高中物理粵教版（2019）选择性必修第三册 4.3 光的波粒二象性 教案

《光的波粒二象性》教学设计
一、教学目标
1.通过光的双缝干涉实验了解和理解光的本性——波粒二象性，知道光既具有波动性又
有粒子性了解光是一种概率波
2.培养学生全面、辩证地认事物和实验证据意识，使学生体会到人类的直接经验是有限
的，一个学说的正确性不能以是否与直接经验一致为依据，它最终要靠实践的检验。
3.通过人类对光的本性的认识过程。了解到人类对于自然现象的认识是螺旋式上升的，
科学理论是在不断发现新的现象，探索新的规律中发展和完善的。
二、教材分析
本节教材从物理学史的角度以光的本性之争逐步引入光的波粒二象性。教材首先回顾
了人类从古代到近代、东方和西方科学家对光的本性的认识过程，为学生正确理解光的波
粒二
象性做了铺垫。同时通过了解两种观点的争论发展的过程，可以感受到人类对于科学的认
识是曲折艰率、螺旋式上升的，并且理论最终都要得到实验的证实。光的干涉和衍射实验
表明，光是一种电磁波，具有波动性;光电效应和康普顿效应则表明，光与物体作用时，必
须看成是以一粒粒光子的形形式出现，具有粒子性。显然单纯的粒子性或波动性已不足以
解释光的全部本性，从而引出了“光是波还还是粒子”的问题.接下来教材讲述了通过改变
实验条件，即降低光源的强度到每次只有一个光子通过狭缝来做光的双缝干涉实验，最终
揭示了光的波粒二象性的本质:光是一种概率波。
三、学情分析
1.学生在学习选择性必修 1“光及其应用”这一章时，已经知道光的干涉和行射现象,
并且知道光具有波动性在上一节学习光电效应现象和康普顿效应，学生又有了粒子性的基
础，虽然学生已分别认识了光的波动性和粒子性，但要把这两种认识统起来仍然有困难。
2.学生理解光的波粒二象性时容易产生偏差，例如误以为“光既是粒子又是波或有的光
是波，有的光是粒子”等，可通过及时对这些错误的说法予以纠正。
四、教学过程
光是什么呢？人类研究了 2000 多年，历史上一流的学者都为这个问题绞尽了脑汁。
（一）第一次波粒之争
17 世纪，科学家们开始对光的本性进行研究，出现了截然不同的两种观点。英国的科
学家牛顿认为，光是沿直线传播的，应该是微粒，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条
直线。当这些微粒遇到物体会反弹，这就是光的反射。如果光从空气中照射到水中，就会
发生折弯，这就是光的折射，而且光在水里的速度比在空气大。可是荷兰物理学家惠更斯
表示反对，如果光是一种微粒，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，可人们并没
有观察到这种现象。惠更斯认为，光是一种波，就像水波一样，也可以发生反射和折射，
而且光在水里的速度比在空气小。他们俩谁是对的呢？如果能知道光在空气和水中的传播
速度，就可以判断了。可是，牛顿和惠更斯都不能把光速测量出来，谁也说服不了谁。这
就是第一次玻粒战争。由于牛顿在物理学界的崇高地位，在相当长时间里，光的微粒说一
直占据上风。
（二）第二次波粒之争
200 年前，那时人们已经发现，如果有两列水波相遇到一块，水波就会叠加到一起。有
的地方水面震动剧烈，有的地方水面很平静，这叫做波的干涉。干涉是波的特点，如果光
也能干涉，就能说明光也是波。1807 年，英国科学家托马斯·杨设计了一套实验装置，让
蜡烛发出的光先经过一条缝，再经过两条缝，结果在最后面的屏幕上出现了许多眀暗相间
的条纹。这个实验说明了光发生了像水波一样的干涉。在波峰与波峰叠加的地方出现亮条
纹，而在波峰与波谷叠加的地方出现暗条纹。托马斯·杨的双缝干涉实验被称为世界上最
美的物理实验之一，它证明了光是一种波。可是牛顿的影响力太大了，人们都不相信托马
斯，法国科学院举办了一场征文比赛，希望有人能用微粒说来解释光。有位年轻的学者菲
涅尔提交了一篇论文，用波动说解释许多光学问题，比如光遇到障碍物之后，会像水波一
样绕过障碍物，这叫做衍射，衍射也是波的特点。这让法国科学院里支持微粒说的科学家
们非常尴尬。数学家泊松尤其愤愤不平，他说，菲涅尔一定搞错了，因为按照他的说法，
用光照射一个小圆盘，圆盘背后的影子中间会出现一个亮点，这根本不可能。实验验证结
果人们却惊讶地发现，圆盘背后的阴影中间果然有一个亮点，人们干脆把这个亮点称为泊
