粵教高中物理選修(3-5)第二章《康普頓效應(yīng)及其解釋光的波粒二象性》學(xué)案

1、10 / 102019最新粵教版高中物理選修（3-5）第二章康普頓效應(yīng)及其解釋光的波粒二象性學(xué)案學(xué)案4光的波粒二象性學(xué)習(xí)目標(biāo)定位1. 了解康普頓效應(yīng)及其解釋.2.知道光的波粒二象性，理解其對(duì)立統(tǒng)的關(guān)系3 了解光是一種概率波.溫故追本溯源推陳方可知新知識(shí)儲(chǔ)備區(qū)知識(shí)曜接1 .光是一種電磁波，具有波動(dòng)性,具有光的干涉和衍射等光所特有的性質(zhì).2 .光子假說(shuō)1905年，愛(ài)因斯坦指出，光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光壬 一個(gè)光子的能量為 = h v .新知呈現(xiàn)3 .用x射線(xiàn)照射物體時(shí)，一部分散射出來(lái)的 x射線(xiàn)的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)稱(chēng)為康 普頓效應(yīng).4 .光電效應(yīng)揭示出光的粒子性 ，

2、每個(gè)光子攜帶的能量為e =hv ,愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出 h.光子的動(dòng)量應(yīng)為p=7，式中入為光波的波長(zhǎng).5 .康普頓效應(yīng)再次證明了愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)的正確性.它不僅證明了光子具有能量，同時(shí)還證明了光子具有動(dòng)量.6 .光的干涉、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) ，是以一個(gè)個(gè)光子的形式出現(xiàn)的 ，具有粒子性.光既有波動(dòng) 性，又有粒子性，單獨(dú)用波或粒子的解釋都無(wú)法完整地描述光的所有性質(zhì)，人們就把這種性質(zhì)稱(chēng)為波粒二象性.7 .在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 ，每個(gè)光子按照一定的概率落在感光片的某一點(diǎn)上.概率大 的地方落下的光子多_,形成亮紋；概率小的地方落下的光子

3、少 _,形成暗紋.這種概率分 布就好像波干涉時(shí)強(qiáng)度的分布，從這個(gè)意義上講，有人把對(duì)光的描述說(shuō)成是概率波.解決學(xué)生疑難點(diǎn)：基礎(chǔ)自學(xué)落實(shí)重點(diǎn)互動(dòng)探究學(xué)習(xí)探究區(qū)一、對(duì)康普頓效應(yīng)的理解康普頓效應(yīng)不僅有力地驗(yàn)證了光子理論，而且證實(shí)了微觀(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)象也嚴(yán)格遵循能量守恒和動(dòng)量守恒.康普頓效應(yīng)揭示出光具有粒子性的一面.二、對(duì)光的波粒二象性的理解1.人類(lèi)對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)發(fā)展史學(xué)說(shuō)名稱(chēng)微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)光子說(shuō)波粒二 象性代表人物牛頓托馬斯楊和菲涅耳麥克斯韋愛(ài)因斯坦實(shí)驗(yàn)依據(jù)光的直線(xiàn)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 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 特征特點(diǎn)光是

4、一群彈性粒子業(yè)縣一 兒心種機(jī)械波光是一種電磁波兒心由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(duì)光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)光1.大量光子產(chǎn)生的效果顯1.光的波動(dòng)性是光子的干涉和示出波動(dòng)性本身的一種屬性，不是波衍射2.足夠能量的光在傳播光子之間相互作用產(chǎn)動(dòng)性時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)生的2.光的波動(dòng)性/、同于宏觀(guān)觀(guān)念的波1.當(dāng)光向物質(zhì)發(fā)生作用光時(shí)，這種作用是“一份一1.粒子的含義是“不的效應(yīng)、份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子連續(xù)”、“一份一粒份”的康普頓的性質(zhì)子效應(yīng)2.少量或個(gè)別光子容易2.光子/、向于宏觀(guān)觀(guān)性顯示出光的粒子性念的粒子1對(duì)于不同頻率的光，頻率越高，光的粒子性越強(qiáng)；

