(共40张PPT)
第四章 波粒二象性
第一节 光电效应
学习任务 1．知道光电效应、光电子和光电流，了解截止频率、遏止电压的意义．
2．掌握光电效应的实验规律与经典电磁理论解释的困难，能解决相关的问题．
3．通过光电效应实验，探究规律，提高动手实验的能力，学会与他人合作交流，体验经典电磁理论解释的困难，感受探究科学的艰辛和伟大意义．
必备知识·自主预习储备
01
知识梳理
基础自测
知识点一 光电效应
1．光电效应：金属在光的照射下发射____的现象．
2．光电子：光电效应中发射出来的____．
3．光电流：发生光电效应时，在回路中形成的____．
提醒 在光电效应中，光电管把光信号变成了电信号．
电子
电子
电流
知识点二 光电效应的实验规律
1．截止频率：只有当入射光频率______某一频率ν0时，才会产生______，我们将这个频率称为截止频率，其对应的波长叫____波长．
2．遏止电压
(1)在强度和____一定的光照射下，回路中的光电流将随着反向电压的增加而____，并且当反向电压达到某一数值时，光电流会减小到__，我们把这时的电压称为____电压．
大于
光电流
截止
频率
减小
零
遏止
频率
强度
知识点三 经典电磁理论解释的困难
1．解释：发生光电效应时，随着入射光强度的增加，光电流也会____．
2．困难：(1)每种金属都对应有一个不同的________，与入射光的强度____．
(2)遏止电压只与入射光的____有关，与入射光的强度____．
提醒 从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在10-9s内发生光电效应．
增大
截止频率
无关
频率
无关
√
×
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)光电效应实验中光照时间越长，光电流越大． ( )
(2)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流． ( )
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关． ( )
(4)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关． ( )
×
×
√
2．(多选)如图所示，C为一真空光电管，管的内壁K
涂有碱金属，用可见光照射可产生光电效应．正常使
用时将它和电源、电流计相连．下列说法正确的是( )
A．当开关断开时，用光照射光电管的内半壁K后，K极带负电
B．正常使用时，a处为电源的正极，b处为电源的负极
C．正常使用时，通过电流计G的电流方向是自上而下的
D．在其他条件不变的情况下，增大可见光的照射强度，通过电流计的电流可能增大
√
√
BCD [开关断开时，由于光照射K极后可产生光电效应，故有电子从K极逸出，K极带正电；正常使用时，电源应给光电管加正向电压，a就应为电源正极，电路中电流沿顺时针方向，自上而下通过G；增大光强，逸出的光电子增多，光电流可能增大．故B、C、D正确．]
√
3．如图所示，在验电器上安装一个铜网，使其带电，验电器金属箔张开一定角度．用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变．再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线灯照射锌板时，发现金属箔张开角度减小．下列相关说法中正确的是( )
A．增加紫外线的强度照射锌板，金属箔张角将变大
B．紫外线的频率大于金属锌的截止频率
C．铜网带负电
D．改用紫光照射锌板，验电器的金属箔
张角也一定减小
B [根据用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变；再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小，说明逸出的光电子跑到铜网上，导致其电量减小，当增加紫外线的强度照射锌板，金属箔张角将变更小，由此可知，铜网带正电，故A、C项错误；只有紫外线的频率大于金属锌的截止频率，才会发生光电效应，故B项正确；根据光电效应产生条件，当改用紫光照射，因紫光频率小于紫外线频率，因此可能不发生光电效应现象，则验电器金属箔张角不一定减小，故D项错误．故选B．]
关键能力·情境探究达成
02
考点1 光电效应的实验规律
考点2 经典电磁理论解释的困难
如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电．你知道锌板是怎样带上电的吗？
提示：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度．
考点1 光电效应的实验规律
1．光电效应实验
(1)实验目的．
研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系．
(2)光电效应的实验装置．
如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射电子．电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调，当电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的电子，在电路中形成光电流．
2．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率大于截止频率才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．
(2)任何一种金属在确定的光照射下发生的光电效应，都有一个遏止电压，即光电子有最大初速率．
(3)当产生光电效应时，单位时间内从金属表面射出的电子数与入射光的强度有关．
(4)光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过10-9 s．
【典例1】 利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( )
A．用紫外线照射，电流表一定有电流通过
B．用红光照射，电流表一定无电流通过
C．用红外线照射，电流表一定无电流通过
D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过
