波粒二象性导学案.docx
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波粒二象性导学案
第十七章波粒二象性
7.1能量量子化
【教学目标】
1.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射
2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系
3．了解能量子的概念
重点：
能量子的概念。
难点：
黑体辐射的实验规律。
【自主预习】
1．热辐射：
我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的_______有关，叫做热辐射。
2．黑体：
如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波光而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称________。
3．一般材料物体的辐射规律：
辐射电磁波的情况除与_______有关外，还与材料的种类和表面状况有关。
4．黑体辐射的实验规律：
黑体辐射的电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_____有关，
（1）随着温度的升高，各种波长的辐射强度都_____。
（2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长_____的方向移动。
5．普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位________辐射或吸收的，这个最小的不可再分的能力值叫做_____。
6．能量子大小：
其中
是电磁波的频率，h称为普朗克常量。
h=6.626×10-34J.s，一般取h=6.63×10-34J.s.
7.能量的量子化：
在微观世界中，能量是_____的，或者说微观粒子的能量是_____的。
【典型例题】
【例1】纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面.将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一
个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果.一台功率为10W氩激光器，能发出波长λ=500nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10-3J的能量，则每次“点焊”视网膜的时间是多少？
在这段时间内发出的激光光子的数量是多少？
解析：
（1）根据E=Pt,所
以t=
s=2×10-4s.
（2）由E=n
=nh
得：
n=
个=5×1015个.
【课后练习】
1．以下宏观概念中，那些是“量子化”的？
A.物体的长度
B.物体所受的重力
C.物体的动能
D.人的个数
2．根据爱因斯坦光子说，光子能量等于（h为普朗克常量，c、λ为真空中的光速和波长）（）
3．一激光器发光功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为λ，若在真空中速度为c，普朗克常量为h，则下列叙述正确的是（ ）
A．该激光在真空中的波长为nλ
B．该激光的频率为
C．该激光器在ts内辐射的能量子数为
D．该激光器在ts内辐射的能量子数为
4.光是一种电磁波，可见光的波长的大致范围是400～760nm。
400nm，760nm电磁波辐射的能量子ε的只是多少？
课后练习答案
1.D
2.A
解析：
本题考查光子能量公式和光速公式，光子的能量由频率决定，频率又和光速、波长有关系.选A.所以光子的能量
3.AC
解析：
激光在介质中的折射率n＝
＝
＝
，故激光在真空中的波长λ0＝nλ，A正确；激光频率ν＝＝
，B错误；由能量关系Pt＝Nε，c＝λ0ν，λ0＝nλ及ε＝hν得N＝
，C正确，D错误。
4.hν=h
可求解。
第十七章波粒二象性
7.2光的粒子性
【教学目标】
1．通过实验了解光电效应的实验规律。
2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
3．了解康普顿效应，了解
光子的动量
重点：
光电效应的实验规律。
难点：
爱因斯坦光电效应方程以及意义。
【自主预习】
1．当光线照射在金属表面时，金属中有的现象，称为光电效应。
逸出的电子称为。
2．光电效应实验规律：
①光电流与光强的关系
饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②截止频率νc---
对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc。
当入射光频率ν>νc时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率ν<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③光电效应是瞬时的。
从光开始照射到光电逸出所需时间<10-9s。
3.爱因斯坦的光量子假设
①内容：
光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。
也就是说，频率为ν的光是由大量能量为ε=hν光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。
②爱因斯坦光电效应方程：
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功中，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。
由能量守恒可得出：
为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
为光电子的最大初动能。
③爱因斯坦对光电效应的解释：
⑴.光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
⑵.电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
⑶.从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。
⑷.从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率。
4.康普顿效应
光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播,这种现象叫做光的散射
1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。
散射中出现的现象，称为康普顿散射。
康普顿散射曲线的特点：
⑴除原波长λ0外出现了移向长波方向的新的散射波长λ。
⑵新波长λ随散射角的增大而增大。
5.光子理论对康普顿效应的解释：
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：
（1）若光子和外层电子相碰撞，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。
（2）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，波长不变。
（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
6.光子的能量和动量
【典型例题】
【例1】一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是（）
A.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加
B.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能增加
C.若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应
D.若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加
【例2】用波长为2.0×10-7m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10-19J，由此可知，钨的极限频率是（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，光速c=3.0×108m/s，结果取两位有效数字）（）
A.5.5×1014HzB.7.9×1014Hz
C.9.8×1014HzD.1.2×1015Hz
【例4】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
【例5】康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量.如图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向_______运动，并且波长_______（选填“不变”、“变短”或“变长”）.
