高中物理新教材同步選擇性必修第三冊 第4章 2 第2課時　康普頓效應(yīng)　光的波粒二象性

第2課時康普頓效應(yīng)光的波粒二象性[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解康普頓效應(yīng)及其意義.2.了解光的波粒二象性．一、康普頓效應(yīng)和光子的動量1．康普頓效應(yīng)：在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．2．康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量而且具有動量．3．光子的動量(1)表達(dá)式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量可能變?。虼?，有些光子散射后波長變大．二、光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象表明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．判斷下列說法的正誤．(1)光子的動量與波長成反比．(√)(2)光子發(fā)生散射后，其波長變大．(√)(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．(×)一、康普頓效應(yīng)和光子的動量1．康普頓效應(yīng)的解釋假定光子與電子發(fā)生彈性碰撞，按照愛因斯坦的光子說，一個光子不僅具有能量ε＝hν，而且還有動量．如圖1所示，這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞，光子把部分動量轉(zhuǎn)移給了電子，動量由eq\f(h,λ)減小為eq\f(h,λ′)，因此p減小，波長增大．圖12．康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性．(2020·全國高三課時練習(xí))美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運(yùn)動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變．下列說法正確的是()A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運(yùn)動方向，但頻率保持不變答案B解析在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據(jù)p＝eq\f(hν,c)，知光子頻率減小，康普頓效應(yīng)說明光不但具有能量而且具有動量，揭示了光的粒子性，故A、C、D錯誤，B正確．科學(xué)研究證明，光子既有能量也有動量，當(dāng)光子與電子碰撞時，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為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中()A．能量守恒，動量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，動量守恒，且λ<λ′D．能量守恒，動量守恒，且λ>λ′答案C解析能量守恒定律和動量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，既適用于宏觀世界也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律，光子與電子碰撞前光子的動量p＝eq\f(h,λ)，當(dāng)光子與電子碰撞時，光子的一些動量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的動量p′＝eq\f(h,λ′)，又由p＞p′，可知λ<λ′，選項(xiàng)C正確．提示光子不僅具有能量ε＝hν，而且還具有動量，光子與物質(zhì)中的微粒碰撞時要遵守能量守恒定律和動量守恒定律．二、光的波粒二象性1．光的波動性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光的干涉和衍射．2．光的粒子性(1)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)．(2)表現(xiàn)：①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性．(3)說明：①粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的；②光子不同于宏觀觀念的粒子．(多選)關(guān)于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是()A．光子說的確立完全否定了波動說B．光電效應(yīng)說明光具有波動性C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象D．光的波粒二象性才是對光的本性的正確認(rèn)識答案CD解析光子說的確立，沒有完全否定波動說，使人們對光的本性認(rèn)識更完善，光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A錯誤，D正確；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故B錯誤；波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故C正確．(多選)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．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性答案CD解析一切光都具有波粒二象性，光的有些現(xiàn)象(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些現(xiàn)象(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子，A錯誤．電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯誤．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，D正確．1．(康普頓效應(yīng))白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果．美國物理學(xué)家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎．假設(shè)一個運(yùn)動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一方向運(yùn)動，光子沿另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來的光子相比()A．頻率變大B．速度變小C．光子能量變大D．波長變長答案D解析光子與自由電子碰撞時，遵守動量守恒定律和能量守恒定律，自由電子被碰前靜止，被碰后動量、能量增加，所以光子的動量、能量減小，但速度仍為光速，由ε＝hν知，頻率變小，則波長變長，故選項(xiàng)D正確．2．(光的波粒二象性)關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中不正確的是()A．波粒二象性指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性B．光的頻率越高，粒子性越明顯C．能量越大的光子其波動性越顯著D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下的光的波動性表現(xiàn)明顯答案C解析波粒二象性指光有時表現(xiàn)出的粒子性明顯，有時表現(xiàn)出的波動性較明顯，或者說在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的波動性表現(xiàn)明顯，A、D說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性相對波動性越明顯，B說法正確，C說法錯誤．