√
[思路点拨] (1)用大于ν的紫外线照射能发生光电效应．
(2)滑动变阻器的滑动触头左移时正向电压减小，电流减小．
A [因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，所以选项B、C错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项D错误．]
分析光电效应的注意点
(1)发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率．
(2)发生光电效应时，在入射光频率不变的情况下，当光的强度增大时，单位时间内打到金属上的光子数目增多，逸出的光电子增多，形成的光电流增大．
[跟进训练]
1．一真空光电管的应用电路如图所示，关于电路中
光电流的饱和值，下列说法正确的是( )
A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率
B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度
C．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小
D．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间
√
B [在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，而光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，故B正确，A、C、D错误．]
考点2 经典电磁理论解释的困难
1．光的电磁理论只能部分地解释光电效应
利用光的电磁理论(经典波动理论)能够解释：光越强，光电流越大．
2．光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
矛盾 按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果
矛盾1 光能由振幅决定，与光频率无关，只要光强足够大(不论入射光的频率多小)，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
矛盾 按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果
矛盾2 光强越大，电子可获得的能量越多，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也应越大，即出射电子的最大初动能应该由光强来决定 光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关
矛盾3 光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长 具有瞬时性：当入射光照射到光电管阴极时，无论光强怎样，光电子几乎是瞬间产生的
【典例2】 (多选)光电效应的规律中，经典波动理论不能解释的有( )
A．入射光的频率必须大于被照射金属的截止频率时才产生光电效应
B．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大
C．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，产生光电流的时间一般不超过10-9 s
D．当入射光频率大于被照射金属的截止频率时，光电子数目与入射光的强度成正比
√
√
√
[思路点拨] (1)能解释：发生光电效应时，光强度增加，光电流变大．
(2)不能解释：时间极短，如果某种光不能发生光电效应，增大光强度仍不能发生．
ABC [按经典电磁理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的能量越多，被电子吸收的能量自然越多，产生的光电子数越多，故不能解释的有A、B、C三项．]
按光的电磁理论，应有：
(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关．
(2)不存在截止频率，任何频率的光都能使电子获得足够能量而逸出表面．
(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10-9 s．
但真实的光电效应以上三条均不符合．
[跟进训练]
2．如图所示，一验电器与锌板相连，在A处用一
紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角．
(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电
器指针偏角将______(选填“增大”“减小”或“不变”)．
[解析] 锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，锌板带正电，将一带负电的金属小球与锌板接触，将锌板上的正电荷中和一部分，锌板所带正电荷减少，则验电器指针偏角将变小．
减小
(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，那么，若改用强度更大的红外线照射锌板，可观察到验电器指针______(选填“有”或“无”)偏转．
[解析] 要发生光电效应，照射光的频率必须高于这种金属的截止频率，而与照射光的强度无关．用黄光照射，验电器指针无偏转，即不能发生光电效应，当改用强度更大的红外线照射时，因为红外线的频率比黄光的低，所以用红外线照射不能发生光电效应，验电器指针无偏转．
无
学习效果·随堂评估自测
03
1
2
3
4
√
5
√
1．(多选)在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与验电器相连，用弧光灯(紫外线)照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时( )
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象
D．若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子
1
2
3
4
5
