資源簡介

(共30張PPT)
第四章 波粒二象性
粵教版選擇性必修三
第三節 光的波粒二象性
新課導入
光的本質是什么？
Part 01
光的本性之爭
第一次波粒之爭
光在水里的速度比在空氣大
光在水里的速度比在空氣小
粒子說
粒子說
波動說
光是沿直線傳播的，應該是微粒，因為波會彌散在空間中，不會聚成一條直線。
如果光是一種微粒，那么光在交叉時就會因發生碰撞而改變方向，可人們并沒有觀察到這種現象。
第二次波粒之爭
水波的干涉
200年前，那時人們已經發現，如果有兩列水波相遇到一塊，水波就會疊加到一起。有的地方水面震動劇烈，有的地方水面很平靜，這叫做波的干涉。
干涉現象是波動獨有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現象
第二次波粒之爭
托馬斯楊 ：雙縫干涉實驗
單縫
雙縫
S1
S
S2
屏
楊氏雙縫干涉實驗證明了光是一種波
1801年，英國物理學家托馬斯·楊在實驗室里成功的觀察到光的干涉
第二次波粒之爭
泊松亮斑(圓盤衍射)
菲涅爾圓孔衍射
法國科學院舉辦了一場征文比賽，希望有人能用微粒說來解釋光。
波動說
光遇到障礙物之后，會像水波一樣繞過障礙物，衍射也是波的特點。
菲涅爾
泊松
微粒說
第二次波粒之爭
麥克斯韋：光就是電場和磁場組成的波叫做電磁波，
電磁波可以在真空中傳播。
波動說
光具有波動性
1888年，德國物理學家赫茲通過實驗發現了電磁波。
第三次波粒研究
光電效應實驗
一、光電效應的實驗規律
1.存在截止頻率；
2.具有瞬時性；
3.存在飽和電流；
4.存在遏止電壓，與入射光頻率有關。
19 世界 80 年代，人們發現某些金屬在光的照射下會帶電
第三次波粒研究
疑難一：截止電壓由入射光頻率決定，與光的強弱無關；
疑難二：存在截止頻率；
疑難三：具有瞬時性。
經典電磁理論解釋的困難
愛因斯坦光子說：光的能量不是連續的，
而是是一份一份的，每份為一個光子，
光子能量 .
光具有粒子性
光子假說很好地解釋了光電效應的各種現象
第三次波粒研究
光具有粒子性
實驗解釋：
光子與電子發生碰撞過程，光子動量減少，波長變長，頻率變小
速度仍為光速，運動質量減小
光電效應和康普頓效應讓光的微粒說以一種新的形式呈現于世人面前。
康普頓效應
美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現一部分散射出來的X射線波長變長
X射線
電子
反沖電子
散射射線
第三次波粒研究
問題：光到底是粒子還是波呢？
光是一種電磁波：光的衍射和干涉實驗
光是一種 粒子 ：光電效應和康普頓效應
第三次波粒研究
出現干涉條紋是光波動性的表現，但并不能完全排除光具有粒子性的可能。
把從光源發出的光看成由大量光子組成，部分光子經過縫S1,部分光子經過縫S2，然后兩部分光子相互作用也可能形成干涉條紋。
為排除這種可能，我們將光源的強度降低，直到入射光減弱到每次只有一個光子經過狹縫，當前一個光子已經消失在感光片上，后一個光子才從光源發出。
1. 體現出光具有粒子性。
2. 體現出光具有波動性。
光子主要落在感光片的亮紋處
感光片上呈現雜亂分布的幾個亮點
短時間曝光
稍長時間曝光
長時間曝光
實驗結論：
由于每次穿過狹縫的只有一個光子，它不可能跟其他光子產生干涉，但光的干涉還是發生了。可見，波動性也是光子的屬性。光既有粒子性，又有波動性，人們把這種性質稱為光的波粒二象性。
Part 02
光的波粒二象性
干涉
衍射
表明光是一種波
表明光是一種粒子
光電效應
康普頓散射
光的波粒二象性：光既有粒子性，又有波動性
光的波粒二象性：光既有粒子性，又有波動性
光的粒子性:
1.與物質發生作用時,表現出粒子的性質
2.少量或個別光子容易顯示出粒子性
3.頻率較大時,波長較小，易顯示粒子性
光的粒子性和波動性是統一的，并不是獨立存在的。
正確理解波粒二象性
光的波動性:
1.在傳播時,表現出波的性質
2.大量光子容易顯示出波動性
3.頻率較小時,波長較大，易顯示波動性
光的粒子性和波動性是在不同條件下的表現
光子波動性和粒子性的聯系
普朗克常量 h 是聯系光子粒子性和波動性的橋梁
例1：下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子與電子是同樣的一種粒子
C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著
