4.3光的波粒二象性 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、3 光的波粒二象性光的波粒二象性 学科素养与目标要求 物理观念：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. 科学态度与责任：学会用辩证的观点看待问题，认识到物理学各种观点的局限性. 一、康普顿效应 1.光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射. 2.康普顿效应 美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时， 发现在散射的 X 射线中， 除了与入射波 长 0相同的成分外，还有波长大于 0的成分，这个现象称为康普顿效应. 3.康普顿效

2、应的意义 康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面. 4.光子的动量 (1)表达式：ph . (2)说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子 的动量变小.因此，有些光子散射后波长变大. 二、光的波粒二象性 1.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性. 2.光子的能量 h，光子的动量 ph . 3.光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性. 三、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

3、波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小. 判断下列说法的正误. (1)光子的动量与波长成反比.( ) (2)光子发生散射后，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化.( ) (3)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性.( ) (4)光子数量越大，其粒子性越明显.( ) (5)光具有粒子性，但光子又是不同于宏观观念的粒子.( ) (6)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子.( ) 一、康普顿效应 1.康普顿效应：康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中，除了与入射 波长 0相同的成分外，还有波长大于 0的成分，这个现象称为康普顿效应. 2.康普顿效应的解释

4、假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量 h，而 且还有动量.如图 1 所示.这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分能量转移给了电 子，能量由 h 减小为 h，因此频率减小，波长增大.同时，光子还使电子获得一定的动量. 这样就圆满地解释了康普顿效应. 图 1 3.康普顿效应的意义 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性. 例 1 科学研究证明，光子既有能量也有动量，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，动量守恒，且 B.能量不守恒，动

5、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， 既适用于宏观世界也适用于微观世界.光子 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 hhc ，当光子与电 子碰撞时， 光子的一些能量转移给了电子， 光子的能量hh c ， 由， 可知， 选项 C 正确. 提示 光子不仅具有能量 h，而且还具有动量，光子与物质中的微粒碰撞时要遵守能量 守恒定律和动量守恒定律. 二、光的波粒二象性 1.对光的本性认识史 人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的光的微粒说到托马斯 杨和菲涅耳的波动说，从 麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说.直到二十世

6、纪初， 对于光的本性的认识才提升到 一个更高层次，即光具有波粒二象性.对于光的本性认识史，列表如下： 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 光能在真空中传播， 是横波，光速等于电 磁波的传播速度 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 光是具有电磁 本性的物质， 既有波动性又 有粒子性 2.对光的波粒二象性的理解 (1)光的波动性 实验基础：光的

7、干涉和衍射. 表现： a.光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述； b.足够能量的光在传播时， 表现出波的性质. 说明：a.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的；b.光的波动性 不同于宏观观念的波. (2)光的粒子性 实验基础：光电效应、康普顿效应. 表现：a.当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质； b.少量或个别光子容易显示出光的粒子性. 说明：a.粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；b.光子不同于宏观观念的粒子. 例 2 (多选)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

8、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.康普顿效应表明光具有粒子性 答案 CD 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、康普顿效应)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，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.光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光 的波长越短，粒子性就越显著，故选项 C、D 正确，A、B 错误.

9、 三、光是一种概率波 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. 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

10、( ) 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，可达 95%以上，当然也可能落在其他亮纹处，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. 1.(对康普顿效应的理解)(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，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据 B.X 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

11、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 2.(对光的波粒二象性的认识)对于光的波粒二象性的说法，正确的是( ) A.一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子 B.光波与机械波是同样的一种波 C.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的 D.光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量 h 中，频率 表示的是波的特性 答案 D 3.(对光的波粒二象性的理解)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

12、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 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)下列关于概率波的说法中，正确的是( ) A.概率波就是机械波 B.物质波是一种概率波 C.概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干涉和衍射现象 D.在光的双缝干涉实验中，若只有一个粒子，则可以确定它从其中的哪一个缝中穿过 答案 B 解析 概率波具有波粒二象性，因此，概率波不是机械波，A 错；对于电子和其他微观粒子， 由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波，B 正确；概率波和机械 波都能发生干涉和衍射现象，但它们的本质不一样，C 错；在光的双缝干涉实验中，若只有 一个粒子，则不能确定它从哪个缝中穿过，D 错.