2018版高中物理第四章波粒二象性4.3光的波粒二象性导学案教科版选修3-5

1、3 光的波粒二象性 目标定位 1. 了解康普顿效应及其意义，了解光子理论对康普顿效应的解释 .2. 知道光的波粒二象性，知道波和粒子的对立统一的关系 .3. 了解什么是概率波，知道光也是一种概率波.1康普顿效应(1) 光的散射：光子在介质中和物体微粒相互作用，使光的传播方向发生偏转，这种现象叫光的散射(2) 康普顿效应： X射线经物质散射后波长变长的现象2光的波粒二象性(1) 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性(2) 光的波动性的证明：光能发生干涉、衍射和色散等波特有的现象(3) 光的粒子性的证明：光在与其他物质相互作用时，能量和动量是以一份一份的形式进行交换的光电效应现象和康普

2、顿效应证明光具有粒子性3光子的能量 h ，动量 ph，两式左侧的 和 p 描述光的粒子性，右侧的 和 描述光的波动性，两式把粒子性和波动性紧密地联系了起来4光是一种概率波在双缝干涉实验中， 屏上亮纹的地方， 是光子到达概率大的地方， 暗纹的地方是光子到达概率小的地方 所以光波是一种概率波， 即光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题 1问题 2问题 3一、对康普顿效应的理解康普顿效应不仅有力地验证了光子理论， 而且也证实了微观领域的现象， 也严格遵循能量守恒和动量守恒定律康普顿效应深刻揭示出光具有粒子性的一面【例 1】 康普顿效应证实了光

3、子不仅具有能量，也有动量图 1 给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向， 则碰撞后光子可能沿方向 _运动，并且波长 _( 填“不变”“变短”或“变长” ) 图 1答案 1 变长解析 因光子与电子的碰撞过程动量守恒， 所以碰撞后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前动量的方向一致， 可见碰撞后光子运动的方向可能沿 1 方向， 不可能沿 2 或 3 方向； 通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，光子的能量减少，由 h 知，频率变小，再根据 c 知，波长变长二、对光的波粒二象性的理解实验基础 表现 说明1. 光的波动性是 光子本身的一种1. 光是一种概率波， 即光子属性，不是光子之 在空间各点出现

4、的可能性 间相互作用产生大小 ( 概率 ) 可用波动规律 光的波动性 干涉和衍射 的来描述 2. 光的波动性不2. 足够能量的光在传播时，同于宏观观念的 表现出波的性质 .波当光同物质发生作用时， 粒子的含义是这种作用是“一份一份” “不连续”、 “一进行的，表现出粒子的性 份一份”的 光电效应、康普光的粒子性 质 光子不同于宏顿效应少量或个别光子清楚地 观观念的粒子显示出光的粒子性光子说并未否定波动性，Eh大量光子易显示波动性， 而少量光子易显示波动性和粒子性的 出粒子性hc 中， 和 对立、统一波长长 ( 频率低 ) 的光波动性强，而波长短就是波的概念( 频率高 ) 的光粒子性强波和粒子在

5、宏观世界是不能统2一的，而在微观世界却是统一的【例 2】 ( 多选 ) 关于光的波粒二象性的理解正确的是 ( )A大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C高频光是粒子，低频光是波D波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著答案 AD解析 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性， A 正确；光在传播时波动性显著， 光与物质相互作用时粒子性显著， B错误； 频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，

6、 C错误借题发挥 解答此类问题的关键是要理解以下知识要点：(1) 光是一种波，同时也是一种粒子，也就是说光具有波粒二象性；(2) 光的波动性在光的传播过程中体现出来，具有一定的波长和频率，能够发生干涉和衍射现象；(3) 光的粒子性在它与物质的相互作用时体现出来，光子具有一定的能量 ( h) 和动量ph.针对训练 有关光的本性，下列说法正确的是 ( )A光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性答案 D解

7、析 19 世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象，这属于波的特征，微粒说无法解释但到了 19 世纪末又发现了光的新现象光电效应，证实光具有粒子性这种现象波动说不能解释，因此，光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和机械粒子 波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现， 是同一物体的两个不同侧面，不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性选 D.三、对光是概率波的理解1单个粒子运动的偶然性：我们可以知道粒子落在某点的概率，但不能预言粒子落在什么3位置，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不能确定的2大量粒子运动的统计规律：光在传播过程中，光

8、子在空间出现的概率可以通过波动规律确定，所以光是一种概率波【例 3】 ( 多选) 在单缝衍射实验中， 中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的 95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子 ( )A一定落在中央亮纹处B一定落在亮纹处C可能落在暗纹处D落在中央亮纹处的可能性最大答案 CD解析 根据光波是概率波的概念， 对于一个光子通过单缝落在何处， 是不确定的， 但概率最大的是落在中央亮纹处 当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故 C、D选项正确 .对康普顿效应的理解1( 多选)关于康普顿效应，下列说法正确的是 ( )A康普顿在研究 X射线散射时，发现散射

