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【金版新学案】2013-2014学年高中物理同步配套辅导与检测（粤教版，选修3-5）：第二章 第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性（42张ppt）
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上传时间: 2014-08-17
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第三节 康普顿效应及其解释
第四节 光的波粒二象性
1．了解什么是康普顿效应．
2．知道光子是具有动量的，并了解光子动量的表达式．
3．了解康普顿应用光的电磁理论解释遇到的困难，了解康普顿是如何解释康普顿效应的．
4．知道光既具有波动性又有粒子性．
5．了解光是一种概率波．
在经典物理学的观念中，人们形成了一种观念，物质要么具有粒子性，要么具有波动性，非此即彼．
光的干涉、衍射等现象无可争辩地表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性．由于光既具有波动性又具有粒子性，我们将无法只用其中的一种去说明光的一切行为．
现在，人们认识到，光既具有波动性又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性．
显而易见，在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现．那么，为什么光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？让我们一起去探索经典的粒子和经典的波吧！
一、康著顿效应
1．用光照射物体时，散发出来的光的波长会________的现象称为康普顿效应．
2．爱因斯坦提出光子的动量：________.
3．康普顿效应再次证明了爱因斯坦________的正确性．它不仅证明了光子具有________，同时还证明了光子具有________．
变长
光子假说
能量
动量
二、光的波粒二象性的本质
1．经双缝的相干光源会在屏上出现________的干涉条纹，这种现象证明光是一种________，双缝干涉是大量光子叠加的结果．
2．光既有________，又有________，这种性质称为波粒二象性．
3．大量光子易显示________，少量光子易显示______；波长长(频率低)的光________强，而波长短(频率高)的光________强．
三、概率波
光波是一种________波，在光的双缝干涉中，亮纹地方光子落上的________大，暗纹地方光子落上的________小．
概率
明暗相间
波
粒子性
波动性
波动性
粒子性
波动性
粒子性
概率
概率
康普顿效应及其解释
用光照射物体时，散发出来的光的波长会变长，这种现象后来称为康普顿效应．
光电效应揭示出光的粒子性，爱因斯坦进一步提出光子的动量应为p＝ .康普顿借助爱因斯坦的光子假说解析了散射光的波长改变的现象．康普顿认为光子不仅有能量，也像其他粒子一样有动量，用X射线照射物体时，X射线中的光子与物体中的电子相碰，碰撞中动量守恒、能量守恒．电子碰前可认为是静止的，碰后获得了一定的动量和能量，碰后光子的动量、能量减少，散射光的波长变长．
康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性．它不仅证明了光子具有能量，同时还证明了光子具有动量．
如果按照经典电磁理论，入射波引起物质中电子的振动，这种振动频率必然与入射波的频率相同，从而引起的散射波也应该与入射波的频率相同，而散射前后的介质相同，所以散射前后波长也就不变．因此康普顿效应说明了光具有粒子性．
人眼对绿光最为敏感．正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射人瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，试求人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率和一个绿光光子的动量．
解析：每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收到最小功率为
1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向___________运动，并且波长__________(填“不变”、“变小”或“变长”)．
课堂训练
解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，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，可见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ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．
答案：1 变长
光的波粒二象性的认识与理解
光具有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质，有人就把这种性质称为波粒二象性．
大量(多数)光子行为易表现为波动性，个别(少数)光子行为易表现出粒子性；波长较长的，易表现为波动性；波长较短的，易表现为粒子性；光在传播的过程中，易表现为波动性；在与其他物质相互作用时，易表现为粒子性．光是波动性与粒子性的统一．
光在传播时体现出波动性起主导作用，在与其他物质相互作用时，粒子性起主导作用．
光的能量与其对应的频率成正比，而频率是反映波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性与波动性的密切联系．
波动性是光子的本身属性，不能把光看作宏观上的波，也不能把光看作宏观上的粒子．
有关光的本性的说法正确的是( )
A．有关光的本性，牛顿提出了“粒子性”，惠更斯提出了“波动性”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D．在光双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性，如果光只通过一个缝时显示出粒子性
解析：牛顿主张的粒子说中的粒子与实物粒子一样，惠更斯主张的波动说中的波动与宏观机械波等同，这两种观点是相互对立的，都不能说明光的本性，则A、B错，C对．在双缝实验中，双缝干涉出现明暗均匀的条纹，当让光子一个一个地通过单缝时，曝光时间短时表现出粒子性，曝光时间长时表现出波动性，则D错．
答案：C
2．(双选）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
课堂训练
解析：根据光的波粒二象性知，A、D正确，B、C错误.
