新課改高中物理選修三同步專題講義：06 A波粒二象性 基礎(chǔ)版（學(xué)生版）

波粒二象性一、光的電磁理論1．光是一種電磁波⑴光具有波的特性，在同一介質(zhì)中光速、波長(zhǎng)和頻率之間滿足：。（請(qǐng)注意分清和這兩個(gè)易混的字母）⑵在可見光中，各色光頻率的大小關(guān)系是：。2．介質(zhì)對(duì)光速的影響⑴光在真空中的速度：。⑵光在不同的介質(zhì)中的速度由可知，介質(zhì)的折射率越大，光速越小。⑶不同色光在同一介質(zhì)中的速度由三棱鏡光的色散實(shí)驗(yàn)可知，同一介質(zhì)對(duì)紫光的折射率最大，紅光的最小。再由得到，在同一介質(zhì)中有：。二、光的粒子1．光電效應(yīng)如圖所示，把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，手觸鋅板使驗(yàn)電器指示歸零。用紫外線照射鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器的指針張開。物理學(xué)家赫茲（德國(guó)）、勒納德（德國(guó)）、湯姆孫（英國(guó)）等相繼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了這樣一個(gè)現(xiàn)象：照射到金屬表面的光，能使金屬表面的電子從表面逸出。這個(gè)現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，這種電子常被稱為光電子。⑴光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律=1\*GB3①任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率，也稱極限頻率。入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。=2\*GB3②逸出光電子的動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。入射光的頻率越大，逸出光電子的動(dòng)能就越大。=3\*GB3③對(duì)于一定顏色的光（），入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。=4\*GB3④無論入射光（）怎樣微弱，光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。⑵光電效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的沖突=1\*GB3①按照光的電磁理論，光是電磁波，是變化的電場(chǎng)與變化的磁場(chǎng)的傳播。入射光照射到金屬上時(shí)，金屬中的自由電子受變化電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力作用而做受迫振動(dòng)，增大入射光的強(qiáng)度，光波的振幅增大，當(dāng)電子做受迫振動(dòng)的振幅足夠大時(shí)，總可以掙脫金屬束縛而逸出，成為光電子，不應(yīng)存在極限頻率。②按照光的電磁理論，光越強(qiáng)，光子的初動(dòng)能應(yīng)該越大。=3\*GB3③按照光的電磁理論，光電子的產(chǎn)生需要較長(zhǎng)的時(shí)間而不是瞬間。=3\*GB2⑶光子說=1\*GB3①在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量與光的頻率成正比，即，其中普朗克常量。②光子說對(duì)光電效應(yīng)的解釋：(a)光子的能量只與光的頻率有關(guān)，電子吸收到光子的頻率越大，獲得的能量也就越多。當(dāng)能量足以使電子擺脫金屬的束縛時(shí)，它就從金屬表面逸出，成為光電子，因而存在一個(gè)截止頻率。(b)根據(jù)能量守恒定律，逸出光電子的最大初動(dòng)能：。這就是著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程，為金屬的逸出功。(c)入射光越強(qiáng)，單位體積內(nèi)的光子數(shù)就越多。光子數(shù)越多，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)也就越多。(d)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，因此光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。典例精講【例1.1】（桂林期末）在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連。用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)（）A．鋅板帶正電 B．鋅板帶負(fù)電 C．指針不帶電 D．鋅板有正電子飛出【例1.2】（揚(yáng)州期末）有一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是（）A．改用頻率更小的紫外線照射 B．改用光子能量更大的射線照射 C．改用強(qiáng)度更大的原紫外線照射 D．延長(zhǎng)原紫外線的照射時(shí)間【例1.3】（寶安區(qū)期末）如圖所示，某實(shí)驗(yàn)小組把一驗(yàn)電器與鋅板相連，現(xiàn)用一弧光燈照射鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器金屬片張開一定的夾角，則（）A．驗(yàn)電器和鋅板帶同種電荷 B．用X射線照射鋅板，驗(yàn)電器金屬片不會(huì)張開夾角 C．用紅外線燈照射鋅板，也一定能使驗(yàn)電器張開一定角度 D．用兩個(gè)相同的弧光燈同時(shí)照射鋅板產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能將變?yōu)樵瓉淼膬杀丁纠?.4】（廣安期末）愛因斯坦提出光是一份一份傳播的，每一份叫光量子，簡(jiǎn)稱光子，其能量E＝hν，從而很好地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。愛因斯坦光電效應(yīng)方程是光電效應(yīng)現(xiàn)象的一個(gè)重要方程，它是根據(jù)下列哪個(gè)定律推導(dǎo)出來的（）A．歐姆定律 B．能量守恒定律 C．庫侖定律 D．動(dòng)量守恒定律2．