高中物理第四章波粒二象性4.3光的波粒二象性省公開課一等獎(jiǎng)新名師獲獎(jiǎng)?wù)n件

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光波粒二象性

1/60一、康普頓效應(yīng)1.康普頓效應(yīng):X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng)_____現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)意義:表明光子除了含有能量之外,還含有動(dòng)量,深入揭示了光_____性一面,為光子說提供了又一例證。變長(zhǎng)粒子2/60【想一想】X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)了,其對(duì)應(yīng)光子能量怎樣改變?提醒:由ε=hν=可知,X射線波長(zhǎng)變長(zhǎng),其對(duì)應(yīng)光子能量減小了。3/60二、光波粒二象性1.光本性:光既含有_______又含有_______,光含有___________。2.光子能量和動(dòng)量:(1)能量:ε=____。(2)動(dòng)量:p=。波動(dòng)性粒子性波粒二象性hν4/603.意義:能量ε和動(dòng)量p是描述物質(zhì)_____性主要物理量;波長(zhǎng)λ和頻率ν是描述物質(zhì)_____性經(jīng)典物理量。所以ε=____和p=揭示了光粒子性和波動(dòng)性之間親密關(guān)系。粒子波動(dòng)hν5/604.光是一個(gè)概率波:光干涉圖樣是一條條明暗相間條紋。在明條紋處,表示抵達(dá)_________,即對(duì)每一個(gè)光子來(lái)說,落在明條紋處_______;在暗條紋處,抵達(dá)_________,即對(duì)每個(gè)光子來(lái)說,落在此處_______。可見,光波是一個(gè)概率波。光子數(shù)多概率大光子數(shù)少概率小6/60【判一判】(1)光不可能同時(shí)含有波動(dòng)性和粒子性。(

)(2)光子能量越大,波長(zhǎng)越長(zhǎng)。(

)(3)光子經(jīng)過狹縫后落在屏上位置是確定。

(

)7/60提醒:(1)光波動(dòng)性和粒子性都是光屬性,光含有波粒二象性,(1)錯(cuò)。(2)由ε=hν=可知,光子能量越大,頻率越高,其波長(zhǎng)越短,(2)錯(cuò)。(3)光子經(jīng)過狹縫后落在屏上位置不是確定,只是落在明條紋處概率更大些,(3)錯(cuò)。8/60知識(shí)點(diǎn)一、對(duì)康普頓效應(yīng)了解思索探究:9/60觀察以上光子與電子相碰過程,思索以下問題:(1)光子與電子碰撞后,電子運(yùn)動(dòng)了,其運(yùn)動(dòng)動(dòng)能是哪里來(lái)?(2)光子與電子碰撞后,光子能量怎樣改變?光波長(zhǎng)怎樣改變?10/60【歸納總結(jié)】1.試驗(yàn)現(xiàn)象:X射線管發(fā)出波長(zhǎng)為λ0X射線,經(jīng)過小孔投射到散射物石墨上。X射線在石墨上被散射,部分散射光波長(zhǎng)變長(zhǎng),波長(zhǎng)改變多少與散射角相關(guān)。11/602.康普頓效應(yīng)與經(jīng)典物理理論矛盾:按照經(jīng)典物理理論,入射光引發(fā)物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子受迫振動(dòng),振動(dòng)著帶電粒子從入射光吸收能量,向四面輻射,這就是散射光。散射光頻率應(yīng)該等于粒子受迫振動(dòng)頻率(即入射光頻率)。所以散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)應(yīng)該相同,不應(yīng)該出現(xiàn)波長(zhǎng)變長(zhǎng)散射光。另外,經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變與散射角關(guān)系。12/603.光子說對(duì)康普頓效應(yīng)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,散射光子能量降低,于是散射光波長(zhǎng)大于入射光波長(zhǎng)。(2)因?yàn)榕鲎仓薪粨Q能量與碰撞角度相關(guān),所以波長(zhǎng)改變與散射角相關(guān)。13/60【尤其提醒】康普頓效應(yīng)深入揭示了光粒子性,也再次證實(shí)了愛因斯坦光子說正確性。光電效應(yīng)應(yīng)用于電子吸收光子問題;而康普頓效應(yīng)討論光子與電子碰撞且沒有被電子吸收問題。14/60【典例探究】【典例】康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不但含有能量,也含有動(dòng)量。入射光和電子作用能夠看成彈性碰撞,則當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),光子一些能量轉(zhuǎn)移給了電子,如圖給出了光子與靜止電子碰撞后,電子運(yùn)動(dòng)方向,則碰撞過程中動(dòng)量________(選填“守恒”或“不守恒”),能量________(選填“守恒”或“不守恒”),碰后光子15/60可能沿________(選填“1”“2”或“3”)方向運(yùn)動(dòng),而且波長(zhǎng)________(選填“不變”“變小”或“變長(zhǎng)”)。16/60【思緒點(diǎn)撥】解答本題應(yīng)把握能量守恒、動(dòng)量守恒,熟悉光頻率與波長(zhǎng)關(guān)系。17/60【正確解答】光子與電子碰撞過程滿足動(dòng)量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和電子總動(dòng)量方向與光子碰前方向一致,由矢量合成知識(shí)可知碰后光子方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;經(jīng)過碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,能量降低,由ε=hν知,頻率變小,再依據(jù)c=λν知,波長(zhǎng)變長(zhǎng)。答案:守恒守恒1變長(zhǎng)18/60【過關(guān)訓(xùn)練】1.光子有能量,也有動(dòng)量,動(dòng)量p=,它也恪守動(dòng)量守恒定律。如圖所表示,真空中有一“∞”形裝置,可繞通過橫桿中點(diǎn)豎直軸OO′在水平面內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng),其中左邊是圓形黑紙片(吸收光子),右邊是同左邊大小、質(zhì)量相同圓形白紙片(反射光子)。19/60當(dāng)用平行白光垂直紙面照射這兩個(gè)圓面時(shí),關(guān)于裝置開始轉(zhuǎn)動(dòng)情況(俯視)以下說法中正確是(

