2019-2020学年高中物理 第二章 波粒二象性 第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性学案 粤教版选修3-5

第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性1.了解康普顿效应及其意义2.知道光具有波粒二象性，区分光的波动性和粒子性3知道光波是概率波一、康普顿效应1康普顿效应用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，这个现象称为康普顿效应按照光的电磁理论，光波波长在散射前后应该不变，光的电磁理论再次遇到了困难2光子的动量光电效应揭示出光的粒子性，每个光子携带的能量为h，爱因斯坦进一步提出光子的动量应为p，式中为光波的波长3康普顿效应的意义(1)证明了爱因斯坦光子假说的正确性(2)证明了光子具有能量(3)证明了光子具有动量康普顿效应说明了什么？为什么说康普顿效应反映了光子具有动量？提示：康普顿效应说明了光的粒子性解释光子波长变化的问题时运用了能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合很好二、光的波粒二象性的本质光既具有粒子性，又具有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质，把这种性质称为波粒二象性1(1)光的干涉、洐射、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()提示：(1)(2)(3)三、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，干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映这种概率分布就好像波干涉时强度的分布，所以对光的描述说成是一种概率波在光的量子化现象的领域中，描述光性质的最恰当的语言是概率波2(1)光波既是一种电磁波，又是一种概率波()(2)概率波和机械波都能发生干涉和衍射现象，所以本质是一样的()提示：(1)(2)对康普顿效应的理解1经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论，由于光是电磁振动的传播，入射光将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，并向四周辐射，这就是散射光散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率因此，散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应出现0的散射光2利用光子说解释康普顿效应假定x射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似按照爱因斯坦的光子说，一个x射线光子不仅具有能量eh，而且还有动量如图所示这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，光子能量由h减小为h，因此频率减小，波长增大；同时，光子还使电子获得一定的动量这样就圆满地解释了康普顿效应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(多选)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0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应关于康普顿效应，以下说法正确的是()a康普顿效应现象说明光具有波动性b康普顿效应现象说明光具有粒子性c当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加d当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少解析康普顿效应说明光具有粒子性，a项错误，b项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，c项错误，d项正确答案bd白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳散射的结果，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沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞以后，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的光子相比()a频率变大b速度变小c光子能量变大 d波长变长解析：选d.光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后其动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，由、eh可知光子频率变小，波长变长，故d正确由于光子速度是不变的，故b错误人类对光本性的认识历程光的本性是什么？从牛顿的光的微粒说，到托马斯杨和菲涅耳的光的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说，到爱因斯坦的光子说，人类对光的认识构成了一部科学史诗微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性年代17世纪17世纪19世纪中期20世纪中期20世纪初代表人物牛顿惠更斯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具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性关于光的本性，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说法和物理史实与波粒二象性之间的关系选项c正确、选项a、b、d错误答案c(多选)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光的双缝干涉显示了光的波动性c麦克斯韦预言了光是一种电磁波d光具有波粒二象性 解析：选bcd.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，显然选项a错误；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，选项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，选项c正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，选项d正确对光的波粒二象性的理解1光的粒子性的含义：粒子性的含义是“不连续”“一份一份”的，光的“粒子”即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量(1)当光同其他物质发生作用时，表现出粒子性(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著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，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著3光的波动性、粒子性是统一的(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同(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思路点拨 波动性和粒子性是微观粒子(包括光)具有的不可分割的两种固有属性，在不同情况下，一种属性起主要作用，该属性就表现出来或属性显著但微观粒子的波动性和粒子性与宏观概念中的波和粒子是完全不同的解析波动性和粒子性是光的两种属性，同时存在，a、b均错；光有时表现出波动性，有时表现出粒子性，c对；光与宏观中的波及粒子不相同，d错答案c(多选)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()a波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性b光波频率越高，粒子性越明显c能量越大的光子其波动性越显著d个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性解析：选abd.