1、第 3 课时波粒二象性基础知识归纳1.光的本性学说的发展史(1)牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流，它能解释光的直进、光的反射现象，不能解释光的干涉、衍射现象.(2)惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向四周传播，它能解释光的干涉、衍射现象，不能解释光电效应、光的直进.(3)麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波，实验依据是电火花实验，证明了光与电磁波在真空中传播速度相等，且都为横波，能够解释光在真空中的传播、光的干涉、衍射，不能解释光电效应.(4)爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫做光子，其能量与频率成正比，即Eh，能够解释光电效应、光的直进、光的反射，不能解释光的干涉、衍
2、射.(5)德布罗意的波粒二象性：认为光既有粒子性，又有波动性，个别光子表现粒子性，大量光子表现波动性；光子频率大的粒子性明显，频率小的波动性明显.能够解释所有光现象.2.光的电磁说(1)内容：光的本质是电磁波.(2)意义：光的电磁说说明了光的电磁本质，使人们认识到光波与机械波的本质不同，把光学和电磁学统一起来.(3)依据：光和电磁波的传播都不需要介质；光和电磁波在真空中的传播速度相同，即c3108 m/s.3.光电效应(1)现象：在光的照射下，物体发射电子的现象，叫做光电效应.(2)光电效应的规律：任何一种金属都有发生光电效应的极限频率，入射光的频率必须大于这个频率才能产生光电效应；光电子的最
3、大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大；光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过109 s；当入射光的频率大于金属极限频率时，光电流强度与入射光的强度成正比.(3)光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子的能量与其频率成正比，即Eh.(4)光电效应方程：逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，即Wh0；光电效应方程：Ek hW.4.康普顿效应(1)康普顿效应：即当射线或X射线打在物质上，与物质中原子的核外电子发生相互作用，作用后产生散射光子和反冲电子的效应；其作用过程为：当入射X ()光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并
4、改变运动方向(散射光子)，电子获得能量而脱离原子(反冲电子)，此种作用过程称为康普顿效应.其结果是：产生了次级电子，反冲电子继而将发生电子与物质的相互作用.(2)意义：康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要物理实验之一.爱因斯坦光子理论圆满解释了光电效应的实验规律，而康普顿对康普顿效应进行了成功的解释，使光量子说得到了实验的证明，更有力地证明了爱因斯坦光子理论的正确性.(3)康普顿效应的解释：经典解释(电磁波的解释)：单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波.经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能做出合理解释；光子理论的解释：光子不仅有
5、能量h，而且有动量h/；模型：X射线光子与静止的自由电子发生弹性碰撞；在碰撞过程中能量、动量守恒.(4)康普顿效应进一步证实了光的粒子性.5.概率波在双缝干涉图样中，不能肯定某个光子落在哪一点，即光子落在各点的概率是不一样的.但光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小.光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定，所以光波是一种概率波.6.光的波粒二象性(1)光既具有波动性，又有粒子性；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)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量.与其他物质相互作用时，粒子性起主导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的多少(概
6、率)，由波动性起主导作用.(3)对不同频率的光，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.7.不确定关系式，其中x表示粒子位置的不确定量，p表示粒子在x方向上的动量的不确定量.不确定关系式表明：(1)微观粒子的坐标测得愈准确(x0)，动量就愈不准确(p)；(2)微观粒子的动量测得愈准确(p0)，坐标就愈不准确(x).但这里要注意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准.重点难点突破一、光电效应“光电效应”是光的粒子性的一个重要体现，也是光的本性中一个高考热点