)A.順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)B.逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)C.都有可能 D.不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)20/60【解析】選B。設(shè)入射光子動(dòng)量為p,因?yàn)楹诩埰展庾?光子動(dòng)量改變量大小為Δp1=p,白紙片反射光子,光子動(dòng)量改變量大小為Δp2=2p,依據(jù)動(dòng)量定理,光子對(duì)白紙片沖擊力大些,故B正確。21/602.當(dāng)光子和電子碰撞后有沒有可能出現(xiàn)光子頻率不變情況?【解析】有可能,若光子和束縛很緊內(nèi)層電子相碰撞,光子將與整個(gè)原子交換能量,因?yàn)楣庾淤|(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量,依據(jù)碰撞理論,碰撞前后光子能量幾乎不變,頻率不變。22/60知識(shí)點(diǎn)二、對(duì)光波粒二象性了解思索探究:23/60觀察以上圖片,思索以下問題:(1)圖甲中激光經(jīng)過雙縫在屏上看到干涉條紋說明光含有什么特征?(2)圖乙中紫外線照射鋅板驗(yàn)電器金箔張開,說明光含有什么特征?(3)應(yīng)怎樣了解光上述兩種特征表現(xiàn)?24/60【歸納總結(jié)】1.光粒子性含義:愛因斯坦光子說中“粒子”與牛頓微粒說中“粒子”是完全不一樣概念。光子是一份一份含有能量粒子,其能量與光頻率相關(guān),光子說并不否定波動(dòng)說。25/602.光波動(dòng)性含義:光波動(dòng)性是光子本身一個(gè)屬性,它不一樣于宏觀波,與惠更斯波動(dòng)說中“波”是不一樣理論領(lǐng)域中兩個(gè)不一樣概念,它是一個(gè)概率波。26/603.光波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一,光含有波粒二象性:(1)光粒子性并不否定光波動(dòng)性,波動(dòng)性和粒子性都是光本質(zhì)屬性,只是在不一樣條件下表現(xiàn)不一樣。當(dāng)光與其它物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),表現(xiàn)出粒子性質(zhì);少許或個(gè)別光子易顯示出光粒子性;頻率高波長(zhǎng)短光,粒子性顯著。大量光子在傳輸時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性;頻率低波長(zhǎng)長(zhǎng)光,波動(dòng)性顯著。27/60(2)只有從波粒二象性角度,才能統(tǒng)一說明光各種表現(xiàn)。光波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一。28/60【尤其提醒】光干涉和衍射及偏振說明光含有波動(dòng)性,而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是光含有粒子性例證。29/60【典例探究】【典例】(多項(xiàng)選擇)關(guān)于光波粒二象性了解正確是