答案：AD
概率波的认识与理解
1926年，德国物理学家玻恩(Born, 1882－1972) 提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律．
不能把光当成宏观概念中的波或粒子，因为宏观世界的波动性与粒子性是对立的，而光的波动性与粒子性是统一在同一客体即光子上的．这里所指的“波”并非宏观概念中的波，它是一种概率波．“粒子”也不是宏观概念中的微小粒子，而是指光子．
概率波对光的双缝衍射现象的解释：光是一种粒子，它和物质的作用是“一份一份”地进行的，用很弱的光做双缝干涉实验．从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性．
分
实验结果表明，如图所示，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长，我们无法把它们区分开，因此看起来是连续的．单个光子通过双缝后的落点无法预测，但是研究很多光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性：光子落在某些条形区域内的可能性较大．这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域．这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，正是由于这个原因，波恩指出：虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小．这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种概率波．
物理学中把光波叫做概率波．概率表征某一事物出现的可能性．
（双选）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
解析：根据光的概率波的概念，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，可达95%以上，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．
答案：CD
课堂训练
3．（双选）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狭缝，如果时间足够长，片上将会显示衍射图样
B．单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍图样
C．光子通过狭缝的运动路线是直线
D．光的波动性是大量光子运动的规律
解析：个别或少数光子表现出光的粒子性，大量光子表现出光的波动性，如果时间足够长，通过狭缝的光子数也就足够多，粒子的分布遵从波动规律，底片上将会显示出衍射图样，A、D选项正确．单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不会出现完整的衍射图样，B、C选项错．
答案：AD
1．（双选）关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( )
A．频率越高的光，波动性越显著
B．波长越长的光，粒子性越显著
C．光的物质发生作用时，表现为粒子性，光的传播表现为波动性
D．单个光子的运动，粒子性显著，而大量光子的运动规律表现为光的波动性
基础达标
解析：大量光子易显示波动性，少量光子易显示粒子性；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，选项A、B错误．
答案：CD
2．（双选）对光的认识，以下说法正确的是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现出波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显
解析：个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光的传播表现为波动性，光的波动性与粒子性都是光的本质属性，故正确选项有A、B、D.
答案：ABD
3．对于光的波粒二象性的说法中，正确的是 ( )
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同样一种波
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，在光子的能量ε＝hν中，频率ν仍表示的是波的特性
解析：根据波粒二象性，光同时具有波动性和粒子性，A选项错误．不同于宏观观念的粒子和波，故B选项错误．光的波动性是光子本身固有的性质，不是光子之间相互作用引起的，C选项错误．光子的能量与其对应的能量成正比．而频率是反映波动特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系，光子说并未否定电磁说．故D选项正确．
答案：D
4．（双选）物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光流的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，对这个实验结果有下列认识，正确的是( )
A．曝光时间不长时，出现不规则的点子，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点无法预测
C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
解析：由于光波是一种概率波，故B、C正确．A中的现象说明了光的粒子性；个别光子的行为才通常表现出粒子性，故A、D错误．
答案：BC
5．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λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中( )
A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λ<λ′
D．能量守恒，动量守恒，且λ>λ′
6．关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是( )
A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道
C．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的
D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
能力提升
解析：光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子的运动表现出光的粒子性．光的波长越长，波动性越明显，光的频率越高，粒子性越明显．而宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，但不是不具有波粒二象性．D项合题意．
答案：D
7．在光的双缝干涉实验中，在光屏上放上照相底片，并设法减弱光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，在曝光时间不长和曝光时间足够长两种情况下，实验结果是( )
①若曝光时间不长，则底片上出现一些无规则的点
②若曝光时间足够长，则底片上出现干涉条纹
③这一实验结果表明光具有波动性
④这一实验结果表明光具有粒子性
A．①②③ B．①②③④
C．②③④ D．①③④
解析：大量光子往往表现出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性．
答案：B
8.（2012·上海卷）根据爱因斯坦的“光子说”可知（） A.“光子说”的本质就是牛顿的“微粒说”
B.光的波长越长，光子的能量越小
C.一束单色光的能量可以连续变化
D.只有光子数很多时，光才具有粒子性
解析：爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份的，是不连续的，它并不否定光的波动性，而牛顿的“微粒说”与波动说是对立的，因此A错误.在爱因斯坦的“光子说”中光子的能量E=hv= ；可知波长越长，光子的能量越小，因此B正确.某一单色光，波长恒定，光子的能量也是恒定的，因此C错误.大量光子表现为波动性，而少数光子才表现为粒子性，因此D错误.
答案：B
9．在学校组织科技活动中，某研究小组研究了波长为1500 nm 的红外线，试分析红外线光的光子所具有的能量和动量各是多少？
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