9、光的波长发生了变化，为波动说提供了依据BX 射线散射时，波长改变了多少与散射角有关C发生散射时，波长较短的 X 射线或 射线入射时，产生康普顿效应D爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支持粒子说答案 BCD解析 美国物理学家康普顿在研究 X 射线散射时， 发现散射光波长发生了变化， 这种现象用波动说无法解释，用光子说却可以解释， A 错，波长改变的多少与散射角有关， B 对当波长较短时发生康普顿效应，较长时发生光电效应， C对、 D对对光的波粒二象性的理解2下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是 ( )A有的光是波，有的光是粒子B光子与电子是同样的一种粒子C光的波长越长，其波动

10、性越显著；波长越短，其粒子性越显著D大量光子的行为往往显示出粒子性答案 C解析 一切光都具有波粒二象性， 光的有些行为 ( 如干涉、 衍射) 表现出波动性， 光的有些行为( 如光电效应 ) 表现出粒子性 所以，不能说有的光是波，有的光是粒子， 虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，4没有静止质量， 电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子 光的波粒二象性的理论和实验表明， 大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短， 其光

11、子能量越大， 个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应， 所以其粒子性就很显著故选项 C正确， A、B、D错误3关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是 ( )A波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性B光波频率越高，粒子性越明显C能量越大的光子其波动性越显著D个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性答案 C解析 波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显， 有时候表现出的波动性较明显， 或者说在某种场合下光的粒子性表现明显， 在另外某种场合下， 光的波动性表现明显 个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性， A、D说法正确；光的频率越高，能量越高，粒子性相对波动性越明

12、显， B 说法正确、 C说法错误 .( 时间： 60 分钟)题组一 康普顿效应1白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了 1927 年的诺贝尔物理学奖，假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后， 电子向某一个方向运动， 光子沿另一方向散射出去， 则这个散射光子跟原来的光子相比 ( )A. 频率变大 B速度变小C光子能量变大 D. 波长变长答案 D解析 光子与自由电子碰撞时， 遵守动量守恒和能量守恒， 自由电子碰撞前静止， 碰撞后动h量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，由 ，h 可知光子频率变小，波长p变长，故 D正确，由于光子速

13、度是不变的，故 B错误2光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此下列说法正确的是( )A两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律B两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程C两种效应都属于吸收光子的过程5D光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应相当于光子和电子弹性碰撞的过程答案 D解析 光电效应吸收光子放出电子， 其过程能量守恒， 但动量不守恒， 康普顿效应相当于光子与电子弹性碰撞的过程， 并且遵守动量守恒定律和能量守恒定律， 两种效应都说明光具有粒子性故 D正确3科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子假设光子与电

14、子碰撞前的波长为 ，碰撞后的波长为 ，则碰撞过程中 ( )A能量守恒，动量不守恒，且 B能量不守恒，动量不守恒，且 C能量守恒，动量守恒，且 答案 C解析 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律， 适用于宏观世界也适用于微观世界 光子c与电子碰撞时遵循这两个守恒定律光子与电子碰撞前光子的能量 hh ，当光子c与电子碰撞时， 光子的一些能量转移给了电子， 光子的能量 hh，由 可知 ，选项 C正确题组二 光的波粒二象性4( 多选)说明光具有粒子性的现象是 ( )A光电效应 B 光的干涉C光的衍射 D 康普顿效应答案 AD5( 多选)关于光的波动性与粒子性，以下说法正确的是 ( )A爱因斯坦的光子说

15、否定了光的电磁说B光电效应现象说明了光的粒子性C光波不同于机械波，它是一种概率波D光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一答案 BC解析 爱因斯坦的光子说并没有否定电磁说，只是在一定条件下光是体现粒子性的， A 错；光电效应说明光具有粒子性，说明光的能量是一份一份的， B 对；光波在少量的情况下体现粒子性，大量的情况下体现波动性， 所以 C对；光的波动性和粒子性不是孤立的， 而是有机的统一体， D错6下列关于光的波粒二象性的理解，正确的是 ( )A大量的光子中有些光子表现出波动性，有些光子表现出粒子性6B光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C高频光是粒子，低频光是波D波粒二象性是光的

16、属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著答案 D解析 光的波粒二象性是光的属性，不论其频率的高低还是光在传播或者是与物质相互作用，光都具有波粒二象性， 大量光子的效果易呈现出波动性， 个别光子的效果易表现出粒子性，光的频率越高，粒子性越强，光的频率越低，波动性越强，故 A、B、C错误， D正确7关于光的本性，下列说法正确的是 ( )A波动性和粒子性是相互矛盾和对立的，因此光具有波粒二象性是不可能的B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C大量光子具有波动性，个别光子具有粒子性D 射线具有显著的粒子性，而不具有波动性答案 C解析 由光的波粒二象性可知： 光是同时具有波粒二象性的 但是不

17、同于宏观的机械波和宏观粒子， 波动性和粒子性是光在不同情况下的表现， 是同一客观事物的两个侧面 我们无法用一种学说去说明光的所有行为， 只能认为光具有波粒二象性 实际上光是一种概率波， 即少数光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性综上所述选项 C正确8( 多选)关于光的性质，下列叙述中正确的是 ( )A在其他同等条件下，光的频率越高，衍射现象越容易看到B频率越高的光，粒子性越显著；频率越低的光，波动性越显著C大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性D如果让光子一个一个地通过狭缝时，它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动答案 BC解析 光具有波粒二象性，频率越高，粒子性越显著；少量光子表现出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的9( 多选)在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是 ( )A使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样B单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样C光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏D单个光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性答案