#2012屆高考一輪復(fù)習(xí)學(xué)案：12.3波粒二象性

第3課時(shí)波粒二象性基礎(chǔ)知識(shí)歸納1.光的本性學(xué)說(shuō)的發(fā)展史⑴牛頓的微粒說(shuō)：認(rèn)為光是高速粒子流，它能解釋光的直進(jìn)、光的反射現(xiàn)象，不能解釋光的干涉、衍射現(xiàn)象.(2)惠更斯的波動(dòng)說(shuō)：認(rèn)為光是某種振動(dòng)，以波的形式向四周傳播，它能解釋光的干涉、衍射現(xiàn)象，不能解釋光電效應(yīng)、光的直進(jìn).(3)麥克斯韋的電磁說(shuō)：認(rèn)為光是電磁波，實(shí)驗(yàn)依據(jù)是電火花實(shí)驗(yàn)，證明了光與電磁波在真空中傳播速度相等，且都為橫波，能夠解釋光在真空中的傳播、光的干涉、衍射，不能解釋光電效應(yīng).(4)愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)：認(rèn)為光的傳播是一份一份的，每一份叫做光子，其能量與頻率成正比，即E=hu ，能夠解釋光電效應(yīng)、光的直進(jìn)、光的反射，不能解釋光的干涉、衍射.(5)德布羅意的波粒二象性：認(rèn)為光既有粒子性，又有波動(dòng)性，個(gè)別光子表現(xiàn)粒子性，大量光子表現(xiàn)波動(dòng)性：光子頻率大的粒子性明顯，頻率小的波動(dòng)性明顯.能夠解釋所有光現(xiàn)象.2.光的電磁說(shuō)(1)內(nèi)容：光的本質(zhì)是電磁波.(2)意義：光的電磁說(shuō)說(shuō)明了光的電磁本質(zhì)，使人們認(rèn)識(shí)到光波與機(jī)械波的本質(zhì)不同，把光學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái).(3)依據(jù)：光和電磁波的傳播都不需要介質(zhì)；光和電磁波在真空中的傳播速度相同，即c=3x108m/s.3.光電效應(yīng)(1)現(xiàn)象：在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng).(2)光電效應(yīng)的規(guī)律：①任何一種金屬都有發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，隨入射光的頻率增大而增大；③光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9s；④當(dāng)入射光的頻率大于金屬極限頻率時(shí)，光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比.(3)光子說(shuō)：在空間傳播的光不是連^的,而是一份一份的，每一份稱為一個(gè)光子，光子的能量一與其頻率成正比，即E=hv.(4)光電效應(yīng)方程：①逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，即W=hu.；②光電效應(yīng)方程： Ek=hu—W..康普頓效應(yīng)(1)康普頓效應(yīng)：即當(dāng)Y射線或X射線打在物質(zhì)上，與物質(zhì)中原子的核外電子發(fā)生相互作用，作用后產(chǎn)生散射光子和反沖電子的效應(yīng);其作用過(guò)程為：當(dāng)入射X(y)光子和原子內(nèi)一個(gè)軌道電子發(fā)生相互作用時(shí)，光子損失一部分能量，并改變運(yùn)動(dòng)方向(散射光子)，電子獲得能量而脫離原子(反沖電子),此種作用過(guò)程稱為康普頓效應(yīng).其結(jié)果是：產(chǎn)生了次級(jí)電子，反沖電子繼而將發(fā)生電子與物質(zhì)的相互作用.⑵意義：康普頓效應(yīng)是驗(yàn)證光的波粒二象性的重要物理實(shí)驗(yàn)之一.愛(ài)因斯坦光子理論圓滿解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，而康普頓對(duì)康普頓效應(yīng)進(jìn)行了成功的解釋，使光量子說(shuō)得到了實(shí)驗(yàn)的證明，更有力地證明了愛(ài)因斯坦光子理論的正確性.(3)康普頓效應(yīng)的解釋：經(jīng)典解釋(電磁波的解釋)：?jiǎn)紊姶挪ㄗ饔糜诒炔ㄩL(zhǎng)尺寸小的帶電粒子上時(shí)，引起一受迫振動(dòng)，向各方向輻射同頻率的電磁波.