高中物理 第2章 第3、4节 康普顿效应及其解释 光的波粒二象性课件 粤教版选修3-5.ppt

第三节康普顿效应及其解释第四节光的波粒二象性 第二章波粒二象性 栏目链接 学习目标 1 了解康普顿效应及其解释 2 知道光的波粒二象性及其本质 3 知道概率波 栏目链接 康普顿效应及其解释 康普顿效应这一实验有什么物理意义 提示 康普顿效应这一实验证明了爱因斯坦光子假说的正确性 用光照射物体时 散发出来的光的波长会变长 这种现象后来称为康普顿效应 栏目链接 光电效应揭示出光的粒子性 爱因斯坦进一步提出光子的动量应为p 康普顿借助爱因斯坦的光子假说解析了散射光的波长改变的现象 康普顿认为光子不仅有能量 也像其他粒子一样有动量 用X射线照射物体时 X射线中的光子与物体中的电子相碰 碰撞中动量守恒 能量守恒 电子碰前可认为是静止的 碰后获得了一定的动量和能量 碰后光子的动量 能量减少 散射光的波长变长 康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性 它不仅证明了光子具有能量 同时还证明了光子具有动量 栏目链接 如果按照经典电磁理论 入射波引起物质中电子的振动 这种振动频率必然与入射波的频率相同 从而引起的散射波也应该与入射波的频率相同 而散射前后的介质相同 所以散射前后波长也就不变 因此康普顿效应说明了光具有粒子性 白天的天空各处都是亮的 是大气分子对太阳光散射的结果 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 假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后 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 栏目链接 A 频率变大B 速度变小C 光子能量变大D 波长变长解析 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 碰撞后动量 能量均增加 所以光子的动量 能量减小 故C错误 由 h 可知光子频率变小 波长变长 故A错误 D正确 由于光子速度是不变的 故B错误 答案 D 栏目链接 课堂训练1 在康普顿效应中 光子与电子发生碰撞后 关于散射光子的波长 下列说法正确的是 A A 一定变长B 一定变短C 可能变长 也可能变短D 决定于电子的运动状态解析 因为光子入射的能量很大 比电子的能量要大得多 碰撞时 动量和能量都守恒 碰后一定是电子的动能增加 光子的能量减少 所以散射光子的波长一定变长 选项A正确 对光的波粒二象性的认识与理解 什么是光的波粒二象性 提示 光的波粒二象性是指光既具有粒子性 又具有波动性 光具有粒子性 又有波动性 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 有人就把这种性质称为波粒二象性 栏目链接 大量 多数 光子行为易表现为波动性 个别 少数 光子行为易表现出粒子性 波长较长的 易表现为波动性 波长较短的 易表现为粒子性 光在传播的过程中 易表现为波动性 在与其他物质相互作用时 易表现为粒子性 光是波动性与粒子性的统一 光在传播时体现出波动性起主导作用 在与其他物质相互作用时 粒子性起主导作用 光的能量与其对应的频率成正比 而频率是反映波动性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性与波动性的密切联系 栏目链接 波动性是光子的本身属性 不能把光看作宏观上的波 也不能把光看作宏观上的粒子 对光的认识 以下说法中错误的是 A 个别光子的行为表现出粒子性 大量光子的行为表现出波动性B 光的波动性是光子本身的一种属性 不是光子之间的相互作用引起的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 就不再具有波动性了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得明显 在另外某种场合下 光的粒子性表现明显 栏目链接 解析 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 光与物质相互作用 表现为粒子性 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 光的粒子性表现明显时仍具有波动性 因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律 故本题答案选C 答案 C 方法总结 解答此类问题关键要理解光具有波粒二象性及掌握有关光的波动性 粒子性的一些常见现象 栏目链接 课堂训练2 关于光的波粒二象性 下列说法中不正确的是 C 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E 光的波粒二象性应理解为 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 栏目链接 解析 光的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 E说法正确 光的频率越高 能量越大 粒子性相对波动性越明显 B说法正确 C说法错误 栏目链接 对概率波的认识与理解 双缝干涉实验中 如图甲所示 在光屏处放置感光片 并设法减弱光的强度 使光子只能是一个一个地通过狭缝 曝光时间短时 可看到感光片上出现一些无规则分布的亮点 如图乙所示 曝光时间足够长 有大量光子通过狭缝 感光片上出现了规则的干涉条纹 如图丁所示 如何解释曝光时间较短时的亮点和曝光时间较长时的干涉图样呢 栏目链接 提示 图片上的亮点表明 光表现出粒子性 也看到光子的运动与宏观现象中质点的运动不同 没有一定的轨道 图丙和图丁图样说明 光的波动性是大量光子表现出来的现象 在干涉条纹中 那些光波强的地方是光子到达机会多的地方或是到达几率大的地方 光波弱的地方是光子到达机会少的地方 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定 所以光波是一种概率波 1926年 德国物理学家玻恩 Born 1882 1972 提出了概率波 认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性 但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律 不能把光当成宏观概念中的波或粒子 因为宏观世界的波动性与粒子性是对立的 而光的波动性与粒子性是统一在同一客体即光子上的 这里所指的 波 并非宏观概念中的波 它是一种概率波 粒子 也不是宏观概念中的微小粒子 而是指光子 概率波对光的双缝衍射现象的解释 光是一种粒子 它和物质的作用是 一份一份 地进行的 用很弱的光做双缝干涉实验 从光子打在胶片上的位置 我们发现了规律性 实验结果表明 如图所示 如果曝光时间不太长 底片上只出现一些无规则分布的点子 那些点子是光子打在底片上形成的 如果曝光时间足够长 我们无法把它们区分开 因此看起来是连续的 单个光子通过双缝后的落点无法预测 但是研究很多光子打在胶片上的位置 我们发现了规律性 光子落在某些条形区域内的可能性较大 这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域 这个现象表明 光子在空间各点出现的可能性的大小 概率 正是由于这个原因 波恩指出 虽然不能肯定某个光子落在哪一点 但由屏上各处明暗不同可知 光子落在各点的概率是不一样的 即光子落在明纹处的概率大 落在暗纹处的概率小 这就是说 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定 所以 从光子的概念上看 光波是一种概率波 物理学中把光波叫做概率波 概率表征某一事物出现的可能性 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点子 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点子 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 曝光时间不太长时 底片上只能出现一些不规则的点子 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 答案 D方法总结 解答本类型题时应把握以下两点 1 光具有波粒二象性 光波是一种概率波 2 单个光子的落点位置是不确定的 大量光子运动时落点位置服从概率分布规律 课堂训练3 下列说法正确的是 B 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质是一样的 都能发生干涉和衍射现象D 在光的双缝干涉实验中 若只有一个光子 则能确定这个光子落在哪个点上解析 概率波与机械波是两个概念 本质不同 物质波是一种概率波 符合概率波的特点 光的双缝干涉实验中 若只有一个光子 这个光子的落点是不确定的 但有几率较大的位置