康普頓效應(yīng)⑴光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。⑵康普頓效應(yīng)1918~1922年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于的成分，這個(gè)現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)?？灯疹D的學(xué)生，中國(guó)留學(xué)生吳有訓(xùn)測(cè)試了多種物質(zhì)對(duì)X射線的散射，證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性。=3\*GB2⑶康普頓效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的沖突按照經(jīng)典電磁理論，由于光是電磁振動(dòng)的傳播，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光。散射光的頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率，也就是入射光的頻率，因而散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)應(yīng)該相同，不會(huì)出現(xiàn)的散射光。經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)又一次出現(xiàn)矛盾。=4\*GB2⑷光子模型對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應(yīng)?；舅枷胧牵篨射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動(dòng)量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律，求解這些方程，可以得出散射光波長(zhǎng)的變化值。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。=5\*GB2⑸光子的動(dòng)量：典例精講【例2.1】（永定區(qū)校級(jí)月考）下列說法不正確的是（）A．光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性 B．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動(dòng)性 C．黑體是一種理想化模型，其輻射強(qiáng)度與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng) D．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，會(huì)把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后波長(zhǎng)變短【例2.2】（韓城市期末）下列說法正確的是（）A．愛因斯坦在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說 B．光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性 C．不確定性關(guān)系只適用于電子和光子等微觀粒子，不適用于其他宏觀物體 D．一個(gè)放射性原子核發(fā)生一次β衰變，它的質(zhì)子數(shù)增加一個(gè)，中子數(shù)減少一個(gè)【例2.3】（陸良縣二模）以下說法正確的是（）A．盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子具有核式結(jié)構(gòu)模型 B．太陽輻射能量來自核聚變，目前采用核電站發(fā)電的能量均來自核聚變反應(yīng) C．一個(gè)氫原子從n＝4的激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)，最多能輻射5種不同頻率的光子 D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道遷到半徑較大的軌道時(shí)，電子的動(dòng)能減小，原子總能量增大 E．康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，電子的衍射實(shí)驗(yàn)說明粒子具有波動(dòng)性【例2.4】（啟東市校級(jí)期中）利用金屬晶格（大小約10﹣10m）作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過電場(chǎng)加速，然后讓電子束照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣。己知電子質(zhì)量為m、電量為e、初速度為零，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說法中正確的是（）A．該實(shí)驗(yàn)說明電子具有波動(dòng)性 B．實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長(zhǎng)為λ=?C．加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越不明顯 D．若用相同動(dòng)能的質(zhì)子代替電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯三、波粒二象1．光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象和光的電磁理論，證明光具有波動(dòng)性；光電效應(yīng)現(xiàn)象和光子說證明光具有粒子性。無法用其中的一種性質(zhì)解釋所有光現(xiàn)象，所以認(rèn)定光既有粒子性，又有波動(dòng)性，即具有波粒二象性。當(dāng)研究個(gè)別光子的行為時(shí)，呈現(xiàn)的是粒子性；當(dāng)研究大量光子的連續(xù)行為時(shí)，呈現(xiàn)的是波動(dòng)性。光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著，光的波長(zhǎng)越短，其粒子性越顯著。典例精講【例1.1】（天津期末）下列關(guān)于光的說法中，正確的是（）A．光有時(shí)是波，有時(shí)是粒子 B．光電效應(yīng)表明在一定條件下，光子可以轉(zhuǎn)化為電子 C．