《2019学年高中物理 第四章 波粒二象性 4.3 光的波粒二象性课件 教科版选修3-5教学资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019学年高中物理 第四章 波粒二象性 4.3 光的波粒二象性课件 教科版选修3-5教学资料（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3光的波粒二象性 一 康普顿效应1 康普顿效应 X射线经物质散射后波长 的现象 2 康普顿效应的意义 表明光子除了具有能量之外 还具有动量 深入揭示了光的 性的一面 为光子说提供了又一例证 变长 粒子 想一想 X射线经物质散射后波长变长了 其对应光子的能量如何变化 提示 由 h 可知 X射线的波长变长 其对应光子的能量减小了 二 光的波粒二象性1 光的本性 光既具有 又具有 光具有 2 光子的能量和动量 1 能量 2 动量 p 波动性 粒子性 波粒二象性 h 3 意义 能量 和动量p是描述物质的 性的重要物理量 波长 和频率 是描述物质的 性的典型物理量 因此 和p 揭示了光的粒子性和波动性之
2、间的密切关系 粒子 波动 h 4 光是一种概率波 光的干涉图样是一条条明暗相间的条纹 在明条纹处 表示到达的 即对每一个光子来说 落在明条纹处的 在暗条纹处 到达的 即对每个光子来说 落在此处的 可见 光波是一种概率波 光子数多 概率大 光子数少 概率小 判一判 1 光不可能同时具有波动性和粒子性 2 光子的能量越大 波长越长 3 光子通过狭缝后落在屏上的位置是确定的 提示 1 光的波动性和粒子性都是光的属性 光具有波粒二象性 1 错 2 由 h 可知 光子的能量越大 频率越高 其波长越短 2 错 3 光子通过狭缝后落在屏上的位置不是确定的 只是落在明条纹处的概率更大些 3 错 知识点一 对康
3、普顿效应的理解思考探究 观察以上光子与电子相碰的过程 思考以下问题 1 光子与电子碰撞后 电子运动了 其运动的动能是哪里来的 2 光子与电子碰撞后 光子的能量如何变化 光的波长如何变化 归纳总结 1 实验现象 X射线管发出波长为 0的X射线 通过小孔投射到散射物石墨上 X射线在石墨上被散射 部分散射光的波长变长 波长改变的多少与散射角有关 2 康普顿效应与经典物理理论的矛盾 按照经典物理理论 入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动 振动着的带电粒子从入射光吸收能量 向四周辐射 这就是散射光 散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率 即入射光的频率 因此散射光的波长与入射光的波长应该相同 不应该出现
4、波长变长的散射光 另外 经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系 3 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 1 光子和电子相碰撞时 光子有一部分能量传给电子 散射光子的能量减少 于是散射光的波长大于入射光的波长 2 因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关 所以波长改变与散射角有关 特别提醒 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 光电效应应用于电子吸收光子的问题 而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题 典例探究 典例 康普顿效应证实了光子不仅具有能量 也具有动量 入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞 则当光子与电子碰撞时 光子的一
5、些能量转移给了电子 如图给出了光子与静止电子碰撞后 电子的运动方向 则碰撞过程中动量 选填 守恒 或 不守恒 能量 选填 守恒 或 不守恒 碰后光子 可能沿 选填 1 2 或 3 方向运动 并且波长 选填 不变 变小 或 变长 思路点拨 解答本题应把握能量守恒 动量守恒 熟悉光的频率与波长的关系 正确解答 光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒 所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致 由矢量合成知识可知碰后光子的方向可能沿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 能量减少 由 h 知 频率变小 再根据c 知 波长变长 答案 守恒守恒1变长 过关训练
6、1 光子有能量 也有动量 动量p 它也遵守动量守恒定律 如图所示 真空中有一 形装置 可绕通过横杆中点的竖直轴OO 在水平面内灵活转动 其中左边是圆形黑纸片 吸收光子 右边是同左边大小 质量相同的圆形白纸片 反射光子 当用平行白光垂直纸面照射这两个圆面时 关于装置开始转动的情况 俯视 下列说法中正确的是 A 顺时针方向转动B 逆时针方向转动C 都有可能D 不会转动 解析 选B 设入射光子的动量为p 由于黑纸片吸收光子 光子的动量变化量大小为 p1 p 白纸片反射光子 光子的动量变化量大小为 p2 2p 依据动量定理 光子对白纸片冲击力大些 故B正确 2 当光子和电子碰撞后有没有可能出现光子的频
7、率不变的情况 解析 有可能 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞 光子将与整个原子交换能量 由于光子质量远小于原子质量 根据碰撞理论 碰撞前后光子能量几乎不变 频率不变 知识点二 对光的波粒二象性的理解思考探究 观察以上图片 思考以下问题 1 图甲中激光通过双缝在屏上看到干涉条纹说明光具有什么特性 2 图乙中紫外线照射锌板验电器金箔张开 说明光具有什么特性 3 应如何理解光的上述两种特性表现 归纳总结 1 光的粒子性的含义 爱因斯坦光子说中的 粒子 与牛顿微粒说中的 粒子 是完全不同的概念 光子是一份一份的具有能量的粒子 其能量与光的频率有关 光子说并不否定波动说 2 光的波动性的含义 光的波动性
8、是光子本身的一种属性 它不同于宏观的波 与惠更斯波动说中的 波 是不同理论领域中两个不同的概念 它是一种概率波 3 光的波动性和粒子性是统一的 光具有波粒二象性 1 光的粒子性并不否定光的波动性 波动性和粒子性都是光的本质属性 只是在不同条件下的表现不同 当光与其他物质发生作用时 表现出粒子的性质 少量或个别光子易显示出光的粒子性 频率高波长短的光 粒子性显著 大量光子在传播时表现出波动性 频率低波长长的光 波动性显著 2 只有从波粒二象性的角度 才能统一说明光的各种表现 光的波动性和粒子性是统一的 特别提醒 光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性 而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证 典
