精选粤教版高中物理选修35第二章《康普顿效应及其解释 光的波粒二象性》word学案物理知识点总结.docx

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精选粤教版高中物理选修35第二章《康普顿效应及其解释光的波粒二象性》word学案物理知识点总结

学案3　康普顿效应及其解释

学案4　光的波粒二象性

[学习目标定位]1.了解康普顿效应及其解释.2.知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系.3.了解光是一种概率波．

1．光是一种电磁波，具有波动性，具有光的干涉和衍射等光所特有的性质．

2．光子假说

1905年，爱因斯坦指出，光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为ε＝hν.

3．用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象后来称为康普顿效应．

4．光电效应揭示出光的粒子性，每个光子携带的能量为ε＝hν，爱因斯坦进一步提出光子的动量应为p＝

，式中λ为光波的波长．

5．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．

6．光的干涉、衍射实验表明光是一种电磁波，具有波动性；光电效应和康普顿效应，则表明光在与物体相互作用时，是以一个个光子的形式出现的，具有粒子性．光既有波动性，又有粒子性，单独用波或粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质，人们就把这种性质称为波粒二象性．

7．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．这种概率分布就好像波干涉时强度的分布，从这个意义上讲，有人把对光的描述说成是概率波．

解决学生疑难点：

一、对康普顿效应的理解

康普顿效应不仅有力地验证了光子理论，而且证实了微观领域的现象也严格遵循能量守恒和动量守恒．康普顿效应揭示出光具有粒子性的一面．

二、对光的波粒二象性的理解

1．人类对光的本性认识发展史

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

托马

斯·杨

和菲涅耳

麦克斯韦

爱因斯坦

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

波速

光电效

应、康普

顿效应

光既有波

动现象，

又有粒子

特征

特点

光是一群

弹性粒子

光是一

种机械

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

2.对光的波粒二象性的理解

实验

基础

表现

光

的

波

动

性

干涉和

衍射

1.大量光子产生的效果显示出波动性

2．足够能量的光在传播时，表现出波的性质

1.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的

2．光的波动性不同于宏观观念的波

光

的

粒

子

性

光电

效应、

康普顿

效应

1.当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质

2．少量或个别光子容易显示出光的粒子性

1.粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的

2．光子不同于宏观观念的粒子

说明

对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强

3.光子的能量ε＝hν和动量p＝

，生动说明了光具有波粒二象性．普朗克常量h把描述粒子性的能量ε和动量p，与描述波动性的频率ν、波长λ紧密联系在一起．

三、对光是概率波的理解

[问题设计]

双缝干涉实验中（如图1甲所示），在光屏处放置感光片，并设法减弱光的强度，使光子只能是一个一个地通过狭缝．

曝光时间短时，可看到感光片上出现一些无规则分布的亮点，如图乙所示．曝光时间足够长，有大量光子通过狭缝，感光片上出现了规则的干涉条纹，如图丁所示．

如何解释曝光时间较短时的亮点和曝光时间较长时的干涉图样呢？

图1

答案　图片上的亮点表明，光表现出粒子性，也看到光子的运动与宏观现象中质点的运动不同，没有一定的轨道．图丙和图丁图样说明，光的波动性是大量光子表现出来的现象．在干涉条纹中，那些光波强的地方是光子到达机会多的地方或是到达几率大的地方，光波弱的地方是光子到达机会少的地方，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以光波是一种概率波．

[要点提炼]

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．

2．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波．

一、对康普顿效应的理解

例1　（单选）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，动量不守恒，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′

解析　能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律．光子与电子碰撞前光子的能量ε＝hν＝h

，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量ε′＝hν′＝h

，由ε＞ε′可知λ＜λ′，选项C正确．

答案　C

二、对光的波粒二象性的理解

例2　（单选）对光的认识，以下说法中错误的是（　　）

A．个别光子的行为表现出粒子性，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，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律，故本题答案选C.

答案　C

针对训练　下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（　　）

A．有的光是波，有的光是粒子

B．光子与电子是同样的一种粒子

C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著

D．大量光子的行为往往表现出粒子性

答案　C

解析　一切光都具有波粒二象性，光的有些行为（如干涉、衍射）表现出波动性，光的有些行为（如光电效应）表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子．虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子．光的波粒二象性的理论和实验表明，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．光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著；光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著．故选项C正确，A、B、D错误．

三、对光是概率波的理解

例3　（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．可能落在其他亮纹处

C．不可能落在暗纹处

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．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B、D选项正确．

答案　BD

1．（单选）在康普顿效应实验中，X射线光子的动量为

，一个静止的C原子吸收了一个X射线光子后将（　　）

A．仍然静止

B．沿着光子原来运动的方向运动

C．沿光子运动的相反方向运动

D．可能向任何方向运动

答案　B

解析　由动量守恒定律知，吸收了X射线光子的原子与光子原来运动方向相同，故正确选项为B.

