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1、第三节康普顿效应及其解释第四节光的波粒二象性目标定位1.了解康普顿效应及其意义.2.知道光的波粒二象性并会分析有关现象.3.了解什么是概率波，知道光也是一种概率波一、康普顿效应及其解释1康普顿效应(1)用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象后来称为康普顿效应(2)光子的能量为h，光子的动量为p.2康普顿对散射光波长变化的解释(1)散射光波长的变化，是入射光子与物质中的电子发生碰撞的结果(2)物质中电子的动能比入射光子的能量小很多，电子可以看做是静止的(3)光子与电子作用过程中，总能量、总动量均守恒(4)光子因与电子相碰，有一部分能量和动量给了电子，光子的能量和动量均减
2、小了，这样，散射光的波长也就变长了3康普顿效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二、光的波粒二象性1光的波粒二象性的本质(1)双缝干涉实验装置如图1所示图1(2)实验要求：降低光源S的强度，直到入射光减弱到没有两个光子同时存在的程度(3)实验结果：短时间，感光片上呈现杂乱分布的亮点较长时间，感光片上呈现模糊的亮纹长时间，感光片上形成清晰的干涉图样(4)实验结论：光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二象性2概率波(1)对干涉实验中明暗条纹的解释每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点，概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成
3、暗纹(2)光波是一种概率波，干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映预习完成后，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、康普顿效应1实验结果1918年1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现散射的X射线中，除有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应2光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量h，而且还有动量如图2所示这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由h减小为h，因此频
4、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2【例1】康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，如图3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_(选填“不变”、“变短”或“变长”)图3答案1变长解析根据动量守恒定律知，光子与静止电子碰撞前后动量守恒，相碰后合动量应沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向运动，由于动量变小，故波长应变长针对训练在康普顿效应中，光子与电子发生碰撞后，关于散射光子的波长，下列说法正确的是()A一定变长B一定变短C可能变长，也可能变短D决定于电子的运动状态答案A解析因为光子入射的能量很大，比电子的
5、能量要大得多，碰撞时，动量和能量都守恒，碰后一定是电子的动能增加，光子的能量减少，所以散射光子的波长一定变长，选项A正确二、对光的波粒二象性的理解实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述频率较低的光在传播时，表现出波的性质.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光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性.粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的光子不同于宏观观念的粒子波动性和粒子性的对立、统一
6、大量光子易显示波动性，而少量光子易显示出粒子性波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强.光子说并未否定波动性，h中，和就是波的概念波和粒子在宏观世界是不能统一的，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，A正确；光在
7、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，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(p)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，光子在空间出现的概率
8、可以通过波动规律确定，所以光波是一种概率波【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，是不可确定的，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关于康普顿效应，下列说法不正确的是()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BX射线散射时，波长改
9、变的多少与散射角有关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A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2一个沿着一定方向运动的光子和一个原来静止的自由电子相互碰撞，碰撞之后电子向某一方向运动，而光子沿着另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来入射时相比()A散射光子的能量减少B光子的能量增加，频率也增大C速度减小D波长减小答案A解析由于光子既具
10、有能量，也具有动量，因此在碰撞过程中遵循能量守恒定律，所以光子能量减少，频率减小，波长增大对光的波粒二象性的理解3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，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
11、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4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E光的波粒二象性应理解为，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
12、显答案C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，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、E说法正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，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
13、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，碰撞后动量、能量均增加，所以光子的动量、能量减小，故C错误；由、h可知光子频率变小，波长变长，故A错误、D正确；由于光子速度是不变的，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D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
14、，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D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