BC [锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，B正确，A错误；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不发生光电效应，C正确，D错误．]
1
2
3
4
5
√
2．在如图所示的光电效应的实验中，发现用一定频率的单色光A照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的单色光B照射时不发生光电效应，则下列说法正确的是( )
A．增大B光光强，电流表指针可能发生偏转
B．延长B光照时间，电流表指针可能发生偏转
C．用A光照射光电管时，流过电流表G的电流方向是a流向b
D．用B光照射光电管时，增大电源电压电流表指针一定发生偏转
1
2
3
4
5
C [用单色光B照射时不发生光电效应，知B的频率小于截止频率，能否产生光电效应，是看入射光的频率，与光的强度、照射的时间都无关，故A、B项错误；发生光电效应时，电子从光电管右端运动到左端，而电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流表G的电流方向是a流向b，故C项正确；用单色光B照射时不发生光电效应，增大电源电压仍然不能发生光电效应，电路中不能出现电流，故D项错误．]
1
2
3
4
√
5
3．如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线灯照射锌板时，下列有关现象说法正确的是( )
A．有光子从锌板逸出
B．有电子从锌板逸出
C．验电器带负电
D．锌板带负电
B [用紫外线灯照射锌板时，发生光电效应，有电子从锌板逸出，锌板因失去电子而带正电，与锌板相连的验电器带正电，故B正确．]
1
2
3
4
5
4．如图所示为一光电管电路图，滑动变阻器的滑片P位于AB上某点，用光照射光电管阴极，灵敏电流计指针不偏转．要使指针偏转，可采取的措施有( )
A．减小电压
B．换用波长短的光照射
C．将P向B滑动
D．将电源正负极对调
√
1
2
3
4
5
B [由题图可知，光电管两端加正向电压，灵敏电流计指针不偏转，说明没有发生光电效应，照射光频率太低，与光强、外加电压的大小无关，故B正确，A、C错误；将电源正负极对调，光电管两端加反向电压，灵敏电流计指针仍不会偏转，故D错误．]
1
2
3
4
5
5．如图所示，用绿光照射一光电管的阴极时发生光电效应，要使光子从阴极逸出的最大初动能增大，应采取的措施是( )
A．改用红光照射
B．改用紫光照射
C．增大绿光的强度
D．增大加在光电管上的正向电压
√
1
2
3
4
5
B [发生光电效应时，光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大，与照射光强度、光电管两端的电压无关，红光的频率比绿光的频率小，不一定能发生光电效应，即使发生光电效应，光电子的最大初动能也较小，而紫光的频率大于绿光的频率，故选项B正确．]
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是光电效应？什么是光电子？
提示：金属在光的照射下发射电子的现象是光电效应．光电效应中发射出来的电子叫光电子．
2．试写出光电效应的实验规律．
提示：有截止频率、有遏止电压、有饱和电流、光电效应具有瞬时性．
3．经典理论解释光电效应遇到了哪些困难？
提示：每种金属都对应有一个不同的截止频率，与入射光的强度无关；遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关．(共43张PPT)
第四章 波粒二象性
第二节 光电效应方程及其意义
学习任务 1．了解能量子假说、光子假说及量子化理论，知道逸出功和爱因斯坦的光电效应方程，能解释光电效应的一些现象．
2．掌握爱因斯坦光电效应方程，能分析和计算与光电效应相关的问题，提高推理运算等思维能力．
3．通过体验普朗克、爱因斯坦的科学探究，学习他们的科学方法，体会科学对生活实际的指导，培养学习科学的兴趣．
必备知识·自主预习储备
01
知识梳理
基础自测
知识点一 能量子假说
1．1900年，德国物理学家______在对黑体辐射问题进行研究中，首先提出了__________．
2．能量子假说
物体热辐射所发出的电磁波的能量是________，只能是hν的______，hν被称为一个______，其中ν为辐射____．
普朗克
能量子假说
不连续的
整数倍
能量子
频率
3．普朗克常量
h是普朗克常量，大小为h＝_______________．
4．量子化现象
在宏观世界里，一个物理量的取值通常是____的；在微观世界里，物理量的取值常常是______的，只能取一些分立的值，这种物理量分立取值的现象称为__________．
提醒 微观世界里的能量不连续的意思是能量只能是量子化的，即只能是能量子的整数倍，不能是任意值．
连续
不连续
量子化现象
知识点二 光子假说
1．光子：光的能量是________，而是一份一份的光量子，这些光量子后来被称为____．
2．一个光子的能量为_____，式中h为普朗克常量，ν为光的频率．
提醒 光子的能量跟它的频率成正比，光子概念是量子思想的一次质的飞跃，使能量子有了可靠的例证：光子．
不连续的
光子
ε＝hν
脱离
最小值
逸出功
W0
最大初动能Ek
hν＝Ek＋W0
√
×
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)光子和光电子都是实物粒子． ( )
(2)使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫光． ( )
(3)无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就不能产生光电效应． ( )
(4)超过截止频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大． ( )
×
√
√
2．在如图所示的光电效应实验中，光电管阴极K的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的光照射在阴极上，若在A、K之间加一数值为U的反向电压时，光电流恰好为零，则下列判断错误的是( )
A．阴极材料的逸出功等于hν0
B．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为eUc
