高中物理粤教版选修3-5学案 第二章+第四节+光的波粒二象性+Word版含解析

第四节光的波粒二象性
1．光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性；光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，必须看成是一颗颗光子的形式出现的，具有粒子性。
2．在光的双缝干涉实验中，将光源S的强度降低，使前一个光子已经消失在感光片上，后一个入射光子才从光源出发。记录很短一段时间，即把感光片冲洗出来，在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。
然后换另一感光片记录光子，适当增加记录时间，我们会惊奇地发现，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。记录时间越长，干涉条纹越明显。干涉条纹再次显示出光的波动性。
3．双缝干涉中每次穿过双缝的只有一个光子，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，波动性是每一个光子的属性。光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子都无法完整地描述光的所有性质。
4．光既有波动性，又有粒子性，我们把光的这种性质叫作光的波粒二象性。
5．干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映。这种概率分布就好像波的强度的分布，称光波是一种概率波。
6．在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，其运动是不可控制的。但对大量光子而言，它们落在光屏上的位置又有规律性，即某些区域光子落点多，另一些区域光子落点少，落点多的区域就是亮条纹，落点少的区域就是暗条纹。
对光本性的研究
1.光本性学说的发展简史
学说名称
微粒说
波动说
电磁说
光子说
波粒二象性
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
2．对光的波粒二象性的理解
(1)光的波动性。
①实验基础：光的干涉和衍射现象。
②具体表现：
a：光经过狭缝后能产生干涉、衍射现象说明光具有波动性。
b：足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。
c：频率低、波长长的光，波动性特征显著。
(2)光的粒子性。
①实验基础：光电效应，康普顿效应。
②具体表现：
a：当光同物质发生作用时，作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性。
b：少量或个别光子易表现出光的粒子性。
c：频率高、波长短的光，粒子性特征显著。
(3)光的波动性、粒子性是统一的。
①光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本身属性，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行为。
(1)光子说并不否认光的电磁说：
①按光子说，光子的能量ε＝hν，其中ν表示光的频率，即表示了波的特征。
②从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到一致的结论。
(2)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产生的。
1．下列说法正确的是(　　)
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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性
解析：选C　光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其显示波动特性，因此A、D错，而C正确，光子不同于一般的物质粒子，它没有静止质量，是一个个的能量子，是光的能量的最小单位。
概　率　波
1.概率波的概念
干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映。这种概率分布就好像波的强度的分布，因此光波是一种概率波。
2．概率波的实质
概率波的实质是指粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的。
光子是以颗粒的形式到达感光屏幕上的，就像粒子一样；而这些颗粒到达的概率分布则像波的强度的分布。
3．对概率波的进一步理解
(1)单个光子运动的偶然性。
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，概率波将波动性和粒子性统一在一起。
干涉和衍射的亮条纹处是光子到达概率大的地方；暗条纹处是光子到达概率小的地方，暗条纹处也有光子到达，只是光子数特别少。
2．[多选]在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占整个从单缝射入的光强的95%以上，假设现在只有一个光子通过单缝，那么该光子(　　)
A．一定落在中央亮纹处
B．一定落在亮纹处
C．可能落在暗纹处
D．落在中央亮纹处的可能性最大
解析：选CD　根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达到95%以上。当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故C、D正确。
光的波粒二象性理解
[例1]　[多选]关于光本性的说法，下列说法正确的是(　　)
A．光的波粒二象性学说是由牛顿的微粒说与惠更斯的波动说组成的
B．光的波粒二象性表明光有时候具有波动性，有时候具有粒子性
C．光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量公式ε＝hν中，频率ν表示波的特征，ε表示粒子的特征
D．光波不同于宏观概念中的那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波
[解析]　现在提出光的波粒二象性学说与17世纪牛顿的微粒说和惠更斯的波动说不同，当时他们均把光当作宏观世界中的粒子或波，且这两种观点相互对立，而现在的光的波粒二象性学说是建立在麦克斯韦的光的电磁说和爱因斯坦的光子说的基础上，故A错。波动性和粒子性都是光的属性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，故B错。由光子说中提出的光子能量的计算公式ε＝hν可知，反映粒子的特征的ε与反映波动特征的ν相联系。进一步分析可知，当光子的能量比较小即频率ν较小，波长λ较大，波动性明显，粒子性不明显。反之，当光子的能量比较大，频率ν较大，波长λ较小，粒子性明显，波动性不明显，故C、D对。
[答案]　CD
(1)光的波动性不同于宏观观念的波，不能认为光子像一个个的小球在做机械振动，光的粒子性也不同于宏观观念的粒子。
(2)光子是统一了波粒二象性的粒子，只是在不同条件下的表现不同，具体规律为：
①大量光子易显示波动性，少量光子易显示粒子性。
②波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。
③传播时显示波动性，与其他物质作用时显示粒子性。
1．关于光的波粒二象性，错误的说法是(　　)
A．光的频率愈高，光子的能量愈大，粒子性愈显著
B．光的波长愈长，光子的能量愈小，波动性愈明显
C．频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性
D．个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性
解析：选C　光具有波粒二象性，频率高的波长短、能量高、粒子性强；频率低的波长长、能量小、波动性强。对大量光子的行为表现为波动性，个别光子的行为表现为粒子性，故A、B、D正确。
对概率波的理解
[例2]　用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)
A．光只有粒子性没有波动性
B．光只有波动性没有粒子性
C．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性
D．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性
[解析]　由这些照片可以看出，少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动呈现出波动性，故D正确。