5、頻率越低 ，光的說(shuō)明波動(dòng)性越強(qiáng)一 h .3.光子的能重e=hv和動(dòng)重p=一，生動(dòng)說(shuō)明了光具有波粒一象性.普朗克吊重h把入描述粒子性的能量 e和動(dòng)量p,與描述波動(dòng)性的頻率 /、波長(zhǎng)入緊密聯(lián)系在一起.三、對(duì)光是概率波的理解問(wèn)題設(shè)計(jì)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中（如圖1甲所示），在光屏處放置感光片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，使光子只 能是一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫.曝光時(shí)間短時(shí)，可看到感光片上出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的亮點(diǎn)，如圖乙所示.曝光時(shí)間足夠長(zhǎng),有大量光子通過(guò)狹縫，感光片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋 ，如圖丁所示.如何解釋曝光時(shí)間較短時(shí)的亮點(diǎn)和曝光時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的干涉圖樣呢？陽(yáng)光源感光片甲乙丙丁圖1答案 圖片上的亮點(diǎn)表明，光表現(xiàn)出粒子性，

6、也看到光子的運(yùn)動(dòng)與宏觀(guān)現(xiàn)象中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)不同，沒(méi)有一定的軌道.圖丙和圖丁圖樣說(shuō)明，光的波動(dòng)性是大量光子表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象.在干涉條紋中，那些光波強(qiáng)的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方或是到達(dá)幾率大的地方 光波弱的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定，所以光波是一種概率波.要點(diǎn)提煉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)先不能確定的.2 .大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：光在傳播過(guò)程中,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)規(guī)律確定,所以光波是一種概率波.x典例精析一、對(duì)康普頓效應(yīng)的理解例1 （單選）科學(xué)研究

7、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.假設(shè)光子與電子碰撞前的波長(zhǎng)為入，碰撞后的波長(zhǎng)為 入，則碰撞過(guò)程中（）a.能量守恒,動(dòng)量不守恒，且入=入b.能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且入=入c.能量守恒，動(dòng)量守恒，且入入d.能量守恒，動(dòng)量守恒，且入入解析能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀(guān)世界也適用于微觀(guān)世界.光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒定律.光子與電子碰撞前光子的能量e = hv= hc，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，光子的能量 e=hv入=h ；一,由可知 入入，選項(xiàng)c正確. 入答案 c二、對(duì)光的波粒二象性的理解例2 （單選）對(duì)光的認(rèn)識(shí)

8、，以下說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（）a.個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性b.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引起的c.光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不再具有波動(dòng)性了d.光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)得明顯，在另外某種場(chǎng)合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯解析個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性；光與物質(zhì)相互作用,表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動(dòng)性，光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性 ，光 的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性 ，因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律 ，故本題 答案選c.答案 c針對(duì)訓(xùn)練下列有關(guān)光的波粒

9、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表現(xiàn)出粒子性 答案 c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，光的有 些行為（如光電效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說(shuō)有白光是波，有的光是粒子.雖然光子 與電子都是微觀(guān)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.光白波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為

10、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.三、對(duì)光是概率波的理解例3 （雙選）在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%a上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)單縫，那么該光子（）a. 一定落在中央亮紋處 b.可能落在其他亮紋處 c.不可能落在暗紋處 d.落在中央亮紋處的可能性最大 解析 根據(jù)光波是概率波的概念，對(duì)于一個(gè)光子通過(guò)單縫落在何處 ，是不可確定的，但概 率最大的是落在中央亮紋處.當(dāng)然也可落在其他亮紋處，

