2019-2020学年高中物理 第2章 第3节 康普顿效应及其解释 第4节 光的波粒二象性课件 粤教

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[学习目标]1.了解康普顿效应现象．(重点)2.知道康普顿效应进一步说明了光的粒子性．(重点)3.了解光的波粒二象性及其对应统一的关系．(难点)4.知道光是一种概率波．(难点)自主预习探新知一、康普顿效应及其解释1．康普顿效应：用光照射物体时，散射出来的光的波长会的现象，称为康普顿效应．2．光子的动量：p＝变长hλ二、光的波粒二象性1．光的波粒二象性的本质(1)光的和实验表明，光是一种电磁波，具有波动性．(2)和则表明，光在与物体相互作用时，是以一个个的形式出现的，具有粒子性．(3)光既有，又有，单独使用波或粒子的解释都无法完整地描述光所有的，这种性质称为波粒二象性．干涉性质波动性粒子性光子康普顿效应光电效应衍射二、光的波粒二象性2．概率波在光的干涉实验中，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，形成；概率小的地方落下的，形成所以，干涉条纹是光子落在感光片上各点的分布的反映．这种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．光子多概率概率暗纹．光子少亮纹1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)散射光波长的变化，是入射光与物质中的自由电子发生碰撞的结果．()(2)光的电磁理论能够解释康普顿效应．()(3)波动性不是每一个光子的属性．()√××(4)单个光子运动具有偶然性，大量光子运动符合统计规律，概率波体现了波粒二象性的和谐统一．()(5)描述光性质的最恰当的语言是概率波．()√√2．一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A[由于光子既具有能量，也具有动量，因此碰撞过程中遵循能量守恒定律．]3．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粒子性D．光电效应说明光具有粒子性D[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，D正确，A、B、C错误．]合作探究攻重难对康普顿效应的理解1.经典解释(电磁波的解释)单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波．经典理论可以解释频率不变的一般散射，但对康普顿效应不能作出合理解释．2．光子理论解释在X射线散射现象中，假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，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ε＝hν，而且还有动量．相对X射线光子的能量，物质中电子的能量是很小的，电子可以近似看作是静止的．如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，碰撞过程中光子和电子的总能量守恒，总动量也守恒，光子把部分能量转移给了电子，能量由hν减小为hν′，因此频率减小，波长变长．同时，光子要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小，从p＝hλ看，动量p减小也意味着波长λ变大，因此有些光子散射后波长变长了．【例1】(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，除了有与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，下列说法正确的是()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BD[康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应，在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正确，A、C错误．]对康普顿效应的三点认识1．光电效应应用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应应用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．2．假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．光子和电子相碰撞时，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．3．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．1．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′C[光子与电子碰撞过程中，能量守恒，动量也守恒，因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子，光子的能量减少，由E＝hcλ可知，光子的波长增大，即λ′＞λ，故C正确．]对光的波粒二象性的理解1.光的粒子性的含义粒子的含义是“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)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．(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、粒子性都是光的本身属性，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行为．【例2】(多选)下面关于光的波粒二象性的说法中，正确的是()A．光电效应现象说明光具有波粒二象性B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性BC[光电效应现象说明光具有粒子性，选项A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，选项B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，选项C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，选项D错误．]1．光既有波动性又有粒子性，二者是统一的．2．当光表现为波动性时，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已．3．当光表现为粒子性时，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已．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．光子和电子是不同的两种粒子，但都具有波粒二象性D．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著CD[光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其波动特性．光子不同于一般的实物粒子，它没有静止质量，是一个个的能量团，是光的能量的最小单位．选项C、D正确．]课堂小结1.康普顿效应说明光具有粒子性．2．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．3．光子的能量ε＝hν和动量p＝hλ是描述物质的粒子性的重要物理量，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系.知识脉络当堂达标固双基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BC[光的干涉和光的衍射只说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应只说明光具有粒子性，B、C正确．]2．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．光是机械波，且可以携带信息B．光具有波动性，且可以携带信息C．光具有粒子性，但不可携带信息D．光具有波粒二象性，但不可携带信息B[光是一种电磁波，不是机械波，故A选项错误；光的衍射现象，说明光具有波动性，可以携带信息，故B选项正确，C、D选项错误．]3．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，而且具有动量．如图所示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()A．可能沿1方向，且波长变短B．可能沿2方向，且波长变短C．可能沿1方向，且波长变长D．可能沿3方向，且波长变长C[因为光子与电子碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与碰前光子的方向一致，可见碰后光子的方向可能沿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，光子的能量减小，由E＝hν＝hcλ知，波长变长．]4.如图所示是一个粒子源．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什么现象？[解析]由于粒子源产生的粒子是微观粒子，它的运动受波动性支配，对大量粒子运动到达屏上的某点的概率，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．[答案]有多条明暗相间的条纹