【课后练习】
1.下列关于光子的说法中，正确的是（）
A.在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子
B.光子的能量由光强决定，光强大，每份光子的能量一定大
C.光子的能量由光频率决定，其能量与它的频率成正比
D.光子可以被电场加速
2．爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖.某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率.从图中可以确定的是______.（填选项前的字母）
A.逸出功与ν有关B.
与入射光强度成正比
C.当ν<ν0时，会逸出光电子
D.图中直线的斜率与普朗克常量有关
3.1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年,这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文,其中关于光量子的理论成功地解释了光电效应现象.关于光电效应,下列说法正确的是（）
A.当入射光的频率低于极限频率时,不能发生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.光电子的最大初动能与入射光的强度成正比
D.某单色光照射一金属时不发生光电效应,改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应
4.关于能量量子化和光的粒子性，下列说法正确的是（）
A.黑色的物体是黑体
B.光电子不是光子，光电子本质上是电子
C.随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
D.光子的质量是指它的相对论质量，俗称动质量，没有静止质量
5.下列叙述错误的是（）
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
6.某种金属在单色光照射下发出光电子，光电子的最大初动能（）
A.随照射光强度的增大而增大
B.随照射光频率的增大而增大
C.随照射光波长的增大而增大
D.与照射光的照射时间无关
7.用波长为λ1和λ2的单色光A和B分别照射两种金属C和D的表面.单色光A照射两种金属时都能
产生光电效应现象；单色光B照射时，只能使金属C产生光电效应现象，不能使金属D产生光电效应现象.设两种金属的逸出功分别为WC和WD，则下列选项正确的是（）
A.λ１＞λ2,WC＞WDB.λ1>λ2,WC＜WD
C.λ1＜λ2,WC＞WDD.λ1＜λ2,WC＜WD
8.如图所示，阴极K用极限波长是λ0=0.66μm的金属铯制成，用波长λ=0.50μm的绿光照射阴极K，调整两个极板电压.当A板电压比阴极高出2.5V时，光电流达到饱和，电流表G的示数为0.64μA.求：
课后练习答案：
1.A、C.
解析:
按照爱因斯坦的光子说，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E=hν,与光的强度无关，故A、C正确，B错误；光子不带电，不能被电场加速，D错误.
2.D.
解析：
金属的逸出功与入射光无关，A错；光电子的最大初动能与入射光强度无关，B错；当入射光的频率小于极限频率，不能发生光电效应现象，C错；据光电效应方程可知图象的斜率与普朗克常量有关，D对.
3.A、D
解析：
根据光电效应现象的实验规律,只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应,故A、D正确；根据光电效应方程,最大初动能与入射光频率为线性关系,但非正比关系,B错；根据光电效应现象的实验规律,光电子的最大初动能与入射光强度无关,C错。
4.B、D.
解析：
选黑色物体并不一定就是黑体，黑体是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体；当照射光的频率大于某种金属的极限频率时，照射到金属表面的光，能使金属中的电子从其表面逸出，逸出的电子称为光电子，其本质就是电子；对于黑体辐射，随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动；由于光不能静止下来，因此光子没有静止质量，光子的质量是指它的相对论质量，俗称动质量.故B、D正确.
5.B
解析：
我们周围的一切物体都在辐射电磁波，故A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知，一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确.
6.B、D
解析：
根据光电效应现象的实验规律,光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大,与入射光强度无关，入射光的强度只是与光电流有关；而光子的波长增大其频率反而减小，能否发生光电效应以及光电子的最大初动能与照射时间都没有关系.故选项B、D正确.
