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高二物理《光的波粒二象性》（教科版，共38张ppt）

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　光的波粒二象性

　实物粒子的波粒二象性

　不确定关系

核心要点突破

课堂互动讲练

知能优化训练

第 5节

课前自主学案

课标定位

1.知道康普顿效应，理解康普顿效应实验现象．

2．知道光具有波粒二象性，且光是概率波．

3．理解德布罗意物质波假说，知道一切实物粒子都具有波粒二象性．

4．理解不确定关系，了解不确定关系在微观世界与宏观世界中的不同作用．

一、康普顿效应、光的波粒二象性

1．内容：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，除原波长外，还有波长随散射角的增大而_______的谱线．X射线经物质散射后波长______的现象称为康普顿效应．

2．意义：康普顿效应深入地揭示了光的________性的一面，表明光子除了具有能量之外还具有________因此光具有波粒二象性．

3．光子的能量和动量：ε＝____，p＝___ .

增大

变长

粒子

动量．

hν

有一位记者曾向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息”．你是如何理解布拉格的回答的？

提示：光既不同于宏观观念的粒子，又不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性，又具有波动性，粒子性、波动性是光本身的属性．

思考感悟

二、光是一种概率波

1．概率波

在双缝干涉图样中，条纹的明暗表示到达屏上光的强度不同，每个同频率光子都带有相同的一份能量，光的强度对应于光子的数目．明纹处到达的光子数多，暗纹处到达的光子数少．可见光子落在各点的概率是不一样的，光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小．即光子在空间出现的概率可以用波动的规律去确定．所以说光波是一种________波．

概率

2．实验探究

图4－3－1中甲是用很弱的光源做双缝干涉实验的装置．乙图的曝光时间最短，显示出光的_______，丙、丁图中光子到达的区域正好是波通过双缝后发生干涉时的_______区域，表明光具有_______

粒子性

明条纹

波动性．

图4－3－1

如果使光源更微弱，使同一时刻只有一个光子飞向感光屏，不同曝光时间摄得的照片仍和乙、丙、丁相同，表明波动性是光子本身的属性．

三、德布罗意物质波假说及波长

　实物粒子像光子一样，也具有____________，粒子的能量ε与动量p跟它对应的频率ν与波长λ之间遵从的关系为：_______，p＝ ____ .

波粒二象性

ε＝hν

四、电子波动性的实验证实，氢原子中的电子云

1．物质波的实验验证

1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用_______做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的________性．`

2．电子云：在氢原子中，电子在原子核周围出现的概率密度(出现在某处单位体积中的概率大小)分布的情况被形象化地叫做电子云．

晶体

波动

五、不确定关系

1．微观粒子运动的基本特征

不再遵守牛顿运动定律，不可能同时准确地知道粒子的______和______，不可能用“______”来描述粒子的运动，微观粒子的运动状态只能通过______做统计性的描述．

2．不确定关系

位置

动量

轨迹

概率

以Δx表示粒子位置的不确定量，以Δp表示粒子在x方向上的动量的不确定量，那么ΔxΔpx≥ ，式中h是_________常量．

3．以宏观世界为研究对象学习和研究经典物理学时，就可以完全不涉及实物粒子的波动性．不确定关系是对物体在多大程度上要考察其波动性作了最精确的概括．

普朗克

一、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．

特别提醒：光子说并不否认光的电磁说，(1)按光子说，光子的能量E＝hν，其中ν表示光的频率，即表示了波的特征．

(2)从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到一致的结论．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

1．关于光的波粒二象性，不正确的说法是(　　)

A．光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越显著

B．光的波长越长，光子的能量越小，波动性越显著

C．频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性

D．个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性

解析：选C.光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同，频率越高，波长越短，粒子性愈强，反之波动性明显，个别光子易显示粒子性，大量光子显示波动性，故A、B、D正确．C错误．

二、对概率波的理解

1．单个粒子运动的偶然性

我们可以知道粒子落在某点的概率，但不能预言粒子落在什么位置，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不确定的．

2．大量粒子运动的必然性

由波动规律，我们可以准确地知道，大量粒子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言．

3．概率波体现了波粒二象性的和谐统一

概率波的主体是光子、实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说，概率波将波动性和粒子性统一在一起．

特别提醒：(1)德布罗意波是一种概率波，是指在一般情况下，无法准确描述粒子的位置，无法用轨迹描述粒子的运动，粒子在空间某点出现的概率受波动规律支配．

(2)德布罗意波不同于宏观的机械波，更不能理解为粒子做曲线运动．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

