2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 波粒二象性 2.3 康普頓效應(yīng)及其解釋 2.4 光的波粒二象性教學(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 [目標(biāo)定位]　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)及其解釋 1．康普頓效應(yīng) (1)用X射線照射物體時(shí)，一部分散射出來的X射線的波長會(huì)變長，這個(gè)現(xiàn)象后來稱為康普頓效應(yīng)． (2)光子的能量為ε＝hν，光子的動(dòng)量為p＝. 2．康普頓對散射光波長變化的解釋 (1)散射光波長的變化，是入射光子與物質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞的結(jié)果． (2)物質(zhì)中電子的動(dòng)能比入射光子的能量小很多，電子可以看做是靜止的． (3)光子與電子作用過程中，總能量、總動(dòng)量

2、均守恒． (4)光子因與電子相碰，有一部分能量和動(dòng)量給了電子，光子的能量和動(dòng)量均減小了，這樣，散射光的波長也就變長了． 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． 二、光的波粒二象性 1．光的波粒二象性的本質(zhì) (1)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示． 圖1 (2)實(shí)驗(yàn)要求：降低光源S的強(qiáng)度，直到入射光減弱到?jīng)]有兩個(gè)光子同時(shí)存在的程度． (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果： ①短時(shí)間，感光片上呈現(xiàn)雜亂分布的亮點(diǎn)． ②較長時(shí)間，感光片上呈現(xiàn)模糊的亮紋． ③長時(shí)間，感光片上形成清晰的干涉圖樣． (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光既有波動(dòng)性，又有粒子性，光具

3、有波粒二象性． 2．概率波 (1)對干涉實(shí)驗(yàn)中明暗條紋的解釋 每個(gè)光子按照一定的概率落在感光片的某一點(diǎn)，概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋． (2)光波是一種概率波，干涉條紋是光子在感光片上各點(diǎn)概率分布的反映． 預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中 問題1 問題2 問題3 一、康普頓效應(yīng) 1．實(shí)驗(yàn)結(jié)果 1918年～1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的X射線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線．人們把這種波長變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)． 2．光子說對

4、康普頓效應(yīng)的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞跟臺(tái)球比賽中的兩球碰撞很相似．按照愛因斯坦的光子說，一個(gè)X射線光子不僅具有能量ε＝hν，而且還有動(dòng)量．如圖2所示．這個(gè)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(shí)，光子還使電子獲得一定的動(dòng)量．這樣就圓滿地解釋了康普頓效應(yīng)． 圖2 【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3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________(選填“不變”、“變短”或“變長”)． 圖3

5、答案　1　變長 解析　根據(jù)動(dòng)量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動(dòng)量守恒，相碰后合動(dòng)量應(yīng)沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向運(yùn)動(dòng)，由于動(dòng)量變小，故波長應(yīng)變長． 針對訓(xùn)練　在康普頓效應(yīng)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．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(yùn)動(dòng)狀態(tài) 答案　A 解析　因?yàn)楣庾尤肷涞哪芰亢艽螅入娮拥哪芰恳蟮枚啵鲎矔r(shí)，動(dòng)量和能量都守恒，碰后一定是電子的動(dòng)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(xiàng)A正確． 二、對光的波粒二象性的理解 實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明 光的波 動(dòng)

6、性 干涉和 衍射 ①光是一種概率波，即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動(dòng)規(guī)律來描述． ②頻率較低的光在傳播時(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)別光子清楚地顯示出光的粒子性. 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． 波動(dòng)性 和粒子 性的對 立、統(tǒng)一 ①大量光子易顯示波動(dòng)性，而少量光子易顯示出粒子性．

7、②波長長(頻率低)的光波動(dòng)性強(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng). ①光子說并未否定波動(dòng)性，ε＝hν＝中，ν和λ就是波的概念． ②波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的. 【例2】　(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是(　　) A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)變成粒子 C．高頻光是粒子，低頻光是波 D．波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著 答案　AD 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，D正確；大量光子的效果往

8、往表現(xiàn)出波動(dòng)性，A正確；光在傳播時(shí)波動(dòng)性顯著，光與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性顯著，B錯(cuò)誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動(dòng)性顯著，C錯(cuò)誤． 借題發(fā)揮　解答此類問題的關(guān)鍵是要理解以下知識(shí)要點(diǎn)： (1)光是一種波，同時(shí)也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性； (2)光的波動(dòng)性在光的傳播過程中體現(xiàn)出來，具有一定的波長和頻率，能夠發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象； (3)光的粒子性在它與物質(zhì)的相互作用時(shí)體現(xiàn)出來，光子具有一定的能量(ε＝hν)和動(dòng)量(p＝)． 三、對光是概率波的理解 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

9、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．落在中央亮紋處的可能性最大 答案　CD 解析　根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個(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. 對康普頓效應(yīng)的理解

