2.3光是波还是粒子 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、23 光是波还是粒子光是波还是粒子 学习目标 1.知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系.2.知道光是一种概率波，知道概 率波的统计意义.3.会用光的波粒二象性分析有关问题 一、光的波粒二象性 导学探究 人类对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如： 光的单缝衍射实验(图 A) 光的双缝干涉实验(图 B) 光电效应实验(图 C) 光的薄膜干涉实验(图 D) 康普顿效应实验等等 (1)在以上实验中哪些体现了光的波动性？哪些体现了光的粒子性？ (2)光的波动性和光的粒子性是否矛盾？ 答案 (1)单缝衍射、双缝干涉、薄膜干涉体现了光的波动性光电效应和康普顿效应体现了 光的粒子性 (2)不

2、矛盾 大量光子在传播过程中显示出波动性， 比如干涉和衍射 当光与物质发生作用时， 显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应光具有波粒二象性 知识梳理 1人类对光的本性的研究 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表人物 牛顿 托马 斯 杨和 菲涅耳 麦克斯韦 爱因斯坦 实验依据 光的直线 传播、光 的反射 光的干 涉、衍射 能在真空中传 播，是横波，光 速等于电磁波 的速度 光电效 应、康普 顿效应 光既有波动 现象， 又有粒 子特征 内容要点 光是一群 弹性粒子 光是一种 机械波 光是一种 电磁波 光是由一 份一份光 子组成的 光是一种概 率波， 既有波 动性， 又有粒 子性

3、2.光的波粒二象性 (1) (2)光子的能量和动量 能量：Eh. 动量：ph . (3)意义：能量 E 和动量 p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 和频率 是描述物质的 波动性的典型物理量因此 Eh 和 ph 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系 即学即用 判断下列说法的正误 (1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性( ) (2)光子数量越大，其粒子性越明显( ) (3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子( ) (4)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子( ) 二、再探光的双缝干涉实验 导学探究 用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图 1

4、甲、乙、丙所示的图像 图 1 (1)图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？ (2)图像乙是曝光时间稍长的情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？可用什么规律 来确定？ (3)图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？ 答案 (1)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具有粒子 性 (2)落在某些条形区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定 (3)光的波动性少量光子呈现粒子性，大量光子呈现波动性，而且光是一种概率波 知识梳理 1双缝干涉实验现象：曝光时间很短时，胶片上出现随机分布的点，延长曝光时间，胶片上 出现干

5、涉条纹 2解释：振动加强的区域，光子出现的概率大；振动减弱的区域，光子出现的概率小光子 在空间各点出现的概率受波动规律支配 3结论：光是一种概率波 即学即用 判断下列说法的正误 (1)光子通过狭缝后运动的轨迹是确定的( ) (2)干涉条纹中，暗条纹是光子不能达到的地方( ) (3)单个光子的运动具有偶然性，但光波强的地方是光子到达概率大的地方( ) 一、光的波粒二象性的理解 1大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性 2光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量和其他物质相互作用时，粒子性起 主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动

6、性起主 导作用，因此称光波为概率波 3频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著 4光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此 Eh 揭 示了光的粒子性和波动性之间的密切联系 例 1 下面关于光的波粒二象性的说法中，不正确的是( ) A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 B频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著 C光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性 D光不可能同时具有波动性和粒子性 答案 D 解析 光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比较明显，个别

7、光子粒子性比较 明显，故 A 正确；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波 动性越显著，故 B 正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出 粒子性，故 C 正确；光的波粒二象性是指光即具有为波动性，又具有粒子性，光具有双重性 质，故 D 错误 二、对概率波的理解 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大量粒子运动的必然性：由波动规律我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律，因 此我们可以对宏观现象进行预言 3概率波体现了波粒二象性的和谐统一：概率波的

8、主体是光子、实物粒子，体现了粒子性的 一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说概率 波将波动性和粒子性统一在一起 4光的波动性不是光子之间的相互作用引起的： (1)在双缝干涉实验中，光源非常弱，以至它在前一个光子到达屏幕之后才发射第二个光子， 这样就排除了光子之间相互作用的可能性 (2)尽管单个光子的落点不可预知， 但是长时间曝光之后仍然可以得到明暗相间的条纹， 可见， 光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质 例 2 (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

9、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，是不可确定的，但概率 最大的是落在中央亮纹处，可达 95%以上，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 针对训练 (多选)对光的认识，以下说法正确的是( ) A个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性 B高频光是粒子，低频光是波 C光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了 D光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现得明

10、显，在另外某种场合下， 光的粒子性表现得明显 答案 AD 解析 个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用， 表现为粒子性，光的传播表现为波动性，光的波动性与粒子性都是光的本质属性，频率高的 光粒子性强，频率低的光波动性强，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故正确选项为 A、 D. 1(对光的波粒二象性的认识)下列各组现象能说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泊松亮斑和光电效应 D光的反射和光电效应 答案 C 解析 光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，光的 反射和色散不能说明光具有波动性或

11、粒子性，故选项 C 正确 2(对光的波粒二象性的认识)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表现出粒子性 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，有些行为(如 光电效应)表现出粒子性，A 错误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，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 B 错误光的波粒二象性的理论和实验表明，大量 光

12、子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，D 错误光的波长越长，衍射性 越好，即波动性越显著；光的波长越短，其粒子性越显著，故选项 C 正确 3(对光的本性的认识)有关光的本性，下列说法中正确的是( ) A光具有波动性，又具有粒子性，这是相互矛盾和对立的 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 解析 光在不同条件下表现出不同的行为，其波动性和粒子性并不矛盾，A 错，D 对；光的 波动性不同于机械波，其粒子性也不同于质点，B

13、错；大量光子往往表现出波动性，个别光 子往往表现出粒子性，C 错 4(对概率波的理解)为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并 设法减弱光的强度，下列说法正确的是( ) A使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝 干涉图样 B使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太 清晰的双缝干涉图样 C大量光子的运动规律显示出光的粒子性 D个别光子的运动显示出光的波动性 答案 A 解析 单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循一定规律，显示出光的波 动性使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样，A 正 确，B、C 错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，D 错误