波粒二象性(教案)

波粒二象性波粒二象性光的波粒二象性光的粒子性光电效应现象：光现象――→转化电现象本质：电子――→吸收光子光电子规律①极限频率②遏止电压③光电流强度结论①光具有粒子性——光子②光具有波粒二象性能量量子假说光子说：光子能量ε＝hν光电效应方程：hν＝12mv2max＋W0康普顿效应光子的动量：p＝hλ理论解释光的波动性光的双缝干涉光波是概率波粒子的波粒二象性德布罗意假说内容：λ＝hp实验验证：电子衍射物质波是概率波电子云不确定性关系：ΔxΔp≥h4π【知识点一】光电效应的规律和爱因斯坦光电效应方程1．光电效应的规律(1)极限频率ν0是能使金属发生光电效应的最低频率，这也是判断能否发生光电效应的依据。若ν≤ν0，无论多强的光照射时，都不能发生光电效应。(2)最大初动能Ek，与入射光的频率和金属的逸出功有关，与光强无关。(3)饱和光电流与光的强度有关，光强正比于单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子数。2．光电子的最大初动能光电子的最大初动能跟入射光的能量hν、金属逸出功W0的关系为光电效应方程，表达式为12mv2max＝hν0－W0，反映了光电效应现象中的能量转化和守恒定律。【知识点二】光的波粒二象性、物质波(1)光的干涉、衍射、偏振说明光具有波动性，光电效应现象、康普顿效应则证明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性，对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发，才能统一说明光的各种行为。(2)在光的干涉现象中，若曝光时间不长，在底片上只出现一些不规则的点，这些点表示光子的运动跟宏观的质点不同。但曝光时间足够长时，底片上出现了有规律的干涉条纹。可见，光的波动性是大量光子表现出来的现象。(3)在干涉条纹中，光强大的地方，光子到达的机会多，或者说光子出现的概率大。光强小的地方，光子到达的概率小。(4)大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著。(5)要综合理解各种频率的电磁波，就必须综合地运用波动和粒子两种观点。从发现光的波粒二象性起，才使人们认识到微观世界具有特殊的规律。后来人们观察到电子的衍射图像，这些说明一些物质微粒也像光子一样具有波粒二象性。(6)任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对应，波长λ＝h/p，人们把这种波叫作物质波。物质波和光波一样，也属于概率波，概率波的实质是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的。[例1](上海高考)在光电效应的实验结果中，与光的波动理论不矛盾的是()A．光电效应是瞬时发生的B．所有金属都存在极限频率C．光电流随着入射光增强而变大D．入射光频率越大，光电子最大初动能越大[解析]光具有波粒二象性，既具有波动性又具有粒子性，光电效应证实了光的粒子性。因为光子的能量是一份一份的，不能积累，所以光电效应具有瞬时性，这与光的波动性矛盾，A项错误；同理，因为光子的能量不能积累，所以只有当光子的频率大于金属的极限频率时，才会发生光电效应，B项错误；光强增大时，光子数量增多，所以光电流会增大，这与波动性无关，C项正确；一个光电子只能吸收一个光子，所以入射光的频率增大，光电子吸收的能量变大，所以最大初动能变大，D项错误。[答案]C[例2][多选](江苏高考)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有()A．光电效应现象揭示了光的粒子性B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等[解析]光电效应现象、黑体辐射的实验规律都可以用光的粒子性解释，选项A正确，选项C错误；热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性，选项B正确；由德布罗意波长公式λ＝hp和p2＝2m·Ek知动能相等的质子和电子动量不同，德布罗意波长不相等，选项D错误。[答案]AB【例3】(多选)从光的波粒二象性出发，下列说法正确的是()A．光是高速运动的微观粒子，每个光子都具有波粒二象性B．光的频率越高，光子的能量越大C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方D．在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率最大的地方BD[一个光子谈不上波动性，A错误；暗条纹是光子到达概率小的地方，C错误；光的频率越高，光子的能量E＝hν越大，在光的干涉现象中，光子到达的概率大小决定光屏上出现明、暗条纹，故B、D选项正确．][一语通关]波粒二象性的两种表现1．从数量上看：个别光子往往表现为粒子性；大量光子往往表现为波动性．2．从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象．【例4】．(多选)下列关于波粒二象性的说法正确的是()A．光电效应揭示了光的波动性，光的衍射和干涉揭示了光的粒子性B．随着电磁波频率的增大，其波动性越不显著，粒子性越显著C．大量光子的行为显示波动性，个别光子的行为显示粒子性D．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性BCD[光电效应揭示了光的粒子性，衍射和干涉是波特有的性质，光的衍射和干涉揭示了光的波动性，A错误；电磁波频率越高，波长越短，衍射和干涉现象越不明显，波动性越不显著，粒子性越显著，B正确；光既具有波动性又具有粒子性，个别光子的作用效果往往表现为粒子性，大量光子的作用效果往往表现为波动性，C正确；不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性，D正确．]【例5】如图所示是现代化工业生产中部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图，它由电源、光电管、放大器等几部分组成．当用绿光照射图中光电管阴极K时，可发生光电效应，则以下说法中正确的是()A．增大绿光的照射强度，光电子的最大初动能增大B．增大绿光的照射强度，电路中的光电流不变C．