高中物理 第2章 第3、4節(jié) 康普頓效應及其解釋 光的波粒二象性課件 粵教版選修3-5.ppt

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第三節(jié)康普頓效應及其解釋第四節(jié)光的波粒二象性 第二章波粒二象性 欄目鏈接 學習目標 1 了解康普頓效應及其解釋 2 知道光的波粒二象性及其本質(zhì) 3 知道概率波 欄目鏈接 康普頓效應及其解釋 康普頓效應這一實驗有什么物理意義 提示 康普頓效應這一實驗證明了愛因斯坦光子假說的正確性 用光照射物體時 散發(fā)出來的光的波長會變長 這種現(xiàn)象后來稱為康普頓效應 欄目鏈接 光電效應揭示出光的粒子性 愛因斯坦進一步提出光子的動量應為p 康普頓借助愛因斯坦的光子假說解析了散射光的波長改變的現(xiàn)象 康普頓認為光子不僅有能量 也像其他粒子一樣有動量 用X射線照射物體時 X射線中的光子與物體中的電子相碰 碰撞中動量守恒 能量守恒 電子碰前可認為是靜止的 碰后獲得了一定的動量和能量 碰后光子的動量 能量減少 散射光的波長變長 康普頓效應再次證明了愛因斯坦光子假說的正確性 它不僅證明了光子具有能量 同時還證明了光子具有動量 欄目鏈接 如果按照經(jīng)典電磁理論 入射波引起物質(zhì)中電子的振動 這種振動頻率必然與入射波的頻率相同 從而引起的散射波也應該與入射波的頻率相同 而散射前后的介質(zhì)相同 所以散射前后波長也就不變 因此康普頓效應說明了光具有粒子性 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年的諾貝爾物理學獎 假設一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后 電子向某一個方向運動 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 欄目鏈接 A 頻率變大B 速度變小C 光子能量變大D 波長變長解析 光子與自由電子碰撞時 遵守動量守恒和能量守恒 自由電子碰撞前靜止 碰撞后動量 能量均增加 所以光子的動量 能量減小 故C錯誤 由 h 可知光子頻率變小 波長變長 故A錯誤 D正確 由于光子速度是不變的 故B錯誤 答案 D 欄目鏈接 課堂訓練1 在康普頓效應中 光子與電子發(fā)生碰撞后 關(guān)于散射光子的波長 下列說法正確的是 A A 一定變長B 一定變短C 可能變長 也可能變短D 決定于電子的運動狀態(tài)解析 因為光子入射的能量很大 比電子的能量要大得多 碰撞時 動量和能量都守恒 碰后一定是電子的動能增加 光子的能量減少 所以散射光子的波長一定變長 選項A正確 對光的波粒二象性的認識與理解 什么是光的波粒二象性 提示 光的波粒二象性是指光既具有粒子性 又具有波動性 光具有粒子性 又有波動性 單獨使用波或粒子的解釋都無法完整地描述光的所有性質(zhì) 有人就把這種性質(zhì)稱為波粒二象性 欄目鏈接 大量 多數(shù) 光子行為易表現(xiàn)為波動性 個別 少數(shù) 光子行為易表現(xiàn)出粒子性 波長較長的 易表現(xiàn)為波動性 波長較短的 易表現(xiàn)為粒子性 光在傳播的過程中 易表現(xiàn)為波動性 在與其他物質(zhì)相互作用時 易表現(xiàn)為粒子性 光是波動性與粒子性的統(tǒng)一 光在傳播時體現(xiàn)出波動性起主導作用 在與其他物質(zhì)相互作用時 粒子性起主導作用 光的能量與其對應的頻率成正比 而頻率是反映波動性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性與波動性的密切聯(lián)系 欄目鏈接 波動性是光子的本身屬性 不能把光看作宏觀上的波 也不能把光看作宏觀上的粒子 對光的認識 以下說法中錯誤的是 A 個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)出波動性B 光的波動性是光子本身的一種屬性 不是光子之間的相互作用引起的C 光表現(xiàn)出波動性時 就不具有粒子性了 光表現(xiàn)出粒子性時 就不再具有波動性了D 光的波粒二象性應理解為 在某種場合下光的波動性表現(xiàn)得明顯 在另外某種場合下 光的粒子性表現(xiàn)明顯 欄目鏈接 解析 個別光子的行為表現(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)為波動性 光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性 光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性 因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律 故本題答案選C 答案 C 方法總結(jié) 解答此類問題關(guān)鍵要理解光具有波粒二象性及掌握有關(guān)光的波動性 粒子性的一些常見現(xiàn)象 欄目鏈接 課堂訓練2 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 能量越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E 光的波粒二象性應理解為 在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯 在另外某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯 欄目鏈接 解析 光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯 有時候表現(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 