C．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为hν－hν0
D．无光电子逸出，因为光电流为零
√
关键能力·情境探究达成
02
考点1 对光电效应方程的理解与应用
考点2 光电效应的图像问题
一个实验小组，做光电效应实验，得出如图所示的图像，试探究：由图像能得出什么信息？
提示：由图像知I2＞I1，而Uc相等，可得出是相同频率，不同强度的光所产生光电效应图像．
考点1 对光电效应方程的理解与应用
1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解
(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值．
(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．
能量为E＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知Ek＝hν－W0．
2．光电效应规律中的两条线索、两个关系
(1)两条线索．
(2)两个关系．
光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大．
光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．
(1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．
(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．
[思路点拨] 饱和电流的值I与每秒内阴极发射的光电子数n的关系是I＝ne．光电子从阴极K飞出的最大初动能Ek＝hν－W0，光电子从阴极K飞向阳极时，还会被电场加速，使其动能进一步增大．截止波长即频率为截止频率的光的波长．
(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和电流增大为原来的2倍．根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子个数n′＝2n＝8.0×1012个
光电子的最大初动能仍然为Ek＝hν－W0＝9.6×10-20 J．
[答案] (1)4.0×1012个 9.6×10-20 J (2)8.0×1012个 9.6×10-20 J
√
考点2 光电效应的图像问题
1．Ek-ν曲线
如图所示为光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．由于Ek＝hν－W0，所以可知图线在横轴上的截距等于阴极金属的截止频率，在纵轴上的截距等于阴极金属的逸出功的负值，斜率表示普朗克常量．
(Ek＝hν－W0，Ek是ν的一次函数，不是正比例函数)
【典例2】 (多选)图甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像，下列说法正确的是( )
A．由图线①③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大
B．由图线①②③可知对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定
C．只要增大电压，光电流就会一直增大
D．不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应
√
√
AB [①③图线光的颜色相同，即频率相同，入射光越强，饱和电流越大，选项A正确；由光电效应方程可知Ek＝hν－W0＝eUc，对某种确定的金属来说，逸出功W0确定，则入射光的频率ν越大，遏止电压Uc越大，光电子的最大初动能Ek越大，选项B正确；当所加反向电压大于遏止电压时，增大电压，光电流一直为0，所加正向电压使电流达到饱和电流时，增大电压，电流不变，选项C错误；要发生光电效应，入射光的频率要大于截止频率，选项D错误．]
(1)截止频率为νc的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W0＝hνc．
(2)某种金属的逸出功是一定值，随着入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．
[跟进训练]
2．爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中νc为截止频率．从图中可以确定的是( )
A．逸出功与ν有关
B．Ekm与入射光强度成正比
C．当ν<νc时，会逸出光电子
D．图中直线的斜率与普朗克常量有关
√
D [金属的逸出功只和金属的截止频率有关，与入射光的频率无关，A错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错误；只有ν>νc时才会发生光电效应，C错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hνc(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hνc，可见图像的斜率表示普朗克常量，D正确．]
学习效果·随堂评估自测
03
1
2
3
4
5
√
1
2
3
4
5
2．(多选)美国物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系，描绘出图乙中的图像，由此算出普朗克常量h，电子电荷量用e表示，下列说法正确的是( )
甲 乙
1
2
3
4
√
5
√
1
2
3
4
5
1
2
3
4
√
5
3．如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于
0.60 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )
A．1.9 eV
B．0.6 eV
C．5 eV
D．3.1 eV
1
2
3
4
5
A [由题意可知，题图中光电管的反向遏止电压为Uc＝0.6 V，光电子的最大初动能Ek＝0.6 eV，由爱因斯坦光电效应方程得W0＝hν－Ek＝2.5 eV－0.6 eV＝1.9 eV，故A选项正确．]
1
2
3
4
5
