《2017-2018學年高中物理 第二章 波粒二象性 2.3 康普頓效應及其解釋 2.4 光的波粒二象性教學案 粵教版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017-2018學年高中物理 第二章 波粒二象性 2.3 康普頓效應及其解釋 2.4 光的波粒二象性教學案 粵教版選修3-5（9頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 第三節(jié)　康普頓效應及其解釋 第四節(jié)　光的波粒二象性 [目標定位]　1.了解康普頓效應及其意義.2.知道光的波粒二象性并會分析有關現象.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波． 一、康普頓效應及其解釋 1．康普頓效應 (1)用X射線照射物體時，一部分散射出來的X射線的波長會變長，這個現象后來稱為康普頓效應． (2)光子的能量為ε＝hν，光子的動量為p＝. 2．康普頓對散射光波長變化的解釋 (1)散射光波長的變化，是入射光子與物質中的電子發(fā)生碰撞的結果． (2)物質中電子的動能比入射光子的能量小很多，電子可以看做是靜止的． (3)光子與電子作用過程中，總能量、總動量

2、均守恒． (4)光子因與電子相碰，有一部分能量和動量給了電子，光子的能量和動量均減小了，這樣，散射光的波長也就變長了． 3．康普頓效應的意義 康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，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質 (1)雙縫干涉實驗裝置如圖1所示． 圖1 (2)實驗要求：降低光源S的強度，直到入射光減弱到沒有兩個光子同時存在的程度． (3)實驗結果： ①短時間，感光片上呈現雜亂分布的亮點． ②較長時間，感光片上呈現模糊的亮紋． ③長時間，感光片上形成清晰的干涉圖樣． (4)實驗結論：光既有波動性，又有粒子性，光具

3、有波粒二象性． 2．概率波 (1)對干涉實驗中明暗條紋的解釋 每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點，概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋． (2)光波是一種概率波，干涉條紋是光子在感光片上各點概率分布的反映． 預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中 問題1 問題2 問題3 一、康普頓效應 1．實驗結果 1918年～1922年，美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現散射的X射線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線．人們把這種波長變化的現象叫做康普頓效應． 2．光子說對

4、康普頓效應的解釋 假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似．按照愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量ε＝hν，而且還有動量．如圖2所示．這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰，光子把部分能量轉移給了電子，能量由hν減小為hν′，因此頻率減小，波長增大．同時，光子還使電子獲得一定的動量．這樣就圓滿地解釋了康普頓效應． 圖2 【例1】　康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量，如圖3給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿方向____________運動，并且波長________(選填“不變”、“變短”或“變長”)． 圖3

5、答案　1　變長 解析　根據動量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動量守恒，相碰后合動量應沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向運動，由于動量變小，故波長應變長． 針對訓練　在康普頓效應中，光子與電子發(fā)生碰撞后，關于散射光子的波長，下列說法正確的是(　　) A．一定變長 B．一定變短 C．可能變長，也可能變短 D．決定于電子的運動狀態(tài) 答案　A 解析　因為光子入射的能量很大，比電子的能量要大得多，碰撞時，動量和能量都守恒，碰后一定是電子的動能增加，光子的能量減少，所以散射光子的波長一定變長，選項A正確． 二、對光的波粒二象性的理解 實驗 基礎 表現 說明 光的波 動

6、性 干涉和 衍射 ①光是一種概率波，即光子在空間各點出現的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述． ②頻率較低的光在傳播時，表現出波的性質. ①光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的． ②光的波動性不同于宏觀觀念的波． 光的粒 子性 光電效 應、康 普頓效應 ①當光同物質發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子性． ②少量或個別光子清楚地顯示出光的粒子性. ①粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的． ②光子不同于宏觀觀念的粒子． 波動性 和粒子 性的對 立、統一 ①大量光子易顯示波動性，而少量光子易顯示出粒子性．

7、②波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強. ①光子說并未否定波動性，ε＝hν＝中，ν和λ就是波的概念． ②波和粒子在宏觀世界是不能統一的，而在微觀世界卻是統一的. 【例2】　(多選)關于光的波粒二象性的理解正確的是(　　) A．大量光子的行為往往表現出波動性，個別光子的行為往往表現出粒子性 B．光在傳播時是波，而與物質相互作用時就轉變成粒子 C．高頻光是粒子，低頻光是波 D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著 答案　AD 解析　光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，D正確；大量光子的效果往

