2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 波粒二象性 第三節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第四節(jié) 光的波粒二象性同步備課教學(xué)案 粵教版選修3-5

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1、 第三節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第四節(jié) 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.知道光的波粒二象性并會(huì)分析有關(guān)現(xiàn)象.3.了解什么是概率波,知道光也是一種概率波. 一、康普頓效應(yīng) [導(dǎo)學(xué)探究] 太陽光從小孔射入室內(nèi)時(shí),我們從側(cè)面可以看到這束光;白天的天空各處都是亮的;宇航員在太空中會(huì)發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目,其他方向的天空卻是黑的,為什么? 答案 在地球上存在著大氣,太陽光經(jīng)大氣中微粒散射后傳向各個(gè)方向,而在太空中的真空環(huán)境下光不再散射只向前傳播. [知識(shí)梳理] 1.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. 2.康普

2、頓效應(yīng) 美國物理學(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)λ0相同的成分外,還有波長(zhǎng)大于λ0的成分,這個(gè)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(dòng)量,深入揭示了光的粒子性的一面. 4.光子的動(dòng)量 (1)表達(dá)式:p=. (2)說明:在康普頓效應(yīng)中,入射光子與物質(zhì)中電子碰撞時(shí),把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子,光子的動(dòng)量變?。虼耍行┕庾由⑸浜蟛ㄩL(zhǎng)變大. [即學(xué)即用] 判斷以下說法的正誤. (1)光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)成反比.( √ ) (2)光子發(fā)生散射后,其動(dòng)量大小發(fā)生變化,但光子的頻率不發(fā)生變化.( × )

3、(3)有些光子發(fā)生散射后,其波長(zhǎng)變大.( √ ) 二、光的波粒二象性的本質(zhì) [導(dǎo)學(xué)探究] 人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的過程中先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),比如: 光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)(圖A) 光的雙孔干涉實(shí)驗(yàn)(圖B) 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖C) 光的康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖D) 康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等等. (1)在以上實(shí)驗(yàn)中哪些體現(xiàn)了光的波動(dòng)性?哪些體現(xiàn)了光的粒子性? (2)光的波動(dòng)性和光的粒子性是否矛盾? 答案 (1)單縫衍射、雙孔干涉體現(xiàn)了光的波動(dòng)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(dòng)性,比如干涉和衍射.當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),顯示出粒

4、子性,如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng).光具有波粒二象性. [知識(shí)梳理] 1.對(duì)光的波粒二象性 實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ) 表現(xiàn) 光 的 波 動(dòng) 性 干涉和衍射 1.大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性 2.足夠能量的光在傳播時(shí),表現(xiàn)出波的性質(zhì) 1.光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性,不是光子之間相互作用產(chǎn)生的 2.光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波 光 的 粒 子 性 光電效應(yīng)、康普頓 效應(yīng) 1.當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),這種作用是“一份一份”進(jìn)行的,表現(xiàn)出粒子性 2.少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性 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 說

5、 明 對(duì)于不同頻率的光,頻率越高,光的粒子性越強(qiáng);頻率越低,光的波動(dòng)性越強(qiáng) 2.光子的能量ε=hν和動(dòng)量p=,說明了光具有波粒二象性.普朗克常量h把描述粒子性的能量ε和動(dòng)量p,與描述波動(dòng)性的頻率ν、波長(zhǎng)λ緊密聯(lián)系在一起. [即學(xué)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(dòng)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.( × ) 三、概率波 [導(dǎo)學(xué)探究] 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中(如圖1甲所示),在光屏處放置感光片,并設(shè)法減弱

6、光的強(qiáng)度,使光子只能是一個(gè)一個(gè)地通過狹縫. 曝光時(shí)間短時(shí),可看到感光片上出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的亮點(diǎn),如圖乙所示.曝光時(shí)間足夠長(zhǎng),有大量光子通過狹縫,感光片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋,如圖丁所示. 如何解釋曝光時(shí)間較短時(shí)的亮點(diǎn)和曝光時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的干涉圖樣呢? 圖1 答案 圖片上的亮點(diǎn)表明,光表現(xiàn)出粒子性,也看到光子的運(yùn)動(dòng)與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不同,沒有一定的軌道.圖丙和圖丁圖樣說明,光的波動(dòng)性是大量光子表現(xiàn)出來的現(xiàn)象.在干涉條紋中,那些光波強(qiáng)的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方或是到達(dá)幾率大的地方,光波弱的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)的規(guī)律確定,所以光波是一種概率波.

