2024-2025學(xué)年高中物理第四章波粒二象性3光的波粒二象性教案教科版選修3-5

PAGE8-3光的波粒二象性一、康普頓效應(yīng)1．光的散射光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生變更，這種現(xiàn)象叫做光的散射．2．康普頓效應(yīng)美國物理學(xué)家康普頓在探討石墨對X射線的散射時，發(fā)覺在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成格外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)．3．康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深化揭示了光的粒子性的一面．4．光子的動量(1)表達式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量變?。虼耍行┕庾由⑸浜蟛ㄩL變大．二、光的波粒二象性1．光的波粒二象性(1)光的干涉和衍射現(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．(2)光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝eq\f(h,λ).(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性．2．對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ε＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的親密聯(lián)系．(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)光在傳播時體現(xiàn)出波動性，在與其他物質(zhì)相互作用時體現(xiàn)出粒子性．光的粒子性和波動性組成一個有機的統(tǒng)一體．三、光是一種概率波在雙縫干涉試驗中，屏上亮紋的地方，是光子到達概率大的地方，暗紋的地方是光子到達概率小的地方．所以光波是一種概率波．即光波在某處的強度代表著光子在該處出現(xiàn)概率的大?。谏钪形覀儠脑S多照片，通常我們都認為，這是由人和景物發(fā)出或反射的光波經(jīng)過照相機的鏡頭聚焦在底片上形成的．事實上照片上的圖像也是由光子撞擊底片，使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的．下圖是用不同曝光量洗印的照片，請你依據(jù)自己對光的理解作出說明．用不同曝光量洗印的照片提示：光是一種概率波，在照片的有些地方光子出現(xiàn)的概率大，有些地方光子出現(xiàn)的概率?。谄毓饬亢苄〉臓顩r下，在照片上出現(xiàn)的是一些隨機分布的光點，隨著曝光量的增大，圖像漸漸清晰起來．

考點一對康普頓效應(yīng)的理解假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞跟臺球競賽中的兩球碰撞很相像．依據(jù)愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量E＝hν，而且還有動量．如圖所示．這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰，光子把部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，能量由hν減小為hν′，因此頻率減小，波長增大．同時，光子還使電子獲得肯定的動量．這樣就圓滿地說明白康普頓效應(yīng)．【例1】康普頓效應(yīng)證明白光子不僅具有能量，也有動量．如圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰后光子可能沿方向________運動，并且波長________(填“不變”“變短”或“變長”)．依據(jù)碰撞過程中動量、能量均守恒以及動量是矢量分析此題．【解析】因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前動量的方向一樣，可見碰后光子可能沿1方向運動，不行能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量削減，由E＝hν知，頻率變小，再依據(jù)c＝λν知，波長變長．【答案】1變長總結(jié)提能①宏觀世界中物體間的相互作用過程中所遵循的規(guī)律，也適用于微觀粒子的相互作用過程；②康普頓效應(yīng)進一步揭示了光的粒子性，也再次證明白愛因斯坦光子說的正確性．科學(xué)探討證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．則在光子與電子的碰撞過程中，下列說法中正確的是(D)A．能量守恒，動量守恒，且碰撞后光子的波長變短B．能量不守恒，動量不守恒，且碰撞后光子的波長變短C．只有碰撞前后兩者的運動方向在一條直線上，能量和動量才守恒，且碰撞后光子的波長變長D．能量守恒，動量守恒，且碰撞后光子的波長變長解析：不論碰撞前后光子和電子的運動方向是否在一條直線上，能量和動量均守恒；由于碰撞過程中光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給了電子，由E＝hν可知，光子的能量E變小使得頻率ν變小，由λ＝eq\f(c,ν)知波長λ變長．考點二光的波粒二象性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(dǎo)作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，由波動性起主導(dǎo)作用，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ε＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的親密聯(lián)系．【例2】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顯示出粒子性(1)在宏觀現(xiàn)象中，波與粒子是對立的概念，而在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一．(2)光具有波粒二象性是指光在傳播過程中和其他物質(zhì)作用時分別表現(xiàn)出波和粒子的特性．【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，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子．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，不能說光子與電子是同樣的一種粒子．光的波粒二象性的理論和試驗表明，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，其光子能量越大，個別或少數(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C正確，A、B、D錯誤．【答案】C(多選)人類對光的本性的相識經(jīng)驗了曲折的過程．