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.ppt

,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,】,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,p,1,=p,白纸片反射光子,光子的动量变化量大小为,p,2,=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,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。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,入射到散射物上,产生康普顿效应,D.,是否发生光电效应或康普顿效应与入射光的波长无关,【,正确解答,】,选,B,、,C,。发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长,D,错。波长较短的光,如,X,射线或,射线,入射到散射物上,产生康普顿效应。波长较长的可见光或紫外线入射时,主要产生光电效应。故,B,、,C,正确。,【,易错分析,】,本题易错选项及错误原因分析如下,:,易错选项,错误原因,A,误认为波长越短,光的粒子性越明显,产生光电效应,实际上波长越短,越易发生康普顿效应,D,误认为发生光电效应或康普顿效应,与入射光的波长无关,