波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下，光的波动性表现明显个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，a、d说法正确；光的频率越高，能量越高，粒子性相对波动性越明显，b说法正确，c说法错误随堂检测1(多选)能说明光具有波粒二象性的实验是()a光的干涉和衍射b光的干涉和光电效应c光的衍射和康普顿效应d光电效应和康普顿效应解析：选bc.光的干涉和光的衍射说明光具有波动性，能说明光具有波粒二象性的是b、c.2(多选)下列说法正确的是()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解析：选cd.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，a错误；虽然光子和电子都是微观粒子，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，所以不能说光子和电子是同样的一种粒子，b错误；波长长，容易发生干涉、衍射，波动性强，反之，波长短，光子能量大，粒子性强，c正确；干涉、衍射是波特有的现象，光电效应说明光具有粒子性，d正确3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相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关解析：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，故只有选项d正确4频率为的光子，具有的动量为，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虽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散射后光子的能量减小，因而光子的速度减小d由于受到电子碰撞，散射后的光子频率低于入射光的频率解析：选d.由动量公式p，在康普顿效应中，当入射光子与电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小，波长变长，频率变小而光的传播速度大小不变5科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子和电子碰撞时，光子的一些能量转移给电子，假设光子与电子碰撞前的波长为，碰撞后的波长为，则碰撞过程中()a能量守恒，动量守恒，且b能量不守恒，动量不守恒，且c能量守恒，动量守恒，且d能量守恒，动量守恒，且解析：选c.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的碰撞过程也满足能量守恒，动量守恒，光子与电子相碰撞，把能量转移给电子导致能量减小，从而引起波长增大课时作业一、单项选择题1下列说法正确的是()a康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射实验说明粒子具有波动性b爱因斯坦发现了光电效应现象，并且提出光子说，成功解释了光电效应现象c爱因斯坦的光电效应方程能够说明光子具有动量d康普顿效应表明光子只具有能量答案：a2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、衍射与光的色散解析：选a.选项b中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3下列各种波是概率波的是()a声波b无线电波c光波 d水波解析：选c.声波、水波是机械波，a、d错误；电磁波是一种能量波，b错误；由概率波的概念和光波的特点分析可以得知光波为概率波，故c正确4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解析：选b.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.5下列说法正确的是()a光的干涉和衍射说明光具有粒子性b光的频率越大，波长越大c光的波长越大，光子的能量越大d光在真空中的传播速度为3.0108 m/s解析：选d.干涉和衍射是波特有的现象，故a错；波长的大小是由频率、波速决定的，b错；光子的能量由频率决定，所以c错；光在真空中的传播速度为3.0108 m/s，因此d对6粒子源产生某种粒子，在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光那么在荧光屏上将看到()a只有两条亮纹b有多条明暗相间的条纹c没有亮纹d只有一条亮纹解析：选b.由于粒子源产生的粒子是微观粒子，它的运动受波动规律支配，对大量粒子运动到达屏上某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在屏上将看到干涉条纹故正确答案为b.7物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，若减弱光的强度，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，底片上只能出现一些不规则的亮点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹对这个实验结果有下列认识，其中正确的是()a曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的亮点，表现出光的波动性b单个光子通过双缝后的落点可以预测c只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性d干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方解析：选d.曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的亮点，表现出光的粒子性，选项a错误单个光子通过双缝后的落点不可以预测，在某一位置出现的概率受波动规律支配，选项b错误大量光子的行为才能表现出光的波动性，干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方，故选项c错误，d正确二、多项选择题8关于光的波动性和粒子性，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，无法统一解析：选bc.光的电磁说是光的本质，而光子说是光在某些情况中的表现，不矛盾；光波是概率波，与机械波不同故应选b、c.9下列有关光的本性的说法，正确的是()a经典物理学中的粒子在任意时刻有确定位置和速度以及时空中的确定轨道b在光的双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性，那么光只通过一个缝时就显出粒子性c光学中某些现象表明光具有波动性，而某些现象又表明光具有粒子性，说明光具有波粒二象性d经典物理的粒子模型和波动模型在微观世界变成了波粒二象性模型解析：选acd.经典物理学中的粒子在任意时刻有确定位置和速度以及时空中的确定轨道，所以a正确；经典的粒子模型和波动模型在微观世界变成了波粒二象性模型，选项d正确；光具有波粒二象性，某些现象表明光具有波动性，而某些现象又表明光具有粒子性，一般说大量光子容易表现出波动性，个别光子容易表现出粒子性，选项b错误、c正确10下列叙述的情况正确的有()a光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体一样b光是波，与橡皮绳子上的波类似c光是一种