D．大量光子的行為往往顯示出粒子性
C
課堂練習
解析：
一切光都具有波粒二象性，光的有些現象(如干涉、衍射)表現出波動性，光的有些現象(如光電效應、康普頓效應)表現出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子，A錯誤；
電子是實物粒子，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯誤；
光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確；大量光子的行為往往顯示出波動性，D錯誤。
例2：(多選)關于光的本性，下列說法中正確的是 （ ）
A．光電效應反映光的粒子性
B．光子的能量由光的強度所決定
C．光子的能量與光的頻率成正比
D．光在空間傳播時，是不連續的，是一份一份的，每一份光叫做一個光子
ACD
課堂練習
例3：(多選)下列實驗中，能證明光具有粒子性的是( )
A．光電效應實驗
B．光的雙縫干涉實驗
C．光的圓孔衍射實驗
D．康普頓效應實驗
AD
課堂練習
【例4】美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發生相應的改變。下列說法正確的是（ ）
A.當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大
B.康普頓效應揭示了光的粒子性，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動方向，但頻率保持不變
B
課堂練習
光子動量減小，波長變長，頻率變小
光子動量減小，但速度仍為光速，運動質量減小
概率: 表征某一事物出現的可能性．
伽爾頓板實驗 ——
表明單個小球下落的位置是不確定的，但是它落在中間狹槽的可能性要大一些，即小球落在中間的概率較大．
單光子雙縫干涉實驗 ——
表明單個光子落在感光片的位置是不確定的，但是它落在亮紋的可能性要大一些，即光子打在亮紋的概率較大．
每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點上。概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋。所以，干涉條紋是光子落在感光片上各點的概率分布的反映。
因此，物理學中把光波看成是一種概率波。
概率波
短時間曝光
稍長時間曝光
長時間曝光
例1：(多選)在光的單縫衍射實驗中，在光屏上放上照相底片，并設法控制光的強度，盡可能使光子一個一個地通過狹縫，假設光子出現在中央亮紋的概率為90%，下列說法正確的是( )
A．第一個光子一定出現在中央亮紋上
B．第一個光子可能不出現在中央亮紋上
C．如果前9個光子均出現在中央亮紋上，則第10個光子還有可能出現在中央亮紋上
D．如果前9個光子均出現在中央亮紋上，則第10個光子一定不能出現在中央亮紋上
BC
課堂練習
例2：下列關于光的波粒二象性的說法正確的是(　　)
A．一束傳播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波與機械波是同種波
C．光的波動性是由光子間的相互作用而形成的
D．光是一種波，同時也是一種粒子，光子說并未否定電磁說，在光子能量 ε＝hν 中，仍表現出波的特性
D
課堂練習
光波是一種概率波，對大量光子才有意義；
光波不是機械波，具有波粒二象性，是一種能量。
機械波是指通過介質傳播的能量，在傳播過程中介質的顆粒發生振動;
而光波則是電磁波的一種，是由電場和磁場交替產生的波動現象。
課堂小結
牛頓光的微粒說
光是實物粒子
惠更斯和托馬斯楊的光的波動說
光是振動形式在媒質的傳播——波
到麥克斯韋的光的電磁理論
光是電磁波
愛因斯坦的光子理論
光是能量子即光子
光具有波粒二象性，光是概率波
人們對光的本性的探究歷程
光學發展史
T/年
波動性
粒子性
1690
惠更斯
波動說
1672
牛頓
微粒說
1905
愛因斯坦光子說
1864
麥克斯韋電磁說
1801
托馬斯·楊雙縫干涉實驗
1814
菲涅耳衍射實驗
1888
赫茲電磁波實驗
赫茲發現光電效應
1916
密立根光電效應實驗
1922
康普頓效應
牛頓微粒說占主導地位
波動說漸成真理
1909
愛因斯坦光的波粒二象性

展開更多......

收起↑