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

第三節(jié) 康普頓效應及其解釋 第四節(jié) 光的波粒二象性學習目標 1.了解康普頓效應及其意義.2.知道光的波粒二象性并會分析有關現象.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波一、康普頓效應導學探究太陽光從小孔射入室內時，我們從側面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；宇航員在太空中會發(fā)現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，太陽光經大氣中微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不再散射只向前傳播知識梳理1光的散射光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現象叫做光的散射2康普頓效應美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現在散射的X射線中，除了與入射波長0相同的成分外，還有波長大于0的成分，這個現象稱為康普頓效應3康普頓效應的意義康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面4光子的動量(1)表達式：p.(2)說明：在康普頓效應中，入射光子與物質中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小因此，有些光子散射后波長變大即學即用判斷以下說法的正誤(1)光子的動量與波長成反比()(2)光子發(fā)生散射后，其動量大小發(fā)生變化，但光子的頻率不發(fā)生變化(×)(3)有些光子發(fā)生散射后，其波長變大()二、光的波粒二象性的本質導學探究人類對光的本性的認識的過程中先后進行了一系列實驗，比如：光的單縫衍射實驗(圖A)光的雙孔干涉實驗(圖B)光電效應實驗(圖C)光的康普頓效應實驗(圖D)康普頓效應實驗等等(1)在以上實驗中哪些體現了光的波動性？哪些體現了光的粒子性？(2)光的波動性和光的粒子性是否矛盾？答案(1)單縫衍射、雙孔干涉體現了光的波動性光電效應和康普頓效應體現了光的粒子性(2)不矛盾大量光子在傳播過程中顯示出波動性，比如干涉和衍射當光與物質發(fā)生作用時，顯示出粒子性，如光電效應、康普頓效應光具有波粒二象性知識梳理1對光的波粒二象性實驗基礎表現光的波動性干涉和衍射1.大量光子產生的效果顯示出波動性2足夠能量的光在傳播時，表現出波的性質1.光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的2光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應、康普頓效應1.當光同物質發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子性2少量或個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明對于不同頻率的光，頻率越高，光的粒子性越強；頻率越低，光的波動性越強2光子的能量h和動量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和動量p，與描述波動性的頻率、波長緊密聯系在一起即學即用判斷下列說法的正誤(1)光的干涉、衍射、偏振現象說明光具有波動性()(2)光子數量越大，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、概率波導學探究雙縫干涉實驗中(如圖1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？圖1答案圖片上的亮點表明，光表現出粒子性，也看到光子的運動與宏觀現象中質點的運動不同，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出來的現象在干涉條紋中，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知識梳理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，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不能確定的2大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波即學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)電子通過狹縫后運動的軌跡是確定的(×)一、對康普頓效應的理解1光電效應揭示出光的粒子性，每個光子攜帶的能量為h，愛因斯坦進一步提出光子的動量應為p，式中為光波的波長2康普頓效應不僅有力地驗證了光子理論，而且證實了微觀領域的現象也嚴格遵循能量守恒和動量守恒康普頓效應揭示出光具有粒子性的一面例1康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量如圖2給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿方向_運動，并且波長_(填“不變”“變短”或“變長”)圖2答案1變長解析由于光子不僅具有能量，它還具有動量，因此我們可以根據能量和動量的相關規(guī)律進行分析和解答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碰撞前光子動量的方向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿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移給電子，光子的能量減少，由h知，頻率變小，再根據c知，波長變長二、對光的波粒二象性的認識1大量光子產生的效果顯示出波動性；個別光子產生的效果顯示出粒子性2光子和電子、質子等實物粒子一樣，具有能量和動量和其他物質相互作用時，粒子性起主導作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點出現的可能性的大小(概率)由波動性起主導作用，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的頻率成正比，而頻率是描述波動性特征的物理量，因此h揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯系例2(多選)對光的認識，以下說法中正確的是()A個別光子的行為表現出粒子性，大量光子的行為表現出波動性B高頻光是粒子，低頻光是波C光表現出波動性時，就不具有粒子性了；光表現出粒子性時，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得明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現得明顯答案AD解析個別光子的行為表現為粒子性，大量光子的行為表現為波動性；光與物質相互作用，表現為粒子性，光的傳播表現為波動性，光的波動性與粒子性都是光的本質屬性，頻率高的光粒子性強，頻率低的光波動性強，光的粒子性表現明顯時仍具有波動性，因為大量粒子的個別行為呈現出波動規(guī)律，故正確選項為A、D.