《2018-2019版高中物理 第2章 波和粒子 2.3 光是波還是粒子學(xué)案 滬科版選修3-5.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019版高中物理 第2章 波和粒子 2.3 光是波還是粒子學(xué)案 滬科版選修3-5.docx（8頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

2.3　光是波還是粒子 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]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(jì)意義.3.會用光的波粒二象性分析有關(guān)問題． 一、光的波粒二象性 [導(dǎo)學(xué)探究]　人類對光的本性的認(rèn)識的過程中先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，比如： 光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)(圖A) 光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(圖B) 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖C) 光的薄膜干涉實(shí)驗(yàn)(圖D) 康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等等． (1)在以上實(shí)驗(yàn)中哪些體現(xiàn)了光的波動性？哪些體現(xiàn)了光的粒子性？ (2)光的波動性和光的粒子性是否矛盾？ 　　 　　　 答案　(1)單縫衍射、雙縫干涉、薄膜干涉體現(xiàn)了光的波動性．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)體現(xiàn)了光的粒子性． (2)不矛盾．大量光子在傳播過程中顯示出波動性，比如干涉和衍射．當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，顯示出粒子性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)．光具有波粒二象性． [知識梳理] 1．人類對光的本性的研究 學(xué)說名稱 微粒說 波動說 電磁說 光子說 波粒二象性 代表人物 牛頓 惠更斯 麥克斯韋 愛因斯坦 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，光速等于電磁波的速度 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(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，既有波動性，又有粒子性 2．光的波粒二象性 (1) (2)光子的能量和動量 ①能量：E＝hν. ②動量：p＝. (3)意義：能量E和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量．因此E＝hν和p＝揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性．(　√　) (2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯．(　　) (3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子．(　√　) (4)光在傳播過程中，有的光是波，有的光是粒子．(　　) 二、再探光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) [導(dǎo)學(xué)探究]　用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，隨著時(shí)間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖1甲、乙、丙所示的圖像． 圖1 (1)圖像甲是曝光時(shí)間很短的情況，光點(diǎn)的分布有什么特點(diǎn)？說明了什么問題？ (2)圖像乙是曝光時(shí)間稍長情況，當(dāng)光子數(shù)較多時(shí)落在哪些區(qū)域的概率較大？可用什么規(guī)律來確定？ (3)圖像丙是曝光時(shí)間足夠長的情況，體現(xiàn)了光的什么性？怎樣解釋上述現(xiàn)象？ 答案　(1)當(dāng)曝光時(shí)間很短時(shí)，屏上的光點(diǎn)是隨機(jī)分布的，具有不確定性，說明了光具有粒子性． (2)落在某些條形區(qū)域的概率較大，這種概率可用波動規(guī)律來確定． (3)光的波動性．少量光子呈現(xiàn)粒子性，大量光子呈現(xiàn)波動性，而且光是一種概率波． [知識梳理] 光波是一種概率波：光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固有的性質(zhì)，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． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)光子通過狹縫后運(yùn)動的軌跡是確定的．(　　) (2)干涉條紋中，暗條紋是光子不能達(dá)到的地方．(　　) (3)單個(gè)光子的運(yùn)動具有偶然性，但光波強(qiáng)的地方是光子到達(dá)幾率大的地方．(　√　) 一、光的波粒二象性的理解 1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性；個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性． 2．光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣，具有能量和動量．和其他物質(zhì)相互作用時(shí)，粒子性起主導(dǎo)作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，由波動性起主導(dǎo)作用，因此稱光波為概率波． 3．頻率低、波長長的光，波動性特征顯著，而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著． 4．光子的能量與其對應(yīng)的頻率成正比，而頻率是描述波動性特征的物理量，因此E＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯(lián)系． 例1　下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，不正確的是(　　) A．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性 B．頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著 C．光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性 D．光不可能同時(shí)具有波動性和粒子性 答案　D 解析　光既具有粒子性，又具有波動性，大量的光子波動性比較明顯，個(gè)別光子粒子性比較明顯，故A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，故B正確；光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性，故C正確；光的波粒二象性是指光即具有為波動性，又具有粒子性，二者是統(tǒng)一的，故D錯(cuò)誤． 二、對概率波的理解 1．單個(gè)粒子運(yùn)動的偶然性：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)動的必然性：由波動規(guī)律我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運(yùn)動時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言． 3．概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一：概率波的主體是光子、實(shí)物粒子，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時(shí)粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配，體現(xiàn)了波動性的一面，所以說概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在一起． 4．光的波動性不是光子之間的相互作用引起的： (1)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光源非常弱，以至它在前一個(gè)光子到達(dá)屏幕之后才發(fā)射第二個(gè)光子，這樣就排除了光子之間相互作用的可能性． (2)盡管單個(gè)光子的落點(diǎn)不可預(yù)知，但是長時(shí)間曝光之后仍然可以得到明暗相間的條紋，可見，光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固有的性質(zhì)． 例2　(多選)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 答案　CD 解析　根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)95%以上，當(dāng)然也可落在其他亮紋處，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(xiàng)正確． 