10、 1．關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法不正確的是(　　) A．康普頓在研究X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，為波動(dòng)說提供了依據(jù) B．X射線散射時(shí)，波長改變的多少與散射角有關(guān) C．發(fā)生散射時(shí)，波長較短的X射線或γ射線入射時(shí)，產(chǎn)生康普頓效應(yīng) D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說 答案　A 解析　美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動(dòng)說無法解釋，用光子說卻可以解釋，A錯(cuò)；波長改變的多少與散射角有關(guān)，B對；當(dāng)波長較短時(shí)發(fā)生康普頓效應(yīng)，較長時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)，C對、D對． 2．一個(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

11、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．散射光子的能量減少 B．光子的能量增加，頻率也增大 C．速度減小 D．波長減小 答案　A 解析　由于光子既具有能量，也具有動(dòng)量，因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長增大． 對光的波粒二象性的理解 3．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(dòng)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 答案　C 解析　一切光都

12、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，光的有些行為(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(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．光的波長越長，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個(gè)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(xiàng)C正確，A、B、D錯(cuò)誤．

13、 4．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．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 E．光的波粒二象性應(yīng)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(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，或者說在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動(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、E說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性

14、相對波動(dòng)性越明顯，B說法正確、C說法錯(cuò)誤． (時(shí)間：60分鐘) 題組一　康普頓效應(yīng) 1．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(xué)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(xué)獎(jiǎng)．假設(shè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，光子沿另一方向散射出去，則這個(gè)散射光子跟原來的光子相比(　　) A．頻率變大 B．速度變小 C．光子能量變大 D．波長變長 答案　D 解析　光子與自由電子碰撞時(shí)，遵守動(dòng)量守恒和能量守恒，自由電子碰撞前靜止，碰撞后動(dòng)量、能量均增加，所以光子的動(dòng)量、能量減小，故C錯(cuò)誤；由λ＝、ε＝hν可知光子

15、頻率變小，波長變長，故A錯(cuò)誤、D正確；由于光子速度是不變的，故B錯(cuò)誤． 2．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(　　) A．兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律 B．兩種效應(yīng)都相當(dāng)于電子與光子的彈性碰撞過程 C．兩種效應(yīng)都屬于吸收光子的過程 D．光電效應(yīng)是吸收光子的過程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過程 答案　D 解析　光電效應(yīng)吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動(dòng)量不守恒，康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動(dòng)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． 3．科學(xué)研究

16、證明，光子有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中(　　) A．能量守恒，動(dòng)量不守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ＞λ′ 答案　C 解析　能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界，也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒定律．光子與電子碰撞前光子的能量ε＝hν＝h，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量ε′＝hν′＝h，由ε＞ε′可知λ＜λ′，選項(xiàng)C正確． 題組二　光

17、的波粒二象性 4．(多選)說明光具有粒子性的現(xiàn)象是(　　) A．光電效應(yīng) B．光的干涉 C．光的衍射 D．康普頓效應(yīng) 答案　AD 5．(多選)關(guān)于光的波動(dòng)性與粒子性，以下說法正確的是(　　) A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說 B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性 C．光波不同于機(jī)械波，它是一種概率波 D．光的波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一 答案　BC 解析　愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現(xiàn)粒子性的，A錯(cuò)；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光子在少量的情況下表現(xiàn)粒子性，大量的情況下表現(xiàn)波動(dòng)性，所以C對；光的波動(dòng)

18、性和粒子性不是孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，D錯(cuò)． 6．下列現(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．光的反射和光電效應(yīng) D．泊松亮斑和光電效應(yīng) 答案　D 解析　光的色散、光的反射可以從波動(dòng)性和粒子性兩方面分別予以理解，故A、C選項(xiàng)錯(cuò)誤．光的干涉、衍射現(xiàn)象只說明光的波動(dòng)性，B選項(xiàng)錯(cuò)誤．泊松亮斑能說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故D選項(xiàng)正確． 7．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

19、光子具有波動(dòng)性，個(gè)別光子具有粒子性 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)具有波粒二象性的．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)光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，綜上所述選項(xiàng)C正確． 8．(多選)關(guān)于光的性質(zhì)，下列敘述中正確的是(　　) A．在其他同等條件下，光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到 B．頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動(dòng)性越顯著 C．大量

20、光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性 D．如果讓光子一個(gè)一個(gè)地通過狹縫時(shí)，它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運(yùn)動(dòng) 答案　BC 解析　光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著；少量光子表現(xiàn)出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的． 9．(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)間足夠長，底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣 B．單個(gè)光子通過單縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C．光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏 D．單個(gè)光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片

21、上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性 答案　AD 10．(多選)為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片，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，底片上將出現(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，底片上將出現(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，光只有波動(dòng)性沒有粒性 答案　AC 解析　光的波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果，對個(gè)別光子我們無法判斷它落到哪個(gè)位置；對于大量光子遵循統(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，顯示出光的

22、波動(dòng)性． 11．(多選)關(guān)于光的波粒二象性，正確的說法是(　　) A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著 B．光的波長越長，光的能量越小，波動(dòng)性越顯著 C．頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長較長的光子不具有粒子性 D．個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性 答案　ABD 解析　光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，反之波動(dòng)性越明顯，個(gè)別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動(dòng)性，故選項(xiàng)A、B、D正確． 12．(多選)人類對光的本性的認(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，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