第4章 第3节 光的波粒二象性-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（粤教版2019）

第四章　波粒二象性 第三节　光的波粒二象性 1．了解康普顿效应和光子的动量、光的粒子性.2.了解光的本质认识的发展史.3.认识光的波粒二象性． 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　光的本性之争 1．两种观点：英国物理学家牛顿认为光是一种________，而荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种_____． 2．光的波动说 (1)英国科学家托马斯·杨做了光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的_______条纹，并由此测定了光的_______．由于_______现象是波的重要特征之一，所以该实验为光的波动性提供了重要的实验依据． 微粒 波 干涉 波长 干涉 课前自主学习 5 (2)英国科学家__________在建立电磁理论的研究过程中，于1862年预言了光是一种________．德国物理学家______通过实验发现了人们期待已久的电磁波． 3．光的微粒说 ________和__________表明，光在与物体相互作用时，光子表现出粒子性． 二　光的波粒二象性 1．光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的__________性． 2．光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映．因此，物理学中把光波看成是一种__________． 光电效应 康普顿效应 麦克斯韦 电磁波 赫兹 波粒二象 概率波 课前自主学习 6 判一判 (1)光子与实物粒子没有本质区别．(　　) (2)光的波动性与机械波有区别，光可在真空中传播，机械波的传播只能借助介质．(　　) (3)光电效应、康普顿效应均是光的粒子性的有利佐证，所以光的本质是粒子．(　　) (4)光波是一种概率波．(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)√ 课前自主学习 7 课堂探究评价 课堂任务 　　康普顿效应和光子的动量 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 9 活动1：光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向.1918～1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．康普顿效应可以用经典物理学解释吗？ 提示：按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波．散射的X射线的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率．相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化．因此，康普顿效应无法用经典物理学解释． 课堂探究评价 10 课堂探究评价 11 活动3：基于这个假定的结果与实验符合得很好．由此可得出什么结论？ 提示：爱因斯坦的光子假说是正确的，光子不仅具有能量，还具有动量． 课堂探究评价 12 课堂探究评价 13 例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相比(　　) A．频率变大 B．速度变小 C．能量变大 D．波长变长 课堂探究评价 14 光子与电子碰撞后，能量怎么变？动量怎么变？ 提示：能量变小，动量变小． 课堂探究评价 15 对康普顿效应的三点认识 (1)光电效应是指金属中的电子吸收光子；而康普顿效应是指光子与电子碰撞且没有被电子吸收． (2)假设X射线光子与电子发生弹性碰撞，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，频率降低，波长变长，即散射光的波长大于入射光的波长． (3)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． 课堂探究评价 [变式训练1]　康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．如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(　　) A．可能沿1方向，且波长变短 B．可能沿2方向，且波长变短 C．可能沿1方向，且波长变长 D．可能沿3方向，且波长变长 课堂探究评价 17 课堂任务 　　光的波粒二象性 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 课堂探究评价 18 活动1：光电效应和康普顿效应让光的微粒说以一种新的形式呈现于世人面前．爱因斯坦所说的“光子”与牛顿所坚持的“微粒”是一样的吗？ 提示：不是一样的． 课堂探究评价 19 活动2：如图甲所示为光的双缝干涉实验装置，如果我们把从光源S发出的光看成是由大量光子组成的，将光源S的强度降低，直到入射光减弱到每次只有一个光子经过狭缝，前一个光子已经消失在感光片上，后一个光子才从光源出发．记录一段时间(较短)，感光片上记录情况如图乙(a)所示，这显示出光的粒子性还是波动性？ 提示：粒子性． 课堂探究评价 20 活动3：适当增加记录时间，感光片上记录情况如图乙(b)所示；记录时间足够长时，感光片上记录情况如图乙(c)所示．