學(xué)案3　光是波還是粒子 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.知道光的波粒二象性，理解其對(duì)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(jì)意義.3.會(huì)用光的波粒二象性分析有關(guān)問(wèn)題． 1．光是一種電磁波，具有波動(dòng)性，具有干涉和衍射等波所特有的性質(zhì)． 2．光子說(shuō)：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)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(dòng)量，光子的動(dòng)量p＝. 4．光的波粒二象性 (1)光是波，同時(shí)也是粒子，即光具有波粒二象性． (2)光子的能量E＝hν和動(dòng)量p＝.左側(cè)的物理量E和p描述光的粒子性，右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動(dòng)性，普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)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(diǎn)出現(xiàn)的概率來(lái)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(duì)光的波粒二象性的理解 [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 聯(lián)系回顧光的波動(dòng)理論的發(fā)展過(guò)程，結(jié)合現(xiàn)學(xué)知識(shí)說(shuō)明：哪些現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性？哪些現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性？人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)發(fā)展史經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)階段？從理論上如何說(shuō)明光具有波粒二象性？ 答案　對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)史 學(xué)說(shuō) 名稱 微粒說(shuō) 波動(dòng)說(shuō) 電磁說(shuō) 光子說(shuō) 波粒二 象性 代表 人物 牛頓 惠更斯 麥克斯韋 愛因斯坦 公認(rèn) 實(shí)驗(yàn) 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(dòng)現(xiàn)象， 又有粒子 特征 內(nèi)容 要點(diǎn) 光是一群 彈性粒子 光是一 種機(jī)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(diǎn)提煉] 1．對(duì)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(dòng)量p＝ 普朗克常量h把描述粒子性的能量E和動(dòng)量p，與描述波動(dòng)性的頻率ν、波長(zhǎng)λ緊密聯(lián)系在一起，生動(dòng)地說(shuō)明光具有波粒二象性． 例1　有關(guān)光的本性，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，這是互相矛盾和對(duì)立的 B．光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn) C．大量光子才具有波動(dòng)性，個(gè)別光子只具有粒子性 D．由于光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，無(wú)法只用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性 解析　19世紀(jì)初，人們成功地在實(shí)驗(yàn)中觀察到了光的干涉、衍射現(xiàn)象，這屬于波的特征，微粒說(shuō)無(wú)法解釋．但到了19世紀(jì)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(dòng)說(shuō)不能解釋，證實(shí)光具有粒子性．因此，光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但不同于宏觀的機(jī)械波和粒子．波動(dòng)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(gè)不同側(cè)面、不同屬性，我們無(wú)法用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性．故選項(xiàng)D正確． 答案　D 針對(duì)訓(xùn)練　對(duì)光的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)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(dòng)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(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動(dòng)性 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種情況下光的波動(dòng)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　光與其他物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)為粒子性，光在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性．光的波動(dòng)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(shí)驗(yàn) [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，使光子只能是一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫． 圖1 如圖乙所示，曝光時(shí)間短時(shí)，可看到底片上出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的亮點(diǎn)，如圖丙所示，延長(zhǎng)曝光時(shí)間，底片上出現(xiàn)的亮點(diǎn)更多了，曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，有大量光子通過(guò)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(shí)間較短時(shí)的亮點(diǎn)和曝光時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的干涉圖樣呢？ 答案　圖片上的亮點(diǎn)表明，光表現(xiàn)出粒子性，也看到光子的運(yùn)動(dòng)與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不同，沒(méi)有一定的軌道．圖丙和丁的圖樣說(shuō)明，光的波動(dòng)性是大量光子表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象， 在干涉條紋中，那些光波強(qiáng)的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方或是到達(dá)幾率大的地方，光波弱的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方．光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． [要點(diǎn)提煉] 1．單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性：我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不能確定的． 2．大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：光在傳播過(guò)程中，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)規(guī)律確定，所以光波是一種概率波． 例2　為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)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(yùn)動(dòng)顯示光的波動(dòng)性 D．個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示光的粒子性，光只有波動(dòng)性沒(méi)有粒子性 解析　光的波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果，對(duì)個(gè)別光子我們無(wú)法判斷它落到哪個(gè)位置；對(duì)于大量光子遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律即對(duì)大量光子的運(yùn)動(dòng)或曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，顯示出光的波動(dòng)性． 答案　AC 例3　在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)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(duì)于一個(gè)光子通過(guò)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(dāng)然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過(guò)，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項(xiàng)正確． 答案　CD 光是波還是粒子 1．下列實(shí)驗(yàn)中，能證實(shí)光具有粒子性的是(　　) A．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) C．光的圓孔衍射實(shí)驗(yàn) D．泊松亮斑實(shí)驗(yàn) 答案　A 解析　光的雙縫干涉、圓孔衍射、泊松亮斑實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明光具有波動(dòng)性． 