松亮斑，这个过程叫做第二次玻粒战争。随着时间的推移，波动说取得了越来越多的证据。
19 世纪 60 年代，英国科学家麦克斯韦提出光就是电场和磁场组成的波叫做电磁波，电磁波
可以在真空中传播。1888 年，德国物理学家赫兹通过实验发现了人们期待已久的电磁波。
至此，似乎波动说终于彻底击败了微粒说，但人们对光的本性的探究并没有因此而止步。
（三）第三次波粒研究
19 世界 80 年代，人们发现某些金属在光的照射下会带电，这个现象叫光电效应。光电
效应存在以下实验规律 1.存在截止频率；2.光电效应具有瞬时性；3.存在饱和电流；4.存
在遏止电压，与入射光频率有关。人们尝试用经典电磁理论去解释光电效应的实验结果，
却遇到了很多的困难，疑难一：截止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关；疑难二：
存在截止频率；疑难三：具有瞬时性。而这时一位伟大的科学家爱因斯坦提出了光子假说，
他认为光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，一个光子的能量为ε =
ν，光子假说很好地解释了光电效应的各种现象。
美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，在散射光线中，发现了波长较长
的成分。康普顿借助爱因斯坦的光子假说，认为是因为光子与物质中的自由电子发生弹性
碰撞过程中，光子能量减少，频率变小，波长变长。光电效应和康普顿效应让光的微粒说
以一种新的形式呈现于世人面前。
光的干涉和衍射实验表明光是一种电磁波，具有波动性；而光电效应和康普顿效应则
表明光在与物质相互作用时光表现出粒子性，那么光到底是粒子还是波呢？
下面我们通过光的双缝干涉实验来研究这个问题。如图所示由光源 S 发出的光经过缝
S 和缝 S 到达感光片 D，我们知道经过缝 S 和经过缝 S 的两部分光会发生干涉，结果将在
2
1
2
1
感光片上形成明暗相间的干涉条纹，这是光的波动性表现。但是上述光的干涉并没有完全
排除光是粒子的可能性，如果我们把光源 S 发出的光看成是有大量光子组成，那么可以认
为部分光子经过了缝 S ，部分光子经过了缝 S ，然后两部分光子相互干涉产生了干涉条纹
1
2
为了排除这种可能性我们换一种方法再做上述实验。
我们把光源的强度降低，直到入射光减弱到每次只有一个光子经过狭缝，前一个光子
已经消失在感光片上，后一个光子才从光源发出。现在我们观察在不同记录时间后感光片
记录的结果。第一幅图，记录了一段时间，这时感光片上呈现杂乱分布的几个亮点，每个
亮点都是一个光子在感光片上留下的记录，这显示了光的粒子性。第二幅图，适当增加记
录时间，我们会惊奇的发现亮点在感光片上形成模糊的亮纹，光子主要落在感光片的亮纹
处，这就是干涉条纹。第三幅图，记录时间越长，干涉条纹越明显。干涉条纹再次显示光
的波动性。
由于每次穿过狭缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生干涉，但光的干涉还是
发生了，可见波动性也是光子的属性。光具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。
我们如何理解光的波粒二象性呢？第一、在与物质发生作用时光表现出粒子的性质，
而在传播时表现出光的波动性；第二、少量的个别的光子容易显示粒子性，大量光子容易
显示出波动性；第三、根据 = ，频率较大时，光子波长较小，光容易显示粒子性；频率
较小时，根据波长较长，光容易显示波动性。光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，
并不是独立存在的。
下面我们来看例 1
例 1.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．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．大量光子的行为往往显示出粒子性
正确答案是 C。下面我们来分析一下。
光的波粒二象性是指光既有波动性，又有粒子性，故 A 错；光子与电子是不同的粒子，
具有不同的特性，故 B 错，光的波长越长，波动性越显著，波长越短，波动性越不显著，
