高中物理 第二章 波粒二象性 第四節(jié) 光的波粒二象性教學(xué)案 粵教版選修3-5

1、第四節(jié) 光的波粒二象性1光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)表明，光是一種電磁波，具有波動(dòng)性；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)則表明，光在與物體相互作用時(shí)，必須看成是一顆顆光子的形式出現(xiàn)的，具有粒子性。2在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，將光源S的強(qiáng)度降低，使前一個(gè)光子已經(jīng)消失在感光片上，后一個(gè)入射光子才從光源出發(fā)。記錄很短一段時(shí)間，即把感光片沖洗出來，在感光片上呈現(xiàn)雜亂分布的幾個(gè)亮點(diǎn)。每個(gè)亮點(diǎn)都是一個(gè)光子在感光片上留下的記錄。這顯示了光的粒子性。然后換另一感光片記錄光子，適當(dāng)增加記錄時(shí)間，我們會驚奇地發(fā)現(xiàn)，亮點(diǎn)在感光片上形成模糊的亮紋。光子主要落在感光片的亮紋處，這就是干涉條紋。記錄時(shí)間越長，干涉條紋越明顯。干涉條紋再次顯示出光的波

2、動(dòng)性。3雙縫干涉中每次穿過雙縫的只有一個(gè)光子，它不可能跟其他光子產(chǎn)生干涉。但光的干涉還是發(fā)生了。可見，波動(dòng)性是每一個(gè)光子的屬性。光既有粒子性，又有波動(dòng)性，單獨(dú)使用波或粒子都無法完整地描述光的所有性質(zhì)。4光既有波動(dòng)性，又有粒子性，我們把光的這種性質(zhì)叫做光的波粒二象性。5干涉條紋是光子在感光片上各點(diǎn)的概率分布的反映。這種概率分布就好像波的強(qiáng)度的分布，稱光波是一種概率波。6在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光子通過雙縫后，對某一個(gè)光子而言，其運(yùn)動(dòng)是不可控制的。但對大量光子而言，它們落在光屏上的位置又有規(guī)律性，即某些區(qū)域光子落點(diǎn)多，另一些區(qū)域光子落點(diǎn)少，落點(diǎn)多的區(qū)域就是亮條紋，落點(diǎn)少的區(qū)域就是暗條紋。對光本性的研究1

3、.光本性學(xué)說的發(fā)展簡史學(xué)說名稱微粒說波動(dòng)說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦公認(rèn)實(shí)驗(yàn)依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波速光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)光既有波動(dòng)現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性又有粒子性2對光的波粒二象性的理解(1)光的波動(dòng)性：實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的干涉和衍射現(xiàn)象具體表現(xiàn)：a：光經(jīng)過狹縫后能產(chǎn)生干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性。b：足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。c：頻率低，波長長的光，波動(dòng)性特征顯著。(2)光的粒子性：實(shí)

4、驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)具體表現(xiàn)：a：當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子性。b：少量或個(gè)別光子易表現(xiàn)出光的粒子性。c：頻率高，波長短的光，粒子性特征顯著。(3)光的波動(dòng)性，粒子性是統(tǒng)一的：光的粒子性并不否定光的波動(dòng)性，光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，波動(dòng)性、粒子性都是光的本身屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種行為。(1)光子說并不否認(rèn)光的電磁說：按光子說，光子的能量h，其中表示光的頻率，即表示了波的特征。從光子說或電磁說推導(dǎo)光子動(dòng)量以及光速都得到一致的結(jié)論。(2)光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用產(chǎn)生的。

5、1下列說法正確的是()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光的波長越長，其波動(dòng)性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D射線具有顯著的粒子性，不具有波動(dòng)性解析：光同時(shí)具有波粒二象性，只不過在有的情況下波動(dòng)性顯著，有的情況下粒子性顯著，光的波長越長，越容易觀察到其顯示波動(dòng)特性，因此A、D錯(cuò)，而C正確，光子不同于一般的物質(zhì)粒子，它沒有靜止質(zhì)量，是一個(gè)個(gè)的能量子，是光的能量的最小單位。答案：C概率波1.概率波的概念干涉條紋是光子在感光片上各點(diǎn)的概率分布的反映。這種概率分布就好像波的強(qiáng)度的分布，因此光波是一種概率波。2概率波的實(shí)質(zhì)概率波的實(shí)質(zhì)是指粒子在空間分布的概率是受波動(dòng)規(guī)律支配的。光

6、子是以顆粒的形式到達(dá)感光屏幕上的，就像粒子一樣；而這些顆粒到達(dá)的幾率分布則像波的強(qiáng)度的分布。3對概率波的進(jìn)一步理解(1)單個(gè)光子運(yùn)動(dòng)的偶然性我們可以知道光子落在某點(diǎn)的概率，但不能預(yù)言光子落在什么位置，即光子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不確定的。(2)大量光子運(yùn)動(dòng)的必然性由波動(dòng)規(guī)律，我們可以準(zhǔn)確地知道，大量光子運(yùn)動(dòng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此我們可以對宏觀現(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，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時(shí)光子在某一位置出現(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，概率波將波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一在一起。干涉和衍射的亮條紋處是光子到達(dá)概率大的地方；暗條紋處是光