请具体描述这一现象，并且说明这种现象显示出光的什么属性？ 提示：适当增加记录时间，感光片上形成模糊的亮纹；记录时间足够长时，会形成清晰的明暗相间的条纹图案，即干涉条纹．干涉条纹显示出光的波动性． 课堂探究评价 21 活动4：结合上述活动，请总结光的性质． 提示：光既有粒子性，又有波动性．光波是一种概率波． 课堂探究评价 22 1．对光的本性认识史 人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的波动说到麦克斯韦的光的电磁说和爱因斯坦的光子说．直到二十世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性．对于光的本性认识史，列表如下： 课堂探究评价 23 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表人物 牛顿 惠更斯、托马斯·杨 麦克斯韦 爱因斯坦 公认 实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速度 光电效应、康普顿效应 光既有波动现象，又有粒子特征 内容要点 光是一群弹性粒子 光是一种波 光是一种电磁波 光是由一份一份光子组成的 光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性 课堂探究评价 24 课堂探究评价 25 3．概率波 在光的双缝干涉实验中，每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点上．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，形成暗纹．所以，干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映．因此，物理学中把光波看成是一种概率波． 课堂探究评价 26 例2　关于对光的认识，下列说法正确的是(　　) A．频率高的光是粒子，频率低的光是波 B．光有时是波，有时是粒子 C．光有时候表现出波动性，有时候表现出粒子性 D．光既是宏观概念中的波，也是宏观概念中的粒子 课堂探究评价 27 光的波粒二象性对频率有要求吗？ 提示：没有要求． 规范解答　一切光都具有波粒二象性，A错误；光有些行为表现出波动性，有些行为表现出粒子性，B错误，C正确；光子不是实物粒子，更不是宏观概念中的粒子，D错误． 课堂探究评价 28 [变式训练2]　(多选)对光的认识，下列说法正确的是(　　) A．个别光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性 B．光是横波 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，就不再具有波动性了 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得明显，在另外的某种场合下，光的粒子性表现得明显 课堂探究评价 29 解析　少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往易显示出波动性，故A正确．光的偏振现象说明光是横波，故B正确．粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，故C错误，D正确． 课堂探究评价 30 课后课时作业 1．(康普顿效应)关于康普顿效应，下列说法正确的是(　　) A．康普顿效应证明光具有波动性 B．康普顿效应可用经典电磁理论进行解释 C．康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现，在散射的X射线中，有些波长变长了 D．康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现，在散射的X射线中，有些波长变短了 1 2 3 4 5 课后课时作业 1 2 3 4 5 课后课时作业 2．(对光的认识)对于光的认识，下列说法不正确的是(　　) A．在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的 B．光既有波动性又有粒子性 C．光具有波动性就不具备粒子性，反之亦然 D．光不但是一种波，而且是一种电磁波 解析　通过光电效应的实验，验证了传播的光不是连续的，而是一份一份的，A正确；光既有波动性又有粒子性，某些场合下光的波动性表现得明显，另外场合下光的粒子性表现得明显，但光的波动性和粒子性是同时同在的，B正确，C错误；电磁波范围很长，光的波长范围包含其中，可以认为光是一种电磁波，D正确．本题选说法不正确的，故选C. 1 2 3 4 5 课后课时作业 3．(光的波粒二象性)从光的波粒二象性出发，下列说法中正确的是(　　) A．光是高速运动的微观粒子，单个光子表现出波动性 B．光的波长越大，光子的能量越大 C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方 D．在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率大的地方 1 2 3 4 5 课后课时作业 1 2 3 4 5 课后课时作业 4．(光的波粒二象性)用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图像如图所示，该实验表明(　　) A．光的本质是波 B．光的本质是粒子 C．光的能量在胶片上分布不均匀 D．