7、，因此在复习过程中：1.要澄清一些易混淆的概念，如“光子”、“光电子”、“光子的能量”与“光电子的最大初动能”等，这对理解光电效应的规律具有重要意义.(1)“光子”与“光电子”光子是指光在空间传播时的每一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中的一种粒子；而光电子是金属表面受到光照时发射出来的电子，因此其本质就是电子.(2)“光子的能量”与“入射光的强度”光子的能量是一份一份的，每一份的能量为Eh，其大小由光的频率决定；而入射光的强度是指单位时间内入射光中包含光子数的多少，入射光的强度可表示为Pnh，其中n为单位时间内的光子数.(3)“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”光照射到
8、金属表面时，电子吸收光子的能量，就可能向各个方向运动，运动过程中要克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分能量转化为光电子的初动能.所以金属表面的电子，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能，其值为EkmhW(式中W为金属的逸出功).而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能EkEkm.一个电子吸收一个光子的能量后，动量立即增大，不需要积累能量的过程.2.掌握两条线索、明确各概念间的对应关系由上图可知，这两条线索：一是光的频率线，二是光的强度线.这两条对应关系线就是：光强光子数目多发射光电子多光电流强度大；光子
9、频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大.二、对光的波粒二象性的理解1.光的干涉、衍射现象和光的电磁说，表明了光不可怀疑地具有波动性；光电效应和光子说，却说明了光的波动性理论有一定的局限性，光还具有粒子性.光的一切行为只有光具有波粒二象性才能说明，所以我们认为光具有波粒二象性.2.光子说并没有否定光的电磁说，光子的能量Eh，其中频率仍是波的特征，我们不可以把光当成宏观概念中的波，也不可把光子当成宏观概念中的粒子，对于宏观物体来说，波粒二象性不可想象但在微观世界却是存在的.3.要认识到不仅光具有波粒二象性，一切微观粒子都具有波粒二象性，所以波粒二象性是微观世界具有的特性.随着研究对象的不同，我们
10、的观念、方法也要改变，宏观现象和微观现象的研究方法、理解方式是不相同的.4.对光的波粒二象性简短的总结：(1)光波有一定的频率和波长，光子有一定的能量(Eh)和动量(ph/)，是个矛盾对立的统一体，彼此含有对方的成分，共存于光的统一体中.Eh，p.事实上，不仅光具有波粒二象性，一切运动的物体都具有波粒二象性，其波长 (德布罗意波长).宏观物体的德布罗意波长非常小，很难观察到它们的波动性.(2)只有一个差异：在一定条件下波动性显著，在另一条件下粒子性显著，即我们观察到这对矛盾的主要方面.具体地说就是：光在传播过程中波动性显著，光在与物质作用时粒子性表现显著；大量光子产生的效果显示出波动性，个别光
11、子产生的效果则显示出粒子性.频率越低的光，波动性越显著；频率越高的光，粒子性越显著.典例精析1.对光的波粒二象性的正确理解【例1】关于光的波粒二象性，下列说法正确的是()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.光在传播时往往表现出波动性，光跟物质相互作用时往往表现出粒子性C.频率高的光波动性显著，频率低的光粒子性显著D.光既有波动性又有粒子性，说明光既是波又是粒子【解析】光在一定条件下波动性显著，在另一条件下的粒子性显著.大量光子的产生的效果显示波动性，个别光子产生的效果则显示出粒子性，A对，B对.频率高的光波长短，波动性不明显，C错.不能将光的波粒二象性
12、理解成光既是波又是粒子，它既不同于宏观概念中的波，也不同于宏观概念的粒子，D错.【答案】AB【思维提升】波动性和粒子性在宏观领域看起来是相互对立的，但在微观领域，一切微观粒子都具有波粒二象性.【拓展1】如图所示，与锌板相连的验电器的铝箔原来是张开的，现在让弧光灯发出的光经一狭缝后照射到锌板，发现在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器的铝箔张角变大，以上实验事实说明( A )A. 光具有波粒二象性B. 验电器的铝箔原来带负电C. 锌板上亮条纹是平行等宽度的D. 若改用激光器发出的红光照射锌板，观察到验电器的铝箔张角则一定会变得更大【解析】当弧光灯发出的紫外线经过狭缝照在锌板上，锌板上
13、形成明暗相间的条纹，发生衍射现象，中心条纹宽度最宽，说明光有波动性；同时与锌板相连的验电器的铝箔张角变大，发生了光电效应，电子飞出，锌板原来带正电，说明光有粒子性.所以A正确，B、C错误.红光的频率小于锌板的极限频率，不能发生光电效应，D错误.2.对光电效应遵循的规律的理解及应用【例2】对于光电效应的解释，下列选项正确的是()A.金属内每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能从金属表面逸出B.如果入射光子的能量小于金属表面电子克服原子核的引力逸出时需做的最小功，光电效应便不能发生C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能也就越大D.由于不同金
14、属的逸出功不同，因此，使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同【解析】同一个电子是不可能实现双光子吸收的，因同一个电子接收两个光子的时间间隔相当长，而金属内电子的碰撞又是极其频繁的.两次碰撞的时间间隔只有1015 s左右.所以一个电子接收一个光子后如不能立即逃逸出金属表面，它来不及吸收第二个光子，原来吸收的能量就早已消耗殆尽了.可见电子吸收光子的能量不能累加，则A错.不同金属内原子核对电子的束缚程度是不同的，因此电子逃逸出来克服原子束缚力做功不同，若光子的能量Eh小于使金属表面电子克服原子核引力逸出时所做功的最小值，那就不会有光电子逸出，即不会发生光电效应.可见要使某金属发生光电效应，