3．(光的波粒二象性)(2019·拉薩那曲第二高級中學(xué)高二期末)下列關(guān)于光的本性的說法中正確的是()A．關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說”，惠更斯提出了“波動說”，愛因斯坦提出了“光子說”，綜合他們的說法圓滿地說明了光的本性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．頻率低、波長長的光，粒子性特征顯著；頻率高、波長短的光，波動性特征顯著答案C解析牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種實(shí)物粒子，是宏觀意義的粒子，而不是微觀概念上的粒子，實(shí)際上是不科學(xué)的；惠更斯提出了“波動說”，愛因斯坦提出了“光子說”，說明光既具有粒子性，又具有波動性，即具有波粒二象性，才能圓滿說明光的本性，故A錯誤．光具有波粒二象性，不能把光看成宏觀概念上的波，故B錯誤．干涉和衍射是波的特有現(xiàn)象，光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故C正確．頻率低、波長長的光，波動性特征顯著，頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著，故D錯誤．考點(diǎn)一康普頓效應(yīng)光子的動量1．(2019·廈門第一中學(xué)階段測試)康普頓散射的主要特征是()A．散射光的波長與入射光的波長全然不同B．散射光的波長有些與入射光的相同，但有些變短了，散射角的大小與散射波長無關(guān)C．散射光的波長有些與入射光的相同，但也有變長的，也有變短的D．散射光的波長有些與入射光的相同，有些散射光的波長比入射光的波長長些，且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān)答案D解析測量發(fā)現(xiàn)康普頓散射后的X射線中，既有波長不變的X射線，又有波長變長的X射線，而且散射光波長的改變量與散射角的大小有關(guān)，波長變長的X射線動量和能量的大小均變小了，這是散射過程中動量和能量守恒的體現(xiàn)，選項(xiàng)D正確．2．(2019·臨汾一中模擬)X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為λ，h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，則()A．E＝eq\f(hλ,c)，p＝0 B．E＝eq\f(hλ,c)，p＝eq\f(hλ,c2)C．E＝eq\f(hc,λ)，p＝0 D．E＝eq\f(hc,λ)，p＝eq\f(h,λ)答案D解析根據(jù)E＝hν，且λ＝eq\f(h,p)，c＝λν，可得X射線每個光子的能量為E＝eq\f(hc,λ)，每個光子的動量為p＝eq\f(h,λ)，選項(xiàng)D正確．3．(多選)(2020·林州一中高二月考)頻率為ν的光子，波長為λ＝eq\f(h,p)，能量為E，則光的速度為()A.eq\f(Eλ,h) B．pEC.eq\f(E,p) D.eq\f(h2,Ep)答案AC解析根據(jù)光速c＝λν和光子的能量E＝hν可得光的速度為c＝eq\f(E,h)λ＝eq\f(E,p)，故A、C正確．考點(diǎn)二光的波粒二象性4．(2020·上海市高二期末)如圖1，弧光燈發(fā)出的光，經(jīng)過下列實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生了兩個重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①經(jīng)過一狹縫后，在后面的鋅板上形成明暗相間的條紋；②與鋅板相連的驗(yàn)電器的鋁箔張開了一定的角度．則這兩個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分別說明()圖1A．①和②都說明光有波動性B．①和②都說明光有粒子性C．①說明光有粒子性，②說明光有波動性D．①說明光有波動性，②說明光有粒子性答案D解析現(xiàn)象①是光的衍射現(xiàn)象，該現(xiàn)象說明了光具有波動性；現(xiàn)象②是光電效應(yīng)現(xiàn)象，該現(xiàn)象說明了光具有粒子性，故A、B、C錯誤，D正確．5．(多選)圖2中四幅圖涉及光的粒子性和波動性，其中說法正確的是()圖2A．圖甲的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)說明光具有波粒二象性B．圖乙說明，在光電效應(yīng)中，同一單色入射光越強(qiáng)，飽和電流越大C．圖丙的“泊松亮斑”說明光具有波動性，是光通過小圓孔時發(fā)生衍射形成的D．圖丁的康普頓效應(yīng)表明光子具有動量，揭示了光的粒子性的一面答案BD解析題圖甲的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)說明光具有粒子性，選項(xiàng)A錯誤；題圖乙中，黃光的強(qiáng)度越大，飽和電流越大，即說明在光電效應(yīng)中，同一單色入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，選項(xiàng)B正確；題圖丙的泊松亮斑說明光具有波動性，是光通過小圓板時發(fā)生衍射形成的，選項(xiàng)C錯誤；題圖丁的康普頓效應(yīng)表明光子具有動量，揭示了光的粒子性的一面，選項(xiàng)D正確．6．(多選)下列關(guān)于光的波粒二象性的說法中，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ABC解析光既具有波動性，又具有粒子性，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有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，故D錯誤．7．2018年11月29日，國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“超分辨光刻裝備研制”通過驗(yàn)收，該光刻機(jī)光刻分辨率達(dá)到22nm.關(guān)于光的認(rèn)識，下列說法正確的是()A．光子除了具有能量之外還具有動量B．波長越長的光，光子動量越大C．光電效應(yīng)顯示了光的波動性D．愛因斯坦測量了光電效應(yīng)中幾個重要的物理量，由此算出了普朗克常量h答案A解析光子除了具有能量之外還具有動量，選項(xiàng)A正確；根據(jù)p＝eq\f(h,λ)可知，波長越長的光，光子動量越小，選項(xiàng)B錯誤；光電效應(yīng)顯示了光的粒子性，選項(xiàng)C錯誤；密立根測量了光電效應(yīng)中幾個重要的物理量，由此算出了普朗克常量h，選項(xiàng)D錯誤．8．(多選)(2020·南昌二中高二月考)美國物理學(xué)家阿瑟·阿什金因利用光的力量來操縱細(xì)胞獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎，原來光在接觸物體后，會對其產(chǎn)生力的作用，這個來自光的微小作用可以讓微小的物體(如細(xì)胞)發(fā)生無損移動，這就是光鑷技術(shù)．在光鑷系統(tǒng)中，光路的精細(xì)控制非常重要．對此下列說法正確的是()A．光鑷技術(shù)利用光的粒子性B．光鑷技術(shù)利用光的波動性C．紅色激光光子能量大于綠色激光光子能量D．紅色激光光子能量小于綠色激光光子能量答案AD解析光在接觸物體后，會對其產(chǎn)生力的作用，則光鑷技術(shù)利用光的粒子性，選項(xiàng)A正確，B錯誤；紅光的頻率小于綠光，根據(jù)E＝hν可知，紅色激光光子能量小于綠色激光光子能量，選項(xiàng)C錯誤，D正確．9．(2020·銀川二中月考)關(guān)于光，下列說法正確的是()A．光子是比電子、質(zhì)子更小的實(shí)物粒子B．光在有些情況下只具有粒子性，在另一些情況下只具有波動性C．普朗克常量