7.C
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规律.光子与电子碰撞前光子的能量当光子与电子
碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量由E>E′，可知λ<λ′，选项C正确.
8.
（1）4.0×1012个9.6×10-20J
（2）8.0×1012个4.96×10-19J
（3）UAK=-0.6V
解析：
题目中的光电流达到饱和是指光电流达到最大值.因为光电流未达到最大值之前，其值大小不仅与入射光强度有关，还跟光电管两极的电压有关，只有在光电流达到最大以后才和入射光的强度成正比.
（1）光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，所以阴极每秒钟发射的光电子的个数：
根据光电效应方程：
Ek=hν-W,代入可求得Ek=9.6×10-20J.
（2）若入射光的频率不变，光的强度加倍，则阴极每秒发射的光电子数也加倍，即n′=2n=8.0×1012个.根据Ek=hν-W可知，光电子的最大初动能不变,由于A、K之间电势差是2.5V，所以电子到达A极时的最大动能为：
Ek′=Ek+eU=4.96×10-19J
（3）光电子的最大初动能Ek=9.6×10-20J=0.6eV.
若使G中电流为零，光电子到达A极时克服电场力做功至少为W=eU=Ek，解得U=0.6V,即UAK=-0.6V.
第十七章波粒二象性
6.3粒子波动性
【教学目标】
1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。
2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。
3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。
重点：
实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。
难点：
实物粒子的波动性的理解。
【自主预习】
光的波粒二象性
1.光的本性
（1）大量光子产生的效果显示出，比如阻、、的现象表明光在传播中具有波动性电。
（2）个别光子产生的效果往往显示出，比如、等光子与电子作用是一份一份进行的，这都体现了光的粒子性。
光既具有又具有，光具有。
2.光的能量和动量
（1）光的能量：
（2）光的动量：
3.意义：
能量
和动量
是描述物质的的重要物理量；波长
和频率
是描述物质性的典型物理量，因此
和
揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。
光的波动性
（1）德布罗意波
每一个的粒子都与一个相应的波相联系，这种与相联系的波称为德布罗意波，也叫做。
（2）物质波的波长、频率之间的关系式
【典型例题】
【例1】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
【例2】质量为1000kg的小汽车以v=40m/s的速度在高速公路上行驶，试估算小汽车的德布罗意波的波长
【例3】如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？
（中子的质量为1.67×10-27kg）
【课后练习】
1．对于物质波的理解，以下说法正确的是（）
A.任何运动的物体（质点）都伴随一种波，这种波叫物质波
B.我们平时见到的机械波比如湖面上形成的水波就是物质波
C.通常情况下，电子比质子的波长长
D.核外电子绕核运动时，并没有确定的轨道
2．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为波动性
B.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
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
3
．能够证明光具有波粒二象性的现象是（）
A.光的干涉、衍射现象和光电效应
B.光的反射与小孔成像
C.光的折射与偏振现象
D.光的干涉、衍射与光的色散
4．频率为ν的光子，德布罗意波波长为
能量为E，则光的速度为（）
A.Eλ/hB.pEC.
D.
5．为了观察晶体的原子排列，采用了以下两种方法：
（1）用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像（由于电子的物质波波长很短，能防止发生明显衍射现象，因此，电子显微镜的分辨率高）；
（2）利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样，进而分析出晶体的原子排列.以下正确的是（）
A.电子显微镜所利用的是，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多
B.电子显微镜中电子束运动的速度应很小
C.要获得晶体的X射线衍射图样，X射线波长要远小于原子的尺寸
D.中子的物质波的波长可以与原子尺寸相当
6.下列物理实验中，能说明粒子具有波动性的是（）
A.通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，证明了爱因斯坦方程的正确性
B.通过测试多种物质对X射线的散射，发现散射射线中有波长变大的成分
C.通过电子双缝实验，发现电子的干涉现象
D.利用晶体做电子束衍射实验，证实了电子的波动性
7.在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波波长与晶体中原子间距相近，已知中子质量m=1.67×10-27kg,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,可以估算德布罗意波波长λ=1.82×10-10m的热中子动能的数量级为（）
A.10-17JB.10-19JC.10-21JD.10-24J
8.关于光的波粒二象性的理解，正确的是（）
A.大量的光子中有些光子表现出波动性，有些光子表现出粒子性
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.波粒二象性是光的属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
9.质量m=50kg的人，以v=15m/s的速度运动，试求人的德布罗意波波长？
10.现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构.为满足测量要求,将显微镜工作时电子的德布罗意波波长设定为其中n>1.已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e,电子的初速度不计,则显微镜工作时电子的加速电压应为多少?
