还剩14页未读，
继续阅读
所属成套资源：全套粤教版高中物理选择性必修第三册学案
成套系列资料，整套一键下载
高中物理第三节 光的波粒二象性导学案
展开
这是一份高中物理第三节 光的波粒二象性导学案，共17页。
3．在老师的帮助下探究“弱光干涉图样”实验，学习探究方法和技巧，提高动手实验与探究能力．
知识点一 光的本性之争
1．人们发现了反射、折射等一些基本的光学规律，说明光有波动性．
2．英国物理学家牛顿认为光是一种微粒．
3．荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种波．
4．1807年，英国科学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的干涉条纹，并由此测定了光的波长，证明光具有波动性．
5．1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，证明光具有波动性．
光电效应和康普顿效应，让人们认识到光具有粒子性．
知识点二 光的波粒二象性
1．光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性．
2．光的双缝干涉．
(1)实验中控制光子数，当光子个数较少时，明显体现出粒子性．
(2)当记录时间较长时，明显出现干涉条纹，波动性更明显．
3．光的波粒二象性．
光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性．
4．概率波．
光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，因此，物理学中把光波看成是一种概率波．
光子能量ε＝hν和动量p＝hλ中ε与p是描述光子粒子性，频率ν和波长λ是描述光子波动性，普朗克常量h是联系光子粒子性和波动性的桥梁．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的．(×)
(2)光的波粒二象性就是说光有时类似于机械波而具有波动性、有时类似于质点而具有粒子性．(×)
(3)由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性．(√)
(4)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．(×)
2．物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，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，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，其中正确的是( )
A．曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点可以预测
C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率较大的地方
D [单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，所以曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，说明了单个光子表现为粒子性，故A错误；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，故B错误；光具有波粒二象性，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出明显的波动性，故C错误；在双缝干涉中，光子到达多的区域表现为亮条纹，而光子到达少的区域表现为暗条纹，故D正确．]
3．(多选)下面关于光的波粒二象性的说法，正确的是( )
A．光电效应现象说明光具有波粒二象性
B．频率越大的光粒子性越显著，频率越小的光波动性越显著
C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性
D．光不可能既具有波动性，又具有粒子性
BC [光电效应现象说明光具有粒子性，选项A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光的粒子性越显著，频率越小的光的波动性越显著，选项B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，选项C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，选项D错误．]
曾有一位记者向诺贝尔奖获得者，物理学家布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息．”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？
提示：光具有波粒二象性．光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性．
光的本性
1．光的本性
光的干涉、衍射和偏振等现象，说明光具有波动性；光电效应和康普顿效应证明光具有粒子性．光既具有波动性又具有粒子性的事实说明光具有波粒二象性．这就是现代物理学关于光的本性问题的回答．
2．人类对光的本性的认识
人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说．直到二十世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性．对于光的本性认识史，列表如下：
【典例1】 关于光的本性，下列说法正确的是( )
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，既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来
[思路点拨] (1)牛顿、惠更斯、爱因斯坦都只说明了光的一个方面．
(2)干涉、衍射现象是波动性的特征．
C [光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波；光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这一现象．综上，选项C正确．]
分析判断有关光的本性问题，关键是对光的波粒二象性的理解．下面以表格的形式呈现，以便比较并加深认识．
[跟进训练]
1．(多选)关于光的本性，下列说法正确的是( )
A．波粒二象性指光既具有波动性，又具有粒子性
B．能量越大的光波动性越显著
C．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
D．光波频率越高，粒子性越明显
AD [光的本性是指光既具有波动性，又具有粒子性，A正确；频率越高的光，能量越大，粒子性越显著，频率越低的光波动性越显著，B错误，D正确；光在传播时表现为波动性，而与物质相互作用时表现为粒子性，C错误．]
光的波粒二象性
1．光的粒子性的含义
爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念．光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说．
(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．
(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．
(3)频率高、波长短的光，粒子性特征显著．
2．光的波动性的含义
光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，与惠更斯波动说中的“波”是不同理论领域中两个不同的概念，它是一种概率波．
(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．