下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實的是(BCD)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．光的雙縫干涉試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，明顯選項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，選項B正確；麥克斯韋依據(jù)光的傳播不須要介質(zhì)以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等，從而認為光是一種電磁波，后來赫茲用試驗證明白光的電磁說，選項C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項D正確．考點三對概率波的理解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)先不確定的．2．大量粒子運動的必定性由波動規(guī)律，我們可以精確地知道，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．【例3】(多選)物理學(xué)家做了一個好玩的試驗：在雙縫干涉試驗中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強度，使光子只能一個一個地通過狹縫，試驗結(jié)果表明，假如曝光時間不太長，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點子；假如曝光時間足夠長，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，對這個試驗結(jié)果有下列相識，其中正確的是()A．曝光時間不長時，光子的能量太小，底片上的條紋看不清晰，故出現(xiàn)不規(guī)則的點子B．單個光子的運動沒有確定的軌道C．干涉條紋中光明的部分是光子到達機會較多的地方D．只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動性光是概率波，單個光子的運動具有偶然性，大量光子的運動具有必定性．【解析】光波是概率波，單個光子沒有確定的軌道，其到達某點的概率受波動規(guī)律支配，大量光子的行為符合統(tǒng)計規(guī)律，受波動規(guī)律支配，才表現(xiàn)出波動性，出現(xiàn)干涉中的亮紋或暗紋，故A錯誤，B、D正確；干涉條紋中的亮紋處是光子到達機會多的地方，暗紋處是光子到達機會少的地方，但也有光子到達，故C正確．故選BCD.【答案】BCD總結(jié)提能物質(zhì)波是一種概率波，但不能將實物粒子的波動性等同于宏觀的機械波．更不能理解為粒子做曲線運動；單個光子到達的位置是不確定的，大量光子遵循波動規(guī)律．(多選)在單縫衍射試驗中，中心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(CD)A．肯定落在中心亮紋處B．肯定落在亮紋處C．可能落在暗紋處D．落在中心亮紋處的可能性最大解析：依據(jù)光是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不行確定的，但概率最大的是落在中心亮紋處，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．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中不正確的是(C)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．光波頻率越高，粒子性越明顯C．能量較大的光子其波動性越顯著D．個別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性解析：光的波粒二象性是指光波同時具有波和粒子的雙重性質(zhì)，但有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性，選項A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光，光子的能量越大，粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，選項B正確，C錯誤；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，選項D正確．2．有關(guān)光的本性，下列說法正確的是(D)A．光既具有波動性，又具有粒子性，這是相互沖突和對立的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解析：19世紀初，人們勝利地在試驗中視察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說無法說明．但到了19世紀末又發(fā)覺了光的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)，證明光具有粒子性．這種現(xiàn)象波動說不能說明，因此，光既具有波動性，又具有粒子性，但不同于宏觀的機械波和機械粒子．波動性和粒子性是光在不同的狀況下的不同表現(xiàn)，是同一物體的兩個不同側(cè)面，不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性，選項D正確．3．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是(D)A．兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都聽從動量守恒定律和能量守恒定律B．兩種效應(yīng)都相當于電子與光子的彈性碰撞過程C．兩種效應(yīng)都屬于汲取光子的過程D．光電效應(yīng)是汲取光子的過程，而康普頓效應(yīng)相當于光子和電子彈性碰撞的過程解析：光電效應(yīng)汲取光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應(yīng)相當于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說明光具有粒子性，故D正確．4．下列說法正確的是(B)A．概率波就是機械波B．物質(zhì)波是一種概率波C．概率波和機械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D．在光的雙縫干涉試驗中，若有一個光子，則能確定這個光子落在哪個點上解析：概率波與機械波是兩個概念，本質(zhì)不同，選項A、C錯誤；物質(zhì)波是一種概率波，符合概率波的特點；在光的雙縫干涉試驗中，若有一個光子，則不能確定這個光子落在哪個點上，選項D錯誤，B正確．5．(多選)利用金屬晶格(大小約10－10m)作為障礙物視察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過電場加速后，讓電子束照耀到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣，如圖所示．已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為hA．該試驗說明白電子具有波動性B．試驗中電子束的德布羅意波的波長為λ＝e