15、入射光子能量有一个最小值E0h0，这就对应了一个极限频率，则B对.同时注意到不同的金属逸出功不同，则其产生光电效应的最低频率(即极限频率)不同，则D对.如果光照射某金属能发生光电效应，那么入射光线越强说明每秒照射到金属表面单位面积上的光子数越多，这时产生的光电子数就越多，光电流就越大，但由于光子的能量是由光的频率决定的，Eh与光子数的多少无关，所以入射光的强度增大，但其频率不改变时，光子的能量也不会改变，这时每个电子吸收光子的能量也不会增加，逸出的光电子的最大初动能就不会改变，故C错.【答案】BD【思维提升】本题涉及光电效应现象及其规律，旨在考查学生对基本概念和基本规律的理解和掌握程度.同学们
16、往往容易把光强、光子能量、光电流强度混淆.因此，同学们应特别注意两条对应关系线.解答本题的关键是找好对应关系，只要掌握了这两条对应关系线，就不难解答本题.【拓展2】一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光，分别照射到相同的金属板a、b、c上，如图所示.已知金属板b有光电子放出，则可知( D )A.板a一定不放出光电子B.板a一定放出光电子C.板c一定不放出光电子D.板c一定放出光电子【解析】平行光经三棱镜后，分解为a、b、c三束光，从图可以看出，色光a、b、c的偏折角关系为abc，所以折射率nanbnc，说明光的频率abc.题中说色光b照射到金属板有光电子放出，可断定，色光b的频率
17、大于金属板的极限频率，因而色光c照射到金属板一定放出光电子，选项D正确.但由于从题图中无法知道a比b小多少，也无法判定b比0(极限频率)大多少，所以无法肯定a与0的关系，因而不能肯定色光a照射到金属板上一定放出光电子或一定不放出光电子.所以答案为D.3.光电效应方程EkmhW的应用【例3】如图所示，阴极K用极限波长00.66 m的金属线制成，用波长0.50 m的绿光照射阴极K，调整两个极板电压，当A板电压比阴极高出2.5 V时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64 A，求：(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能.(2)如果把照射阴极绿光的光强增大为原来的2倍，每秒钟阴极发
18、射的光电子和光电子飞出阴极的最大初动能.【解析】(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数n个4.01012 个根据爱因斯坦光电方程，光电子的最大初动能EkmhWh6.6310343108J9.61020 J(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，根据光电效应实验规律，阴极每秒发射的光电子数n2n81012个光电子的最大初动能仍然是Ekm9.61020 J【思维提升】解答有关光电管和光电效应的问题，要注意以下几个方面：(1)决定光电子最大初动能的是入射光的频率，决定光电流大小的是光强的大小.(2)光电效应发射出的光电子由一极到达另一极，是电路中产生电流的
19、条件.(3)搞清楚加在光电管两极间的电压对光电子起到了加速作用，还是减速作用.【拓展3】真空中有一平行板电容器，两极板分别由铂和钾(其极限波长分别为1和2)制成，板面积为S，间距为d.现用波长为(12)的单色光持续照射两板内表面，则电容器的最终带电荷量Q正比于( D )A.B. C. D. 【解析】当电容器极板为最终电荷量时，两板间电压为截止电压，即此时最大初动能完全用来克服电场力做功，末速度为0.则有hh2eU又，C，U解得Q由于为常数，故D项正确. 易错门诊【例4】如图所示的电路中两个光电管是由同种金属材料制成的阴极.现用强度相同的两束光分别照射在两个光电管的阴极上，紫光照在(甲)电路的光
20、电管上，绿光照在(乙)电路的光电管上，若都能产生光电效应，则下列判断正确的是()A.从A、B两个极板射出光电子的最大初动能一样大B.打到C极上的光电子的最大动能一定大于打到D极上的光电子的最大动能C.单位时间内由A、B两个金属极板产生的光电子的数目一样多D.单位时间内由B极板产生的光电子的数目更多些【错解】本题因为紫光的频率大于绿光的频率，所以打在C板上的光电子的最大初动能大于D板上的光电子的最大初动能，故B选项正确，A项错误；由于两个光电管完全相同，入射光的强度完全相同，故光电流相同，单位时间内的光电子数目相同，故C项正确，D错误.【错因】本题错误原因是混淆发生光电效应时出射电子的最大初动能
21、和电子达到C板或D板的动能；光电流对于同种光只与光的强度有关，即能量相同，但是不是同种光则光电子个数不同.【正解】紫光的频率大于绿光的频率，则从A极板射出的光电子的最大初动能大于从B极板射出的光电子的最大初动能.但由于光电管两极加的都是正向电压，电场力对电子做正功，不能确定哪个电路做的正功多，所以无法确定电子打到C、D极板后动能哪个大.光的强度相同，则单位时间内照射到金属板光的能量相同，由于紫光一个光子的能量大于绿光一个光子的能量，所以单位时间内照射到A极板的光子数少于单位时间内照射到B极板的光子数，则单位时间内由B极板产生的光电子的数目更多些.【答案】D【思维提升】本题中也许学生不易理解动能和最大初动能以及光电流的大小的决定因素，关键是要弄清光电子出射后经过电场加速，而两电场不同，电场对光电子做功不同；光电流由光照强度即能量决定，光电流相同但是对于不同频率的光而言光电子个数不同.
