2018-2019版物理新導學筆記滬科通用版選修3-5講義：第2章 波和粒子 2.3

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精2。3光是波還是粒子[學習目標]1.知道光的波粒二象性,理解其對立統(tǒng)一的關(guān)系.2.知道光是一種概率波,知道概率波的統(tǒng)計意義.3.會用光的波粒二象性分析有關(guān)問題．一、光的波粒二象性［導學探究]人類對光的本性的認識的過程中先后進行了一系列實驗，比如：光的單縫衍射實驗（圖A)光的雙縫干涉實驗（圖B）光電效應(yīng)實驗(圖C）光的薄膜干涉實驗(圖D)康普頓效應(yīng)實驗等等．(1)在以上實驗中哪些體現(xiàn)了光的波動性？哪些體現(xiàn)了光的粒子性?(2）光的波動性和光的粒子性是否矛盾?答案(1）單縫衍射、雙縫干涉、薄膜干涉體現(xiàn)了光的波動性．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)體現(xiàn)了光的粒子性．(2）不矛盾．大量光子在傳播過程中顯示出波動性，比如干涉和衍射．當光與物質(zhì)發(fā)生作用時,顯示出粒子性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)．光具有波粒二象性．［知識梳理]1．人類對光的本性的研究學說名稱微粒說波動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實驗依據(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，光速等于電磁波的速度光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是一種機械波光是由一份一份光子組成的光是一種概率波，既有波動性，又有粒子性2．光的波粒二象性(1）(2)光子的能量和動量①能量：E＝hν.②動量:p＝eq\f(h，λ）.（3)意義:能量E和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量．因此E＝hν和p＝eq\f(h，λ）揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系．[即學即用]判斷下列說法的正誤．(1）光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性．(√）(2）光子數(shù)量越大,其粒子性越明顯．（×）(3）光具有粒子性,但光子又不同于宏觀觀念的粒子．(√)(4)光在傳播過程中，有的光是波，有的光是粒子．(×）二、再探光的雙縫干涉實驗[導學探究]用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加,在屏上先后出現(xiàn)如圖1甲、乙、丙所示的圖像．圖1(1）圖像甲是曝光時間很短的情況，光點的分布有什么特點？說明了什么問題？（2）圖像乙是曝光時間稍長情況，當光子數(shù)較多時落在哪些區(qū)域的概率較大？可用什么規(guī)律來確定？(3)圖像丙是曝光時間足夠長的情況,體現(xiàn)了光的什么性？怎樣解釋上述現(xiàn)象？答案（1)當曝光時間很短時，屏上的光點是隨機分布的，具有不確定性,說明了光具有粒子性．(2)落在某些條形區(qū)域的概率較大，這種概率可用波動規(guī)律來確定．（3)光的波動性．少量光子呈現(xiàn)粒子性，大量光子呈現(xiàn)波動性,而且光是一種概率波．［知識梳理］光波是一種概率波：光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固有的性質(zhì),光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以，光波是一種概率波．［即學即用]判斷下列說法的正誤．（1）光子通過狹縫后運動的軌跡是確定的．(×)(2)干涉條紋中，暗條紋是光子不能達到的地方．(×）（3）單個光子的運動具有偶然性，但光波強的地方是光子到達幾率大的地方．(√)一、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性；個別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性．2．光子和電子、質(zhì)子等實物粒子一樣，具有能量和動量．和其他物質(zhì)相互作用時,粒子性起主導作用；在光的傳播過程中,光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大?。ǜ怕剩刹▌有云鹬鲗ё饔?，因此稱光波為概率波．3．頻率低、波長長的光，波動性特征顯著，而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著．4．光子的能量與其對應(yīng)的頻率成正比,而頻率是描述波動性特征的物理量，因此E＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯(lián)系．例1下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，不正確的是()A．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性B．頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著C．光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性D．光不可能同時具有波動性和粒子性答案D解析光既具有粒子性,又具有波動性，大量的光子波動性比較明顯,個別光子粒子性比較明顯，故A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，故B正確；光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性，故C正確;光的波粒二象性是指光即具有為波動性，又具有粒子性,二者是統(tǒng)一的,故D錯誤．二、對概率波的理解1．單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置,即粒子到達什么位置是隨機的，是預(yù)先不能確定的．2．大量粒子運動的必然性：由波動規(guī)律我們可以準確地知道大量粒子運動時的統(tǒng)計規(guī)律，因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進行預(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、實物粒子,體現(xiàn)了粒子性的一面；同時粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配，體現(xiàn)了波動性的一面，所以說概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在一起．4．光的波動性不是光子之間的相互作用引起的:（1)在雙縫干涉實驗中，光源非常弱，以至它在前一個光子到達屏幕之后才發(fā)射第二個光子，這樣就排除了光子之間相互作用的可能性．（2)盡管單個光子的落點不可預(yù)知，但是長時間曝光之后仍然可以得到明暗相間的條紋，可見，光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固有的性質(zhì)．例2(多選）在單縫衍射實驗中,中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95％以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，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答案CD解析根據(jù)光波是概率波的概念,對于一個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95%以上，當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選項正確．1．(對光的波粒二象性的認識）下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是（)A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射C．泊松亮斑和光電效應(yīng) D．光的反射和光電效應(yīng)答案C解析光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據(jù),光電效應(yīng)說明光具有粒子性,光的反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，故選項C正確．2．(對光的波粒二象性的認識）下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，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．