[答案]　D
光子(粒子)在空间各处出现的概率受波动规律支配，单个电子(粒子)的运动具有偶然性，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不确定的，而大量粒子的运动具有必然性，符合统计规律，我们可以对宏观现象进行预言。
2．在双缝干涉实验中，在光屏上放上照相底片，并设法减弱光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，则说法错误的是(　　)
A．若曝光时间短，底片上出现一些无规则的点
B．若曝光时间长，底片上出现一些干涉条纹
C．这一结果表明光具有波动性
D．这一结果表明光具有波粒二象性
解析：选C　实验表明：个别光子的行为无法预测，表现出粒子性；大量光子的行为表现出波动性。在干涉条纹中，光波强度大的地方，即光子出现概率大的地方；光波强度小的地方，是光子到达机会少的地方，即光子出现概率少的地方。
一、选择题(第1～5题为单选题，第6～8题为多选题)
1．有关光的本性，下列说法正确的是(　　)
A．光既有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的
B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点
C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性
D．由于光既有波动性，又有粒子性，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
解析：选D　光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子，波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。
2．人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是(　　)
A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的
B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性
C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波
D．光具有波粒二象性
解析：选A　牛顿的“微粒说”认为光是一群弹性粒子与爱因斯坦的“光子说”本质不同，光的干涉实验显示了光的波动性，故A错，B、C、D对。
3．为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成感光胶片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是(　　)
A．曝光时间很短的照片可清楚地看出光的粒子性，曝光时间长的照片，大量亮点聚集起来看起来是连续的，说明大量光子不具有粒子性
B．单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子打在胶片上的位置表现出波动规律
C．单个光子通过双缝后做匀速直线运动
D．干涉条纹的亮条纹处光子到达的概率大，暗条纹处光子不能到达
解析：选B　根据光的波粒二象性，大量光子的行为表现出波动性，但波动性并不否定光的粒子性，只不过粒子性没有明确显现而已。单个光子显示了光的粒子性，落点无法预测，大量光子表现出波动性。光子通过双缝后遵从概率波的规律，并不做匀速运动。暗条纹处只是光子到达的概率很小，故A、C、D错误，B对。
4．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处可能是(　　)
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
解析：选A　按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b点，故b处一定是亮纹，A正确。
5．如图是一个光源。在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，光子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光。那么在荧光屏上将看
到(　　)
A．只有两条亮纹
B．有多条明暗相间的条纹
C．没有亮纹
D．只有一条亮纹
解析：选B　光子运动到达荧光屏上的某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在荧光屏上将看到干涉条纹，所以B正确。
6．下面关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　)
A．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性
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
解析：选ABC　光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比较明显，个别光子的粒子性比较明显，故A正确；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，故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，故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，故D错误。
7．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子，比较不同曝光时间摄得的照片，发现曝光时间不长的情况下，照片上是一些散乱的无规则分布的亮点，若曝光时间较长，照片上亮点分布区域呈现出不均匀迹象；若曝光时间足够长，照片上获得清晰的双缝干涉条纹，这个实验说明了(　　)
A．光具有粒子性
B．光具有波动性
C．光既具有粒子性，又具有波动性
D．光的波动性不是光子之间的相互作用引起的
解析：选CD　少量光子通过双缝后照片上呈现不规则分布亮点，显示了光的粒子性，大量光子通过双缝后照片上获得了双缝干涉条纹，说明光具有波动性；光子先后通过双缝，说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。
8．(全国卷Ⅱ)实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是(　　)
A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B．β射线(高速电子流)在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
E．光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关
解析：选ACD　电子束具有波动性，通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，选项A正确。β射线在云室中高速运动时，径迹又细又直，表现出粒子性，选项B错误。人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，体现出波动性，选项C正确。电子显微镜是利用电子束工作的，体现了波动性，选项D正确。光电效应实验，体现的是波的粒子性，选项E错误。
二、非选择题
9．我们能感知光现象，是因为我们接收到了一定能量的光。
(1)一个频率是106 Hz的无线电波的光子的能量是多大？
(2)一个频率为6×1014 Hz的绿色光子和1018 Hz的γ光子的能量各是多大？
(3)请结合以上光子能量的大小，从概率波的角度说明：为什么低频电磁波的波动性显著而高频电磁波的粒子性显著。
解析：(1)由公式ε＝hν得：
ε1＝hν1＝6.63×10－34×106 J＝6.63×10－28 J
(2)ε2＝hν2＝6.63×10－34×6×1014 J＝3.98×10－19 J
ε3＝hν3＝6.63×10－34×1018 J＝6.63×10－16 J
(3)低频电磁波的光子能量小、波长长，容易观察到干涉和衍射现象，波动性显著，在衍射的亮纹处表示到达的光子数多、概率大，而在暗纹处表示到达的光子数少、概率小。相比之下，高频电磁波光子能量大、波长极短，很难找到其发生明显衍射的狭缝或障碍物，因而波动性不容易观察到，粒子性显著。
答案：(1)6.63×10－28 J　(2)3.98×10－19 J
6．63×10－16 J　(3)见解析