經(jīng)典理論解釋頻率不變的一般散射可以，但對(duì)康普頓效應(yīng)不能做出合理解釋；光子理論的解釋：①光子不僅有能量hu，而且有動(dòng)量h/A；②模型：X射線光子與靜止的自由電子發(fā)生彈性碰撞;③在碰撞過(guò)程中能量、動(dòng)量守恒.⑷康普頓效應(yīng)進(jìn)一步證實(shí)了光的粒子性..概率波在雙縫干涉圖樣中，不能肯定某個(gè)光子落在哪一點(diǎn)，即光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的.但光子落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率小.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..光的波粒二象性1)光既具有波動(dòng)性，又有粒子性；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.與其他物質(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)的可能性的多少(概率)，由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用.3)對(duì)不同頻率的光，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.不確定關(guān)系式hAxAp>4n，其中Ax表示粒子位置的不確定量，Ap表示粒子在x方向上的動(dòng)量的不確定量.不確定關(guān)系式表明：(1)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確(Ax-0),動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確(Ap-⑹；(2)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確(Ap-0),坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確(Ax—3.但這里要注意,不確定關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)；也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)；更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)；而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn).重點(diǎn)難點(diǎn)突破一、光電效應(yīng)“光電效應(yīng)”是光的粒子性的一個(gè)重要體現(xiàn),也是光的本性中一個(gè)高考熱點(diǎn),因此在復(fù)習(xí)過(guò)程中：.要澄清一些易混淆的概念,如“光子”、“光電子”、“光子的能量”與“光電子的最大初動(dòng)能”等,這對(duì)理解光電效應(yīng)的規(guī)律具有重要意義.(1)“光子”與“光電子”光子是指光在空間傳播時(shí)的每一份能量(即能量是不連續(xù)的)，光子不帶電，是微觀領(lǐng)域中的一種粒子;

而光電子是金屬表面受到光照時(shí)發(fā)射出來(lái)的電子，因此其本質(zhì)就是電子.(2)“光子的能量”與“入射光的強(qiáng)度”光子的能量是一份一份的，每一份的能量為E=hu,其大小由光的頻率決定；而入射光的強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)入射光中包含光子數(shù)的多少，入射光的強(qiáng)度可表示為P=〃hu,其中n為單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù).(3)“光電子的最大初動(dòng)能”與“光電子的動(dòng)能”光照射到金屬表面時(shí)，電子吸收光子的能量，就可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分能量轉(zhuǎn)化為光電子的初動(dòng)能.所以金屬表面的電子，只需克服原子核的引力做功就能從金屬表面逸出，那么這些光電子具有最大初動(dòng)能，其值為Ekm=hv-W(式中W為金屬的逸出功).而不從金屬表面發(fā)射的光電子，在逸出的過(guò)程中損失的能量會(huì)更多，所以此時(shí)光電子的動(dòng)能Ek<Ekm.