2.4 光的波粒二象性 学案（粤教版选修3-5）

2.4 光的波粒二象性 学案
【学习目标】
（1）知道光既具有波动性又有粒子性。
（2）了解光是一种概率波。
【学习重点】
量子化、二象性、概率波等概念
【知识要点】
1、光的波粒二象性
（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。21世纪教育网
（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。
2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。
＝
3、概率波
分析图片：

结论：
（1）左侧图片清晰的显示了光的粒子性．
（2）光子落在某些条形区域内的可能性较大（对于波的干涉即为干涉加强区），说明光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释．
得出：光波是一种概率波，概率表征某一事物出现的可能性．21世纪教育网
生活中，涉及概率统计的事件很多，例如：在研究分子热运动时，研究单个分子的运动是毫无意义的，需要研究的是大量分子整体表现出来的规律，这叫做统计规律．
【问题探究】
问题1.谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？只是因为他大胆吗？
（法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。）
问题2.怎样理解光的波粒二象性？
解答：大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示出粒子性，频率越低（波长越长），光的波动性就越明显；频率越高（波长越短），粒子性就越显著。
利用爱因斯坦对光电效应的解释可理解光的粒子性，通过把暴光量很大的胶片同某种波的双缝干涉图样比较，可理解光是一种概率波，光子说并未否定光的波动性，光的波粒二象性是光的客观属性，但它不同于牛顿定律中所说的微观和宏观现象的波。21世纪教育网
【典型例题】
例1、光的_________和___________现象说明光具有波动性，__________现象说明光具有粒子性．我们无法只用其中一种观点说明光的一切行为，因而认为光具有__________性．
答案：干涉，衍射，光电效应，波粒二象
例2、根据光与水波的类比，试解释在浅海滩边，不论海中波浪向什么方向传播，当到达岸边时为什么总是沿着大约垂直于岸的方向传来？提示：波在浅水中传播时，水越浅，波速越小．
分析：因为光从光疏介质向光密介质传播时，光的传播速度减小，折射角小于入射角，折射线向法线靠拢．如果光在折射率逐渐递增的连续介质中传播，可以设想把连续介质分成许多薄层，光从折射率较小的薄层逐渐进入折射率较大的薄层时，折射线会越来越向法线靠拢，最终趋向于接近法线的方向．
从深处向海滩边传播的水波，波速也逐渐减小，根据与光的类比，仿佛进入折射率逐渐增大的介质，所以它的传播方向跟垂直海岸的方向线之间的夹角也逐渐减小，最终必将沿着大约垂直海岸的方向传来，并且，这个结果与海浪向什么方向传播无关．[来源:21世纪教育网]
水波与光波的类比可用图表示．
讨论：惠更斯通过光波与水波等类比提出光的波动说时，由于当时还无法深刻认识到光的本性，从类比得一个错误的结论，认为光跟声波一样是纵波．这样，也就无法用波动说解释横波所特有的偏振等光现象．因此，在当年关于光的本性的论战中显得被动，再加上牛顿在科学界的崇高威望，很长一段时期中微粒说处于主导地位．
例3、光既具有波动性，又具有粒子性。大量光子表现出的_________强，少量光子表现出的________强；频率高的光子表现出的_________强，频率低的光子表现出的_________强．
答案：波动性，粒子性，粒子性，波动性
【规律总结】
光既表现出波动性，又表现出粒子性，由于微观世界的某些属性与宏观世界不同，而我们的经验仅局限于宏观物体的运动．在生活中找不到一个既具有粒子性、又具有波动性的物理模型帮助我们研究光子的规律．
随着人类认识的范围不断扩大，不可能直接感知的事物出现在我们的眼前，需要我们建立新的模型，提出新的理论来进行研究，对于一种模型，只要能与实验结果一致，它就能在一定范围内表示所研究对象的规律．
【当堂反馈】
1、在经典物理学的概念中，粒子的运动在任意时刻有确定的_______________、_______________和_______________，波在空间中传播有固定的_______________和_______________，表示波具有空间上的周期性。
2、在弱光的干涉实验中，控制光的强度，使前一个光子到达屏幕后才发出第二个光子，从而排除光子之间相互作用的可能性。在这种情况下，如果时间较短，则在光屏上出现的是__________________________，若经过比较长的时间，则在屏上可以看到__________________。这说明光子到达亮条纹处的_____________较大，到达暗条纹处的_____________较小，所以我们可以说光是一种_____________波。21世纪教育网
3、用电子做双缝干涉实验时，少量电子在屏上看不到分布规律，体现了电子的_____________性，但大量电子通过双缝时，在屏上就得到了清晰的干涉条纹，体现了电子的_____________性。
4、电子、质子等实物粒子和光子一样，具有波动性，这种波动性就是粒子本身在空间某处出现的_____________大小问题；但光子又不同于其他实物粒子，光子在真空中的__________________是其他粒子永远达不到的。21世纪教育网
5、在双缝干涉实验中，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的某处，则该处可能 ( )21世纪教育网
A．出现亮条纹 B．出现暗条纹
C．可能出现亮条纹，可能出现暗条纹 D．出现明暗相间的条纹
6、下列各种波是概率波的是 ( )
A．声波 B．无线电波 C．光波 D．物质波
7、在做双缝干涉实验时，在观察屏的某处是亮纹，则对光子到达观察屏的位置，下列说法正确的是 ( )21世纪教育网
A．到达亮条纹处的概率比到达暗条纹处的概率大 B．到达暗条纹处的概率比到达亮条纹处的概率大
C．该光子可能到达观察屏的任意位置 D．以上说法均不可能
8、有关经典物理中的粒子，下列说法正确的是( )
A．有一定的大小，但没有一定的质量
B．有一定的质量，但没有一定的大小
C．既一定的大小，也有一定的质量
D．有的粒子还有一定量的电荷
9、关于经典波的特征，下列说法正确的是( )
A．具有一定的频率，但没有固定的波长
B．具有一定的波长，但没有固定的频率
C．既有一定的频率，也有固定的波长21世纪教育网
D．还具有周期性
10、在单缝衍射实验中，中央亮条纹的光强占入射光光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，则该光子( )
A．一定落在中央亮条纹上 B．一定落在亮条纹处 21世纪教育网
C．可能落在暗条纹处 D．落在中央亮条纹处的可能性最大
11、试根据相关实验解释为什么光是一种概率波？
12、利用学过的知识解释实验室中电子云的形成原因和特点。
【参考答案】
1、轨道，位置，速度，频率，波长 2、无规则分布的曝光点，明显的干涉条纹，概率，概率，概率 3、粒子，波动 4、概率，传播速度
5、ACD 6、A 7、CD 8、AC 9、CD 10、CD
11、在弱光的干涉实验中，控制光的强度，使前一个光子到达屏幕后才发出第二个光子，从而排除光子之间相互作用的可能性。在这种情况下，如果时间较短，则在光屏上出现的是无规则分布的曝光点，若经过比较长的时间，则在屏上可以看到明显的干涉条纹。这说明光子到达亮条纹处的概率较大，到达暗条纹处的概率较小，所以我们可以说光是一种概率波。
12、特点：把电子在原子核外各区域出现的概率分布用图像表示，以不同的浓淡程度表示出现的概率大小，像电子在原子核周围形成的云雾。原因：在距离原子核很远处的电子出现的概率几乎为零，而有些非常靠近原子核的电子出现的概率也几乎为零。
【反思】
收获
疑问