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1、高中物理高中物理选修选修3-5粤教版粤教版第三节康普顿效应及其解释第三节康普顿效应及其解释目标定位目标定位1.了解康普了解康普顿效效应及其意及其意义了解光子理了解光子理论对康康普普顿效效应的理解的理解.2.知道光的波粒二象性，知道波和粒子的知道光的波粒二象性，知道波和粒子的对立立统一的关系一的关系.3.了解什么是概率波，知道光也是一种概率波了解什么是概率波，知道光也是一种概率波一、康普顿效应及其解释一、康普顿效应及其解释1康普顿效应康普顿效应(1)光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向传播方向_的光现象的光现象(2)康普顿效应：
2、在光的散射中，部分散射光的波长康普顿效应：在光的散射中，部分散射光的波长_，波长的改变与散射角有关波长的改变与散射角有关(3)光子的能量为光子的能量为_，光子的动量为，光子的动量为p_发生改生改变变长h2康普顿对散射光波长变化的解释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散射光波长的变化，是入射光子与物质中的_发生碰撞发生碰撞的结果的结果(2)物质中电子的动能比物质中电子的动能比_小很多，电子可以小很多，电子可以看做是静止的看做是静止的(3)光子与电子作用过程中，总能量、总动量均光子与电子作用过程中，总能量、总动量均_(4)光子因与电子相碰，有一部分能量和动量给
3、了电子，光子光子因与电子相碰，有一部分能量和动量给了电子，光子的能量和动量均的能量和动量均_了，这样，散射光的了，这样，散射光的_也就变长了也就变长了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，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，深入揭示了光的还具有动量，深入揭示了光的_性的一面性的一面电子子入射光子的能量入射光子的能量守恒守恒减小减小波波长粒子粒子二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性1光的波粒二象性的本质光的波粒二象性的本质(1)双缝干涉实验装置如图双缝干涉实验装置如图23、41所示所示图图23、41(2)实验要求：降低光源要求：降低光源S的的强强度
4、，直到入射光减弱到没有度，直到入射光减弱到没有两个光子同两个光子同时存在的程度存在的程度(3)实验结果：果：短短时间，感光片上呈，感光片上呈现杂乱分布的乱分布的_较长时间，感光片上呈，感光片上呈现模糊的模糊的_长时间，感光片上形成清晰的，感光片上形成清晰的_(4)实验结论：光既有波：光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二性，又有粒子性，光具有波粒二象性象性亮点亮点亮亮纹干涉干涉图样2概率波概率波(1)对干涉实验中明暗条纹的解释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，形成地方落下的光子多，形成
5、_，概率小的地方落下的光，概率小的地方落下的光子少，形成子少，形成_(2)光波是一种光波是一种_，干涉条纹是光子在感光片上各点，干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映概率分布的反映.亮亮纹暗暗纹概率波概率波一、康普顿效应一、康普顿效应1实验结果实验结果1918年年1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射射线的散射时，发现散射的线的散射时，发现散射的X射线中，除有与入射线波长相射线中，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这种波长变化的现象叫做康
6、普顿效应2光子说对康普顿效应的解释光子说对康普顿效应的解释假定假定X射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比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射线光子不仅具有能量h，而且还有动量如图，而且还有动量如图23、42所示这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子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，能量由把部分能量转移给了电子，能量由h减小为减小为h，因此频率，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减小，波长增大同时，光子还使电子获得
7、一定的动量这样就圆满地解释了康普顿效应这样就圆满地解释了康普顿效应图图23、42【例例1】康普康普顿效效应证实了光子不了光子不仅具有能量，也有具有能量，也有动量，量，如如图23、43给出了光子与静止出了光子与静止电子碰撞后，子碰撞后，电子的运子的运动方向，方向，则碰撞后光子可能沿方向碰撞后光子可能沿方向_运运动，并且波，并且波长_(选填填“不不变”、“变短短”或或“变长”)图图23、43答案答案1变长解析解析根据动量守恒定律知，光子与静止电子碰撞前后动根据动量守恒定律知，光子与静止电子碰撞前后动量守恒，相碰后合动量应沿量守恒，相碰后合动量应沿2方向，所以碰后光子可能沿方向，所以碰后光子可能沿1
8、方向运动，由于动量变小，故波长应变长方向运动，由于动量变小，故波长应变长针对训练针对训练1(单选单选)在康普在康普顿效效应中，光子与中，光子与电子子发生碰撞后，生碰撞后，关于散射光子的波关于散射光子的波长，下列，下列说法正确的是法正确的是()A一定一定变长B一定一定变短短C可能可能变长，也可能，也可能变短短D决定于决定于电子的运子的运动状状态答案答案A解析解析因为光子入射的能量很大，比电子的能量要大得多，因为光子入射的能量很大，比电子的能量要大得多，碰撞时，动量和能量都守恒，碰后一定是电子的动能增加，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