光的干涉現(xiàn)象和光的衍射現(xiàn)象說明光具有粒子性 D．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性【例1.2】（啟東市期末）波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有（）A．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動(dòng)性解釋 B．光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光具有粒子性 C．康普頓效應(yīng)揭示了光具有波動(dòng)性 D．動(dòng)能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波長(zhǎng)也相等【例1.3】（迎澤區(qū)校級(jí)月考）關(guān)于光的波粒二象性下列說法正確的是（）A．光子說完全否定了波動(dòng)說 B．光波頻率越高，波動(dòng)性越明顯 C．個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性 D．光的波粒二象性是指光和經(jīng)典的波和微粒都很相似【例1.4】（孝感期末）手機(jī)大多有拍照功能，用來衡量其拍照性能的一個(gè)重要的指標(biāo)就是像素，像素可理解為光子打在光屏上的一個(gè)亮點(diǎn)，300萬像素的手機(jī)拍出的照片比30萬像素的手機(jī)拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解為（）A．光具有波粒二象性，大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性 B．光的波動(dòng)性是大量光子之間的相互作用引起的 C．光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是一份一份的 D．大量光子表現(xiàn)光具有粒子性2．粒子的波動(dòng)性德布羅意考慮到普朗克量子理論和愛因斯坦光子理論的成功，大膽把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等。他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來稱為德布羅意波，也叫做物質(zhì)波。1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。說明：這部分內(nèi)容深入講解的話涉及量子力學(xué)的知識(shí)，高考也極少考察，因此老師根據(jù)課堂實(shí)際情況簡(jiǎn)單說明即可。隨堂練習(xí)一．選擇題（共10小題）1．（涼州區(qū)校級(jí)期末）關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律，下面說法中正確的是（）A．當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí)，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則入射光的頻率越高，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能也就越大 B．當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí)，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，如果入射光的強(qiáng)度減弱，從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時(shí)間間隔將明顯增加 C．對(duì)某金屬來說，入射光波長(zhǎng)必須大于一極限值，才能產(chǎn)生光電效應(yīng) D．同一頻率的光照射不同金屬，如果都能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則所有金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能一定相同2．（懷柔區(qū)模擬）如圖所示，把一塊不帶電的鋅板連接在驗(yàn)電器上。當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí)，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針偏轉(zhuǎn)一定角度，則（）A．鋅板帶正電，驗(yàn)電器帶負(fù)電 B．從鋅板逸出電子的動(dòng)能都相等 C．撤去光源，將毛皮摩擦過的橡膠棒與鋅板接觸，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針偏角不變 D．撤去光源，將毛皮摩擦過的橡膠棒與鋅板接觸，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針偏角會(huì)變小3．（鄭州期末）關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是（）A．光電效應(yīng)現(xiàn)象顯示了光的波動(dòng)性 B．照射同種金屬，逸出光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān) C．在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓增加，光電流會(huì)一直增加 D．入射光的頻率低于截止頻率時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象4．（沙雅縣校級(jí)期中）用某種色光照射到金屬表面時(shí)，金屬表面有光電子飛出，如果光的強(qiáng)度減弱而頻率不變，則（）A．光的強(qiáng)度減弱到某一最低數(shù)值時(shí)，仍有光電子飛出 B．光的強(qiáng)度減弱到某一最低數(shù)值時(shí)，就沒有光電子飛出 C．光電子從金屬表面逸出時(shí)的最大初動(dòng)能減小 D．單位時(shí)間內(nèi)飛出的光電子數(shù)目不變5．（諸暨市校級(jí)期中）下列關(guān)于波粒二象性的說法正確的是（）A．光電效應(yīng)揭示了光的波動(dòng)性 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，若時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上不會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣 C．