2．在下列現(xiàn)象中說(shuō)明光具有波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng)，底片上出現(xiàn)__________；如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上出現(xiàn)__________． 答案　不規(guī)則分布的點(diǎn)　　干涉圖樣 解析　在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果能使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫，則曝光時(shí)間短時(shí)，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則分布的點(diǎn)，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(diǎn)的分布看似不規(guī)則，但點(diǎn)在底片上各處出現(xiàn)的概率卻遵從雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中光強(qiáng)分布的規(guī)律，若曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上就出現(xiàn)如同強(qiáng)光短時(shí)間曝光一樣規(guī)則的干涉條紋．在干涉條紋中光波強(qiáng)度大的地方，也就是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方，所以，從這種意義上，可以把顯示波動(dòng)性的光看做表明光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波． 4．下列有關(guān)光的波粒二象性的說(shuō)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(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)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(dòng)性，光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說(shuō)有的光是波，有的光是粒子，故A選項(xiàng)錯(cuò)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(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所以，不能說(shuō)光子與電子是同樣的一種粒子，故B選項(xiàng)錯(cuò)誤． 光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤．光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著；光的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大，個(gè)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(xiàng)C正確，A、B、D錯(cuò)誤． [基礎(chǔ)題] 1．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．光的波粒二象性學(xué)說(shuō)就是牛頓的微粒說(shuō)加上惠更斯的波動(dòng)說(shuō)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(shuō)并沒(méi)有否定電磁說(shuō)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波 答案　CD 解析　光的波動(dòng)性指大量光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小，可以用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述，不是惠更斯的波動(dòng)說(shuō)中宏觀意義下的機(jī)械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，一份是一個(gè)光子，不是牛頓微粒說(shuō)中的經(jīng)典微粒．光子說(shuō)與電磁說(shuō)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(dòng)性越顯著 C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性，個(gè)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(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫時(shí)，它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運(yùn)動(dòng) 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(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)單縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣 B．單個(gè)光子通過(guò)單縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C．光子通過(guò)單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏 D．單個(gè)光子通過(guò)單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過(guò)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(shuō)法正確的是(　　) A．關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說(shuō)”，惠更斯提出了“波動(dòng)說(shuō)”，愛因斯坦提出了“光子說(shuō)”，它們都圓滿地說(shuō)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(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性 D．在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如果有光通過(guò)雙縫則顯出波動(dòng)性 答案　C 解析　牛頓主張的“微粒說(shuō)”中的微粒與實(shí)物粒子一樣，惠更斯主張的“波動(dòng)說(shuō)”中的波與宏觀機(jī)械波等同，這兩種觀點(diǎn)是相互對(duì)立的，都不能說(shuō)明光的本性，所以A、B錯(cuò)誤，C正確；在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，雙縫干涉出現(xiàn)明、暗均勻的條紋，當(dāng)讓光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)單縫，曝光時(shí)間短時(shí)表現(xiàn)出粒子性，曝光時(shí)間長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，所以D錯(cuò)誤． 5．關(guān)于光的波粒二象性的下列說(shuō)法中，不正確的是(　　) A．光既有波動(dòng)性，又有粒子性 B．光的波粒二象性徹底推翻了光的電磁說(shuō) C．光的波粒二象性學(xué)說(shuō)是把牛頓的光微粒說(shuō)和惠更斯的光波動(dòng)說(shuō)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(gè)具體例子 答案　BC 解析　光的波粒二象性是指光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，不同于牛頓的微粒說(shuō)中的粒子和惠更斯波動(dòng)說(shuō)中的波． [能力題] 6．光通過(guò)各種不同的障礙物后會(huì)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(duì)應(yīng)，這一現(xiàn)象說(shuō)明(　　) A．光是電磁波 B．光具有波動(dòng)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(shuō)明光有波動(dòng)性，B正確．衍射圖樣與障礙物的形狀對(duì)應(yīng)，說(shuō)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(gè)現(xiàn)象中沒(méi)有得到反映，A、D不正確． 7．下列列舉的是人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)： A．牛頓的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō) B．光的干涉、衍射現(xiàn)象證明波動(dòng)說(shuō)是正確的 C．光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為愛因斯坦的光子說(shuō)誕生奠定了基礎(chǔ) D．光波的傳播介質(zhì)問(wèn)題是麥克斯韋電磁說(shuō)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(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性實(shí)際是光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的概率波 請(qǐng)按人類的認(rèn)識(shí)發(fā)展進(jìn)程將字母按順序排列起來(lái)：______. 答案　ABDCFEG 解析　對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)過(guò)程有五大學(xué)說(shuō)．按其發(fā)展順序?yàn)椋号ｎD支持的微粒說(shuō)，惠更斯提出的波動(dòng)說(shuō)，麥克斯韋提出的電磁說(shuō)，愛因斯坦在普朗克量子說(shuō)的基礎(chǔ)上提出了光子說(shuō)，最后是現(xiàn)代物理學(xué)將兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)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(xué)案 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375