7、子到達(dá)概率小的地方，暗條紋處也有光子到達(dá)，只是光子數(shù)特別少。2(雙選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占整個(gè)從單縫射入的光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只有一個(gè)光子通過單縫，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落在中央亮紋處的可能性最大解析：根據(jù)光的概率波的概念，對于一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)到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，落在暗紋處的概率很小，故C、D正確。答案：CD光的波粒二象性理解例1(雙選)關(guān)于光本性的說法，下列說法正確的是()A光的波粒二象性學(xué)說是由牛頓的微粒說與惠更斯的波動(dòng)說組成

8、的B光的波粒二象性表明光有時(shí)候具有波動(dòng)性，有時(shí)候具有粒子性C光子說并沒有否定光的電磁說，在光子能量公式h中，頻率表示波的特征，表示粒子的特征D光波不同于宏觀概念中的那種連續(xù)的波，它是表明大量光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波解析現(xiàn)在提出光的波粒二象性學(xué)說與17世紀(jì)牛頓的微粒說和惠更斯的波動(dòng)說不同，當(dāng)時(shí)他們均把光當(dāng)作宏觀世界中的粒子或波，且這兩種觀點(diǎn)相互對立，而現(xiàn)在的光的波粒二象性學(xué)說是建立在麥克斯韋的光的電磁說和愛因斯坦的光子說的基礎(chǔ)上，故A錯(cuò)。波動(dòng)性和粒子性都是光的屬性，只不過在有的情況下波動(dòng)性顯著，有的情況下粒子性顯著，故B錯(cuò)。由光子說中提出的光子能量的計(jì)算公式h可知，反映粒子的特征的與反映波動(dòng)特征

9、的相聯(lián)系。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)光子的能量比較小即頻率較小，波長較大，波動(dòng)性明顯，粒子性不明顯。反之，當(dāng)光子的能量比較大，頻率較大，波長較小，粒子性明顯，波動(dòng)性不明顯，故C、D對。答案CD(1)光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波，不能認(rèn)為光子像一個(gè)個(gè)的小球在做機(jī)械振動(dòng)，光的粒子性也不同于宏觀觀念的粒子。(2)光子是統(tǒng)一了波粒二象性的粒子，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同，具體規(guī)律為：大量光子易顯示波動(dòng)性，少量光子易顯示粒子性。波長長(頻率低)的光波動(dòng)性強(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)。傳播時(shí)顯示波動(dòng)性，與其他物質(zhì)作用時(shí)顯示粒子性。1關(guān)于光的波粒二象性，錯(cuò)誤的說法是()A光的頻率愈高，光子的能量愈大，粒子性愈

10、顯著B光的波長愈長，光子的能量愈小，波動(dòng)性愈明顯C頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長較長的光子不具有粒子性D個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性解析：光具有波粒二象性，頻率高的波長短、能量高、粒子性強(qiáng)；頻率低的波長長、能量小、波動(dòng)性強(qiáng)。對大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，故A、B、D正確。答案：C對概率波的理解例2在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在光屏處放上照相底片，若減弱光波的強(qiáng)度，使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子；如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，對這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果下列認(rèn)識錯(cuò)誤的是()

11、A曝光時(shí)間不長時(shí)，光子的能量太小，底片上的條紋看不清楚，故出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)子B單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)沒有確定的軌道C干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會較多的地方D只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性解析曝光時(shí)間不長時(shí)，個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性，由于光子到達(dá)哪個(gè)位置是不確定的，故使底片上出現(xiàn)了不規(guī)則的點(diǎn)子，故A錯(cuò)B對。曝光時(shí)間足夠長時(shí)，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，故使底片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，選項(xiàng)D對，干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)概率大的地方，而暗條紋處是光子到達(dá)概率小的地方，故選項(xiàng)C對。答案A光子(粒子)在空間各處出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，單個(gè)電子(粒子)的運(yùn)動(dòng)具有偶然性，即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)

12、先不確定的，而大量粒子的運(yùn)動(dòng)具有必然性，符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，我們可以對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言。2在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在光屏上放上照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，盡可能使光子一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，則說法錯(cuò)誤的是()A若曝光時(shí)間短，底片上出現(xiàn)一些無規(guī)則的點(diǎn)B若曝光時(shí)間長，底片上出現(xiàn)一些干涉條紋C這一結(jié)果表明光具有波動(dòng)性D這一結(jié)果表明光具有波粒二象性解析：實(shí)驗(yàn)表明：個(gè)別光子的行為無法預(yù)測，表現(xiàn)出粒子性；大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性。在干涉條紋中，光波強(qiáng)度大的地方，即光子出現(xiàn)概率大的地方；光波強(qiáng)度小的地方，是光子到達(dá)機(jī)會少的地方，即光子出現(xiàn)概率少的地方。答案：C1有關(guān)光的本性，下列說法正確的是()A光既有波動(dòng)性，又具有粒