(2)频率低、波长长的光，波动性特征显著．
3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性
(1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．
(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现，光的波动性和粒子性是统一的．
4．光是概率波
(1)单个粒子运动的偶然性．
我们可以知道光子落在某点的概率，但不能预言光子落在什么位置，即光子到达什么位置是随机的，是预先不确定的．
(2)大量光子运动的必然性．
由波动规律，我们可以准确地知道，大量光子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言．
(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，体现了粒子性的一面；同时光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，概率波将波动性和光子性统一在一起．
【典例2】 (多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则( )
A．图像甲表明光具有粒子性
B．图像丙表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
[思路点拨] (1)少量光子体现粒子性．
(2)大量光子体现波动性．
ABD [题图甲可以看到的是光点，说明光具有粒子性，随着时间的增加，这些光点的排列体现了波的干涉的规律，说明光具有波动性，同时，这种规律是大量光点出现后才表现出来的，所以光是一种概率波．故A、B、D正确．]
对光的波粒二象性的两点提醒
(1)光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．
(2)波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．
[跟进训练]
2．为应对某些西方国家对我国的高端技术的打压，我们现在研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”，对芯片制造领域技术突破作出重大贡献．光刻所用光的波长越短，分辨率越高．下列关于光的认识正确的是( )
A．少量光子显示粒子性，大量光子只显示出光的波动性
B．光的波长越长，光子的能量越大
C．用某单色光照射金属能使其发生光电效应，产生的光电子的动能有大有小
D．电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时就一定能成为光电子
C [无论是少量光子还是大量光子，都同时具有粒子性和波动性，选项A错误；由ε＝hν＝hcλ可知，波长越长，光子的能量越小，选项B错误；在光电效应中，由于电子脱离金属所做的功不同，由Ek＝hν－W可知，产生的光电子的动能就有所不同，选项C正确；在光电效应中，电子吸收光子后从金属中逸出时，逸出功是电子脱离金属所做功的最小值，所以当电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时，不一定能成为光电子，选项D错误．]
1．下列关于光的波粒二象性的说法中，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仍表示的是波的特性
D [光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，当光和物质作用时，是“一份一份”地进行的，表现出粒子性；单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述，表现出波动性．粒子性和波动性是光本身的一种属性，光子说并未否定电磁说．]
2．人们对“光的本性”的认识，经历了漫长的发展过程．下列符合物理学史实的是( )
A．牛顿提出光是一种高速粒子流，并能解释一切光的现象
B．惠更斯认为光是机械波，并能解释一切光的现象
C．为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说
D．为了说明光的本性，麦克斯韦提出了光的波粒二象性
C [牛顿认为光是一种粒子流，他的观点支持了光的微粒说，能解释光的直线传播与反射现象，故A错误；惠更斯认为光是一种机械波，并能解释光的反射、折射和衍射，但不能解释光的直线传播和光电效应等现象，故B错误；为了解释光电效应爱因斯坦提出光子说，认为光的发射、传播和吸收不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，故C正确；麦克斯韦提出了光的电磁波说，认为光是一种电磁波，康普顿效应证明光具有粒子性，故D错误．]
3．(多选)对光的认识，下列说法正确的是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显
ABD [光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确．]
4．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．如图所示，给出了光子与静止的电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向______运动，并且波长______(选填“不变”“变短”或“变长”)．证明光具有________(选填“波动性”或“粒子性”)．
[解析] 光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之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，光子能量减少，由ε＝hν知，光子频率变小，再根据c＝λν知，光子波长变长．证明光子具有粒子性．
[答案] 1 变长 粒子性
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．1807年，英国科学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验证明了光具有怎样的性质？1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，证明了光具有怎样的性质？
提示：波动性；波动性．
2．什么实验证明光具有粒子性？光的波粒二象性内容是什么？
提示：光电效应和康普顿效应；光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性．
3．什么是概率波？
提示：光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，因此，物理学中把光波看成概率波．
课时分层作业(十二) 光的波粒二象性
题组一 光的本性
1．下列有关光的说法正确的是( )
A．光电效应表明在一定条件下，光子可以转化为电子
B．大量光子易表现出波动性，少量光子易表现出粒子性
C．光有时是波，有时是粒子
D．康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量
B [光电效应现象中能产生光电子，但不是光子转化为电子，故A错误；大量光子表现出来的波动性显著，少数光子表现出来的粒子性显著，故B正确；光既具有波动性又具有粒子性，故具有波粒二象性，故C错误；康普顿效应表明光子除了具有能量，还具有动量，故D错误．]
2．如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验( )
A．只能证明光具有波动性
B．只能证明光具有粒子性
C．只能证明光能够发生衍射
D．证明光具有波粒二象性