2．在光的双缝干涉实验中，在光屏上放上照相底片并设法减弱光子流的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，在曝光时间不长和曝光时间足够长的两种情况下，其实验结果是(　　)

①若曝光时间不长，则底片上出现一些无规则的点

②若曝光时间足够长，则底片上出现干涉条纹

③这一实验结果证明了光具有波动性

④这一实验结果否定了光具有粒子性

A．①②③对　　　　　　　B．①②④对

C．①③④对 D．②③④对

答案：A

三、对德布罗意物质波的理解

1．任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故．

2．德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．

3．德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波．

特别提醒：光和实物粒子都具有波粒二象性，对于波粒二象性的理解，应注意：

(1)在宏观现象中，波与粒子是对立的概念，而在微观世界中，波与粒子可以统一．

(2)这里所说的粒子性和波动性，既不是宏观观念的波，也不是宏观观念的粒子，光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同物质作用时分别表现出波和粒子的特性．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

3．下列说法中正确的是(　　)

A．质量大的物体，其德布罗意波长小

B．速度大的物体，其德布罗意波长小

C．动量大的物体，其德布罗意波长小

D．动能大的物体，其德布罗意波长小

答案：C

四、正确理解不确定关系

1．不确定关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果，除位置和动量的不确定关系外，还有其他不确定关系，如时间和能量的不确定关系：ΔEΔt≥ .

2．普朗克常量是不确定关系中的重要角色，如果h的值可忽略不计，这时物体的位置、动量可同时有确定的值，如果h不能忽略，这时必须考虑微粒的波粒二象性．h成为划分经典物理学和量子力学的一个界线．

即时应用(即时突破，小试牛刀)

4．关于不确定关系ΔxΔpx≥ 有以下几种理解，正确的是(　　)

A．微观粒子的动量不可确定

B．微观粒子的位置不可确定

C．微观粒子的动量和位置不可同时确定

D．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体

解析：选CD.由ΔxΔpx≥ 可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小，故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错，C对．不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观世界的影响可忽略，故D正确．

对于光的行为，下列说法正确的是(　　)

A．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

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明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显

【精讲精析】　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，A选项正确；光与物质作用，表现为粒子性，光的传播表现出波动性，光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子的分布概率，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，B、D选项正确．

【答案】　ABD

【方法总结】　光的波粒二象性是指光具有波动性，又具有粒子性，有时波动性更明显，有时粒子性则更明显，但是，波动性和粒子性是不可分割的，是从不同角度所观察到的不同性质．

变式训练1　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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性

解析：选C.光同时具有波动性和粒子性，只是在有的情况下波动性更显著，有的情况下粒子性更显著．波长越长，波动性就更显著，粒子性就越不明显，波长越短，粒子性就更显著，波动性就越不明显，只有C选项正确．

在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是(　　)

A．使光子一个一个地通过狭缝，如果时间足够长，底片上将会显示衍射图样

B．单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样

C．光子通过狭缝的运动路线是直线

D．光的波动性是大量光子运动的规律

【精讲精析】　个别或少数光子表现出光的粒子性，大量光子表现出光的波动性．如果时间足够长，通过狭缝的光子数也就足够多，粒子的分布遵从波动规律，底片上将会显示出衍射图样，A、D选项正确．单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不会出现完整的衍射图样，B、C选项错．

【答案】　AD

变式训练2　在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子(　　)

A．一定落在中央亮纹处

B．一定落在亮纹处

C．可能落在暗纹处

D．落在中央亮纹处的可能性最大

解析：选CD.根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达95%以上．当然也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在暗纹处的概率很小而已，故只有C、D正确．

金属晶体中晶格大小的数量级是10－10 m．电子经加速电场加速，形成电子束，电子束照射该金属晶体时，获得明显的衍射图样．问这个加速电场的电压约为多少？(已知电子的电荷量为e＝1.6×10－19 C，质量为m＝0.90×10－30 kg)

【答案】　153 V

变式训练3　利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样．已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是(　　)

A．该实验说明了电子具有波动性

B．实验中电子束的德布罗意波长为λ＝

C．加速电压U越大，电子的衍射现象越明显

D．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显

加速电压越大，电子的波长越小，衍射现象就越不明显；用相同动能的质子替代电子，质子的波长变小，衍射现象相比电子更不明显，故C、D错误．

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