，是来自金属最表层的电子，当它们吸收了光子的能量后，只要大于金属的逸出功而能摆脱原子核的束缚，就能成为光电子，当光子的能量不变时，光电子的最大初动能也不变。当入射光强度减弱时，仍有光电子从金属外表逸出，但单位时间内逸出的光电子数目也会减少。答案：答案：C例 5 如图，当电键S断开时，用光子能量为 eV 的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于 0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或于 0.60V 时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为A.1.9eV B.0.6eV C.eV D.eV解析：解析：电流表

12、读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，根据动能理，光电子的最大初动能刚好为 0.6eV。由Ek hW可知W=eV。答案：答案：A。例 6 如下图为伦琴射线管的示意图，K 为阴极钨丝，发射的电子初速度为零，A 为对阴极阳极，当 AK 之间加直流电压 U=30KV 时，电子初加速打在对阴极为上，使之发出伦琴射线，设电子的动能转化为伦琴射线的能量。试求：1电子到达对阴极的速度是多大？2由对阴极发出的伦琴射线的最短波长是多大？3假设 AK 间的电流为 10 mA 那么每秒钟从对阴极归多能辐射出多少个伦琴射线光子电子电量 e=1.61019C，质量 m=0.911030kg解析：解析：1qU=E2

13、8kmV/2，V=1.0l0 m/s2qU=mV2/2=h；=hC/qU=1011m3I=q/t=ne/t，n=It/e=51016个例 7 如下图为研究光电效的电路，利用能够产生光电效的两种或多种频率的光进行，1请简要写出步骤以及该测量的物理量2写出根据本计算普朗克常量的关系式用上面的物理量表示解析：解析：在此电路的光电管上施加反向电压，用频率为1的光照射阴极，调节电压大小，直到光电管刚好无电流通过，测出此时的遏止电压Uc1，用另一频率为2的光照射，测出此时的遏止电压Uc2。利用光电效方程hW0 Ekm和Ekm eUc可得：h1W0eUc1，h2W0eUc1Uc2）c2，由以上两式可得出h（

14、e U。12例 8试估算一个生在跑百米时的德布罗意波的波长。解析：解析：估计一个生的质量m50kg，百米跑时速度v7m/s，那么h6.6310341.91036p507m由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。例 9 为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜。以下说法中正确的选项是 A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射 B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射 C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射 D.电子显微镜所利用电子物质波

15、的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射解析：解析：为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的。因为可见光的波长数量级是 107m，远大于纳米，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦。如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了。答案：答案：A【模拟试题】【模拟试题】一.选择题1.以下关于光电效的说法正确的选项是A.假设某材料的逸出功是W，那么它的极限频率vW0hB.光电子的初速度和照射光的频率成正比C.光电子的最大初动能和照射光的频率成正比D.光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大2.在以下各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性

16、的是A.光的折射现象、偏振现象 B.光的反射现象、干预现象C.光的衍射现象、色散现象 D.光电效现象、康普顿效3.关于光的波粒二象性的理解正确的选项是A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子，低频光是波D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著4.当具有 5.0eV 能量的光子照射到某金属外表后，从金属外表逸出的电子具有最大的初动能是 eV。为了使这种金属产生光电效，入射光的最低能量为A.1.5eVB.eV C.5.0eVD.eV5.紫外线光子的动量为hvc。一个静止的O3吸收

17、了一个紫外线光子后A.仍然静止 B.沿着光子原来运动的方向运动C.沿光子运动相反方向运动 D.可能向任何方向运动6.关于光电效，以下说法正确的选项是A.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B.光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强C.能否产生光电效现象，决于入射光光子的能量是否大于或于金属的逸出功D.用频率是v1的绿光照射某金属发生了光电效，改用频率是v2的黄光照射该金属一不发生光电效7.在验证光的波粒二象性的中，以下说法正确的选项是A.使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样B.单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏D

18、.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性8.用波长为1和2的单色光A和B分别照射两种金属C和D的外表。单色光A照射两种金属时都能产生光电效现象；单色光B照射时，只能使金属C产生光电效现象，不能使金属D产生光电效现象。设两种金属的逸出功分别为WC和WD，那么以下选项正确的选项是A.12，WCWD B.12，WCWDC.12，WCWD D.12，WCWD9.在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体子间距相近，中子质量m=1.671027 kg，普朗克常量h=31034 Js，可以估算出德布罗意波长=21010

19、 m的热中子的动量的数量级可能是A.1017kgm/sB.1018kgm/s C.1020kgm/s D.1024kgm/s10.一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相别离的三束光，分别照射到相同的金属板 a、b、c 上，如下图，金属板 b 有光电子放出，那么A.板 a 一不放出光电子 B.板 a 一放出光电子C.板 c 一不放出光电子 D.板 c 一放出光电子11.全物理学家评选出“十大最美物理，排名第一的为 1961 年物理学家利用“托马斯杨双缝干预装置，进行电子干预的。从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干预条纹，该说明A.光具有波动性B.光具有波粒二象性C.微

20、观粒子也具有波动性D.微观粒子也是一种电磁波12.度诺贝尔物理学奖授予了两名家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密时代的起点，以下与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中正确的选项是A.微波是指波长在 103m 到 10m 之间的电磁波B.微波和声波一样都只能在介质中传播C.黑体的热辐射实际上是电磁辐射D.普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说13.人类对光的本性的认识经历了曲折的过程，以下关于光的本性的陈述符合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.光的双缝干预显示了光具有