4．在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是( )
A．色光乙的频率小、光强大
B．色光乙的频率大、光强大
C．若色光乙的强度减为原来的一半，无论电
压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小
D．若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流
√
1
2
3
4
5
D [由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，使其逸出的光电子最大初动能大，所以色光乙的频率大，光子的能量大．由题中图像可知，色光甲的饱和电流大于色光乙的饱和电流，故色光甲的光强大于色光乙的光强，A、B错误；如果使色光乙的强度减半，则只是色光乙的饱和电流减半，在特定的电压下，色光乙产生的光电流不一定比色光甲产生的光电流小，C错误；因色光乙的频率大于色光甲的，故另一个光电管加一定的正向电压，如果色光甲能使该光电管产生光电流，则色光乙一定能使该光电管产生光电流，D正确．]
1
2
3
4
5
[答案] 264 nm
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是能量子假说？试写出普朗克常量的大小？
2．什么是逸出功？
提示：发生光电效应时，使电子脱离某种金属所做的功的最小值，称为这种金属的逸出功，用符号W0表示．
3．写出光电效应方程的表述及其表达式？(共43张PPT)
第四章 波粒二象性
第三节 光的波粒二象性
学习任务 1．知道光有粒子性和波动性，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．
2．理解光的波粒二象性，从科学家的工作中感悟科学探究；了解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．
3．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，提高动手实验与探究能力．
必备知识·自主预习储备
01
知识梳理
基础自测
折射
微粒
波
双缝干涉
光的波长
电磁波
知识点二 光的波粒二象性
1．光的____和____实验表明，光是一种电磁波，具有______．
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______．
(2)当记录时间较长时，明显出现________，波动性更明显．
3．光的波粒二象性．
光既有______，又有______，人们把这种性质称为光的波粒二象性．
干涉
衍射
波动性
粒子性
干涉条纹
粒子性
波动性
4．概率波．
光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的____分布的反映，因此，物理学中把____看成是一种______．
概率
光波
概率波
√
×
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． ( )
×
×
√
2．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；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，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概率较大的地方
D [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，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错误；光具有波粒二象性，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出明显的波动性，故C错误；在双缝干涉中，光子到达多的区域表现为亮条纹，而光子到达少的区域表现为暗条纹，故D正确．]
√
√
3．(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．]
关键能力·情境探究达成
02
考点1 光的本性
考点2 光的波粒二象性
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．
考点1 光的本性
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．
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 光能在真空中传播，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
波动性 干涉和
衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)大量光子在传播时，表现出波的性质 光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
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
[跟进训练]
1．(多选)关于光的本性，下列说法正确的是( )
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
√
√
AD [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
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( )
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 [题图甲可以看到的是光点，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A、B、D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．
[跟进训练]
2．为应对某些西方国家对我国的高端技术的打压，我们现在研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”，对芯片制造领域技术突破作出重大贡献．光刻所用光的波长越短，分辨率越高．下列关于光的认识正确的是( )