课后练习答案：
1.A、C、D
解析:
选A、C、D.据德布罗意物质波理论可知，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，A选项正确.机械波不是物质波，湖面上形成的水波是机械波不是物质波，B错.电子的动量比质子的动量往往要小一些，由波长公式知，电子的德布罗意波波长要长，C正确.由于电子的波动性，核外电子绕核运动不可能有确定的轨道，D正确.
2.A、D.
解析:
选A、D.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，A正确；当光和物质作用时，是“一份一份”的，表现出粒子性，并不是光子间的相互作用,B错误；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，只是表现明显与否，不容易观察并不说明不具有.
3.A
解析:
选A.小孔成像说明光沿直线传播，选项C、D说明光的波动性.故选项A正确.
4.A、C.
5.A、D
解析:
由题目所给信息“电子的物质波波长很短，能防止发生明显衍射现象”及发生衍射现象的条件可知，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多，A项正确；由信息“利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样”及发生衍射现象的条件可知，中子的物质波或X射线的波长与原子尺寸相当，D项正确，C项错.
6.C、D.
解析:
干涉和衍射是波特有的现象.由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线有波长变大的成分，并不能证实物质波理论的正确性，即A、B并不能说明粒子的波动性，证明粒子的波动性只能是C、D.故选项C、D正确.
7.C
解析:
由λ=h/p知热中子的动量
，又p2=2mEk,所
以热中子动能：
故选项C正确。
8.D
9.8.8×10-37m
解析：
由德布罗意波公式得
上面的结果说明宏观物体的波动性是不显著的，对宏观物体不必考虑其波动性，只考虑其粒子性即可.
10.
由德布罗意波公式
得
而
解得
第十七章波粒二象性
6.4概率波
【教学目标】
1．了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．
2．了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．
3．了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子性
重点：
人类对光的本性的认识的发展过程．
难点：
对量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解
．
【自主预习】
一．经典的粒子和经典波
1．经典粒子的特征
（1）经典物理学中，粒子有一定的，具有一定的，有的还带有。
（2）经典粒子运动的基本特征：
遵从，只要已知它们的受力情况及初位置、初速度，从理论上讲就可以准确、唯一的确定以后任意时刻的和，以及空间中的确定的。
2.经典波的特征
经典的波在空间是的，其特征是具有和，也就是具有时间、空间的周期性。
在经典物理中，波和粒子是两种的研究对象，具有非常不同的研究表现，是的两个物理量。
以及空间中的确定。
二．概率波
1.光波是一种概率波
光的波动性不是光子之间引起的，而是光子自身的性质，光子在空间出现的频率可以通过波动的规律确定，所以光波是一种概率波。
2.物质波也是概率波
对于电子和其它微观粒子，单个粒子的位置是的，但在某点附近出现的概率的大小可以
由的规律确定。
【典型例题】
【例1
】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
【例2
】2003年全世界物理学家评选出“十大最美物理实验”，排名第一的为1961年物理学家利用“托马斯·杨”双缝干涉实验装置进行电子干涉的实验.从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹，该实验说明（）
A.光具有波动性
B.光具有波粒二象性
C.微观粒子也具有波动性
D.微观粒子也是一种电磁波
【课后练习】
1.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单缝，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单缝，如果时间很短，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，光只有波动性没有粒子性
2.下列说法正确的是（）
A.概率波就是机械波
B.物质波是一种概率波
C.概率波和机械波的本
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