2024-2025學(xué)年高中物理第四章波粒二象性3光的波粒二象性教案教科版選修3-5

PAGE8-3光的波粒二象性一、康普頓效應(yīng)1．光的散射光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生變更，這種現(xiàn)象叫做光的散射．2．康普頓效應(yīng)美國(guó)物理學(xué)家康普頓在探討石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)覺(jué)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)λ0相同的成格外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．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(dòng)量，深化揭示了光的粒子性的一面．4．光子的動(dòng)量(1)表達(dá)式：p＝eq\f(h,λ).(2)說(shuō)明：在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量變?。虼?，有些光子散射后波長(zhǎng)變大．二、光的波粒二象性1．光的波粒二象性(1)光的干涉和衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性．(2)光子的能量ε＝hν，光子的動(dòng)量p＝eq\f(h,λ).(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性．2．對(duì)光的波粒二象性的理解(1)大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性；個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性．(2)光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比，而頻率是描述波動(dòng)性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的親密聯(lián)系．(3)頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，波動(dòng)性特征顯著，而頻率高、波長(zhǎng)短的光，粒子性特征顯著．(4)光在傳播時(shí)體現(xiàn)出波動(dòng)性，在與其他物質(zhì)相互作用時(shí)體現(xiàn)出粒子性．光的粒子性和波動(dòng)性組成一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體．三、光是一種概率波在雙縫干涉試驗(yàn)中，屏上亮紋的地方，是光子到達(dá)概率大的地方，暗紋的地方是光子到達(dá)概率小的地方．所以光波是一種概率波．即光波在某處的強(qiáng)度代表著光子在該處出現(xiàn)概率的大?。谏钪形覀儠?huì)拍許多照片，通常我們都認(rèn)為，這是由人和景物發(fā)出或反射的光波經(jīng)過(guò)照相機(jī)的鏡頭聚焦在底片上形成的．事實(shí)上照片上的圖像也是由光子撞擊底片，使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的．下圖是用不同曝光量洗印的照片，請(qǐng)你依據(jù)自己對(duì)光的理解作出說(shuō)明．用不同曝光量洗印的照片提示：光是一種概率波，在照片的有些地方光子出現(xiàn)的概率大，有些地方光子出現(xiàn)的概率?。谄毓饬亢苄〉臓顩r下，在照片上出現(xiàn)的是一些隨機(jī)分布的光點(diǎn)，隨著曝光量的增大，圖像漸漸清晰起來(lái)．

考點(diǎn)一對(duì)康普頓效應(yīng)的理解假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞跟臺(tái)球競(jìng)賽中的兩球碰撞很相像．依據(jù)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，一個(gè)X射線光子不僅具有能量E＝hν，而且還有動(dòng)量．如圖所示．這個(gè)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hν減小為hν′，因此頻率減小，波長(zhǎng)增大．同時(shí)，光子還使電子獲得肯定的動(dòng)量．這樣就圓滿地說(shuō)明白康普頓效應(yīng)．【例1】康普頓效應(yīng)證明白光子不僅具有能量，也有動(dòng)量．如圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰后光子可能沿方向________運(yùn)動(dòng)，并且波長(zhǎng)________(填“不變”“變短”或“變長(zhǎng)”)．依據(jù)碰撞過(guò)程中動(dòng)量、能量均守恒以及動(dòng)量是矢量分析此題．【解析】因光子與電子的碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰前動(dòng)量的方向一樣，可見(jiàn)碰后光子可能沿1方向運(yùn)動(dòng)，不行能沿2或3方向；通過(guò)碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量削減，由E＝hν知，頻率變小，再依據(jù)c＝λν知，波長(zhǎng)變長(zhǎng)．【答案】1變長(zhǎng)總結(jié)提能①宏觀世界中物體間的相互作用過(guò)程中所遵循的規(guī)律，也適用于微觀粒子的相互作用過(guò)程；②康普頓效應(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性，也再次證明白愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的正確性．科學(xué)探討證明，光子有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．則在光子與電子的碰撞過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是(D)A．能量守恒，動(dòng)量守恒，且碰撞后光子的波長(zhǎng)變短B．能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且碰撞后光子的波長(zhǎng)變短C．只有碰撞前后兩者的運(yùn)動(dòng)方向在一條直線上，能量和動(dòng)量才守恒，且碰撞后光子的波長(zhǎng)變長(zhǎng)D．能量守恒，動(dòng)量守恒，且碰撞后光子的波長(zhǎng)變長(zhǎng)解析：不論碰撞前后光子和電子的運(yùn)動(dòng)方向是否在一條直線上，能量和動(dòng)量均守恒；由于碰撞過(guò)程中光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，由E＝hν可知，光子的能量E變小使得頻率ν變小，由λ＝eq\f(c,ν)知波長(zhǎng)λ變長(zhǎng)．考點(diǎn)二光的波粒二象性1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性；個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性．