11、還可能落在暗紋處，不過(guò),落在暗紋處的概率很小，故b d選項(xiàng)正確.答案 bd課堂要點(diǎn)小結(jié)干涉波動(dòng)性證明/ 衍射粒子性證明光的波粒二象性光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)對(duì)立統(tǒng)l波是一種概率波自我檢測(cè)區(qū) 松測(cè)學(xué)習(xí)效果體驗(yàn)成功快樂(lè)1.（單選）在康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，x射線(xiàn)光子的動(dòng)量為 經(jīng)，一個(gè)靜止的 c原子吸收了一 c個(gè)x射線(xiàn)光子后將（）a.仍然靜止b.沿著光子原來(lái)運(yùn)動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)c.沿光子運(yùn)動(dòng)的相反方向運(yùn)動(dòng)d.可能向任何方向運(yùn)動(dòng)答案 b解析 由動(dòng)量守恒定律知，吸收了 x射線(xiàn)光子的原子與光子原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向相同，故正確選項(xiàng)為b.2.（單選）一個(gè)沿著一定方向運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)原來(lái)靜止的自由電子相互碰撞 ，碰撞之后電子向某一方向運(yùn)

12、動(dòng)，而光子沿著另一方向散射出去，則這個(gè)散射光子跟原來(lái)入射時(shí)相比（）a.散射光子的能量減少b.光子的能量增加，頻率也增大c.速度減小d.波長(zhǎng)減小答案 a解析 由于光子既具有能量，也具有動(dòng)量，因此在碰撞過(guò)程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長(zhǎng)增大.3.（單選）下列實(shí)驗(yàn)中，能證實(shí)光具有粒子性的是（）a.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)b.光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)c.光的圓孔衍射實(shí)驗(yàn)d.泊松亮斑實(shí)驗(yàn)答案 a解析光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明光具有波動(dòng)性.4 .（雙選）在下列現(xiàn)象中說(shuō)明光具有波動(dòng)性的是 （）a.光的直線(xiàn)傳播 b .光的衍射c.光的干涉 d .光電效應(yīng)答案 bc5 .在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若在

13、光屏處放上感光片，并使光子流減弱到使光子只能一個(gè)一個(gè) 地通過(guò)狹縫.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ，如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng)，感光片上出現(xiàn) ;如果曝 光時(shí)間足夠長(zhǎng)，感光片上出現(xiàn) .答案 不規(guī)則的點(diǎn)干涉圖樣解析 在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如能使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫 ，則曝光時(shí)間短時(shí)，感光片上 只出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的點(diǎn).不形成干涉特有的明暗相間的條紋.表現(xiàn)出光的粒子性點(diǎn)的分布看似無(wú)規(guī)則，但點(diǎn)在感光片上各處出現(xiàn)的概率卻遵從雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中光強(qiáng) 分布的規(guī)律.若曝光時(shí)間足夠長(zhǎng) ，感光片上就出現(xiàn)如同強(qiáng)光短時(shí)間曝光一樣規(guī)則的干涉 條紋.在干涉條紋中光波強(qiáng)度大的地方，也就是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方 ，所以從這種意義上,可以把顯示波動(dòng)性的光看做表

14、明光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波.40分鐘課時(shí)作業(yè)概念規(guī)律題組1.（雙選）下列說(shuō)法中正確的是（）a.光的波粒二象性學(xué)說(shuō)就是牛頓的微粒說(shuō)加上惠更斯的波動(dòng)說(shuō)組成的b.光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的電磁理論c.光子說(shuō)并沒(méi)有否定電磁說(shuō)，在光子的能量 = h v中，y表示波的特性，表示粒子 的特性d.光波不同于宏觀(guān)觀(guān)念中那種連續(xù)的波，它是表明大量光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波答案 cd解析 光的波動(dòng)性指大量光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小 , 可以用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述不是惠更斯的波動(dòng)說(shuō)中宏觀(guān)意義下的機(jī)械波光的粒子性是指光的能量是一份一份的 ,每一份是一個(gè)光子, 不是牛頓微粒說(shuō)中的經(jīng)典微粒光子說(shuō)與電磁說(shuō)不矛盾, 它們

15、是不同領(lǐng)域的不同表述2 ( 雙選 ) 關(guān)于光的性質(zhì), 下列敘述中正確的是()a.在其他同等條件下，光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到b.頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動(dòng)性越顯著c.大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性d.如果讓光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫時(shí)，它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)答案 bc解析衍射現(xiàn)象明顯與否跟光的頻率無(wú)關(guān)，故a錯(cuò).光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著 ,b 對(duì)少量光子表現(xiàn)出粒子性, 但光子的波粒二象性是本身固有的 ,c 對(duì)光是一種概率波，不會(huì)做極有規(guī)則的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，故d錯(cuò).3 ( 雙選 ) 在驗(yàn)證光