8、往表現出波動性，A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質相互作用時粒子性顯著，B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，C錯誤． 借題發(fā)揮　解答此類問題的關鍵是要理解以下知識要點： (1)光是一種波，同時也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性； (2)光的波動性在光的傳播過程中體現出來，具有一定的波長和頻率，能夠發(fā)生干涉和衍射現象； (3)光的粒子性在它與物質的相互作用時體現出來，光子具有一定的能量(ε＝hν)和動量(p＝)． 三、對光是概率波的理解 1．單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不能

9、確定的． 2．大量粒子運動的統計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． 【例3】　(多選)在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上，假設現在只讓一個光子通過單縫，那么該光子(　　) A．一定落在中央亮紋處 B．一定落在亮紋處 C．可能落在暗紋處 D．落在中央亮紋處的可能性最大 答案　CD 解析　根據光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處．當然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項正確. 對康普頓效應的理解

10、 1．關于康普頓效應，下列說法不正確的是(　　) A．康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現散射光的波長發(fā)生了變化，為波動說提供了依據 B．X射線散射時，波長改變的多少與散射角有關 C．發(fā)生散射時，波長較短的X射線或γ射線入射時，產生康普頓效應 D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應，所以康普頓效應支持粒子說 答案　A 解析　美國物理學家康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現散射光波長發(fā)生了變化，這種現象用波動說無法解釋，用光子說卻可以解釋，A錯；波長改變的多少與散射角有關，B對；當波長較短時發(fā)生康普頓效應，較長時發(fā)生光電效應，C對、D對． 2．一個沿著一定方向運動的光子和一個原來靜止的自由電子

11、相互碰撞，碰撞之后電子向某一方向運動，而光子沿著另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來入射時相比(　　) A．散射光子的能量減少 B．光子的能量增加，頻率也增大 C．速度減小 D．波長減小 答案　A 解析　由于光子既具有能量，也具有動量，因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長增大． 對光的波粒二象性的理解 3．下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子與電子是同樣的一種粒子 C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著 D．大量光子的行為往往顯示出粒子性 答案　C 解析　一切光都

12、具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現出波動性，光的有些行為(如光電效應)表現出粒子性．所以，不能說有的光是波，有的光是粒子；雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子；光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現出波動性，個別光子的行為表現出粒子性．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數光子的作用就足以引起光接收裝置的反應，所以其粒子性就很顯著．故選項C正確，A、B、D錯誤．

13、 4．關于光的波粒二象性，下列說法中不正確的是(　　) A．波粒二象性指光有時表現為波動性，有時表現為粒子性 B．光波頻率越高，粒子性越明顯 C．能量越大的光子其波動性越顯著 D．個別光子易表現出粒子性，大量光子易表現出波動性 E．光的波粒二象性應理解為，在某種場合下光的粒子性表現明顯，在另外某種場合下光的波動性表現明顯 答案　C 解析　光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，或者說在某種場合下光的粒子性表現明顯，在另外某種場合下光的波動性表現明顯；個別光子易表現出粒子性，大量光子易表現出波動性，A、D、E說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性

14、相對波動性越明顯，B說法正確、C說法錯誤． (時間：60分鐘) 題組一　康普頓效應 1．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結果．美國物理學家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學獎．假設一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個方向運動，光子沿另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來的光子相比(　　) A．頻率變大 B．速度變小 C．光子能量變大 D．波長變長 答案　D 解析　光子與自由電子碰撞時，遵守動量守恒和能量守恒，自由電子碰撞前靜止，碰撞后動量、能量均增加，所以光子的動量、能量減小，故C錯誤；由λ＝、ε＝hν可知光子

15、頻率變小，波長變長，故A錯誤、D正確；由于光子速度是不變的，故B錯誤． 2．光電效應和康普頓效應都包含有電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是(　　) A．兩種效應中電子與光子組成的系統都服從動量守恒定律和能量守恒定律 B．兩種效應都相當于電子與光子的彈性碰撞過程 C．兩種效應都屬于吸收光子的過程 D．光電效應是吸收光子的過程，而康普頓效應相當于光子和電子彈性碰撞的過程 答案　D 解析　光電效應吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應相當于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應都說明光具有粒子性．故D正確． 3．科學研究