A．少量光子显示粒子性，大量光子只显示出光的波动性
B．光的波长越长，光子的能量越大
C．用某单色光照射金属能使其发生光电效应，产生的光电子的动能有大有小
D．电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时就一定能成为光电子
√
学习效果·随堂评估自测
03
1
2
3
4
√
1．下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是( )
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波与机械波是同样的一种波
C．光的波动性是由于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，频率ν仍表示的是波的特性
1
2
3
4
D [光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，当光和物质作用时，是“一份一份”地进行的，表现出粒子性；单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述，表现出波动性．粒子性和波动性是光本身的一种属性，光子说并未否定电磁说．]
1
2
3
4
√
2．人们对“光的本性”的认识，经历了漫长的发展过程．下列符合物理学史实的是( )
A．牛顿提出光是一种高速粒子流，并能解释一切光的现象
B．惠更斯认为光是机械波，并能解释一切光的现象
C．为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说
D．为了说明光的本性，麦克斯韦提出了光的波粒二象性
1
2
3
4
C [牛顿认为光是一种粒子流，他的观点支持了光的微粒说，能解释光的直线传播与反射现象，故A错误；惠更斯认为光是一种机械波，并能解释光的反射、折射和衍射，但不能解释光的直线传播和光电效应等现象，故B错误；为了解释光电效应爱因斯坦提出光子说，认为光的发射、传播和吸收不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，故C正确；麦克斯韦提出了光的电磁波说，认为光是一种电磁波，康普顿效应证明光具有粒子性，故D错误．]
1
2
3
4
√
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
√
√
1
2
3
4
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．]
1
2
3
4
4．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”)．
粒子性
1
变长
1
2
3
4
[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．
2．什么实验证明光具有粒子性？光的波粒二象性内容是什么？
提示：光电效应和康普顿效应；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．
3．什么是概率波？
提示：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概率波．(共38张PPT)
第四章 波粒二象性
第四节 德布罗意波
第五节 不确定性关系
学习任务 1．知道德布罗意波，了解电子衍射，知道实物粒子也具有波粒二象性，知道不确定关系，会解释相关的自然现象．
2．理解物质波的概念，掌握物质波的实验验证，会计算实物粒子的德布罗意波的波长．
3．感受人类认识世界的曲折过程和科学之美，体验实物波与不确定性关系对现实生活的指导，培养科学探索的兴趣．
必备知识·自主预习储备
01
知识梳理
基础自测
知识点一 德布罗意波假说
1．德布罗意波：法国物理学家德布罗意假设：实物粒子和光一样具有__________．这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫______．
2．公式：λ＝___，式中λ是德布罗意波的波长，p是相应的实物粒子的动量．
提醒 一般实物粒子的德布罗意波的波长太短，不易检测到．
波粒二象性
物质波
知识点二 电子衍射
1．1925年，美国工程师戴维森在实验中发现了__________现象．
2．________实验证明了德布罗意波假说正确．
3．电子不仅会发生衍射，而且会发生____，由此可见，实物粒子的确具有______．
4．各种实物粒子既具有粒子性，也具有波动性，即都具有与光一样的__________．
提醒 电子和光一样都是概率波．
电子的衍射
电子衍射
干涉
波动性
波粒二象性
知识点三 不确定性关系
1．微观粒子的位置与动量不可____被确定．
2．不确定性关系式：
ΔxΔp≥____．
式中h是普朗克常量，Δx是位置的不确定量，Δp是动量的不确定量．
提醒 量子论和相对论共同成为当今物理科学的两大基础理论．
同时
√
×
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电子不但具有粒子性也具有波动性． ( )
(2)物质波的波长和粒子运动的动量有关． ( )
(3)我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置． ( )
(4)微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置． ( )
√
√
√
√
3．(多选)在单缝衍射实验中，从微观粒子运动的不确定性关系可知( )
A．不可能准确地知道单个粒子的运动情况
B．缝越窄，粒子位置的不确定性越大
C．缝越宽，粒子位置的不确定性越大
D．缝越宽，粒子动量的不确定性越大
√
关键能力·情境探究达成
02
考点1 对德布罗意波的理解
考点2 不确定性关系的理解
一位战士在实战训练时子弹脱靶，在分析脱靶的原因时，突然想起德布罗意波长公式后，认为未击中的原因可能与子弹的波动性有关，这是失误的理由吗？
提示：对于宏观物体子弹来说，物质波波长仅为10-34 m左右，因为波长越长衍射现象越显著，动量大的子弹的波动性忽略不计，仍沿确定的轨道运动，所以子弹未沿击中靶的抛物线运动，原因是未瞄准．
考点1 对德布罗意波的理解