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，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)出波動性，有些行為(如光電效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，A錯誤．雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子,有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量,電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以B錯誤．光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著，故選項C正確，D錯誤．3．(對光的本性的認識）關(guān)于光的本性,下列說法中正確的是（）A．關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指:既可以把光看成宏觀概念上的波,也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性D．牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說"相結(jié)合就是光的波粒二象性答案C解析光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小，可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的“波動說”中宏觀意義下的機械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個光子，不是牛頓“微粒說”中的經(jīng)典微粒．某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象．某現(xiàn)象說明光具有粒子性,是指能用粒子說解釋這個現(xiàn)象．要區(qū)分題中說法和物理史實與波粒二象性之間的關(guān)系．C正確，A、B、D錯誤．4．（對光的本性的認識)有關(guān)光的本性,下列說法中正確的是(）A．光具有波動性，又具有粒子性，這是相互矛盾和對立的B．光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C．大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D．由于光既具有波動性，又具有粒子性,無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認為光具有波粒二象性答案D解析光在不同條件下表現(xiàn)出不同的行為，其波動性和粒子性并不矛盾,A錯,D對;光的波動性不同于機械波，其粒子性也不同于質(zhì)點，B錯;大量光子往往表現(xiàn)出波動性,個別光子往往表現(xiàn)出粒子性,C錯．5．（對概率波的理解）為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干涉實驗中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強度,下列說法正確的是()A．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的狹縫，如果時間足夠長,底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣B．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的狹縫，如果時間足夠長，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣C．大量光子的運動規(guī)律顯示出光的粒子性D．個別光子的運動顯示出光的波動性答案A解析單個光子運動具有不確定性，大量光子落點的概率分布遵循一定規(guī)律,顯示出光的波動性．使光子一個一個地通過雙縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)明顯的干涉圖樣，A正確，B、C錯誤;由光的波粒二象性知，個別光子的運動顯示出光的粒子性，D錯誤．一、選擇題考點一光的波粒二象性1．下列實驗中,能證實光具有粒子性的是（)A．光電效應(yīng)實驗 B．光的雙縫干涉實驗C．光的圓孔衍射實驗 D．泊松亮斑實驗答案A解析光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實驗都說明光具有波動性．2．人類對光的本性的認識經(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規(guī)律或歷史事實的是（）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．光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性答案A解析牛頓的“微粒說”認為光是一種物質(zhì)微粒,愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續(xù)的能量,顯然A錯誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性,B正確;麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，C正確;光具有波動性與粒子性,稱為光的波粒二象性，D正確．3．（多選)關(guān)于光的波動性與粒子性，以下說法正確的是（）A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性C．光波不同于機械波，它是一種概率波D．光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一答案BC解析愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現(xiàn)粒子性的，A錯;光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的,B對；光波在少量的情況下表現(xiàn)出粒子性，大量的情況下表現(xiàn)出波動性，C對；光的波動性和粒子性不是孤立的,而是有機的統(tǒng)一體，D錯．4．（多選)下列說法中正確的是()A．光的波粒二象性學說就是牛頓的微粒說加上惠更斯的波動說組成的B．光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的電磁理論C．光子說并沒有否定電磁說，在光子的能量E＝hν中，ν表示波的特性，E表示粒子的特性D．光波不同于宏觀觀念中那種連續(xù)的波，它是表明大量光子運動規(guī)律的一種概率波答案CD解析光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小，可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的,一份是一考點二對概率波的理解5．在做雙縫干涉實驗時，發(fā)現(xiàn)100個光子中有96個通過雙縫后打到了觀察屏上的b處，則b處是(）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答案A解析由光子按波的概率分布的特點去判斷,由于大部分光子都落在b點，故b處一定是亮紋，選項A正確．6．（多選)在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是（)A．使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣B．單個光子通過單縫后,底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C．光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏D．單個光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機性,大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性答案AD7．（多選）光通過各種不同的障礙物后會產(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應(yīng)，這一現(xiàn)象說明(）A．光是電磁波 B．光具有波動性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,說明光有波動性，B正確．衍射圖樣與障礙物的形狀對應(yīng)，說明了衍射圖樣中包含了障礙物的信息，C正確．光是電磁波，光也具有波粒二象性，但在這個現(xiàn)象中沒有得到反映，A、D不正確．二、非選擇題8．（對光的本性的認識)下列列舉的是人類對光的本性的認識：A．牛頓的微粒說和惠更斯的波動說B．光的干涉、衍射現(xiàn)象證明波動說是正確的C．光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為愛因斯坦的光子說誕生奠定了基礎(chǔ)D．光波的傳播介質(zhì)問題是麥克斯韋電磁說誕生的基礎(chǔ)E．一切微觀粒子都具有波粒二象性F．光具有波粒二象性G．微觀世界波粒