改用比绿光波长大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流D．改用比绿光频率大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流D[光电子的最大初动能由入射光的频率决定，选项A错误；增大绿光的照射强度，单位时间内入射的光子数增多，所以光电流增大，选项B错误；改用比绿光波长更大的光照射时，该光的频率不一定满足发生光电效应的条件，故选项C错误；若改用频率比绿光大的光照射，一定能发生光电效应，故选项D正确．][一语通关]1．某种色光强度的改变决定单位时间入射光子数目改变，光子能量不变．2．光电效应中光电子的最大初动能与入射光频率和金属材料有关，与光的强度无关．【例6】(多选)如图所示，这是一个研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是()A．只调换电源的极性，移动滑片P，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压U0的数值B．保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大C．不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大D．阴极K需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流AC[调换电源的极性后，电场力对电子做负功，当eU0＝12mv2m－0时，电流表示数为零，其中U0为遏止电压，选项A正确；若电流已达到饱和电流时，电流表的示数将不随光电管两端电压的增大而增大，B错误；不改变光束颜色和电路，增大入射光的强度，光电子数目增多，光电流增大，C正确；光束照射后不需要一定的时间，几乎同时有光电流，故D错误．]【达标检测】一、单项选择题1．(北京高考)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm(1nm＝10－9m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空光速c＝3×108m/s)()A．10－21JB．10－18JC．10－15JD．10－12J解析：选B光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18J，B项正确。2．一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子碰撞，碰撞后电子向某一方向运动，光子向另一方向散射出去，这个散射光子跟原来入射时相比()A．速率减小B．频率增大C．能量增大D．波长变长解析：选D碰撞后电子向某一方向运动，说明原来静止的电子获得了一定的能量，而光子在碰撞过程中损失一定的能量，因而光子能量减少，频率减小，由于光子速度不变，于是波长增大。故选项D对。3．用不同频率的紫外光分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ekν图像。已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.34eV，若将二者的图像画在同一个Ekν坐标图中，用实线表示钨、虚线表示锌，则下列图中正确反映这一过程的是()解析：选A由爱因斯坦光电方程Ek＝hν－W0，Ek与ν呈线性关系。图像应为一条斜直线，其斜率为h，故两条图线应互相平行，图线与ν轴的截距代表金属逸出功，W钨＜W锌，因此，A选项正确。4．用频率为ν的光照射某金属材料表面，逸出光电子的最大初动能为E；若改用频率为ν′的另一种光照射该金属表面，逸出光电子的最大初动能为3E。已知普朗克常量为h，则ν′为()A．3νB.ν3C.2Eh＋νD.2Eh－ν解析：选C由光电效应方程可得：hν＝E＋W0，hν′＝3E＋W0，两式联立解得ν′＝2Eh＋ν，故选项C对。5．光子不仅有能量，还有动量，光照射到某个面上就会产生压力。有人设想在火星探测器上安装面积很大的薄膜，正对着太阳光，靠太阳光在薄膜上产生压力推动探测器前进。第一次安装的是反射率极高的薄膜，第二次安装的是吸收率极高的薄膜，那么()A．安装反射率极高的薄膜，探测器的加速度大B．安装吸收率极高的薄膜，探测器的加速度大C．两种情况下，由于探测器的质量一样，探测器的加速度大小应相同D．两种情况下，探测器的加速度大小无法比较解析：选A若薄膜反射率极高，那么光子与其作用后，动量改变较大，即薄膜对光子的作用力较大，根据牛顿第三定律，光子对薄膜的作用力也较大，因此探测器可获得较大的加速度，故A正确，B、C、D错误。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波动性C．频率越高的电磁波，粒子性越显著D．波长越长的电磁波，粒子性越显著解析：选C光电效应说明了光具有粒子性，爱因斯坦的光子说并没有否定光的电磁说，故A、B错。波长越长(或频率越低)的电磁波波动性越显著，故C对，D错。7．A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB，则下列说法正确的是()A．A、B两种光子的频率之比为1∶2B．A、B两种光子的动量之比为1∶2C．该金属的逸出功W0＝EA－2EBD．该金属的极限频率νc＝EA－EBh解析：选C由ε＝hν知，光子的能量与频率成正比，则A、B两种光子的频率之比为2∶1，故A错误；由光子能量ε＝hcλ和动量公式p＝hλ知，A、B两种光子的动量之比等于A、B两种光子的能量之比，pA∶pB＝εA′∶εB′＝2∶1，故B错误；EA＝εA′－W0，EB＝εB′－W0，解得W0＝EA－2EB，故C正确；该金属的极限频率为νc＝W0h＝EA－2EBh，故D错误。二、多项选择题(共5小题，每小题5分，共25分。全选对得5分，选不全得3分，选错或不选不得分)8．根据不确定性关系ΔxΔp≥h4π，判断下列说法正确的是()A．采取办法提高测量Δx精度时，Δp的精度下降B．采取办法提高测量Δx精度时，Δp的精度上升C．Δx与Δp测量精度和测量仪器及测量方法是否完备有关D．Δx与Δp测量精度和测量仪器及测量方法是否完备无关解析：选AD不确定关系表明，无论采用什么方法试图确定坐标和相应动量中的一个，必然引起另一个