9、，选项光子的能量减少，所以散射光子的波长一定变长，选项A正确正确二、对光的波粒二象性的理解二、对光的波粒二象性的理解实验基基础表表现说明明光光的的波波动性性干涉干涉和衍和衍射射光是一种概率波，即光是一种概率波，即光子在空光子在空间各点出各点出现的的可能性大小可能性大小(概率概率)可用波可用波动规律来描述律来描述. 足足够能量的光在能量的光在传播播时，表，表现出波的性出波的性质.光的波光的波动性是光性是光子本身的一种属性，子本身的一种属性，不是光子之不是光子之间相互相互作用作用产生的生的. 光的波光的波动性不同性不同于宏于宏观观念的波念的波.光光的的粒粒子子性性光光电效效应、康普康普顿效效应当光
10、同物当光同物质发生作用生作用时，这种作用是种作用是“一份一份一份一份”进行的，表行的，表现出出粒子的性粒子的性质. 少量或个少量或个别光子清楚光子清楚地地显示出光的粒子性示出光的粒子性粒子的含粒子的含义是是“不不连续”、“一份一份一份一份”的的.光子不同于宏光子不同于宏观观念的粒子念的粒子波波动性性和粒子和粒子性的性的对立、立、统一一大量光子易大量光子易显示示波波动性，而少量光性，而少量光子易子易显示出粒子性示出粒子性.波波长长(频率低率低)的光波的光波动性性强强，而，而波波长短短(频率高率高)的的光粒子性光粒子性强强光子光子说并未否定波并未否定波动性，性，h中，中，和和就是就是波的概念波的概
11、念. 波和粒子在宏波和粒子在宏观世界是世界是不能不能统一的，而在微一的，而在微观世世界却是界却是统一的一的【例例2】(双选双选)(2014伊犁哈萨克高二检测伊犁哈萨克高二检测)关于光的波粒二关于光的波粒二象性的理解正确的是象性的理解正确的是()A大量光子的行大量光子的行为往往表往往表现出波出波动性，个性，个别光子的行光子的行为往往表往往表现出波出波动性性B光在光在传播播时是波，而与物是波，而与物质相互作用相互作用时就就转变成粒子成粒子C高高频光是粒子，低光是粒子，低频光是波光是波D波粒二象性是光的根本属性，有波粒二象性是光的根本属性，有时它的波它的波动性性显著，著，有有时它的粒子性它的粒子性显
12、著著答案答案AD解析解析光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，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，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的效果正确；大量光子的效果往往表现出波动性，往往表现出波动性，A正确；光在传播时波动性显著，光正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，性显著，频率低的光波动性显著，C错误错误针对训练针对训练2(单选单选)有关光的本性，下列有关光的本性，下列说法正确的是法正确的是()A光既具有波光既具有波动性，
13、又具有粒子性，性，又具有粒子性，这是互相矛盾和是互相矛盾和对立的立的B光的波光的波动性性类似于机械波，光的粒子性似于机械波，光的粒子性类似于似于质点点C大量光子才具有波大量光子才具有波动性，个性，个别光子只具有粒子性光子只具有粒子性D由于光既具有波由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中性，又具有粒子性，无法只用其中一种去一种去说明光的一切行明光的一切行为，只能，只能认为光具有波粒二象光具有波粒二象性性答案答案D解析解析19世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干涉、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衍射现象，这属于波的特征，微粒说
14、无法解释但到了19世纪末又发现了光的新现象世纪末又发现了光的新现象光电效应，这种现象波动说光电效应，这种现象波动说不能解释，证实光具有粒子性因此，光既具有波动性，不能解释，证实光具有粒子性因此，光既具有波动性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和质点波动性和又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和质点波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客观事物粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客观事物的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中一种去说明的两个不同侧面、不同属性，我们无法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故选项光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性故选项D正正
15、确确三、对光是概率波的理解三、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可以通过波动规律确定，所以光波是一种概率出现的概率可以通过波动规律确定，所以光波是一种概率波波【例例3】(双选双选)在在单缝衍射衍射实验中，中央亮中，中央亮纹的光的光强强占从占从单缝射入
16、的整个光射入的整个光强强的的95%以上，假以上，假设现在只在只让一个光子通一个光子通过单缝，那么，那么该光子光子()A一定落在中央亮一定落在中央亮纹处B一定落在亮一定落在亮纹处C可能落在暗可能落在暗纹处D落在中央亮落在中央亮纹处的可能性最大的可能性最大答案答案CD解析解析根据光波是概率波的概念，对于一个光子通过单缝落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，故暗纹处的概率很小，故C、D选项正确选项正确.