(

)A.大量光子效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性,個(gè)別光子行為往往表現(xiàn)出粒子性B.光在傳輸時(shí)是波,而在物質(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30/60D.波粒二象性是光根本屬性,有時(shí)它波動(dòng)性顯著,有時(shí)它粒子性顯著31/60【思緒點(diǎn)撥】解答本題時(shí)應(yīng)把握以下三點(diǎn):(1)光波粒二象性對(duì)光本質(zhì)敘述。(2)頻率高低對(duì)光粒子性和波動(dòng)性影響。(3)光子數(shù)量對(duì)光粒子性和波動(dòng)性影響。32/60【正確解答】選A、D。大量光子效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性,個(gè)別光子行為往往表現(xiàn)出粒子性,A正確;頻率高光粒子性顯著,頻率低光波長(zhǎng)較長(zhǎng),波動(dòng)性顯著,而不能說高頻光是粒子,低頻光是波,C錯(cuò)誤;波粒二象性是光根本屬性,表現(xiàn)為波動(dòng)性時(shí),只是粒子性不顯著而已,不能說光傳輸時(shí)表現(xiàn)為波,而與物質(zhì)相互作用時(shí)變?yōu)榱Ｗ?故B錯(cuò)誤,D正確。33/60【過關(guān)訓(xùn)練】(多項(xiàng)選擇)關(guān)于光波粒二象性,以下說法中正確是(

)A.光頻率越高,衍射現(xiàn)象越輕易看到B.光頻率越高,粒子性越顯著C.大量光子產(chǎn)生效果往往顯示波動(dòng)性D.光波粒二象性否定了光電磁說34/60【解析】B、C。光含有波粒二象性,波粒二象性并不否定光電磁說,只是說一些情況下粒子性顯著,一些情況下波動(dòng)性顯著,故D錯(cuò)誤。光頻率越高,波長(zhǎng)越短,粒子性越顯著,波動(dòng)性越不顯著,越不易看到其衍射現(xiàn)象。故B對(duì)、A錯(cuò)誤。大量光子行為表現(xiàn)出波動(dòng)性,個(gè)別光子行為表現(xiàn)出粒子性,故C對(duì)。35/60知識(shí)點(diǎn)三、對(duì)概率波了解思索探究:用極微弱可見光做雙縫干涉試驗(yàn),伴隨時(shí)間增加,在屏上先后出現(xiàn)如圖甲、乙、丙所表示圖像。36/60觀察以上圖片,思索以下問題:(1)圖片甲中光子落點(diǎn)位置雜亂無(wú)章,說明什么問題?(2)圖片丙中出現(xiàn)了明暗相間條紋,你能從中得出什么結(jié)論?37/60【歸納總結(jié)】1.正確了解光波動(dòng)性:光干涉現(xiàn)象不是光子之間相互作用使它表現(xiàn)出波動(dòng)性,在雙縫干涉試驗(yàn)中,使光源S非常弱,以致前一個(gè)光子抵達(dá)屏后才發(fā)射第二個(gè)光子。這么就排除了光子之間相互作用可能性。試驗(yàn)結(jié)果表明,盡管單個(gè)光子落點(diǎn)不可預(yù)知,但長(zhǎng)時(shí)間曝光之后依然得到了干38/60涉條紋分布?？梢?光波動(dòng)性不是光子之間相互作用引發(fā)。39/602.光波是一個(gè)概率波:在雙縫干涉試驗(yàn)中,光子經(jīng)過雙縫后,對(duì)某一個(gè)光子而言,不能必定它落在哪一點(diǎn),但屏上各處明暗條紋不一樣亮度,說明光子落在各處可能性即概率是不相同。光子落在明條紋處概率大,落在暗條紋處概率小。這就是說光子在空間出現(xiàn)概率能夠經(jīng)過波動(dòng)規(guī)律來(lái)確定,所以說光是一個(gè)概率波。40/60【尤其提醒】(1)在雙縫干涉和單縫衍射暗條紋處也有光子抵達(dá),只是光子數(shù)量“尤其少”極難展現(xiàn)出亮度。(2)要了解統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律認(rèn)識(shí)是了解概率波前提。41/60【典例探究】【典例】(多項(xiàng)選擇)在單縫衍射試驗(yàn)中,中央亮紋光強(qiáng)占從單縫射入整個(gè)光強(qiáng)95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子經(jīng)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.落在中央亮紋處可能性最大42/60【思緒點(diǎn)撥】處理本題關(guān)鍵要明確概率波知識(shí),知道概率波規(guī)律就是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,單個(gè)光子無(wú)法確定落在哪個(gè)點(diǎn)上,我們只能得出大量光子落點(diǎn)區(qū)域。43/60【正確解答】選C、D。依據(jù)光波是概率波概念,一個(gè)光子經(jīng)過單縫落在何處,是不可確定,但概率最大是落在中央亮條紋處。當(dāng)然也可落在其它亮條紋處,還可能落在暗條紋處,不過,落在暗紋處概率很小,故C、D選項(xiàng)正確。44/60【總結(jié)提升】關(guān)于光子抵達(dá)區(qū)域了解光含有波動(dòng)性,光波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律結(jié)果,對(duì)某個(gè)光子我們無(wú)法判斷它落到哪個(gè)位置,我們只能判斷大量光子落點(diǎn)區(qū)域。同時(shí),我們要明確在暗條紋處,也有光子抵達(dá),只是光子數(shù)極少;對(duì)于經(jīng)過單縫大量光子而言,絕大多數(shù)光子落在中央亮條紋處,只有少數(shù)光子落在其它亮條紋處及暗條紋處。45/60【過關(guān)訓(xùn)練】(多項(xiàng)選擇)在驗(yàn)證光波粒二象性試驗(yàn)中,以下說法正確是(