一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量后，動(dòng)量立即增大，不需要積累能量的過(guò)程..掌握兩條線索、明確各概念間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由上圖可知，二是光的強(qiáng)度線.這子數(shù)目多一發(fā)射光率高一光子能量大由上圖可知，二是光的強(qiáng)度線.這子數(shù)目多一發(fā)射光率高一光子能量大二、對(duì)光的波這兩條線索：一是光的頻率線，兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系線就是：光強(qiáng)一光電子多一光電流強(qiáng)度大；光子頻一產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能大.粒二象性的理解光源發(fā)射的光子數(shù) v.照射光頻率——決定著每個(gè)光子、 的能量v(每秒鐘逸出的光電子數(shù)光電子 ——決定著光電流的強(qiáng)度 一I光電子逸出后的最大初動(dòng)能??/).光的干涉、衍射現(xiàn)象和光的電磁說(shuō)，表明了光不可懷疑地具有波動(dòng)性；光電效應(yīng)和光子說(shuō)，卻說(shuō)明了光的波動(dòng)性理論有一定的局限性，光還具有粒子性.光的一切行為只有光具有波粒二象性才能說(shuō)明，所以我們認(rèn)為光具有波粒二象性..光子說(shuō)并沒(méi)有否定光的電磁說(shuō)，光子的能量E=加，其中頻率v仍是波的特征，我們不可以把光當(dāng)成宏觀概念中的波，也不可把光子當(dāng)成宏觀概念中的粒子，對(duì)于宏觀物體來(lái)說(shuō)，波粒二象性不可想象但在微觀世界卻是存在的..要認(rèn)識(shí)到不僅光具有波粒二象性，一切微觀粒子都具有波粒二象性，所以波粒二象性是微觀世界具有的特性.隨著研究對(duì)象的不同，我們的觀念、方法也要改變，宏觀現(xiàn)象和微觀現(xiàn)象的研究方法、理解方式是不相同的..對(duì)光的波粒二象性簡(jiǎn)短的總結(jié)：(1)光波有一定的頻率和波長(zhǎng)，光子有一定的能量(E=hv)和動(dòng)量⑦=h。)，是個(gè)矛盾對(duì)立的統(tǒng)一體，彼此含有對(duì)方的成分，共存于光的統(tǒng)一體中.E=hu=hC,p=絲=h.事實(shí)上，不僅光具有波粒二象性，一九 c九h切運(yùn)動(dòng)的物體都具有波粒二象性，其波長(zhǎng)2=p(德布羅意波長(zhǎng)).宏觀物體的德布羅意波長(zhǎng)非常小，很難觀察到它們的波動(dòng)性.(2)只有一個(gè)差異：在一定條件下波動(dòng)性顯著，在另一條件下粒子性顯著，即我們觀察到這對(duì)矛盾的主要方面.具體地說(shuō)就是：光在傳播過(guò)程中波動(dòng)性顯著，光在與物質(zhì)作用時(shí)粒子性表現(xiàn)顯著；大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果則顯示出粒子性.頻率越低的光，波動(dòng)性越顯著；頻率越高的光，粒子性越顯著.—典例精析.對(duì)光的波粒二象性的正確理解【例1】關(guān)于光的波粒二象性，下列說(shuō)法正確的是（ ）A.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B.光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，光跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性C.頻率高的光波動(dòng)性顯著，頻率低的光粒子性顯著D.光既有波動(dòng)性又有粒子性，說(shuō)明光既是波又是粒子【解析】光在一定條件下波動(dòng)性顯著，在另一條件下的粒子性顯著.大量光子的產(chǎn)生的效果顯示波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果則顯示出粒子性，A對(duì)，B對(duì).頻率高的光波長(zhǎng)短，波動(dòng)性不明顯，C錯(cuò).不能將光的波粒二象性理解成光既是波又是粒子，它既不同于宏觀概念中的波，也不同于宏觀概念的粒子，D錯(cuò).【答案】AB【思維提升】波動(dòng)性和粒子性在宏觀領(lǐng)域看起來(lái)是相互對(duì)立的，但在微觀領(lǐng)域，一切微觀粒子都具有波粒二象性.