D [弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射，证明了光具有波动性；验电器铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，则证明了光具有粒子性．所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．]
3．光具有波粒二象性，能说明光具有粒子性的实验是( )
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光电效应
C．光的衍射和康普顿效应
D．光电效应和康普顿效应
D [光的干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，而光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D正确．]
题组二 光的波粒二象性
4．(多选)下列叙述的情况中正确的是( )
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体一样
B．光是波，与橡皮绳上的波类似
C．光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的
D．光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动的规律来描述
CD [光的粒子性说明光是一种粒子，但到达空间某位置的概率遵守波动规律，与宏观概念的粒子和波有着本质的不同，所以选项A、B错误，选项D正确；光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的，所以选项C正确．]
5．下列说法正确的是( )
A．光的波粒二象性是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的
B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论
C．光子说并没有否定电磁说，在光子的能量式ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性
D．光波与机械波具有完全相同的特点
C [光的波粒二象性认为光是一份一份的光子构成的，光子是一种没有静止质量的能量团，与牛顿的微粒说中的实物粒子有本质区别；光同时还是一种波，但与惠更斯的波动说中的光是一种机械波有本质区别，A错误．在光子能量式ε＝hν中，ν表示了波的特征，ε表示粒子的特性，光子说并没有否定麦克斯韦的电磁说，B错误，C正确．机械波传播需要介质，光波不需要；机械波是横波或纵波，光波只能是横波，D错误．]
6．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处是( )
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
A [由光子按波的概率分布的特点判断，由于大部分光子都落在b处，故b处一定是亮纹，选项A正确．]
7．在双缝干涉实验中若采用的光源非常弱，感光胶片曝光后的情况是( )
A．若曝光时间极短，图像显示出光的波动性
B．若曝光时间极短，图像显示出光的粒子性
C．无论曝光时间长短，都可以在感光胶片上得到明显的干涉条纹
D．无论曝光时间长短，图像都呈现不规则分布
B [根据光的波粒二象性知，单个光子表现出粒子性，而大量光子表现出波动性，故曝光时间极短时，底片上出现一些不规则分布的点，说明了单个光子表现出粒子性；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，到达的光子多的区域表现为亮条纹，而到达的光子少的区域表现为暗条纹，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出波动性．故B正确，A、C、D错误．]
8．近年来，数码相机家喻户晓，用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素，1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点，现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解为( )
A．光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份的
B．光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的
C．大量光子表现出光具有粒子性
D．光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性
D [数码相机拍出的照片不是白点，不能显示光的粒子性，A错误；光的波粒二象性是光的内在属性，即使是单个光子也有波动性，跟光子的数量和光子之间是否有相互作用无关，B错误；大量光子表现出光具有波动性，C错误；光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性，D正确．故选D．]
9．科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒内单位面积接收到的光子数为n，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S，设太阳光垂直射到黑色的太阳帆上，飞船总质量为m，则飞船的加速度为多少？
[解析] 光子垂直射到黑色的太阳帆上，设动量变化量为p，光对太阳帆的压力为F，单位时间打到太阳帆上的光子数为N，则N＝nS
由动量定理有FΔt＝NΔt·p，
所以F＝nSp
而光子动量p＝hλ，所以F＝nShλ
由牛顿第二定律可得飞船加速度a＝Fm＝nShmλ．
[答案] nShmλ
10．(多选) 为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是( )
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
AC [使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现双缝干涉图样，如果时间很短，少量光子到达底片上，由于光波是概率波，光子的行为是随机的，则底片上不会出现双缝干涉图样，故A正确，B错误；光波是一种概率波，光子落在光屏上各点的概率是不同的，单个光子通过双缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过双缝后打在底片上的情况呈现出规律性，所以个别光子的运动体现粒子性，大量光子的运动体现波动性，故C正确；光既具有波动性又具有粒子性，故D错误．]
11．已知每秒从太阳射到地球的垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.4×103 J，其中可见光部分约占45%，假如认为可见光的波长均为5.5×10-7 m，太阳向各方向的辐射是均匀的，日地间距离为1.5×1011 m，普朗克常量h＝6.6×10-34 J·s，π＝3.14，估算出太阳每秒钟辐射出的可见光子数约为多少？
[解析] 设地面上1 m2的面积上每秒接收的光子数为n，则有E·45%＝nhcλ
代入数据解得n＝1.75×1021个/m2
设想一个以太阳为球心，以日地间距离R为半径的大球面包围着太阳，大球面接收的光子数即太阳辐射的全部光子数，则所求的可见光光子数约为
N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2≈5×1044个．
[答案] 5×1044个
12．用波长为2.0×10-7 m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子的动能最大是4.7×10-19 J．由此可知，钨的截止频率是多少(普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字)?