)A.使光子一個(gè)一個(gè)地經(jīng)過單縫,假如時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣B.單個(gè)光子經(jīng)過單縫后,底片上會(huì)出現(xiàn)完整衍射圖樣C.光子經(jīng)過單縫運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏46/60D.單個(gè)光子經(jīng)過單縫后打在底片情況展現(xiàn)出隨機(jī)性,大量光子經(jīng)過單縫后打在底片上情況展現(xiàn)出規(guī)律性47/60【解析】選A、D。單個(gè)光子經(jīng)過單縫后打在底片情況展現(xiàn)隨機(jī)性.若時(shí)間足夠長(zhǎng),大量光子經(jīng)過單縫后打在底片上情況展現(xiàn)規(guī)律性,此時(shí)底片上出現(xiàn)衍射圖樣,故A、D正確,B錯(cuò)誤。光子經(jīng)過單縫后整體展現(xiàn)出波動(dòng)性,但對(duì)單個(gè)光子,其經(jīng)過單縫后運(yùn)動(dòng)路線并不是波形線,C錯(cuò)誤。48/60【溫馨提醒】光含有波粒二象性是對(duì)光本性最全方面認(rèn)識(shí),而康普頓效應(yīng)又是光含有粒子性最有力證據(jù)。高考題常結(jié)合康普頓散射試驗(yàn)及其結(jié)論,對(duì)本部分知識(shí)進(jìn)行考查。49/60【拓展例題】考查內(nèi)容:康普頓散射特征康普頓散射主要特征是(

)A.散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)全然不一樣B.散射光波長(zhǎng)有些與入射光相同,但有些變短了,散射角大小與散射波長(zhǎng)無(wú)關(guān)C.散射光波長(zhǎng)有些與入射光相同,但也有變長(zhǎng),也有變短50/60D.散射光波長(zhǎng)有些與入射光波長(zhǎng)相同,有些比入射光波長(zhǎng)長(zhǎng)些,且散射光波長(zhǎng)與散射角大小相關(guān)51/60【思緒點(diǎn)撥】解答本題關(guān)鍵是熟悉康普頓散射試驗(yàn)現(xiàn)象及其結(jié)論。52/60【正確解答】選D。光子和電子相碰撞,光子有一部分能量傳給電子,散射光子能量降低,于是散射光波長(zhǎng)大于入射光波長(zhǎng)。散射角不一樣,能量降低情況不一樣,散射光波長(zhǎng)也有所不一樣。也有一部分光子與整個(gè)散射物原子交換能量,因?yàn)楣庾淤|(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量,碰撞前后光子能量幾乎不變,波長(zhǎng)不變。故D正確。53/60光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)不一樣1.入射光波長(zhǎng)不一樣:入射光若為可