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．
2．粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配，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．
【典例1】 (多选)为了观察晶体的原子排列，可以采用下列方法：
(1)用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像(由于电子的物质波波长很短，能防止发生明显的衍射现象，因此电子显微镜的分辨率高)；(2)利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样，进而分析出晶体的原子排列．则下列分析正确的是( )
A．电子显微镜所利用的电子的物质波的波长比原子尺寸小得多
B．电子显微镜中电子束运动的速度应很小
C．要获得晶体的X射线衍射图样，X射线波长要远小于原子的尺寸
D．中子的物质波波长可以与原子尺寸相当
√
√
AD [由题目所给信息“电子的物质波波长很短，能防止发生明显的衍射现象”及发生明显衍射现象的条件可知，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多，A项正确；由德布罗意波长公式可知，当电子束的波长越短时，运动的速度越大，B项错误；由信息“利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样”及发生明显衍射现象的条件可知，中子的物质波波长或X射线的波长与原子尺寸相当，D项正确，C项错误．]
[跟进训练]
1．(多选)电子显微镜与光学显微镜相比具有更高的分辨率，其原因是电子比可见光的波动性弱．在电子显微镜中，电子通过“静电透镜”实现会聚或发散．如图所示，某静电透镜区域的等势面为图中虚线，其中M、N两点电势φM＞φN．现有一束正电子经电压U加速后，从M点沿垂直虚线的方向进入“透镜”电场，正电子运动过程中仅受电场力，最终穿过小孔．下列说法正确的是( )
A．进入“透镜”电场后正电子可能经过N点
B．从进入“透镜”电场至穿过小孔的过程中，电场力对正电子做正功
C．加速后的正电子，其物质波波长大于可见光波长
D．保持加速电压U不变，将正电子换成质子，加速后
质子的物质波波长小于原正电子的物质波波长
√
√
考点2 不确定性关系的理解
1．粒子位置的不确定性
单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的．
2．粒子动量的不确定性
(1)微观粒子具有波动性，会发生衍射．大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外．这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量．
√
√
对不确定性关系的三点提醒
(1)在宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差很多倍．
(2)根据计算的数据可以看出，宏观世界中的物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量．
(3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，不能准确把握粒子的运动状态．
[跟进训练]
2．(多选)光通过单缝所发生的现象，用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释，正确的是( )
A．单缝宽，光是沿直线传播，这是因为单缝宽，位置不确定量Δx大，动量不确定量Δp小，可以忽略
B．当能发生明显衍射现象时，动量不确定量Δp就不能忽略
C．单缝越窄，中央亮纹越宽，是因为位置不确定量越小，动量不确定量越大
D．当发生明显衍射现象时，位置的不确定量Δx不能忽略
√
√
√
学习效果·随堂评估自测
03
1
2
3
4
√
5
√
1．(多选)关于物质波，下列认识正确的是( )
A．只要是运动的物体，不论是宏观物体，还是微观粒子，都有相应的波动性，这就是物质波
B．只有运动的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波
C．由于宏观物体的德布罗意波波长太小，所以难以观察到它们的波动性
D．电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的
√
1
2
3
4
5
1
2
3
4
√
5
√
√
1
2
3
4
5
1
2
3
4
√
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
4．(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1 MHz的无线电波的波长，由表中数据可知( )
物理量 质量/kg 波长/m
弹子球 2.0×10-2 1.0×10-2 3.3×10-30
电子(100 eV) 9.0×10-31 5.0×106 1.2×10-10
无线电波(1 MHz) － 3.0×108 3.3×102
1
2
3
4
5
A．要检测弹子球的波动性几乎不可能
B．无线电波通常情况下只表现出波动性
C．电子照射到金属晶体上能观察到波动性
D．只有可见光才有波动性
√
ABC [弹子球的波长相对太小，所以检测其波动性几乎不可能，A正确；无线电波波长较长，所以通常表现为波动性，B正确；电子波长与金属晶体尺度差不多，所以能利用金属晶体观察电子的波动性，C正确；由物质波理论知，D错误．]
√
√
1
2
3
4
5
5．一个电子(初动能视作零)经200 V电压加速，已知电子的质量为9.1×10-31 kg，计算这个运动电子的波长．原子大小的数量级为10-14～10-15m，当它在原子中或原子附近运动时，能否产生明显衍射现象？
[答案] 8.7×10-11 m 能产生明显衍射现象
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是德布罗意波并写出其公式？
2．1925年，美国工程师戴维森在实验中发现了什么现象？证明了什么？
提示：电子的衍射现象．证明了德布罗意波假说．
3．什么是不确定性关系？并写出其表达式？