2．光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣，具有能量和動(dòng)量．和其他物質(zhì)相互作用時(shí)，粒子性起主導(dǎo)作用；在光的傳播過(guò)程中，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用，因此稱光波為概率波．3．頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，波動(dòng)性特征顯著，而頻率高、波長(zhǎng)短的光，粒子性特征顯著．4．光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比，而頻率是描述波動(dòng)性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的親密聯(lián)系．【例2】下列有關(guān)光的波粒二象性的說(shuō)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(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)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(1)在宏觀現(xiàn)象中，波與粒子是對(duì)立的概念，而在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一．(2)光具有波粒二象性是指光在傳播過(guò)程中和其他物質(zhì)作用時(shí)分別表現(xiàn)出波和粒子的特性．【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(dòng)性，有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說(shuō)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(méi)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(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所以，不能說(shuō)光子與電子是同樣的一種粒子．光的波粒二象性的理論和試驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著，光的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大，個(gè)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(cuò)誤．【答案】C(多選)人類對(duì)光的本性的相識(shí)經(jīng)驗(yàn)了曲折的過(guò)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(BCD)A．牛頓的“微粒說(shuō)”與愛(ài)因斯坦的“光子說(shuō)”本質(zhì)上是一樣的B．光的雙縫干涉試驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：牛頓的“微粒說(shuō)”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛(ài)因斯坦的“光子說(shuō)”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，明顯選項(xiàng)A錯(cuò)誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說(shuō)明光具有波動(dòng)性，選項(xiàng)B正確；麥克斯韋依據(jù)光的傳播不須要介質(zhì)以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等，從而認(rèn)為光是一種電磁波，后來(lái)赫茲用試驗(yàn)證明白光的電磁說(shuō)，選項(xiàng)C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項(xiàng)D正確．考點(diǎn)三對(duì)概率波的理解1．單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)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)先不確定的．2．大量粒子運(yùn)動(dòng)的必定性由波動(dòng)規(guī)律，我們可以精確地知道，大量粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此我們可以對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言．3．概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一概率波的主體是光子、實(shí)物粒子，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時(shí)粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，體現(xiàn)了波動(dòng)性的一面，所以說(shuō)，概率波將波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一在一起．【例3】(多選)物理學(xué)家做了一個(gè)好玩的試驗(yàn)：在雙縫干涉試驗(yàn)中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強(qiáng)度，使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫，試驗(yàn)結(jié)果表明，假如曝光時(shí)間不太長(zhǎng)，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子；假如曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，對(duì)這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果有下列相識(shí)，其中正確的是()A．曝光時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)，光子的能量太小，底片上的條紋看不清晰，故出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)子B．單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有確定的軌道C．干涉條紋中光明的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方D．只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性光是概率波，單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)具有偶然性，大量光子的運(yùn)動(dòng)具有必定性．