個別光子易表現(xiàn)出粒子性 大量光子易表現(xiàn)出波動性 A D E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 欄目鏈接 對概率波的認識與理解 雙縫干涉實驗中 如圖甲所示 在光屏處放置感光片 并設法減弱光的強度 使光子只能是一個一個地通過狹縫 曝光時間短時 可看到感光片上出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的亮點 如圖乙所示 曝光時間足夠長 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 如何解釋曝光時間較短時的亮點和曝光時間較長時的干涉圖樣呢 欄目鏈接 提示 圖片上的亮點表明 光表現(xiàn)出粒子性 也看到光子的運動與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點的運動不同 沒有一定的軌道 圖丙和圖丁圖樣說明 光的波動性是大量光子表現(xiàn)出來的現(xiàn)象 在干涉條紋中 那些光波強的地方是光子到達機會多的地方或是到達幾率大的地方 光波弱的地方是光子到達機會少的地方 光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定 所以光波是一種概率波 1926年 德國物理學家玻恩 Born 1882 1972 提出了概率波 認為個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性 但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律 不能把光當成宏觀概念中的波或粒子 因為宏觀世界的波動性與粒子性是對立的 而光的波動性與粒子性是統(tǒng)一在同一客體即光子上的 這里所指的 波 并非宏觀概念中的波 它是一種概率波 粒子 也不是宏觀概念中的微小粒子 而是指光子 概率波對光的雙縫衍射現(xiàn)象的解釋 光是一種粒子 它和物質(zhì)的作用是 一份一份 地進行的 用很弱的光做雙縫干涉實驗 從光子打在膠片上的位置 我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性 實驗結(jié)果表明 如圖所示 如果曝光時間不太長 底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子 那些點子是光子打在底片上形成的 如果曝光時間足夠長 我們無法把它們區(qū)分開 因此看起來是連續(xù)的 單個光子通過雙縫后的落點無法預測 但是研究很多光子打在膠片上的位置 我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性 光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大 這些條形區(qū)域正是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域 這個現(xiàn)象表明 光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小 概率 正是由于這個原因 波恩指出 雖然不能肯定某個光子落在哪一點 但由屏上各處明暗不同可知 光子落在各點的概率是不一樣的 即光子落在明紋處的概率大 落在暗紋處的概率小 這就是說 光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定 所以 從光子的概念上看 光波是一種概率波 物理學中把光波叫做概率波 概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性 物理學家做了一個有趣的雙縫干涉實驗 在光屏處放上照相用的底片 若減弱光的強度 使光子只能一個一個地通過狹縫 實驗結(jié)果表明 如果曝光時間不太長 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點子 如果曝光時間足夠長 底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋 對這個實驗結(jié)果有下列認識 其中正確的是 A 曝光時間不太長時 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點子 表現(xiàn)出光的波動性B 單個光子通過雙縫后的落點可以預測C 只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出光的粒子性D 干涉條紋中明亮的部分是光子到達機會較多的地方解析 曝光時間不太長時 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點子 表現(xiàn)出光的粒子性 選項A錯誤 單個光子通過雙縫后的落點不可以預測 在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配 選項B錯誤 大量光子的行為才能表現(xiàn)出光的波動性 干涉條紋中明亮的部分是光子到達機會較多的地方 故選項C錯誤 D正確 答案 D方法總結(jié) 解答本類型題時應把握以下兩點 1 光具有波粒二象性 光波是一種概率波 2 單個光子的落點位置是不確定的 大量光子運動時落點位置服從概率分布規(guī)律 課堂訓練3 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 在光的雙縫干涉實驗中 若只有一個光子 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 物質(zhì)波是一種概率波 符合概率波的特點 光的雙縫干涉實驗中 若只有一個光子 這個光子的落點是不確定的 但有幾率較大的位置