[解析] 由光电效应可知，入射光子的能量等于逸出功与最大初动能的和，即hν＝W＋Ek
又有c＝λν，W＝hν0，由以上三式得钨的截止频率ν0＝cλ-Ekh＝3×1082×10-7 Hz－4.7×10-196.63×10-34 Hz≈7.9×1014 Hz．
[答案] 7.9×1014 Hz学说名称
微粒说
波动说
电磁说
光子说
波粒二象性
年代
17世纪
17世纪
19世纪中
20世
纪初
20世纪初
代表
人物
牛顿
惠更斯
麦克斯韦
爱因
斯坦
公认
实验
依据
光的直线传播、光
的反射
光的干涉、衍射
光能在真空中传播，是横
波，光速等于
电磁波速
光电效应、康普顿效应
光既有波动现象，又有粒子特征
内容
要点
光是一群
弹性粒子
光是一种机械波
光是一种电磁波
光是由一份一份的光子组成的
光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性
比较
实验基础
表现
说明
光
的
波
动
性
干涉和
衍射
(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)大量光子在传播
时，表现出波的性质
光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
光的粒子性
光电效应、康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
3．在老师的帮助下探究“弱光干涉图样”实验，学习探究方法和技巧，提高动手实验与探究能力．
知识点一 光的本性之争
1．人们发现了反射、折射等一些基本的光学规律，说明光有波动性．
2．英国物理学家牛顿认为光是一种微粒．
3．荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种波．
4．1807年，英国科学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的干涉条纹，并由此测定了光的波长，证明光具有波动性．
5．1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，证明光具有波动性．
光电效应和康普顿效应，让人们认识到光具有粒子性．
知识点二 光的波粒二象性
1．光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性．
2．光的双缝干涉．
(1)实验中控制光子数，当光子个数较少时，明显体现出粒子性．
(2)当记录时间较长时，明显出现干涉条纹，波动性更明显．
3．光的波粒二象性．
光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性．
4．概率波．
光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，因此，物理学中把光波看成是一种概率波．
光子能量ε＝hν和动量p＝hλ中ε与p是描述光子粒子性，频率ν和波长λ是描述光子波动性，普朗克常量h是联系光子粒子性和波动性的桥梁．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的．(×)
(2)光的波粒二象性就是说光有时类似于机械波而具有波动性、有时类似于质点而具有粒子性．(×)
(3)由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性．(√)
(4)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．(×)
2．物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，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，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，其中正确的是( )
A．曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点可以预测
C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率较大的地方
D [单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，所以曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，说明了单个光子表现为粒子性，故A错误；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，故B错误；光具有波粒二象性，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出明显的波动性，故C错误；在双缝干涉中，光子到达多的区域表现为亮条纹，而光子到达少的区域表现为暗条纹，故D正确．]
3．(多选)下面关于光的波粒二象性的说法，正确的是( )
A．光电效应现象说明光具有波粒二象性
B．频率越大的光粒子性越显著，频率越小的光波动性越显著
C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性
D．光不可能既具有波动性，又具有粒子性
BC [光电效应现象说明光具有粒子性，选项A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光的粒子性越显著，频率越小的光的波动性越显著，选项B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，选项C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，选项D错误．]
曾有一位记者向诺贝尔奖获得者，物理学家布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息．”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？
提示：光具有波粒二象性．光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性．
光的本性
1．光的本性
光的干涉、衍射和偏振等现象，说明光具有波动性；光电效应和康普顿效应证明光具有粒子性．光既具有波动性又具有粒子性的事实说明光具有波粒二象性．这就是现代物理学关于光的本性问题的回答．
2．人类对光的本性的认识
