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第2課時(shí)　康普頓效應(yīng)　光的波粒二象性
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　
1.了解康普頓效應(yīng)及其意義，知道光子具有動量(重點(diǎn))。
2.了解光的波粒二象性。
一、康普頓效應(yīng)和光子的動量
1．光的散射：光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變。
2．康普頓效應(yīng)：在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長________λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
3．康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量，而且具有________。
4．光子的動量
(1)表達(dá)式：p＝。
(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量可能變小。因此，有些光子散射后波長________。
例1　物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變。下列說法正確的是(　　)
A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大
B．康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外還具有動量
C．X光散射后與散射前相比，速度變小
D．散射后的光子雖然改變原來的運(yùn)動方向，但頻率保持不變
例2　(2022·徐州市高二期中)發(fā)光功率為P的激光器發(fā)出波長為λ的激光，真空中光速為c，普朗克常量為h，假設(shè)某一光子與靜止的電子發(fā)生正碰(　　)
A．與電子碰撞后，光子的波長不變
B．與電子碰撞后，光子的波長變短
C．激光器發(fā)出光子的動量為
D．激光器每秒鐘發(fā)出光子的數(shù)量為
例3　科學(xué)研究證明，光子既有能量也有動量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中(　　)
A．能量守恒，動量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，動量守恒，且λ<λ′
D．能量守恒，動量守恒，且λ>λ′
二、光的波粒二象性
為了對光的本性做進(jìn)一步的考察與分析，物理學(xué)家把屏換成感光底片，在不斷變化光強(qiáng)的情況下，用短時(shí)間曝光的方法進(jìn)行了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(如圖所示)。
不同光強(qiáng)下光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光很弱時(shí)，感光底片上的圖像與我們通常觀察到光的雙縫干涉的圖像相差很遠(yuǎn)，如圖(a)；增強(qiáng)光的強(qiáng)度，光的雙縫干涉的圖像變得清晰起來，如圖(b)；當(dāng)光較強(qiáng)時(shí)，得到的圖像與我們通常觀察到的光的雙縫干涉圖像一樣，如圖(c)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么？
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1．光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，________效應(yīng)和________效應(yīng)說明光具有粒子性。
2．光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝________________________________________。
3．光子既有粒子性，又有波動性，即光具有________二象性。
例4　關(guān)于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是(　　)
A．光子說的確立完全否定了波動說
B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同
C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
D．光電效應(yīng)說明光具有粒子性，康普頓效應(yīng)說明光具有波動性
例5　下列關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是(　　)
A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出波動性
B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)化成粒子
C．高頻光是粒子，低頻光是波
D．波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著
第2課時(shí)　康普頓效應(yīng)　光的波粒二象性
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解康普頓效應(yīng)及其意義，知道光子具有動量(重點(diǎn))。2.了解光的波粒二象性。
一、康普頓效應(yīng)和光子的動量
1．光的散射：光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變。
2．康普頓效應(yīng)：在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
3．康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量，而且具有動量。
4．光子的動量
(1)表達(dá)式：p＝。
(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量可能變小。因此，有些光子散射后波長變大。
例1　物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，用X光對靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動方向也會發(fā)生相應(yīng)的改變。下列說法正確的是(　　)
A．當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大
B．康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外還具有動量
C．X光散射后與散射前相比，速度變小
D．散射后的光子雖然改變原來的運(yùn)動方向，但頻率保持不變
答案　B
解析　在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動量轉(zhuǎn)移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據(jù)p＝，知光子頻率減小，康普頓效應(yīng)說明光不但具有能量，而且具有動量，故A、C、D錯誤，B正確。
例2　(2022·徐州市高二期中)發(fā)光功率為P的激光器發(fā)出波長為λ的激光，真空中光速為c，普朗克常量為h，假設(shè)某一光子與靜止的電子發(fā)生正碰(　　)
A．與電子碰撞后，光子的波長不變
B．與電子碰撞后，光子的波長變短
C．激光器發(fā)出光子的動量為
D．激光器每秒鐘發(fā)出光子的數(shù)量為
答案　D
解析　光子與電子碰撞后，電子能量增加，故光子能量減小，根據(jù)E＝hν，可知光子的頻率減小，結(jié)合公式c＝λν，可知光子的波長會變長，故A、B錯誤；根據(jù)激光器發(fā)出波長為λ的激光，可知激光器發(fā)出光子的動量為p＝，故C錯誤；激光器發(fā)出波長為λ的激光的光子能量為E＝hν＝，根據(jù)Pt＝nE，可得激光器每秒鐘發(fā)出光子的數(shù)量為n＝，故D正確。
例3　科學(xué)研究證明，光子既有能量也有動量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中(　　)
A．能量守恒，動量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，動量守恒，且λ<λ′
D．能量守恒，動量守恒，且λ>λ′
答案　C
解析　能量守恒定律和動量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，既適用于宏觀世界，也適用于微觀世界。光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒定律，光子與電子碰撞前光子的動量p＝，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些動量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的動量p′＝，又由p＞p′，可知λ<λ′，故選C。
二、光的波粒二象性
為了對光的本性做進(jìn)一步的考察與分析，物理學(xué)家把屏換成感光底片，在不斷變化光強(qiáng)的情況下，用短時(shí)間曝光的方法進(jìn)行了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(如圖所示)。
不同光強(qiáng)下光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果
光很弱時(shí)，感光底片上的圖像與我們通常觀察到光的雙縫干涉的圖像相差很遠(yuǎn)，如圖(a)；增強(qiáng)光的強(qiáng)度，光的雙縫干涉的圖像變得清晰起來，如圖(b)；當(dāng)光較強(qiáng)時(shí)，得到的圖像與我們通常觀察到的光的雙縫干涉圖像一樣，如圖(c)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了什么？
答案　當(dāng)光很弱時(shí)，光是作為一個(gè)個(gè)粒子落在感光底片上的，顯示出了光的粒子性；當(dāng)光很強(qiáng)時(shí)，光與感光底片量子化的作用積累起來形成明暗相間的條紋，顯示出了光的波動性。
1．光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。
2．光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝。
3．光子既有粒子性，又有波動性，即光具有波粒二象性。
例4　關(guān)于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是(　　)
A．光子說的確立完全否定了波動說
B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同
C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
D．光電效應(yīng)說明光具有粒子性，康普頓效應(yīng)說明光具有波動性
答案　C
解析　光子說的確立，沒有完全否定波動說，使人們對光的本質(zhì)認(rèn)識更完善，光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A錯誤；光的波粒二象性，與宏觀概念中的波相同，與微觀概念中的粒子不相同，故B錯誤；波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故C正確；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都說明光具有粒子性，故D錯誤。
例5　下列關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是(　　)
A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出波動性
B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)化成粒子
C．高頻光是粒子，低頻光是波
D．波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著
答案　D
解析　光同時(shí)具有波的性質(zhì)和粒子的性質(zhì)，大量光子往往表現(xiàn)出波動性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)為粒子性，即波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著，故D正確，A、B錯誤；波長越大，頻率越小，波動性越明顯，而不是說其是波，故C錯誤。

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