1．(對光的波粒二象性的認(rèn)識)下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是(　　) A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射 C．泊松亮斑和光電效應(yīng) D．光的反射和光電效應(yīng) 答案　C 解析　光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據(jù)，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，光的反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，故選項(xiàng)C正確． 2．(對光的波粒二象性的認(rèn)識)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，有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，A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)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以B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)出波動性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤． 3．(對光的本性的認(rèn)識)關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是(　　) A．關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性 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．牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”相結(jié)合就是光的波粒二象性 答案　C 解析　光的波動性指大量光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小，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(jī)械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個(gè)光子，不是牛頓“微粒說”中的經(jīng)典微粒．某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象．某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個(gè)現(xiàn)象．要區(qū)分題中說法和物理史實(shí)與波粒二象性之間的關(guān)系．C正確，A、B、D錯(cuò)誤． 4．(對光的本性的認(rèn)識)有關(guān)光的本性，下列說法中正確的是(　　) A．光具有波動性，又具有粒子性，這是相互矛盾和對立的 B．光的波動性類似于機(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性，個(gè)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(rèn)為光具有波粒二象性 答案　D 解析　光在不同條件下表現(xiàn)出不同的行為，其波動性和粒子性并不矛盾，A錯(cuò)，D對；光的波動性不同于機(jī)械波，其粒子性也不同于質(zhì)點(diǎn)，B錯(cuò)；大量光子往往表現(xiàn)出波動性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)出粒子性，C錯(cuò)． 5．(對概率波的理解)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，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長，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)動規(guī)律顯示出光的粒子性 D．個(gè)別光子的運(yùn)動顯示出光的波動性 答案　A 解析　單個(gè)光子運(yùn)動具有不確定性，大量光子落點(diǎn)的概率分布遵循一定規(guī)律，顯示出光的波動性．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫，如果時(shí)間足夠長，底片上會出現(xiàn)明顯的干涉圖樣，A正確，B、C錯(cuò)誤；由光的波粒二象性知，個(gè)別光子的運(yùn)動顯示出光的粒子性，D錯(cuò)誤． 一、選擇題 考點(diǎn)一　光的波粒二象性 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)都說明光具有波動性． 2．人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程．下列關(guān)于光的本性的陳述不符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是(　　) A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的 B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動性 C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波 D．光具有波粒二象性 答案　A 解析　牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然A錯(cuò)誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確． 3．(多選)關(guān)于光的波動性與粒子性，以下說法正確的是(　　) A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說 B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性 C．光波不同于機(jī)械波，它是一種概率波 D．光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一 答案　BC 解析　愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現(xiàn)粒子性的，A錯(cuò)；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光波在少量的情況下表現(xiàn)出粒子性，大量的情況下表現(xiàn)出波動性，C對；光的波動性和粒子性不是孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，D錯(cuò)． 4．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．光的波粒二象性學(xué)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(yùn)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(diǎn)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(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． 考點(diǎn)二　對概率波的理解 5．在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過雙縫后打到了觀察屏上的b處，則b處是(　　) A．亮紋 B．暗紋 C．既有可能是亮紋也有可能是暗紋 D．以上各種情況均有可能 答案　A 解析　由光子按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷，由于大部分光子都落在b點(diǎn)，故b處一定是亮紋，選項(xiàng)A正確． 6．(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣 B．單個(gè)光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C．光子通過單縫的運(yùn)動路線像水波一樣起伏 D．單個(gè)光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性 答案　AD 7．(多選)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)象中沒有得到反映，A、D不正確． 二、非選擇題 8．(對光的本性的認(rèn)識)下列列舉的是人類對光的本性的認(rèn)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 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(rèn)識到光的波動性實(shí)際是光子運(yùn)動規(guī)律的概率波 請按人類的認(rèn)識發(fā)展進(jìn)程將字母按順序排列起來：____________. 答案　ABDCFEG 解析　對光的本性的認(rèn)識過程有五大學(xué)說．按其發(fā)展順序?yàn)椋号ｎD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(xué)將兩大對立學(xué)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.