人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说．直到二十世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性．对于光的本性认识史，列表如下：
【典例1】 关于光的本性，下列说法正确的是( )
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，既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来
[思路点拨] (1)牛顿、惠更斯、爱因斯坦都只说明了光的一个方面．
(2)干涉、衍射现象是波动性的特征．
C [光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波；光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这一现象．综上，选项C正确．]
分析判断有关光的本性问题，关键是对光的波粒二象性的理解．下面以表格的形式呈现，以便比较并加深认识．
[跟进训练]
1．(多选)关于光的本性，下列说法正确的是( )
A．波粒二象性指光既具有波动性，又具有粒子性
B．能量越大的光波动性越显著
C．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
D．光波频率越高，粒子性越明显
AD [光的本性是指光既具有波动性，又具有粒子性，A正确；频率越高的光，能量越大，粒子性越显著，频率越低的光波动性越显著，B错误，D正确；光在传播时表现为波动性，而与物质相互作用时表现为粒子性，C错误．]
光的波粒二象性
1．光的粒子性的含义
爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念．光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说．
(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．
(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．
(3)频率高、波长短的光，粒子性特征显著．
2．光的波动性的含义
光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，与惠更斯波动说中的“波”是不同理论领域中两个不同的概念，它是一种概率波．
(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．
(2)频率低、波长长的光，波动性特征显著．
3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性
(1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．
(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现，光的波动性和粒子性是统一的．
4．光是概率波
(1)单个粒子运动的偶然性．
我们可以知道光子落在某点的概率，但不能预言光子落在什么位置，即光子到达什么位置是随机的，是预先不确定的．
(2)大量光子运动的必然性．
由波动规律，我们可以准确地知道，大量光子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言．
(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，体现了粒子性的一面；同时光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，概率波将波动性和光子性统一在一起．
【典例2】 (多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则( )
A．图像甲表明光具有粒子性
B．图像丙表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
[思路点拨] (1)少量光子体现粒子性．
(2)大量光子体现波动性．
ABD [题图甲可以看到的是光点，说明光具有粒子性，随着时间的增加，这些光点的排列体现了波的干涉的规律，说明光具有波动性，同时，这种规律是大量光点出现后才表现出来的，所以光是一种概率波．故A、B、D正确．]
对光的波粒二象性的两点提醒
(1)光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．
(2)波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著．
[跟进训练]
2．为应对某些西方国家对我国的高端技术的打压，我们现在研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”，对芯片制造领域技术突破作出重大贡献．光刻所用光的波长越短，分辨率越高．下列关于光的认识正确的是( )
A．少量光子显示粒子性，大量光子只显示出光的波动性
B．光的波长越长，光子的能量越大
C．用某单色光照射金属能使其发生光电效应，产生的光电子的动能有大有小
D．电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时就一定能成为光电子
C [无论是少量光子还是大量光子，都同时具有粒子性和波动性，选项A错误；由ε＝hν＝hcλ可知，波长越长，光子的能量越小，选项B错误；在光电效应中，由于电子脱离金属所做的功不同，由Ek＝hν－W可知，产生的光电子的动能就有所不同，选项C正确；在光电效应中，电子吸收光子后从金属中逸出时，逸出功是电子脱离金属所做功的最小值，所以当电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时，不一定能成为光电子，选项D错误．]
1．下列关于光的波粒二象性的说法中，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仍表示的是波的特性
D [光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，当光和物质作用时，是“一份一份”地进行的，表现出粒子性；单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述，表现出波动性．粒子性和波动性是光本身的一种属性，光子说并未否定电磁说．]
2．人们对“光的本性”的认识，经历了漫长的发展过程．下列符合物理学史实的是( )
A．牛顿提出光是一种高速粒子流，并能解释一切光的现象
B．惠更斯认为光是机械波，并能解释一切光的现象
C．为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说