三、對光的概率波的理解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，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不能確定的2大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波例3(多選)在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上，假設現在只讓一個光子通過單縫，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落在中央亮紋處的可能性最大答案CD解析根據光波是概率波的概念，對于一個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選項正確.1一個沿著一定方向運動的光子和一個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動，而光子沿著另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來入射時相比()A能量減少 B動量增加C頻率增大 D波長減小答案A2下列有關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；光的波長越短，其粒子性越顯著D大量光子的行為往往表現出粒子性答案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)表現出波動性，有些行為(如光電效應)表現出粒子性，A錯誤雖然光子與電子都是微觀粒子，但電子是實物粒子，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，所以B錯誤光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現出波動性，個別光子的行為表現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，其粒子性越顯著，故選項C正確，D錯誤3關于光的本性，下列說法中正確的是()A關于光的本性，牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動說”，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、衍射現象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性D光的波粒二象性是將牛頓的粒子說和惠更斯的波動說真正有機地統(tǒng)一起來答案C選擇題(16題為單選題，79為多選題)1頻率為的光子，具有的能量為h，動量為，將這個光子打在處于靜止狀態(tài)的電子上，光子將偏離原來的運動方向，這種現象稱為光的散射，散射后的光子()A改變原來的運動方向，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散射后的光子運動方向將與電子運動方向在一條直線上，但方向相反D由于電子受到碰撞時會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 D光的反射和光電效應答案C解析光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據，光電效應說明光具有粒子性，光的反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，故選項C正確32002年諾貝爾物理學獎中的一項是獎勵美國科學家賈科尼和日本科學家小柴昌俊發(fā)現了宇宙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為，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，則()A，p0 B，pC，p0 D，p答案D解析根據h，且，c可得X射線每個光子的能量為，每個光子的動量為p.4在做雙縫干涉實驗時，發(fā)現100個光子中有96個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去判斷，由于大部分光子都落在b點，故b處一定是亮紋，選項A正確5關于光的波粒二象性，下列說法中不正確的是()A波粒二象性指光有時表現為波動性，有時表現為粒子性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光的波粒二象性應理解為，在某種場合下光的粒子性表現明顯，在另外某種場合下光的波動性表現明顯答案C解析光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，或者說在某種場合下光的粒子性表現明顯，在另外某種場合下光的波動性表現明顯；個別光子易表現出粒子性，大量光子易表現出波動性，A、D說法正確；光的頻率越高，光子能量越大，粒子性相對波動性越明顯，B說法正確，C說法錯誤6關于光的本性，下列說法正確的是()A波動性和粒子性是相互矛盾和對立的，因此光具有波粒二象性是不可能的B光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質點C大量光子往往表現為波動性，個別光子往往表現為粒子性D射線具有顯著的粒子性，而不具有波動性答案C解析由光的波粒二象性可知：光是同時具有波動性和粒子性的但是不同于宏觀的機械波和宏觀粒子，波動性和粒子性是光在不同情況下的表現，是同一客觀事物的兩個側面我們無法用一種學說去解釋光的所有行為，只能認為光具有波粒二象性實際上光是一種概率波，即少數光子的行為往往表現出粒子性，大量光子的行為往往表現出波動性，綜上所述選項C正確7物理學家做了一個有趣的實驗：在雙縫干涉實驗中，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，實驗結果表明，如果曝光時間不太長，底片上只出現一些不規(guī)則的點；如果曝光時間足夠長，底片上就出現了規(guī)則的干涉條紋，對這個實驗結果，下列認識正確的是()A曝光時間不長時，光子的能量太小，底片上的條紋看不清楚，故出現不規(guī)則的點B單個光子的運動表現出波動性C干涉條紋中明亮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出波動性答案CD解析光是一種概率波，對于一個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)故C、D選項正確8人類對光的本性的認識經歷了曲折的過程下列關于光的本性的陳述符合科學規(guī)律或歷史事實的是()A牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質上是一樣的B光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性C麥克斯韋預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”認為光是一種物質微粒，愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然A錯；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，B正確；麥克斯韋根據光的傳播不需要介質，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確9為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干涉實驗中將光屏換成感光片，并設法減弱光的強度，下列說法正確的是()A使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間足夠長，感光片上將出現雙縫干涉圖樣B使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間很短，感光片上將出現不太清晰的雙縫干涉圖樣C大量光子的運動顯示光的波動性D個別光子的運動顯示光的粒子性，光只有粒子性沒有波動性答案AC解析光的波動性是統(tǒng)計規(guī)律的結果，對個別光子我們無法判斷它落到哪個位置；對于大量光子遵循統(tǒng)計規(guī)律，即大量光子的運動或曝光時間足夠長，顯示出光的波動性9