粒子性越显著 C 正确；大量光子的行为具有一定的波动规律，往往显示波动性，D 错．

我们知道光子的能量表示为ε = ν，动量表示为 = ，其中能量和动量是描述光子粒
λ
子性的重要物理量，频率和波长是描述光子波动性的典型物理量，他们通过普朗克常量 h
联系起来，可以说普朗克常量 h 是联系光子粒子性和波动性的桥梁。
下面我们来看例 2
例 2．（多选）关于光的本性，下列说法中正确的是 （
A．光电效应反映光的粒子性
）
B．光子的能量由光的强度所决定
C．光子的能量与光的频率成正比
D．光在空间传播时，是不连续的，是一份一份的，每一份光叫做一个光子
正确答案是 ACD，下面我们来分析一下。
解析：根据公式ε = ν，光子的能量与频率成正比，C 对；爱因斯坦用光子假说解释光
电效应，反映光的粒子性，A 对，D 对。
下面我们从另一个角度来理解光地波粒二象性。我们知道概率是表征某一事物出现的
可能性，同学们现在先观看一个实验：伽尔顿板实验。
在该实验中我们发现单个小球下落的位置是不确定的，但是他们落在中间狭槽的可能
性要大一些，即球落在中间的概率比较大，所以我们也可以这样来理解光：每一个光子按
照一定的概率落在感光片的某一点上，概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的
地方落下的光子少，形成暗纹，所以干涉条纹是光子落在感光片上各个点的概率分布的反
应，因此物理学中把光波看成一种概率波。
下面我们来看例 3
例 3.（多选）在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并设法控制光的强度，
尽可能使光子一个一个地通过狭缝，假设光子出现在中央亮纹的概率为 90%，下列说法正确
的是(
)
A．第一个光子一定出现在中央亮纹上
B．第一个光子可能不出现在中央亮纹上
C．如果前 9 个光子均出现在中央亮纹上，则第 10 个光子还有可能出现在中央亮纹上
D．如果前 9 个光子均出现在中央亮纹上，则第 10 个光子一定不能出现在中央亮纹上
好，正确答案是 BC。下面我们来分析一下。对每个光子而言，出现在中央亮纹的概率
均为 90%，所以第一个光子有可能出现在中央亮纹上，也有可能不出现在中央亮纹上．如果
前 9 个光子均出现在中央亮纹上，第 10 个光子出现在中央亮纹的概率为 90%，所以第 10 个
光子可能会出现在中央亮纹上，因此 B、C 正确，A、D 错．
下面再通过两道例题进行巩固
例 4．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
答案：选 AD.
解析：光电效应、康普顿效应现象体现光子具有粒子性，光的双缝干涉实验光的圆孔衍
射实验体现光的波动性。故选 AD
例 5．下列关于光的波粒二象性的说法正确的是(
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波与机械波是同种波
)
C．光的波动性是由光子间的相互作用而形成的
D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝hν中，
仍表现出波的特性
答案：D
解析：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，
而不是有的光是波，有的光是粒子，故 A 错误；光波是电磁波，故 B 错误；光波是概率波，
个别光子的行为是随机的，表现为粒子性，大量光子的行为往往表现为波动性，不是由光子
间的相互作用形成的，故 C 错误；光是一种波，同时也是一种粒子，在光子能量ε＝hν中，
频率ν仍表示的是波的特性，它体现了光的波动性与粒子性的统一，故 D 正确．
（四）小结
回顾人们对光的本性的研究，300 年前，牛顿认为光是微粒；200 年前，托马斯杨证明
光是波；150 年前，麦克斯韦得出光是电磁波；100 年前，爱因斯坦用光子假说解释了光电
效应，至今，人们认为，光具有波粒二象性，是一种概率波。人类对于自然现象的认识是
螺旋式上升的，科学理论是在不断发现新的现象，探索新的规律中发展和完善的。未来，
对光的本性的研究将还在继续，同学们，说不定当中就有你哦！
课堂到此结束，谢谢大家的观看，再见！