高中物理 第2章 波和粒子 2.3 光是波還是粒子導學案 滬科版選修35

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1、 學案3　光是波還是粒子 [學習目標定位] 1.知道光的波粒二象性，理解其對立統(tǒng)一的關(guān)系.2.知道光是一種概率波，知道概率波的統(tǒng)計意義.3.會用光的波粒二象性分析有關(guān)問題． 1．光是一種電磁波，具有波動性，具有干涉和衍射等波所特有的性質(zhì)． 2．光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，光子的能量E＝hν. 3．光電效應(yīng)現(xiàn)象和康普頓效應(yīng)表明，光具有粒子性，不僅具有能量，還具有動量，光子的動量p＝. 4．光的波粒二象性 (1)光是波，同時也是粒子，即光具有波粒二象性． (2)光子的能量E＝hν和動量p＝.左側(cè)的物理量E和p描

2、述光的粒子性，右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動性，普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁． 5．光是一種概率波 光的干涉和衍射圖樣，可以用光子在空間各點出現(xiàn)的概率來解釋，明條紋處是光子出現(xiàn)的概率大的區(qū)域，暗條紋處是光子出現(xiàn)的概率小的區(qū)域，光是一種概率波. 一、對光的波粒二象性的理解 [問題設(shè)計] 聯(lián)系回顧光的波動理論的發(fā)展過程，結(jié)合現(xiàn)學知識說明：哪些現(xiàn)象說明光具有波動性？哪些現(xiàn)象說明光具有粒子性？人們對光的本性的認識發(fā)展史經(jīng)過哪幾個階段？從理論上如何說明光具有波粒二象性？ 答案　對光的本性的認識史 學說 名稱 微粒說 波動說 電磁說 光子說 波粒二 象性 代

3、表 人物 牛頓 惠更斯 麥克斯韋 愛因斯坦 公認 實驗 依據(jù) 光的直線 傳播、光 的反射 光的干 涉、衍射 能在真空中 傳播，是橫 波，光速等 于電磁波 波速 光電效 應(yīng)、康普 頓效應(yīng) 光既有波 動現(xiàn)象， 又有粒子 特征 內(nèi)容 要點 光是一群 彈性粒子 光是一 種機械 波 光是一種 電磁波 光是由一 份一份光 子組成的 光是一種 概率波 光具有波 粒二象性 [要點提煉] 1．對光的波粒二象性的理解 光的波粒二象性 2．光子的能量E＝hν和動量p＝ 普朗克常量h把描述粒子性的能量E和動量p，與描述波動性的

4、頻率ν、波長λ緊密聯(lián)系在一起，生動地說明光具有波粒二象性． 例1　有關(guān)光的本性，下列說法正確的是(　　) A．光既具有波動性，又具有粒子性，這是互相矛盾和對立的 B．光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點 C．大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性 D．由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性 解析　19世紀初，人們成功地在實驗中觀察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說無法解釋．但到了19世紀末又發(fā)現(xiàn)了光的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)，這種現(xiàn)象波動說不能解釋，證實光具有粒子性．因此，光既具有波動性，又具有粒子性，但不同

5、于宏觀的機械波和粒子．波動性和粒子性是光在不同的情況下的不同表現(xiàn)，是同一客觀事物的兩個不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性．故選項D正確． 答案　D 針對訓練　對光的認識，下列說法中正確的是(　　) A．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子 B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的 C．光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性，光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種情況下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種情況下光的粒子性表現(xiàn)明顯 答案　BD 解析　光

6、與其他物質(zhì)相互作用時表現(xiàn)為粒子性，光在傳播時表現(xiàn)為波動性．光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性．故正確答案為B、D. 二、再探光的雙縫干涉實驗 [問題設(shè)計] 雙縫干涉實驗中(如圖1甲所示)，在光屏處放置照相底片，并設(shè)法減弱光的強度，使光子只能是一個一個地通過狹縫． 圖1 如圖乙所示，曝光時間短時，可看到底片上出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的亮點，如圖丙所示，延長曝光時間，底片上出現(xiàn)的亮點更多了，曝光時間足夠長，有大量光子通過狹縫，底片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，如圖丁所示． 如何解釋曝光時間較短時的亮點和曝光時間較長時的干涉圖樣呢？ 答案　圖片上的亮點表明，光表現(xiàn)出粒子性，也看到光子的運動與宏

7、觀現(xiàn)象中質(zhì)點的運動不同，沒有一定的軌道．圖丙和丁的圖樣說明，光的波動性是大量光子表現(xiàn)出來的現(xiàn)象， 在干涉條紋中，那些光波強的地方是光子到達機會多的地方或是到達幾率大的地方，光波弱的地方是光子到達機會少的地方．光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． [要點提煉] 1．單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不能確定的． 2．大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． 例2　為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干涉實驗中將光屏換成

8、照相底片，并設(shè)法減弱光的強度，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的單縫，如果時間很短，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣 C．大量光子的運動顯示光的波動性 D．個別光子的運動顯示光的粒子性，光只有波動性沒有粒子性 解析　光的波動性是統(tǒng)計規(guī)律的結(jié)果，對個別光子我們無法判斷它落到哪個位置；對于大量光子遵循統(tǒng)計規(guī)律即對大量光子的運動或曝光時間足夠長，顯示出光的波動性． 答案　AC 例3　在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓

9、一個光子通過單縫，那么該光子(　　) A．一定落在中央亮紋處 B．一定落在亮紋處 C．可能落在暗紋處 D．落在中央亮紋處的可能性最大 解析　根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處．當然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項正確． 答案　CD 光是波還是粒子 1．下列實驗中，能證實光具有粒子性的是(　　) A．光電效應(yīng)實驗 B．光的雙縫干涉實驗 C．光的圓孔衍射實驗 D．泊松亮斑實驗 答案　A 解析　光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實驗都說明光具有波