【解析】光波是概率波，單個(gè)光子沒(méi)有確定的軌道，其到達(dá)某點(diǎn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，大量光子的行為符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，受波動(dòng)規(guī)律支配，才表現(xiàn)出波動(dòng)性，出現(xiàn)干涉中的亮紋或暗紋，故A錯(cuò)誤，B、D正確；干涉條紋中的亮紋處是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方，暗紋處是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方，但也有光子到達(dá)，故C正確．故選BCD.【答案】BCD總結(jié)提能物質(zhì)波是一種概率波，但不能將實(shí)物粒子的波動(dòng)性等同于宏觀的機(jī)械波．更不能理解為粒子做曲線運(yùn)動(dòng)；單個(gè)光子到達(dá)的位置是不確定的，大量光子遵循波動(dòng)規(guī)律．(多選)在單縫衍射試驗(yàn)中，中心亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)單縫，那么該光子(CD)A．肯定落在中心亮紋處B．肯定落在亮紋處C．可能落在暗紋處D．落在中心亮紋處的可能性最大解析：依據(jù)光是概率波的概念，對(duì)于一個(gè)光子通過(guò)單縫落在何處，是不行確定的，但概率最大的是落在中心亮紋處，可達(dá)95%以上，當(dāng)然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過(guò)，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項(xiàng)正確．1．關(guān)于光的波粒二象性，下列說(shuō)法中不正確的是(C)A．波粒二象性指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性B．光波頻率越高，粒子性越明顯C．能量較大的光子其波動(dòng)性越顯著D．個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性解析：光的波粒二象性是指光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，但有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性，選項(xiàng)A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光，光子的能量越大，粒子性越顯著，頻率越小的光其波動(dòng)性越顯著，選項(xiàng)B正確，C錯(cuò)誤；光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，大量的光子波動(dòng)性比較明顯，個(gè)別光子粒子性比較明顯，選項(xiàng)D正確．2．有關(guān)光的本性，下列說(shuō)法正確的是(D)A．光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，這是相互沖突和對(duì)立的B．光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)C．大量光子才具有波動(dòng)性，個(gè)別光子只具有粒子性D．由于光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，無(wú)法只用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性解析：19世紀(jì)初，人們勝利地在試驗(yàn)中視察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說(shuō)無(wú)法說(shuō)明．但到了19世紀(jì)末又發(fā)覺(jué)了光的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)，證明光具有粒子性．這種現(xiàn)象波動(dòng)說(shuō)不能說(shuō)明，因此，光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但不同于宏觀的機(jī)械波和機(jī)械粒子．波動(dòng)性和粒子性是光在不同的狀況下的不同表現(xiàn)，是同一物體的兩個(gè)不同側(cè)面，不同屬性，我們無(wú)法用其中的一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性，選項(xiàng)D正確．3．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(guò)程，對(duì)此下列說(shuō)法正確的是(D)A．兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都聽(tīng)從動(dòng)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(guò)程C．兩種效應(yīng)都屬于汲取光子的過(guò)程D．光電效應(yīng)是汲取光子的過(guò)程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過(guò)程解析：光電效應(yīng)汲取光子放出電子，其過(guò)程能量守恒，但動(dòng)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(guò)程，并且遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說(shuō)明光具有粒子性，故D正確．4．下列說(shuō)法正確的是(B)A．概率波就是機(jī)械波B．物質(zhì)波是一種概率波C．概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D．在光的雙縫干涉試驗(yàn)中，若有一個(gè)光子，則能確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上解析：概率波與機(jī)械波是兩個(gè)概念，本質(zhì)不同，選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤；物質(zhì)波是一種概率波，符合概率波的特點(diǎn)；在光的雙縫干涉試驗(yàn)中，若有一個(gè)光子，則不能確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上，選項(xiàng)D錯(cuò)誤，B正確．5．(多選)利用金屬晶格(大小約10－10m)作為障礙物視察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過(guò)電場(chǎng)加速后，讓電子束照耀到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣，如圖所示．已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為hA．該試驗(yàn)說(shuō)明白電子具有波動(dòng)性B．試驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長(zhǎng)為λ＝e