学年高中物理 第2章 波和粒子 23 光是波还是粒子学案 沪科版选修35.docx

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学年高中物理第2章波和粒子23光是波还是粒子学案沪科版选修35

2．3　光是波还是粒子

[学习目标]1.知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系.2.知道光是一种概率波，知道概率波的统计意义.3.会用光的波粒二象性分析有关问题．

一、光的波粒二象性

[导学探究]　人类对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：

光的单缝衍射实验（图A）

光的双孔干涉实验（图B）

光电效应实验（图C）

光的薄膜干涉实验（图D）

康普顿效应实验等等．

（1）在以上实验中哪些体现了光的波动性？

哪些体现了光的粒子性？

（2）光的波动性和光的粒子性是否矛盾？

答案　

（1）单缝衍射、双孔干涉、薄膜干涉体现了光的波动性．

光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性．

（2）不矛盾．大量光子在传播过程中显示出波动性，比如干涉和衍射．当光与物质发生作用时，显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应．光具有波粒二象性．

[知识梳理]

1．人类对光的本性的研究

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

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，光速等于电磁波的速度

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

光是一种机械波

光是一种电磁波

光是由一份一份光子组成的

光是一种概率波，既有波动性，又有粒子性

2.光的波粒二象性

（1）

（2）光子的能量和动量

①能量：

E＝hν.

②动量：

p＝.

（3）意义：

能量E和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此E＝hν和p＝揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．（　√　）

（2）光子数量越大，其粒子性越明显．（　×　）

（3）光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．（　√　）

（4）光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子．（　×　）

二、再探光的双缝干涉实验

[导学探究]　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1甲、乙、丙所示的图像．

图1

（1）图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？

说明了什么问题？

（2）图像乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？

可用什么规律来确定？

（3）图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？

怎样解释上述现象？

答案　

（1）当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具有粒

子性．

（2）落在某些条形区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定．

（3）光的波动性．少量光子呈现粒子性，大量光子呈现波动性，而且光是一种概率波．

[知识梳理]

光波是一种概率波：

光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质，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．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）光子通过狭缝后运动的轨迹是确定的．（　×　）

（2）干涉条纹中，暗条纹是光子不能达到的地方．（　×　）

（3）单个光子的运动具有偶然性，但光波强的地方是光子到达几率大的地方．（　√　）

一、光的波粒二象性的理解

1．大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性．

2．光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量．和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小（概率），由波动性起主导作用，因此称光波为概率波．

3．频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．

4．光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此E＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．

例1　（多选）对光的认识，以下说法中正确的是（　　）

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．高频光是粒子，低频光是波

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，在另外某种场合下，光的粒子性表现得明显

答案　AD

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，频率高的光粒子性强，频率低的光波动性强，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，故正确选项为A、D.

针对训练　关于光的波粒二象性，下列理解正确的是（　　）

A．光子静止时有粒子性，光子传播时有波动性

B．光是一种宏观粒子，但它按波的方式传播

C．光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可以用波动规律来描述

D．大量光子出现的时候表现为粒子性，个别光子出现的时候表现为波动性

答案　C

解析　光子是不会静止的，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，故A、D错误；光子不是宏观粒子，光在传播时有时看成粒子有时可看成波，故B错误；光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可以用波动规律来描述，故C正确．

二、对概率波的理解

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．大量粒子运动的必然性：

由波动规律我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言．

3．概率波体现了波粒二象性的和谐统一：

概率波的主体是光子、实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说概率波将波动性和粒子性统一在一起．

例2　（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

答案　CD

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，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．

1．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；光的波长越短，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，有些行为（如光电效应）表现出粒子性，A错误．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B错误．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，其粒子性越显著，故选项C正确，D错误．

2．关于光的本性，下列说法中正确的是（　　）

A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，爱因斯坦提出“光子说”，它们都说明了光的本性

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．光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来

答案　C

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．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分题中说法和物理史实与波粒二象性之间的关系．C正确，A、B、D错误．

一、选择题（1～5题为单选题，6～9题为多选题）

1．下列各组现象能说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．泊松亮斑和光电效应D．光的反射和光电效应

答案　C

解析　光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，光的反射和色散不能说明光具有波动性或粒子性，故选项C正确．

2．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处是（　　）

A．亮纹

B．暗纹

C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹

D．以上各种情况均有可能

答案　A

解析　由光子按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b点，故b处一定是亮纹，选项A正确．

3．为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，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狭缝，如果时间足够长，底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狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样

C．大量光子的运动规律显示出光的粒子性

D．个别光子的运动显示出光的波动性

答案　A

解析　单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循一定规律，显示出光的波动性．使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样，A正确，B、C错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，D错误．

4．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．

5．人类对光的本性的认识经历了曲折的过程．下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是（　　）

A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的

B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性

C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波

D．光具有波粒二象性

答案　A

解析　牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．

6．关于光的波动性与粒子性，以下说法正确的是（　　）

A．爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说

B．光电效应现象说明了光的粒子性

C．光波不同于机械波，它是一种概率波

D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一

答案　BC

解析　爱因斯坦的光子说并没有否定电磁说，只是在一定条件下光是体现粒子性的，A错；光电效应说明光具有粒子性，说明光的能量是一份一份的，B对；光波在少量的情况下体现粒子性，大量的情况下体现波动性，所以C对；光的波动性和粒子性不是孤立的，而是有机的统一体，D错．

7．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E＝hν中，ν表示波的特性，E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