7、 [知識(shí)梳理] 1.單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性:我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率,但不能預(yù)言粒子落在什么位置,即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的,是預(yù)先不能確定的. 2.大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律:光在傳播過程中,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)規(guī)律確定,所以光波是一種概率波. [即學(xué)即用] 判斷下列說法的正誤. (1)光子通過狹縫后落在屏上的位置是可以確定的.( × ) (2)光子通過狹縫后落在屏上亮條紋處的概率大些.( √ ) (3)電子通過狹縫后運(yùn)動(dòng)的軌跡是確定的.( × ) 一、對(duì)康普頓效應(yīng)的理解 1.光電效應(yīng)揭示出光的粒子性,每個(gè)光子攜帶的能量為ε=hν,愛因斯坦進(jìn)一步提出光子

8、的動(dòng)量應(yīng)為p=,式中λ為光波的波長(zhǎng). 2.康普頓效應(yīng)不僅有力地驗(yàn)證了光子理論,而且證實(shí)了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象也嚴(yán)格遵循能量守恒和動(dòng)量守恒.康普頓效應(yīng)揭示出光具有粒子性的一面. 例1 康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量,也有動(dòng)量.如圖2給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運(yùn)動(dòng)方向,則碰撞后光子可能沿方向________運(yùn)動(dòng),并且波長(zhǎng)________(填“不變”“變短”或“變長(zhǎng)”). 圖2 答案 1 變長(zhǎng) 解析 由于光子不僅具有能量,它還具有動(dòng)量,因此我們可以根據(jù)能量和動(dòng)量的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行分析和解答.因光子與電子的碰撞過程動(dòng)量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與碰撞前光子動(dòng)量的方向一致,可

9、見碰撞后光子運(yùn)動(dòng)的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,光子的能量減少,由ε=hν知,頻率變小,再根據(jù)c=λν知,波長(zhǎng)變長(zhǎng). 二、對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí) 1.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.和其他物質(zhì)相互作用時(shí),粒子性起主導(dǎo)作用;在光的傳播過程中,光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用,因此稱光波為概率波. 3.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. 4.光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比,而頻率是描述波動(dòng)性特

10、征的物理量,因此ε=hν揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切聯(lián)系. 例2 (多選)對(duì)光的認(rèn)識(shí),以下說法中正確的是(  ) A.個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性 B.高頻光是粒子,低頻光是波 C.光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí),就不具有粒子性了;光表現(xiàn)出粒子性時(shí),就不再具有波動(dòng)性了 D.光的波粒二象性應(yīng)理解為:在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)得明顯,在另外某種場(chǎng)合下,光的粒子性表現(xiàn)得明顯 答案 AD 解析 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性;光與物質(zhì)相互作用,表現(xiàn)為粒子性,光的傳播表現(xiàn)為波動(dòng)性,光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性,頻率高的光粒子性強(qiáng),頻率低的光波

11、動(dòng)性強(qiáng),光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性,因?yàn)榇罅苛W拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律,故正確選項(xiàng)為A、D. 三、對(duì)光的概率波的理解 1.單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性:我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率,但不能預(yù)言粒子落在什么位置,即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的,是預(yù)先不能確定的. 2.大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律:光在傳播過程中,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動(dòng)規(guī)律確定,所以光波是一種概率波. 例3 (多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中,中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上,假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)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

12、的可能性最大 答案 CD 解析 根據(jù)光波是概率波的概念,對(duì)于一個(gè)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.當(dāng)然也可能落在其他亮紋處,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(xiàng)正確.                     1.一個(gè)沿著一定方向運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)原來靜止的自由電子相互碰撞,碰撞之后電子向某一方向運(yùn)動(dòng),而光子沿著另一方向散射出去,則這個(gè)散射光子跟原來入射時(shí)相比(  ) A.能量減少 B.動(dòng)量增加 C.頻率增大 D.波長(zhǎng)減小 答案 A 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

13、 B.光子與電子是同樣的一種粒子 C.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 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(dòng)性,有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性,A錯(cuò)誤.雖然光子與電子都是微觀粒子,但電子是實(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(chǎng)形式存在的物質(zhì),所以B錯(cuò)誤.光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明,大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性,個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),衍射性越好,即波動(dòng)性越顯著;光的波長(zhǎng)越短,其粒子性越顯著,故選項(xiàng)C正確,

14、D錯(cuò)誤. 3.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(dòng)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(dòng)性,光電效應(yīng)說明光具有粒子性 D.光的波粒二象性是將牛頓的粒子說和惠更斯的波動(dòng)說真正有機(jī)地統(tǒng)一起來 答案 C 選擇題(1~6題為單選題,7~9為多選題) 1.頻率為ν的光子,具有的能量為hν,動(dòng)量為,將這個(gè)光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上,光子將偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向,這種現(xiàn)象稱為光的散射,散射后的光子(