16、證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子．假設光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中(　　) A．能量守恒，動量不守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，動量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，動量守恒，且λ＞λ′ 答案　C 解析　能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界，也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律．光子與電子碰撞前光子的能量ε＝hν＝h，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子，光子的能量ε′＝hν′＝h，由ε＞ε′可知λ＜λ′，選項C正確． 題組二　光

17、的波粒二象性 4．(多選)說明光具有粒子性的現象是(　　) A．光電效應 B．光的干涉 C．光的衍射 D．康普頓效應 答案　AD 5．(多選)關于光的波動性與粒子性，以下說法正確的是(　　) A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說 B．光電效應現象說明了光的粒子性 C．光波不同于機械波，它是一種概率波 D．光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統一 答案　BC 解析　愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現粒子性的，A錯；光電效應說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光子在少量的情況下表現粒子性，大量的情況下表現波動性，所以C對；光的波動

18、性和粒子性不是孤立的，而是有機的統一體，D錯． 6．下列現象能說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．光的反射和光電效應 D．泊松亮斑和光電效應 答案　D 解析　光的色散、光的反射可以從波動性和粒子性兩方面分別予以理解，故A、C選項錯誤．光的干涉、衍射現象只說明光的波動性，B選項錯誤．泊松亮斑能說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性，故D選項正確． 7．關于光的本性，下列說法正確的是(　　) A．波動性和粒子性是相互矛盾和對立的，因此光具有波粒二象性是不可能的 B．光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質點 C．大量

19、光子具有波動性，個別光子具有粒子性 D．γ射線具有顯著的粒子性，而不具有波動性 答案　C 解析　由光的波粒二象性可知：光是同時具有波粒二象性的．但是不同于宏觀的機械波和宏觀粒子，波動性和粒子性是光在不同情況下的表現，是同一客觀事物的兩個側面．我們無法用一種學說去解釋光的所有行為，只能認為光具有波粒二象性．實際上光是一種概率波，即少數光子的行為表現出粒子性，大量光子的行為表現出波動性，綜上所述選項C正確． 8．(多選)關于光的性質，下列敘述中正確的是(　　) A．在其他同等條件下，光的頻率越高，衍射現象越容易看到 B．頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動性越顯著 C．大量

20、光子產生的效果往往顯示出波動性，個別光子產生的效果往往顯示出粒子性 D．如果讓光子一個一個地通過狹縫時，它們將嚴格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運動 答案　BC 解析　光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著；少量光子表現出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的． 9．(多選)在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現衍射圖樣 B．單個光子通過單縫后，底片上會出現完整的衍射圖樣 C．光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏 D．單個光子通過單縫后打在底片上的情況呈現出隨機性，大量光子通過單縫后打在底片

21、上的情況呈現出規(guī)律性 答案　AD 10．(多選)為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干涉實驗中將光屏換成照相底片，并設法減弱光的強度，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間足夠長，底片上將出現雙縫干涉圖樣 B．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間很短，底片上將出現不太清晰的雙縫干涉圖樣 C．大量光子的運動顯示光的波動性 D．個別光子的運動顯示光的粒子性，光只有波動性沒有粒性 答案　AC 解析　光的波動性是統計規(guī)律的結果，對個別光子我們無法判斷它落到哪個位置；對于大量光子遵循統計規(guī)律即大量光子的運動或曝光時間足夠長，顯示出光的

22、波動性． 11．(多選)關于光的波粒二象性，正確的說法是(　　) A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著 B．光的波長越長，光的能量越小，波動性越顯著 C．頻率高的光子不具有波動性，波長較長的光子不具有粒子性 D．個別光子產生的效果往往顯示粒子性，大量光子產生的效果往往顯示波動性 答案　ABD 解析　光具有波粒二象性，但在不同情況下表現不同，頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，反之波動性越明顯，個別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動性，故選項A、B、D正確． 12．(多選)人類對光的本性的認識經歷了曲折的過程．下列關于光的本性的陳述符合科學規(guī)律或歷史事實的是(　　) A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質上是一樣的 B．光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性 C．麥克斯韋預言了光是一種電磁波 D．光具有波粒二象性 答案　BCD 解析　牛頓的“微粒說”認為光是一種物質微粒，愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續(xù)的能量，A錯；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，B正確；麥克斯韋根據光的傳播不需要介質，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確． 9