【拓展1】如圖所示，與鋅板相連的驗(yàn)電器的鋁箔原來(lái)是張開的，現(xiàn)在讓弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后照射到鋅板，發(fā)現(xiàn)在鋅板上形成明暗相間的條紋，同時(shí)與 鋅板相連的驗(yàn)電器的鋁箔張角變大，以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明（A） 廣一I!弧光燈A.光具有波粒二象性 Cj||卜B.驗(yàn)電器的鋁箔原來(lái)帶負(fù)電C.鋅板上亮條紋是平行等寬度的D.若改用激光器發(fā)出的紅光照射鋅板，觀察到驗(yàn)電器的鋁箔張角則一定會(huì)變得更大【解析】當(dāng)弧光燈發(fā)出的紫外線經(jīng)過(guò)狹縫照在鋅板上，鋅板上形成明暗相間的條紋，發(fā)生衍射現(xiàn)象，中心條紋寬度最寬，說(shuō)明光有波動(dòng)性；同時(shí)與鋅板相連的驗(yàn)電器的鋁箔張角變大，發(fā)生了光電效應(yīng)，電子飛出，鋅板原來(lái)帶正電，說(shuō)明光有粒子性.所以A正確，B、C錯(cuò)誤.紅光的頻率小于鋅板的極限頻率，不能發(fā)生光電效應(yīng)，D錯(cuò)誤..對(duì)光電效應(yīng)遵循的規(guī)律的理解及應(yīng)用【例2】對(duì)于光電效應(yīng)的解釋，下列選項(xiàng)正確的是（）A.金屬內(nèi)每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能從金屬表面逸出B.如果入射光子的能量小于金屬表面電子克服原子核的引力逸出時(shí)需做的最小功，光電效應(yīng)便不能發(fā)生C.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能也就越大D.由于不同金屬的逸出功不同，因此，使不同金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最低頻率也不相同【解析】同一個(gè)電子是不可能實(shí)現(xiàn)雙光子吸收的，因同一個(gè)電子接收兩個(gè)光子的時(shí)間間隔相當(dāng)長(zhǎng)，而金屬內(nèi)電子的碰撞又是極其頻繁的.兩次碰撞的時(shí)間間隔只有10-15S左右.所以一個(gè)電子接收一個(gè)光子后如不能立即逃逸出金屬表面，它來(lái)不及吸收第二個(gè)光子，原來(lái)吸收的能量就早已消耗殆盡了.可見電子吸收光子的能量不能累加，則A錯(cuò).不同金屬內(nèi)原子核對(duì)電子的束縛程度是不同的，因此電子逃逸出來(lái)克服原子束縛力做功不同，若光子的能量E=hu小于使金屬表面電子克服原子核引力逸出時(shí)所做功的最小值，那就不會(huì)有光電子逸出，即不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng).可見要使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光子能量有一個(gè)最小值E0=hu0，這就對(duì)應(yīng)了一個(gè)極限頻率，則B對(duì).同時(shí)注意到不同的金屬逸出功不同，則其產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率（即極限頻率）不同，則D對(duì).如果光照射某金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，那么入射光線越強(qiáng)說(shuō)明每秒照射到金屬表面單位面積上的光子數(shù)越多，這時(shí)產(chǎn)生的光電子數(shù)就越多，光電流就越大，但由于光子的能量是由光的頻率決定的，E=hu與光子數(shù)的多少無(wú)關(guān)，所以入射光的強(qiáng)度增大，但其頻率不改變時(shí)，光子的能量也不會(huì)改變，這時(shí)每個(gè)電子吸收光子的能量也不會(huì)增加，逸出的光電子的最大初動(dòng)能就不會(huì)改變，故C錯(cuò).【答案】BD【思維提升】本題涉及光電效應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律，旨在考查學(xué)生對(duì)基本概念和基本規(guī)律的理解和掌握程度.同學(xué)們往往容易把光強(qiáng)、光子能量、光電流強(qiáng)度混淆.因此，同學(xué)們應(yīng)特別注意兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系線.