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動(dòng)性解釋 D．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動(dòng)性6．（宿遷期末）以下說法中正確的是（）A．電子是實(shí)物粒子，運(yùn)動(dòng)過程中只能體現(xiàn)粒子性 B．光子的數(shù)量越多，傳播過程中其粒子性越明顯 C．光在傳播過程中，只能顯現(xiàn)波動(dòng)性 D．高速飛行的子彈由于德布羅意波長(zhǎng)較短，故不會(huì)“失準(zhǔn)”7．（信州區(qū)校級(jí)月考）波粒二象性時(shí)微觀世界的基本特征，以下說法正確的有（）A．光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性 B．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有粒子性 C．黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動(dòng)性解釋 D．動(dòng)能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波長(zhǎng)也相等8．（淮南模擬）下列選項(xiàng)中，說法正確的是（）A．借助于能量子的假說，愛因斯坦得出了黑體輻射的強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的公式，與實(shí)驗(yàn)符合非常好 B．光電效應(yīng)現(xiàn)象表明，光具有波動(dòng)性 C．盧瑟福提出核式結(jié)構(gòu)模型，很好地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象 D．β射線是高速電子流，它的穿透能力比α射線和γ射線都弱9．（金州區(qū)校級(jí)期中）下列說法正確的是（）A．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，因此，光子散射后波長(zhǎng)變小 B．玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論是在盧瑟福核式結(jié)構(gòu)學(xué)說上引入了量子理論 C．某原子核經(jīng)過一次α衰變和兩次β衰變后，核內(nèi)中子數(shù)減少2個(gè) D．在黑體輻射中隨著溫度的升高，一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都會(huì)增加，另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的方向移動(dòng)10．用X射線照射石墨后，散射出來的X射線的波長(zhǎng)（）A．變長(zhǎng) B．變短 C．不變 D．變長(zhǎng)變短都用可能出現(xiàn)二．多選題（共3小題）11．（紹興模擬）下列說法正確的是（）A．“物體的長(zhǎng)度”體現(xiàn)了量子化的思想 B．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，增大入射光的強(qiáng)度能增大光電子的最大初動(dòng)能 C．比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢靠，原子核越穩(wěn)定 D．能量的耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性12．（鹽城一模）如圖所示，用導(dǎo)線將驗(yàn)電器與潔凈的鋅板連接，觸摸鋅板使驗(yàn)電器箔片不張開。用紫外線燈照射鋅板，驗(yàn)電器箔片張開，移走紫外線燈，用帶負(fù)電的橡膠棒接觸鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器箔片張角減小；改用紅外線燈照射鋅板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器箔片不張開。則說明（）A．用紫外線燈照射后鋅板帶正電 B．用紅外線燈照射后鋅板帶負(fù)電 C．紅外線的頻率小于鋅的極限頻率 D．紫外線的頻率小于鋅的極限頻率13．（綦江區(qū)校級(jí)月考）能說明光具有粒子性的實(shí)驗(yàn)（）A．α粒子的散射實(shí)驗(yàn) B．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) C．電子衍射實(shí)驗(yàn) D．康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)三．計(jì)算題（共2小題）14．（紹興月考）真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極絲構(gòu)成，如圖（a）所示是半圓柱面陰極式光電管，陰極材料的逸出功為W，陽極與陰極同軸放置，當(dāng)頻率為v的入射光穿過光窗照到陰極上時(shí)，由于光電效應(yīng)，逸出的電子在電場(chǎng)作用下作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位陽極接收，形成光電流。不計(jì)電子重力及電子之間的相互作用。已知元電荷為e，電子質(zhì)量為m，普朗克常量為h。（1）給光電管兩極加上電壓U，求陰極表面逸出的電子的最大初速度vm和到達(dá)陽極的電子的最大動(dòng)能。（2）圖（b）是小明畫出的光電管橫截面示意圖。他撤去光電管兩極的電壓，在半徑為R的半圓平面內(nèi)加一垂直截面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，只考慮電子在截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。（Ⅰ）研究發(fā)現(xiàn)，要使電子能運(yùn)動(dòng)到陽極處，逸出時(shí)的速度必須大于5v，求感應(yīng)強(qiáng)度B值；所加磁場(chǎng)的磁（Ⅱ）進(jìn)一步研究表明，陰陽兩極沒有同軸會(huì)造成到達(dá)陽極的光電子數(shù)目不同，小明拿到一個(gè)“次品”，其陽極比正常圓心位置向右偏離了，假設(shè)光電子且只考慮速度為vm的光