2．（单选）一个沿着一定方向运动的光子和一个原来静止的自由电子相互碰撞，碰撞之后电子向某一方向运动，而光子沿着另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来入射时相比（　　）

A．散射光子的能量减少

B．光子的能量增加，频率也增大

C．速度减小

D．波长减小

答案　A

解析　由于光子既具有能量，也具有动量，因此在碰撞过程中遵循能量守恒定律，所以光子能量减少，频率减小，波长增大．

3．（单选）下列实验中，能证实光具有粒子性的是（　　）

A．光电效应实验

B．光的双缝干涉实验

C．光的圆孔衍射实验

D．泊松亮斑实验

答案　A

解析　光的双缝干涉、圆孔衍射、泊松亮斑实验都说明光具有波动性．

4．（双选）在下列现象中说明光具有波动性的是（　　）

A．光的直线传播B．光的衍射

C．光的干涉D．光电效应

答案　BC

5．在双缝干涉实验中，若在光屏处放上感光片，并使光子流减弱到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，感光片上出现__________；如果曝光时间足够长，感光片上出现______．

答案　不规则的点　　干涉图样

解析　在双缝干涉实验中，如能使光子一个一个地通过狭缝，则曝光时间短时，感光片上只出现一些无规则分布的点．不形成干涉特有的明暗相间的条纹．表现出光的粒子性．点的分布看似无规则，但点在感光片上各处出现的概率却遵从双缝干涉实验中光强分布的规律．若曝光时间足够长，感光片上就出现如同强光短时间曝光一样规则的干涉条纹．在干涉条纹中光波强度大的地方，也就是光子到达机会多的地方，所以从这种意义上，可以把显示波动性的光看做表明光子运动规律的一种概率波．

[概念规律题组]

1．（双选）下列说法中正确的是（　　）

A．光的波粒二象性学说就是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的

B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论

C．光子说并没有否定电磁说，在光子的能量ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性

D．光波不同于宏观观念中那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波

答案　CD

解析　光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小，可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．光子说与电磁说不矛盾，它们是不同领域的不同表述．

2．（双选）关于光的性质，下列叙述中正确的是（　　）

A．在其他同等条件下，光的频率越高，衍射现象越容易看到

B．频率越高的光，粒子性越显著；频率越低的光，波动性越显著

C．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性

D．如果让光子一个一个地通过狭缝时，它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动

答案　BC

解析　衍射现象明显与否跟光的频率无关，故A错．光具有波粒二象性，频率越高，粒子性越显著，B对．少量光子表现出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的，C对．光是一种概率波，不会做极有规则的匀速直线运动，故D错．

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单缝，如果时间足够长，感光片上会出现衍射图样

B．单个光子通过单缝后，感光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感光片上的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在感光片上的情况呈现出规律性

答案　AD

4．（单选）有关光的本性的说法正确的是（　　）

A．关于光的本性，牛顿提出了“微粒说”，惠更斯提出了“波动说”，爱因斯坦提出了“光子假说”，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上的波，也可以看成微观概念上的粒子

C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性

D．在光的双缝干涉实验中，如果有光通过双缝则显出波动性

答案　C

解析　牛顿主张的“微粒说”中的微粒与实物粒子一样，惠更斯主张的“波动说”中的波与宏观机械波等同，这两种观点是相互对立的，都不能说明光的本性，所以A、B错误，C正确；在双缝干涉实验中，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，曝光时间短时表现出粒子性，曝光时间长时表现出波动性，所以D错误．

5．（单选）频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为hν/c，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光的散射，散射后的光子（　　）

A．改变原来的运动方向，但频率保持不变

B．光子将从电子处获得能量，因而频率将增大

C．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上，但方向相反

D．由于电子受到碰撞时会吸收光子的一部分能量，散射后的光子频率低于入射前光子的频率

答案　D

解析　由于电子的能量增加，光子的能量减少，所以光子的频率降低．

[方法技巧题组]

6．下面列举的是人类对光的本性的认识：

A．牛顿的微粒说和惠更斯的波动说

B．光的干涉、衍射现象证明波动说是正确的

C．光电效应现象的发现为爱因斯坦的光子假说的诞生奠定了基础

D．光波的传播介质问题是麦克斯韦电磁说诞生的基础

E．光具有波粒二象性

请按人类的认识发展进程将字母按顺序排列起来：

________.

答案　ABDCE

解析　对光的本性的认识过程有五大学说．按其发展顺序为：

牛顿支持的微粒说，惠更斯提出的波动说，麦克斯韦提出的电磁说，爱因斯坦在普朗克量子说的基础上提出了光子假说，最后是现代物理学将两大对立学说加以综合的光的波粒二象性．所以顺序应为A、B、D、C、E.

7．（双选）光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹，衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应，这一现象说明（　　）

A．光是电磁波B．光具有波动性

C．光可以携带信息D．光具有波粒二象性

答案　BC

解析　光能发生衍射现象，说明光有波动性，B正确；衍射图样与障碍物的形状对应，说明了衍射图样中包含了障碍物等物体的信息，C正确；光是电磁波，光也具有波粒二象性，但在这个现象中没有得到反映，A、D不正确．

8．（双选）为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成感光片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是（　　）

A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，感光片上将出现双缝干涉图样

B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，感光片上将出现不太清晰的双缝干涉图样

C．大量光子的运动显示光的波动性

D．个别光子的运动显示光的粒子性，光只有粒子性没有波动性

答案　AC

解析　光的波动性是统计规律的结果，对个别光子我们无法判断它落到哪个位置；对于大量光子遵循统计规律，即大量光子的运动或曝光时间足够长，显示出光的波动性．

[创新应用题组]

9．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．如图1给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿方向________运动，并且波长________（填“不变”“变短”或“变长”）．

图1

答案　1　变长

解析　由于光子不仅具有能量，它还具有动量，因此我们可以根据能量和动量的相关规律进行分析和解答．因光子与电子的碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与碰撞前光子动量的方向一致，可见碰撞后光子运动的方向可能沿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，光子的能量减少，由ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．