13、子性，兩種性質(zhì)是不相容的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由于光既有波動(dòng)性，又有粒子性，無法只有其中一種去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性解析：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子，波動(dòng)性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個(gè)不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性。答案：D2(雙選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是()A使光子一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將會顯示衍射圖樣B單個(gè)光子通過狹縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍

14、射圖樣C光子通過狹縫的運(yùn)動(dòng)路線是直線D光的波動(dòng)性是大量光子產(chǎn)生的效果解析：個(gè)別光子通過狹縫時(shí)，會在底片上出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)，光表現(xiàn)出粒子性，如果曝光時(shí)間足夠長，大量光子通過狹縫在底片上會顯示衍射圖樣，光表現(xiàn)出波動(dòng)性，故A對B錯(cuò)。光子不同于傳統(tǒng)的宏觀物體，其運(yùn)動(dòng)軌道不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌道，故C錯(cuò)。少量光子粒子性顯著，大量光子，波動(dòng)性顯著，故D對。答案：AD3人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程。下列關(guān)于光的本性的陳述不符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是()A牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的B光的雙縫干涉實(shí)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

15、的“微粒說”認(rèn)為光是一群彈性粒子與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)不同，光的干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光的波動(dòng)性，故A錯(cuò)B、C、D對。答案：A4為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成感光膠片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是()A曝光時(shí)間很短的照片可清楚地看出光的粒子性，曝光時(shí)間長的照片，大量亮點(diǎn)聚集起來看起來是連續(xù)的，說明大量光子不具有粒子性B單個(gè)光子通過雙縫后的落點(diǎn)無法預(yù)測，大量光子打在膠片上的位置表現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律C單個(gè)光子通過雙縫后做勻速直線運(yùn)動(dòng)D干涉條紋的亮條紋處光子到達(dá)的概率大，暗條紋處光子不能到達(dá)解析：根據(jù)光的波粒二象性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，但波動(dòng)性并不否定光的粒子性，只不過粒子

16、性沒有明確顯現(xiàn)而已。單個(gè)光子顯示了光的粒子性，落點(diǎn)無法預(yù)測，大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性。光子通過雙縫后遵從概率波的規(guī)律，并不做勻速運(yùn)動(dòng)。暗條紋處只是光子到達(dá)的概率很小，故A，C，D錯(cuò)誤，B對。答案：B5(雙選)用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，把入射光減弱到可以認(rèn)為光源和感光膠片之間不可能同時(shí)有兩個(gè)光子，比較不同曝光時(shí)間攝得的照片，發(fā)現(xiàn)曝光時(shí)間不長的情況下，照片上是一些散亂的無規(guī)則分布的亮點(diǎn)，若曝光時(shí)間較長，照片上亮點(diǎn)分布區(qū)域呈現(xiàn)出不均勻跡象；若曝光時(shí)間足夠長，照片上獲得清晰的雙縫干涉條紋，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了()A光具有粒子性B光具有波動(dòng)性C光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性D光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的解

17、析：少量光子通過雙縫后照片上呈現(xiàn)不規(guī)則分布亮點(diǎn)，顯示了光的粒子性，大量光子通過雙縫后照片上獲得了雙縫干涉條紋，說明光具有波動(dòng)性；光子先后通過雙縫，說明光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的。答案：CD6在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過雙縫后打到了觀察屏上的b處，則b處可能是()A亮紋B暗紋C既有可能是亮紋也有可能是暗紋D以上各種情況均有可能解析：按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷，由于大部分光子都落在b點(diǎn)，故b處一定是亮紋，A正確。答案：A7(雙選)在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，在觀察屏的某處是亮紋，則對某個(gè)光子到達(dá)觀察屏的位置，下列說法正確的是()A到達(dá)亮紋處的概率比到達(dá)暗紋處的概率大B到達(dá)

18、暗紋處的概率比到達(dá)亮紋處的概率大C該光子可能到達(dá)光屏的任何位置D以上說法均有可能解析：根據(jù)概率波的含義，一個(gè)光子到達(dá)亮紋處的概率要比到達(dá)暗紋處的概率大得多，但并不是一定能夠到達(dá)亮紋處，故A、C正確。圖1答案：AC8如圖1是一個(gè)光源。在其正前方安裝只有兩條狹縫的擋板，光子穿過狹縫打在前方的熒光屏上使熒光屏發(fā)光。那么在熒光屏上將看到()A只有兩條亮紋B有多條明暗相間的條紋C沒有亮紋D只有一條亮紋解析：光子運(yùn)動(dòng)到達(dá)屏上的某點(diǎn)的概率，可以用波的特征進(jìn)行描述，即產(chǎn)生雙縫干涉，在屏上將看到干涉條紋，所以B正確。答案：B9我們能感知光現(xiàn)象，是因?yàn)槲覀兘邮盏搅艘欢芰康墓狻?1)一個(gè)頻率是106 Hz的無線電波的光子的能量是多大？(2)一個(gè)頻率為61014 Hz的綠色光子和1018 Hz的光子的能量各是多大？(3)請結(jié)合以上光子能量的大小，從概率波的角度說明：為什么低頻電磁波的波動(dòng)性顯著而高