15、  ) A.改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向,但頻率保持不變 B.光子將從電子處獲得能量,因而頻率將增大 C.散射后的光子運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑴c電子運(yùn)動(dòng)方向在一條直線上,但方向相反 D.由于電子受到碰撞時(shí)會(huì)吸收光子的一部分能量,散射后的光子頻率低于入射前光子的頻率 答案 D 解析 由于電子的能量增加,光子的能量減少,所以光子的頻率降低. 2.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(dòng)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

16、明光具有波動(dòng)性或粒子性,故選項(xiàng)C正確. 3.2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中的一項(xiàng)是獎(jiǎng)勵(lì)美國科學(xué)家賈科尼和日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源.X射線是一種高頻電磁波,若X射線在真空中的波長(zhǎng)為λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以ε和p分別表示X射線每個(gè)光子的能量和動(dòng)量,則(  ) A.ε=,p=0 B.ε=,p= C.ε=,p=0 D.ε=,p= 答案 D 解析 根據(jù)ε=hν,且λ=,c=λν可得X射線每個(gè)光子的能量為ε=,每個(gè)光子的動(dòng)量為p=. 4.在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)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

17、 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(diǎn)去判斷,由于大部分光子都落在b點(diǎn),故b處一定是亮紋,選項(xiàng)A正確. 5.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(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性,有時(shí)表現(xiàn)為粒子性 B.光波頻率越高,粒子性越明顯 C.能量越大的光子其波動(dòng)性越顯著 D.光的波粒二象性應(yīng)理解為,在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯,在另外某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 答案 C 解析 光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯,有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯,或者說在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯,在另外某種場(chǎng)

18、合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯;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,A、D說法正確;光的頻率越高,光子能量越大,粒子性相對(duì)波動(dòng)性越明顯,B說法正確,C說法錯(cuò)誤. 6.關(guān)于光的本性,下列說法正確的是(  ) A.波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾和對(duì)立的,因此光具有波粒二象性是不可能的 B.光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波,光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn) C.大量光子往往表現(xiàn)為波動(dòng)性,個(gè)別光子往往表現(xiàn)為粒子性 D.γ射線具有顯著的粒子性,而不具有波動(dòng)性 答案 C 解析 由光的波粒二象性可知:光是同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性的.但是不同于宏觀的機(jī)械波和宏觀粒子,波動(dòng)性和粒子性是光在不同情況下的表現(xiàn),是同一客觀事物的

19、兩個(gè)側(cè)面.我們無法用一種學(xué)說去解釋光的所有行為,只能認(rèn)為光具有波粒二象性.實(shí)際上光是一種概率波,即少數(shù)光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性,大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性,綜上所述選項(xiàng)C正確. 7.物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn):在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,在光屏處放上照相底片,若減弱光的強(qiáng)度,使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng),底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn);如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋,對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,下列認(rèn)識(shí)正確的是(  ) A.曝光時(shí)間不長(zhǎng)時(shí),光子的能量太小,底片上的條紋看不清楚,故出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn) B.單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出波動(dòng)性 C.干涉條紋中明亮的部分是光

20、子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方 D.只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性 答案 CD 解析 光是一種概率波,對(duì)于一個(gè)光子通過單縫落在何處,是不確定的,但概率最大的是中央亮紋處,可達(dá)95%以上,還可能落到暗紋處,不過落在暗紋處的概率最小(注意暗紋處并非無光子到達(dá)).故C、D選項(xiàng)正確. 8.人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了曲折的過程.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(shí)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(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)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 BCD 解析 牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微

21、粒,愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量,顯然A錯(cuò);干涉、衍射是波的特性,光能發(fā)生干涉說明光具有波動(dòng)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(rèn)為光是一種電磁波,后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說,C正確;光具有波動(dòng)性與粒子性,稱為光的波粒二象性,D正確. 9.為了驗(yàn)證光的波粒二象性,在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成感光片,并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度,下列說法正確的是(  ) A.使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),感光片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B.使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫,如果時(shí)間很短,感光片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣 C.大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示光的波動(dòng)性 D.個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示光的粒子性,光只有粒子性沒有波動(dòng)性 答案 AC 解析 光的波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果,對(duì)個(gè)別光子我們無法判斷它落到哪個(gè)位置;對(duì)于大量光子遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律,即大量光子的運(yùn)動(dòng)或曝光時(shí)間足夠長(zhǎng),顯示出光的波動(dòng)性. 9

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