16、的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中 , 下列說(shuō)法正確的是()a.使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)單縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，感光片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣b.單個(gè)光子通過(guò)單縫后，感光片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣c.光子通過(guò)單縫的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)像水波一樣起伏d.單個(gè)光子通過(guò)單縫后打在感光片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過(guò)單縫后打在感光片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性答案 ad4 ( 單選 ) 有關(guān)光的本性的說(shuō)法正確的是()a.關(guān)于光的本性，牛頓提出了 “微粒說(shuō)”，惠更斯提出了 “波動(dòng)說(shuō)”，愛(ài)因斯坦提出了“光子假說(shuō)” , 它們都圓滿(mǎn)地說(shuō)明了光的本性b.光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀(guān)概念上的波，也可以看成微觀(guān)概念上的粒子c.光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明

17、光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性d.在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果有光通過(guò)雙縫則顯出波動(dòng)性答案c解析牛頓主張的“微粒說(shuō)”中的微粒與實(shí)物粒子一樣, 惠更斯主張的“波動(dòng)說(shuō)”中的波與宏觀(guān)機(jī)械波等同 , 這兩種觀(guān)點(diǎn)是相互對(duì)立的 , 都不能說(shuō)明光的本性, 所以a、 b 錯(cuò)誤 ,c 正確；在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 , 雙縫干涉出現(xiàn)明、暗均勻的條紋, 當(dāng)讓光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)單縫 , 曝光時(shí)間短時(shí)表現(xiàn)出粒子性, 曝光時(shí)間長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性, 所以 d 錯(cuò)誤5.(單選)頻率為丫的光子，具有的能量為hv,動(dòng)量為h 丫 / c,將這個(gè)光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上, 光子將偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向 , 這種現(xiàn)象稱(chēng)為光的散射 , 散

18、射后的光子()a.改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變b.光子將從電子處獲得能量，因而頻率將增大c.散射后的光子運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑴c電子運(yùn)動(dòng)方向在一條直線(xiàn)上，但方向相反d.由于電子受到碰撞時(shí)會(huì)吸收光子的一部分能量，散射后的光子頻率低于入射前光子的頻率答案d解析由于電子的能量增加, 光子的能量減少, 所以光子的頻率降低 方法技巧題組 6下面列舉的是人類(lèi)對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)：a.牛頓的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)b.光的干涉、衍射現(xiàn)象證明波動(dòng)說(shuō)是正確的c.光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)的誕生奠定了基礎(chǔ)d.光波的傳播介質(zhì)問(wèn)題是麥克斯韋電磁說(shuō)誕生的基礎(chǔ)e.光具有波粒二象性請(qǐng)按人類(lèi)的認(rèn)識(shí)發(fā)展進(jìn)程將字母按順序排列起來(lái)： .答案abdce解析對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)過(guò)程有五大學(xué)說(shuō)按其發(fā)展順序?yàn)椋号ｎD支持的微粒說(shuō),惠更斯提出的波動(dòng)說(shuō) , 麥克斯韋提出的電磁說(shuō) , 愛(ài)因斯坦在普朗克量子說(shuō)的基礎(chǔ)上提出了光子假說(shuō), 最后是現(xiàn)代物理學(xué)將兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)加以綜合的光的波粒二象性所以順序應(yīng)為a、 b、 d、 c、 e.7 ( 雙選 ) 光通過(guò)各種不同的障礙物后會(huì)產(chǎn)生各種不同的衍射條紋 , 衍射條紋的圖樣與障礙物的形狀相對(duì)應(yīng), 這一現(xiàn)象說(shuō)明 ()a.光是電磁波b .光具有波動(dòng)性c.光可以攜帶信息d .光具有波粒二象性答案bc解析光能發(fā)生衍射現(xiàn)象, 說(shuō)明光有波動(dòng)性,b 正確；衍射圖樣與障礙物的形狀對(duì)應(yīng), 說(shuō)明了衍射圖樣中包含了