光到达胶片上不同位置的概率相同 1 2 3 4 5 课后课时作业 解析　用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图像如题图所示，说明光有波粒二象性，故A、B错误；观察题图可知，光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的，也就说明了光的能量在胶片上分布不均匀，故C正确，D错误． 1 2 3 4 5 课后课时作业 5．(综合)太阳帆飞船是利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器，由于太阳光具有连续不断、方向固定等特点，借助太阳帆为动力的航天器无须携带任何燃料．现有一艘质量为m的太阳帆飞船在太空中运行，其帆面与太阳光垂直．设帆能反射90%的太阳光，帆的面积为S，且单位面积上每秒接受到太阳辐射的能量为E0，已知太阳辐射的光子的波长绝大多数集中在2×10－7～1×10－5 m波段，计算时可取其平均波长为λ0，不计太阳光反射时频率的变化，已知普朗克常量为h，真空中光速为c.求： (1)每秒钟射到帆面上的光子数为多少？ (2)由于光子作用，飞船得到的加速度大小为多少？ 1 2 3 4 5 课后课时作业 1 2 3 4 5 课后课时作业 名师点拨　光子具有动量，其运动虽然不遵从牛顿运动定律，但遵守动量守恒定律和能量守恒定律．光子与实物粒子的作用也可运用动量定理和动量守恒定律计算．计算光的压力需要用到动量定理及微元法，而受光压作用的宏观物体速度远小于光速，则可以运用牛顿运动定律分析计算；计算原子、原子核发射光子或吸收光子时的运动，需要用到动量守恒定律． 1 2 3 4 5 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 活动2：康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应．他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关．这三个量之间的关系式为p＝eq \f(h,λ).据此，请根据上面图片解释康普顿效应现象． 提示：在康普顿效应中，当入射的光子与物质中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小，如图所示．由p＝eq \f(h,λ)可知，动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大． 1．光子动量公式的推导 一个光子的能量ε＝hν，爱因斯坦指出光子动量p＝eq \f(ε,c).由此可得光子的动量p＝eq \f(ε,c)＝eq \f(hν,c)，考虑到光波的波长λ＝eq \f(c,ν)，则光子的动量p＝eq \f(h,λ). 2．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． 规范解答　光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，故C错误；由ε＝hν和λ＝eq \f(h,p)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(光速)是不变的，故B错误． 解析　根据动量守恒可知，碰后光子不可能沿2、3方向，可能沿1方向，且光子的动量变小，根据p＝eq \f(h,λ)知，波长λ变长，则在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波长增大的波，故C正确，A、B、D错误． 2.光的波粒二象性 光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光在某些方面表现出波的特性，在某些方面又表现出粒子的特性．关于光的本性，人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性． 光子的能量ε和动量p可以表示为ε＝hν和p＝eq \f(h,λ)，它们是描述光的性质的基本关系式．两式等号左侧的物理量ε和p描述光的粒子性，等号右侧的物理量ν和λ描述光的波动性，它们通过普朗克常量h联系在一起．普朗克常量h架起了光的粒子性与波动性之间的桥梁． 解析　康普顿效应揭示了光具有粒子性，故A错误；光电效应和康普顿效应都无法用经典电磁理论进行解释，B错误；康普顿在研究石墨对X射线的散射过程中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，入射光子把一部分动量转移给电子，则入射光子的动量减小，根据λ＝eq \f(h,p)知在散射的X射线中，有些波长变长，故C正确，D错误． 解析　光具有波粒二象性，单个光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性，由ε＝eq \f(hc,λ)知，光的波长越长，光子的能量越小，故A、B错误；在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率大的地方，暗条纹的地方是光子到达概率小的地方，故C错误，D正确． 答案　(1)eq \f(E0Sλ0,hc)　(2)eq \f(9E0S,5mc) 解析　(1)每秒钟太阳光照射到帆面上的能量E＝E0S光子能量ε＝hν＝heq \f(c,λ0) 所以每秒钟射到帆面上的光子数N＝eq \f(E,ε)解得N＝eq \f(E0Sλ0,hc). (2)每个光子的动量p＝eq \f(h,λ0) 光子射到帆面被原速率反弹，且帆能反射90%的太阳光， 对t时间内射到帆面上的光子，由动量定理有－Ft＝－0.9Ntp－0.9Ntp 解得F＝eq \f(1.8E0S,c)由牛顿第三定律知飞船受到光子的压力大小F′＝F 由牛顿第二定律有F′＝ma解得飞船得到的加速度大小为a＝eq \f(9E0S,5mc). $$