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第3节光的波粒二象性第4节实物粒子的波粒二象性第5节不确定关系学习目标素养提炼1.知道光具有波粒二象性，区分光的波动性和粒子性．2.知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性．3.掌握λ＝hp的含义及应用．4.了解经典粒子和波的模型及概率波的内容．5.初步了解不确定关系的内容.4个概念——光的波粒二象性、粒子的波动性、物质波、不确定关系01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、康普顿效应1．光的散射光在介质中与相互作用，因而传播方向，这种现象叫作光的散射．2．康普顿效应美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．物质微粒发生改变大于3．康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的的一面．4．光子的动量(1)表达式：p＝hλ.(2)说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分能量与动量转移给电子，光子的能量与动量相应变小．因此，有些光子散射后波长变大．粒子性[思考]太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？提示：在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播．二、光的波粒二象性1．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，效应和效应说明光具有粒子性．2．光子的能量ε＝，光子的动量p＝hλ.3．光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有二象性．光电康普顿hν波粒[思考]有一位记者曾向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子．”能看出光的本性到底是什么吗？提示：光既有粒子性又有波动性，即光具有波粒二象性．三、光是一种概率波在双缝干涉实验中，屏上亮纹的地方，是光子到达概率的地方，暗纹的地方是光子到达概率的地方．所以光波是一种波．即光波在某处的强度代表着光子在该处出现.大小概率概率的大小四、实物粒子的波动性1．德布罗意波(1)定义：任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫，又叫.(2)德布罗意波的波长、频率的计算公式为λ＝，ν＝Eh.(3)我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波的波长太.物质波德布罗意波hp小2．电子波动性的实验验证(1)实验探究思路：、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生或衍射现象．(2)实验验证：1926年戴维孙观察到了电子衍射图样，证实了的波动性．(3)做电子束穿过多晶薄膜的衍射实验，也证实了的波动性．干涉干涉电子汤姆孙电子五、氢原子中的电子云1．定义：用点的多少表示的电子出现的分布．2．电子的分布：某一空间范围内电子出现概率的地方点多，电子出现概率的地方点少．电子云反映了原子核外的电子位置的不确定性，说明电子对应的波也是一种波．概率大小概率六、不确定关系1．定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的，在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫关系．2．表达式：Δx·Δpx≥h4π.其中以Δx表示粒子位置的不确定量，以Δpx表示粒子在x方向上的动量的不确定量，h是普朗克常量．3．不确定关系在微观世界与宏观世界中的不同作用在微观世界里，由于粒子的性比较显著，粒子的不确定关系表现比较明显，但在宏观世界里，由于其德布罗意波的波长非常小，宏观粒子的性根本无法察觉，所以宏观物体的不确定关系不需要考虑．不确定波动波动[判断辨析](1)一切宏观物体都伴随一种波，即德布罗意波．()(2)湖面上的水波就是德布罗意波．()(3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．()(4)微观粒子的动量和位置不可同时确定．()(5)微观粒子同时具有确定的位置和动量在将来可以用实验验证．()(6)不确定关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体．()××√√×√要点一对康普顿效应的理解康普顿效应不仅有力地验证了光子理论，而且证实了微观领域的现象也严格遵循能量守恒和动量守恒定律．康普顿效应深刻揭示出光具有粒子性的一面．[典例1]康普顿效应证实了光子不仅具有能量，还是有动量．如图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿方向______运动，并且波长________(选填“不变”“变短”或“变长”)．[解析]因光子与电子的碰撞过程动量守恒，所以碰撞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，可见碰撞后光子运动的方向可能沿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，光子的能量减少，由ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．[答案]1变长要点二对光的波粒二象性的理解[探究导入]人类对光本性的认识过程中先后进行了一系列实验，比如：光的单缝衍射实验(图A)、光的双缝干涉实验(图B)、光电效应实验(图C)、光的薄膜干涉实验(图D)及康普顿效应实验等等．(1)在以上实验中哪些体现了光的波动性？哪些体现了光的粒子性？(2)光的波动性和光的粒子性是否矛盾？答案：(1)光的单缝衍射实验、光的双缝干涉实验、光的薄膜干涉实验体现了光的波动性．光电效应实验和康普顿效应实验体现了光的粒子性．(2)不矛盾．大量光子在传播过程中显示出波动性，比如干涉和衍射．当光与物质发生作用时，显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应．光具有波粒二象性．1．大量光子产生的效果显示出波动性；个别光子产生的效果显示出粒子性．2．光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是描述波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．3．频率低、波长长的光，波动性特征显著，而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．4．光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性．光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体．[典例2](多选)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．个别光子的行为往往显示为粒子性[思路点拨]解答本题时应把握以下三点：(1)光具有波粒二象性，电子是实物粒子．(2)光的波长越长，波动性越强；波长越短，粒子性越强．(3)个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性．[解析]一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子．虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样一种粒子．光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性．光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著．故选项C、D正确，A、B错误．[答案]CD要点三对概率波的理解1．单个粒子运动的偶然性：我们可以知道粒子落在某点的概率，但不能预言粒子落在什么位置，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不能确定的．2．大量粒子运动的必然性：由波动规律我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预测．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、实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒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．[典例3](多选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，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，底片上只出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就出现了规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，其中正确的是()A．曝光时间不长时，光子的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子B．单个光子的运动没有确定的轨道C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D．只有大量光子的行为才能表现出波动性[思路点拨]光是概率波，单个光子的运动具有偶然性，大量光子的运动具有必然性．[解析]光波是概率波，单个光子没有确定的轨道，其到达某点的概率受波动规律支配，少数光子落点不确定体现粒子性，大量光子的行为符合统计规律，受波动规律支配，才表现出波动性，出现干涉中的亮纹或暗纹，故A错误，B、D正确；干涉条纹中的亮纹处是光子到达机会多的地方，暗纹处是光子到达机会少的地方，但也有光子到达，故C正确．[答案]BCD要点四对物质波的理解[探究导入]1.如图是电子束通过铝箔后的衍射图样，结合图样及课本内容回答下列问题：(1)德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么？(2)电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？答案：(1)普朗克能量子假说和爱因斯坦光子理论．(2)电子束具有波动性．2．德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，可是我们观察运动着的汽车，并未感觉到它的波动性，你如何理解该问题？谈谈自己的认识．答案：波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测．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物质波的波长太小．2．物质波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不能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4](多选)关于物质波，下列认识中正确的是()A．任何运动的物体(质点)都对应着一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的D．宏观物体尽管可以看作物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象[解析]据德布罗意物质波理论知，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象并不能证实物质波理论的正确性，即B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置则呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项错误．[答案]AC1．(对康普顿效应的理解)(多选)关于康普顿效应，下列说法正确的是()A．康普顿在研究X射线散射时，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据B．X射线散射时，波长改变了多少与散射角有关C．发生散射时，波长较短的X射线或γ射线入射时，产生康普顿效应D．爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支持粒子说答案：BCD2．(对光的波粒二象性的认识)对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表示的是波的特性答案：D3．(对光的本性的认识)关于光的本性，下列说法中正确的是()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