高中物理第三节 光的波粒二象性教案配套ppt课件

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第三节　光的波粒二象性[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道光有粒子性也有波动性，了解证明光具有波粒二象性的实验，能解释相关的自然现象科学思维理解光的波粒二象性．从科学家的工作中感悟科学探究；如何向固有观念挑战，提出大量猜想和假说，如何用实验加以验证科学探究在老师的帮助下探究“弱光干涉图样”实验，学习探究方法和技巧，提高动手实验探究能力科学态度与责任感受人类对光认识的曲折过程，欣赏物理学发展的过程美，体会光的波粒二象性中所蕴含的哲学思想，以培养学生的科学文化素养知识点一　光的本性之争1．人们发现了反射、折射等一些基本的光学规律，说明光有波动性．2．英国物理学家牛顿认为光是一种微粒．3．荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种波．4．1807年，英国科学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的干涉条纹，并由此测定了光的波长，证明光有波动性．5．1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，证明光具有波动性．　光电效应和康普顿效应，让人们认识到光具有粒子性．知识点二　光的波粒二象性1．光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性．2．光的双缝干涉(1)实验中控制光子数，当光子个数较少时，明显体现出粒子性．(2)当记录时间较长时，明显出现干涉条纹，波动性更明显．3．光的波粒二象性光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性．4．概率波光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，因此，物理学中把光波看成是一种概率波．　光子能量ε＝hν和动量p＝中ε与p是描述光子粒子性，频率ν和波长λ是描述光子波动性，普朗克常量h是联系光子粒子性和波动性的桥梁．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的． (　　)(2)光的波粒二象性就是说光有时类似于机械波而具有波动性、有时类似于质点而具有粒子性．                            (　　)(3)由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性．                            (　　)(4)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．                            (　　)[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×2．(多选)下列实验中，能证明光具有粒子性的是(　　)A．光电效应实验　 B．光的双缝干涉实验C．光的圆孔衍射实验 D．康普顿效应实验AD　[光电效应说明光具有粒子性，故A正确；干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，故B、C错误；康普顿效应能说明光具有粒子性，故D正确．]3．(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．频率越大的光粒子性越显著，频率越小的光波动性越显著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，频率越大的光的粒子性越显著，频率越小的光的波动性越显著，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．] 考点1　光的本性曾有一位记者向诺贝尔奖获得者物理学家布拉格请教：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．”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？[提示]　光具有波粒二象性．光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性．1．光的本性光的干涉、衍射和偏振等现象，说明光具有波动性；光电效应和康普顿效应证明光具有粒子性．光既具有波动性又具有粒子性的事实说明光具有波粒二象性．这就是现代物理学关于光的本性问题的回答．2．人类对光的本性的认识人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的微粒说到托马斯．杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说．直到二十世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性．对于光的本性认识史，列表如下：学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性年代17世纪17世纪19世纪中20世纪初20世纪初代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认实验依据光的直线传播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速光电效应、康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份的光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性【典例1】　关于光的本性，下列说法正确的是(　　)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波动性，光电效应说明光具有粒子性D．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来[思路点拨]　(1)牛顿、惠更斯、爱因斯坦都只说明了光的一个方面．(2)干涉、衍射现象是波动性的特征．C　[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一现象．综上，选项C正确．]分析判断有关光的本性问题，关键是对光的波粒二象性的理解．下面以表格的形式呈现，以便比较并加深认识．比较实验基础表现说明光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子1．(多选)关于光的本性，下列说法不正确的是(　　)A．波粒二象性指光既具有波动性，又具有粒子性B．能量越大的光波动性越显著C．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子D．光波频率越高，粒子性越明显BC　[光的本性是指光既具有波动性，又具有粒子性，A正确；频率越高的光，能量越大，粒子性越显著，频率越低的光波动性越显著，B错误，D正确；光在传播时表现为波动性，而与物质相互作用时表现为粒子性，C错误．] 考点2　光的波粒二象性如图是双缝干涉的实验得出的条纹．试探究：如果再来一个光子经过狭缝，是落在亮条纹处？还是落在暗条纹处？[提示]　因光是概率波，此光子落在亮条纹处的概率大．1．光的粒子性的含义爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念．光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说．(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，与惠更斯波动说中的“波”是不同理论领域中两个不同的概念，它是一种概率波．(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．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，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表现，光的波动性和粒子性是统一的．4．光是概率波 (1)单个粒子运动的偶然性．我们可以知道光子落在某点的概率，但不能预言光子落在什么位置，即光子到达什么位置是随机的，是预先不确定的．(2)大量光子运动的必然性．由波动规律，我们可以准确地知道，大量光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，体现了粒子性的一面；同时光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，概率波将波动性和光子性统一在一起．【典例2】　(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则(　　)甲　　　　　乙　　　　　丙A．图像甲表明光具有粒子性B．图像丙表明光具有波动性C．用紫外光观察不到类似的图像D．实验表明光是一种概率波[思路点拨]　(1)少量光子体现粒子性．(2)大量光子体现波动性．ABD　[甲图可以看到的是光点，说明光具有粒子性，随着时间的增加，这些光点的排列体现了波的干涉的规律，说明光具有波动性，同时，这种规律是大量光点出现后才表现出来的，所以光是一种概率波．故ABD正确．]对光的波粒二象性的两点提醒(1)光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．(2)波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．2．(多选)对于光的波粒二象性的理解正确的是(　　)A．大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C．高频光是粒子，低频光是波D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著AD　[光具有波粒二象性，大量光子显示波动性、个别光子显示出粒子性，光传播时显示波动性，与物质相互作用时显示粒子性，频率高显示粒子性，频率低显示波动性，而不是粒子和波转换．故BC错误，AD正确．]1．物理观念：光的本性，光的波粒二象性，光是概率波．2．科学思维：体验光的本性之争，双缝干涉实验证明光是概率波，光有波动性和粒子性．3．科学方法：辩证法、实验法、统计法．1．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D　[根据爱因斯坦的“光子说”可知，单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，所以曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子，说明了单个光子表现为粒子性，故A错误；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，故B项错误；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．说明大量光子表现为波动性，故C项错误；光子到达多的区域表现为亮条纹，而光子到达的少的区域表现为暗条纹，故D正确．]2．下列有关光的波粒二象性的说法中，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．大量光子的行为往往显示出粒子性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D　[光既是波又是粒子，故A错误；光不带电没有静止质量而电子带负电，有质量，故B错误；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，故C错误；光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著，故D正确．故选D．]3．(多选)对光的认识，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：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显ABD　[光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确．]4．(多选)下面关于光的波粒二象性的说法正确的是(　　)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．]5．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．如图所示，给出了光子与静止的电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向______运动，并且波长______(选填“不变”“变短”或“变长”)．证明光具有______(选填“波动性”或“粒子性”)．[解析]　光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前动量的方向一致，可见碰撞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，光子能量减少，由ε＝hν知，光子频率变小，再根据c＝λν知，光子波长变长．证明光子具有粒子性．[答案]　1　变长　粒子性