9、例探究 典例 多选 关于光的波粒二象性的理解正确的是 A 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B 光在传播时是波 而在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 思路点拨 解答本题时应把握以下三点 1 光的波粒二象性对光的本质的叙述 2 频率高低对光的粒子性和波动性的影响 3 光子的数量对光的粒子性和波动性的影响 正确解答 选A D 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 频率高的光粒子性明显 频率低的光波长较长 波动性明显 而不能说高频光是粒子 低频光是
10、波 C错误 波粒二象性是光的根本属性 表现为波动性时 只是粒子性不明显而已 不能说光传播时表现为波 而与物质相互作用时变为粒子 故B错误 D正确 过关训练 多选 关于光的波粒二象性 下列说法中正确的是 A 光的频率越高 衍射现象越容易看到B 光的频率越高 粒子性越显著C 大量光子产生的效果往往显示波动性D 光的波粒二象性否定了光的电磁说 解析 B C 光具有波粒二象性 波粒二象性并不否定光的电磁说 只是说某些情况下粒子性明显 某些情况下波动性明显 故D错误 光的频率越高 波长越短 粒子性越明显 波动性越不明显 越不易看到其衍射现象 故B对 A错误 大量光子的行为表现出波动性 个别光子的行为表现
11、出粒子性 故C对 知识点三 对概率波的理解思考探究 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甲 乙 丙所示的图像 观察以上图片 思考以下问题 1 图片甲中光子落点位置杂乱无章 说明什么问题 2 图片丙中出现了明暗相间的条纹 你能从中得出什么结论 归纳总结 1 正确理解光的波动性 光的干涉现象不是光子之间的相互作用使它表现出波动性的 在双缝干涉实验中 使光源S非常弱 以致前一个光子到达屏后才发射第二个光子 这样就排除了光子之间的相互作用的可能性 实验结果表明 尽管单个光子的落点不可预知 但长时间曝光之后仍然得到了干 涉条纹分布 可见 光的波动性不是光子之间的相互作用引起
12、的 2 光波是一种概率波 在双缝干涉实验中 光子通过双缝后 对某一个光子而言 不能肯定它落在哪一点 但屏上各处明暗条纹的不同亮度 说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的 光子落在明条纹处的概率大 落在暗条纹处的概率小 这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定 因此说光是一种概率波 特别提醒 1 在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达 只是光子数量 特别少 很难呈现出亮度 2 要理解统计规律 对统计规律的认识是理解概率波的前提 典例探究 典例 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
13、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 思路点拨 解决本题关键要明确概率波的知识 知道概率波的规律就是统计规律 单个光子无法确定落在哪个点上的 我们只能得出大量光子的落点区域 正确解答 选C D 根据光波是概率波的概念 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条纹处 当然也可落在其他亮条纹处 还可能落在暗条纹处 不过 落在暗纹处的概率很小 故C D选项正确 总结提升 关于光子到达区域的理解光具有波动性 光的波动性是统计规律的结果 对某个光子我们无法判断它落到哪个位置 我们只能判断大量光子的落点区域 同时 我们要明确在暗条纹处 也有光子到达
14、只是光子数很少 对于通过单缝的大量光子而言 绝大多数光子落在中央亮条纹处 只有少数光子落在其他亮条纹处及暗条纹处 过关训练 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 解析 选A D 单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现随机性 若时间足够长 大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性 此时底片上出现衍射图样 故A D正确 B错误
15、光子通过单缝后整体呈现出波动性 但对单个光子 其通过单缝后的运动路线并不是波形线 C错误 温馨提示 光具有波粒二象性是对光的本性的最全面的认识 而康普顿效应又是光具有粒子性的最有力的证据 高考题常结合康普顿散射实验及其结论 对本部分知识进行考查 拓展例题 考查内容 康普顿散射的特征康普顿散射的主要特征是 A 散射光的波长与入射光的波长全然不同B 散射光的波长有些与入射光的相同 但有些变短了 散射角的大小与散射波长无关C 散射光的波长有些与入射光的相同 但也有变长的 也有变短的 D 散射光的波长有些与入射光的波长相同 有些比入射光的波长长些 且散射光的波长与散射角的大小有关 思路点拨 解答本题的
16、关键是熟悉康普顿散射实验的现象及其结论 正确解答 选D 光子和电子相碰撞 光子有一部分能量传给电子 散射光子的能量减少 于是散射光的波长大于入射光的波长 散射角不同 能量减少情况不同 散射光的波长也有所不同 也有一部分光子与整个散射物的原子交换能量 由于光子质量远小于原子质量 碰撞前后光子能量几乎不变 波长不变 故D正确 光电效应与康普顿效应的不同1 入射光的波长不同 入射光若为可见光或紫外线 则发生光电效应 入射光若为X射线 则表现为康普顿效应 2 与入射光子作用的电子特点不同 光电效应中与光子作用的电子可以认为是束缚电子 光子与其碰撞后需要克服束缚力做功 而康普顿效应中的电子可以认为是自由电子 光子与电子的碰撞过程是能量守恒和动量守恒的过程 3 光子与电子的作用过程不同 光电效应中光子被电子吸收 为非弹性碰撞 康普顿效应中光子与电子的作用为弹性碰撞 碰后有光子射出 不是光子被电子吸收 案例展示 多选 下列选项正确的是 A 波长较短的光 如X射线或 射线 入射到散射物上 主要产生光电效应B 波长较长的可见光或紫外线入射时 主要产生光电效应C 波长较短的光 如X射线或 射线 入射到散射