10、動性． 2．在下列現(xiàn)象中說明光具有波動性的是(　　) A．光的直線傳播 B．光的衍射 C．光的干涉 D．光電效應(yīng) 答案　BC 3．在雙縫干涉實驗中，若在光屏處放上照相底片，并使光子流減弱到使光子只能一個一個地通過狹縫，實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上出現(xiàn)__________；如果曝光時間足夠長，底片上出現(xiàn)__________． 答案　不規(guī)則分布的點　　干涉圖樣 解析　在雙縫干涉實驗中，如果能使光子一個一個地通過狹縫，則曝光時間短時，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的點，不形成干涉特有的明暗相間的條紋，表現(xiàn)出光的粒子性．點的分布看似不規(guī)則，但點在底片上各處出現(xiàn)的

11、概率卻遵從雙縫干涉實驗中光強分布的規(guī)律，若曝光時間足夠長，底片上就出現(xiàn)如同強光短時間曝光一樣規(guī)則的干涉條紋．在干涉條紋中光波強度大的地方，也就是光子到達機會多的地方，所以，從這種意義上，可以把顯示波動性的光看做表明光子運動規(guī)律的一種概率波． 4．下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子與電子是同樣的一種粒子 C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著 D．大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 答案　C 解析　一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能

12、說有的光是波，有的光是粒子，故A選項錯誤． 雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，故B選項錯誤． 光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故D選項錯誤．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著；光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著．故選項C正確，A、B、D錯誤． [基礎(chǔ)題] 1．下列說法中正確的是(　　) A．

13、光的波粒二象性學說就是牛頓的微粒說加上惠更斯的波動說組成的 B．光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的電磁理論 C．光子說并沒有否定電磁說，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．光波不同于宏觀觀念中那種連續(xù)的波，它是表明大量光子運動規(guī)律的一種概率波 答案　CD 解析　光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小，可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，一份是一個光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒．光子說與電磁說不矛盾，它們是不同領(lǐng)域的不同表述． 2．關(guān)于光的性質(zhì)，下列敘述中正確的是(　　) A．在其他同

14、等條件下，光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到 B．頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動性越顯著 C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性 D．如果讓光子一個一個地通過狹縫時，它們將嚴格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運動 答案　BC 解析　光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著；少量光子表現(xiàn)出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的． 3．在驗證光的波粒二象性的實驗中，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣 B．單個光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C．光子通過單

15、縫的運動路線像水波一樣起伏 D．單個光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性 答案　AD 4．有關(guān)光的本性的說法正確的是(　　) A．關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說”，惠更斯提出了“波動說”，愛因斯坦提出了“光子說”，它們都圓滿地說明了光的本性 B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子 C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性 D．在光的雙縫干涉實驗中，如果有光通過雙縫則顯出波動性 答案　C 解析　牛頓主張的“微粒說”中的微粒與實物粒子一樣，惠更斯主張的“波動

16、說”中的波與宏觀機械波等同，這兩種觀點是相互對立的，都不能說明光的本性，所以A、B錯誤，C正確；在雙縫干涉實驗中，雙縫干涉出現(xiàn)明、暗均勻的條紋，當讓光子一個一個地通過單縫，曝光時間短時表現(xiàn)出粒子性，曝光時間長時表現(xiàn)出波動性，所以D錯誤． 5．關(guān)于光的波粒二象性的下列說法中，不正確的是(　　) A．光既有波動性，又有粒子性 B．光的波粒二象性徹底推翻了光的電磁說 C．光的波粒二象性學說是把牛頓的光微粒說和惠更斯的光波動說相加得出的結(jié)論 D．光的波粒二象性是一切微觀粒子所普遍具有的二象性中的一個具體例子 答案　BC 解析　光的波粒二象性是指光既具有波動性，又具有粒子性，不同于牛頓的微

17、粒說中的粒子和惠更斯波動說中的波． [能力題] 6．光通過各種不同的障礙物后會產(chǎn)生各種不同的衍射條紋，衍射條紋的圖樣與障礙物的形狀相對應(yīng)，這一現(xiàn)象說明(　　) A．光是電磁波 B．光具有波動性 C．光可以攜帶信息 D．光具有波粒二象性 答案　BC 解析　光能發(fā)生衍射現(xiàn)象，說明光有波動性，B正確．衍射圖樣與障礙物的形狀對應(yīng)，說明了衍射圖樣中包含了障礙物等物體的信息，C正確．光是電磁波，光也具有波粒二象性，但在這個現(xiàn)象中沒有得到反映，A、D不正確． 7．下列列舉的是人類對光的本性的認識： A．牛頓的微粒說和惠更斯的波動說 B．光的干涉、衍射現(xiàn)象證明波動說是正確的

18、 C．光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為愛因斯坦的光子說誕生奠定了基礎(chǔ) D．光波的傳播介質(zhì)問題是麥克斯韋電磁說誕生的基礎(chǔ) E．一切微觀粒子都具有波粒二象性 F．光具有波粒二象性 G．微觀世界波粒二象性的統(tǒng)一，使人們認識到光的波動性實際是光子運動規(guī)律的概率波 請按人類的認識發(fā)展進程將字母按順序排列起來：______. 答案　ABDCFEG 解析　對光的本性的認識過程有五大學說．按其發(fā)展順序為：牛頓支持的微粒說，惠更斯提出的波動說，麥克斯韋提出的電磁說，愛因斯坦在普朗克量子說的基礎(chǔ)上提出了光子說，最后是現(xiàn)代物理學將兩大對立學說加以綜合的光的波粒二象性，所以順序應(yīng)為A、B、D、C、F、E、G.學案 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375