21、波动性C.麦克斯韦预言光是一种电磁波D.光具有波粒二象性二.填空题14.如以下图所示，一验电器与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一偏角。1现用一带负电的金属小球与锌板接触，那么验电器指针偏角将填“增大“减小或“不变。2使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。那么，假设改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针填“有或“无偏转。3室用功率P=1 500 W 的紫外灯演示光电效。紫外线波长=253 nm，阴极离光源距离d=0.5m，原子半径取r=0.510每秒钟接收到的光子数为。15.康普顿效证实了光子不仅具有能量，也有动量，以下图

22、给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，那么碰后光子可能沿方向运动，并且波长填“不变“变小或“变长。三.计算题16.分别用和的单色光照射同一金属，发出的光电子的最大初动能之比为 12。以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，那么此金属板的逸出功是多大？17.纳米技术现在已经广泛用到社会生产、生活的各个方面。将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官。糖尿病引起视膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以防止失明的严重后果。一台功率为 10 W 氩激光器，能发出波长=500 nm 的激光，用它“点焊视膜，每次“点焊需要210

23、J 的能量，那么每次“点焊视膜的时间是多少？在这段时间内发出的激光光子的数量是多少？18.如下图，伦琴射线管两极加上一高压电源，即可在阳极A上产生 X 射线。h=31034310 m，那么阴极外表每个原子34 Js，电子电荷量e=1.61019 C1压电源的电压为 20 kV，求 X 射线的最短波长；2如此时电流表读数为 5mA，1s 内产生 510 个平均波长为 1.0101013 m 的光子，求伦琴射线管的工作效率。参考答案参考答案1.AD解析：解析：由光电效方程Ek=hvW知，B、C 错误，D 正确。假设Ek=0，得极限频率vW0=h，故 A 正确。2.D解析：解析：此题考查光的性质。干

24、预、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效现象和康普顿效都是光的粒子性的表现，D 正确。3.AD解析：解析：根据光的波粒二象性知，A、D 正确，B、C 错误。4.B解析：解析：此题考查光电效方程及逸出功。由Ek hv W得W=hvEk=5.0eVeV=eV那么入射光的最低能量为hvmin=W=eV，故正确选项为 B。5.B解析：解析：由动量守恒律知，吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同。故正确选项为 B。6.C解析：解析：此题考查光电效。由光电效方程知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系，A 错。光电流的强度与入射光的强度成正比，与光电子的最大初动能无关

25、，B 错。用频率是v1的绿光照射某金属发生了光电效，改用频率是v2的黄光照射该金属不一不发生光电效，D 错、C 对。7.AD解析：解析：根据光的波粒二象性知，A、D 正确，B、C 错误。8.D解析：解析：由题意知，A光光子的能量大于B光光子，根据E=hv=hc，得12；又因为单色光B只能使金属C产生光电效现象，不能使金属D产生光电效现象，所以WCWD，故正确选项是 D。9.D解析：解析：此题考查德布罗意波。根据德布罗意波长公式=hp得：p=h6.63103424=1.821010kgm/s=10kgm/s可见，热中子的动量的数量级是 1024 kgm/s。10.D11.C解析：解析：此题考查电

26、子能产生干预现象，说明电子具有波动性。干预现象是波的特征，电子是微观粒子，它能产生干预现象，说明电子微观粒子具有波动性。但此不能说明电子微观粒子的波就是电磁波。12.A C D13.BCD14.解析：解析：1当用紫外光照射锌板时，锌板发生光电效，放出光电子而带上了正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，从而指针发生了偏转。当带负电的小球与锌板接触后，了一正电荷，从而使验电器的指针偏转减小。2使验电器指针回到零，用钠灯黄光照射，验电器指针无偏转，说明钠灯黄光的频率小于极限频率，红外光比钠灯黄光的频率还要低，更不可能发生光电效。能否发生光电效与入射光的强度无关。3以紫外灯为圆心，作半径为d的

27、球面，那么每个原子每秒钟接收到的光能量为由W=Ue=hv=hc/hc6.6310343108得=Ue21041.61019m=1011 m。E=P2r2=51020J42高压电源的电功率P1=UI=100 WEE每秒产生 X 光子的能量P2=nhc/=0.1W 效率为=P2=0.1%。因此每个原子每秒钟接收到的光子数为n=hvhc=5 个。答案 5 个15.1变长解析：解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致，可见碰后光子的方向可能沿 1 方向，不可能沿 2 或 3 方向；通过碰撞，光子将一能量转移给电子，能量减少，由E=hv知，频率变小，再根据c=v知，波长变长。16.解析：解析：设此金属的逸出功为W，根据光电效方程得如下两式：当用波长为的光照射时：Ehck1W当用波长为 34的光照射时：E4hck23W又Ek1E1K 22解组成的方程组得：W 2hc3。17.解析：解析：1根据E=Pt，所以t=E2 103P10s=2104 s。2由E=nE得：n=E21035001090=nhchc6.6310343.0108个=51015个。答案 2104 s51015个18.解析：解析：1X 射线管阴极上产生的热电子在 20 kV 高压加速下获得的动能变成 X 光子的能量，X 光子的波长最短。P1