解答本題的關(guān)鍵是找好對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要掌握了這兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系線，就不難解答本題.【拓展2】一細(xì)束平行光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分解為互相分離的三束光，分別照射到相同的金屬板〃、b、c上，如圖所示.已知金屬板b有光電子放出，則可知（D）A.板a一定不放出光電子 B.板a一定放出光電子C.板c一定不放出光電子 D.板c一定放出光電子 / 【解析】平行光經(jīng)三棱鏡后，分解為a、b,c三束光，從圖可以看出，色光a、b.c的偏折角關(guān)系為Qa<Ob<6c，所以折射率na<nb<nc，說(shuō)明光的頻率ua<ub<uc.題中說(shuō)色光b照射到金屬板有光電子放出，可斷定，色光b的頻率大于金屬板的極限頻率，因而色光c照射到金屬板一定放出光電子，選項(xiàng)D正確.但由于從題圖中無(wú)法知道ua比ub小多少，也無(wú)法判定ub比u0（極限頻率）大多少，所以無(wú)法肯定ua與u0的關(guān)系，因而不能肯定色光a照射到金屬板上一定放出光電子或一定不放出光電子.所以答案為D..光電效應(yīng)方程Ekm=hu-W的應(yīng)用【例3】如圖所示，陰極K用極限波長(zhǎng)2=0.66pm的金屬線制成， 用波長(zhǎng)丸=

0.50pm的綠光照射陰極K,調(diào)整兩個(gè)極板電壓，當(dāng)A板電壓比陰極高出2.5V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64pA，求：(1)每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能.(2)如果把照射陰極綠光的光強(qiáng)增大為原來(lái)的2倍，每秒鐘陰極發(fā)射的光電子和光電子飛出陰極的最大初動(dòng)能.【解析】(1)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極發(fā)射的光電子全部到達(dá)陽(yáng)極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個(gè)數(shù)0.64x10-6 個(gè)=4.0x1012個(gè)1.6x10-19根據(jù)愛(ài)因斯坦光電方程，光電子的最大初動(dòng)能cc0.50x10-6 0.66x10-6E=hu-W=h--h—=0.50x10-6 0.66x10-60=9.6x10-20J⑵如果照射光的頻率不變，光強(qiáng)加倍，根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，陰極每秒發(fā)射的光電子數(shù)n，=2n=8x1012個(gè)光電子的最大初動(dòng)能仍然是Ev=9.6x10-2。Jkm【思維提升】解答有關(guān)光電管和光電效應(yīng)的問(wèn)題，要注意以下幾個(gè)方面：(1)決定光電子最大初動(dòng)能的是入射光的頻率，決定光電流大小的是光強(qiáng)的大小.(2)光電效應(yīng)發(fā)射出的光電子由一極到達(dá)另一極，是電路中產(chǎn)生電流的條件.(3)搞清楚加在光電管兩極間的電壓對(duì)光電子起到了加速作用，還是減速作用.【拓展3】真空中有一平行板電容器，兩極板分別由鉑和鉀(其極限波長(zhǎng)分別為1和九2)制成，板面積為-，間距為d.現(xiàn)用波長(zhǎng)為2(21v衣22)的單色光持續(xù)照射兩板內(nèi)表面，則電容器的最終帶電荷量Q正比于(D)【解析】當(dāng)電容器極板為最終電荷量時(shí)C.-【解析】當(dāng)電容器極板為最終電荷量時(shí)C.-(/)d肛兩板間電壓為截止電壓D,-(二)d理，即此時(shí)最大初動(dòng)能完全用來(lái)克服電場(chǎng)力做功，末速度為0.則有hu-hu2=eU又v=c,C=8S,U=Q九4kdC解得Q-Chc11 1\Mc.-解得Q=丁（廠三戶vn?d?（黃）22由于嘰為常數(shù)，故D項(xiàng)正確.4ke【例4】如圖所示的電路中兩個(gè)光電管是由同【例4】如圖所示的電路中兩個(gè)光電管是由同種金屬材料制成的陰極.現(xiàn)用強(qiáng)度相同的兩束光分別照射在兩個(gè)光電管的陰極上，紫光照在（甲）電路的光電管上，綠光照