D．为了说明光的本性，麦克斯韦提出了光的波粒二象性
C [牛顿认为光是一种粒子流，他的观点支持了光的微粒说，能解释光的直线传播与反射现象，故A错误；惠更斯认为光是一种机械波，并能解释光的反射、折射和衍射，但不能解释光的直线传播和光电效应等现象，故B错误；为了解释光电效应爱因斯坦提出光子说，认为光的发射、传播和吸收不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，故C正确；麦克斯韦提出了光的电磁波说，认为光是一种电磁波，康普顿效应证明光具有粒子性，故D错误．]
3．(多选)对光的认识，下列说法正确的是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显
ABD [光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确．]
4．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量．如图所示，给出了光子与静止的电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向______运动，并且波长______(选填“不变”“变短”或“变长”)．证明光具有________(选填“波动性”或“粒子性”)．
[解析] 光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之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，光子能量减少，由ε＝hν知，光子频率变小，再根据c＝λν知，光子波长变长．证明光子具有粒子性．
[答案] 1 变长 粒子性
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．1807年，英国科学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验证明了光具有怎样的性质？1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波，证明了光具有怎样的性质？
提示：波动性；波动性．
2．什么实验证明光具有粒子性？光的波粒二象性内容是什么？
提示：光电效应和康普顿效应；光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性．
3．什么是概率波？
提示：光的干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，因此，物理学中把光波看成概率波．
课时分层作业(十二) 光的波粒二象性
题组一 光的本性
1．下列有关光的说法正确的是( )
A．光电效应表明在一定条件下，光子可以转化为电子
B．大量光子易表现出波动性，少量光子易表现出粒子性
C．光有时是波，有时是粒子
D．康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量
B [光电效应现象中能产生光电子，但不是光子转化为电子，故A错误；大量光子表现出来的波动性显著，少数光子表现出来的粒子性显著，故B正确；光既具有波动性又具有粒子性，故具有波粒二象性，故C错误；康普顿效应表明光子除了具有能量，还具有动量，故D错误．]
2．如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验( )
A．只能证明光具有波动性
B．只能证明光具有粒子性
C．只能证明光能够发生衍射
D．证明光具有波粒二象性
D [弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射，证明了光具有波动性；验电器铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，则证明了光具有粒子性．所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．]
3．光具有波粒二象性，能说明光具有粒子性的实验是( )
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光电效应
C．光的衍射和康普顿效应
D．光电效应和康普顿效应
D [光的干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，而光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D正确．]
题组二 光的波粒二象性
4．(多选)下列叙述的情况中正确的是( )
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体一样
B．光是波，与橡皮绳上的波类似
C．光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的
D．光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动的规律来描述
CD [光的粒子性说明光是一种粒子，但到达空间某位置的概率遵守波动规律，与宏观概念的粒子和波有着本质的不同，所以选项A、B错误，选项D正确；光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的，所以选项C正确．]
5．下列说法正确的是( )
A．光的波粒二象性是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的
B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论
C．光子说并没有否定电磁说，在光子的能量式ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性
D．光波与机械波具有完全相同的特点
C [光的波粒二象性认为光是一份一份的光子构成的，光子是一种没有静止质量的能量团，与牛顿的微粒说中的实物粒子有本质区别；光同时还是一种波，但与惠更斯的波动说中的光是一种机械波有本质区别，A错误．在光子能量式ε＝hν中，ν表示了波的特征，ε表示粒子的特性，光子说并没有否定麦克斯韦的电磁说，B错误，C正确．机械波传播需要介质，光波不需要；机械波是横波或纵波，光波只能是横波，D错误．]
6．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处是( )
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
A [由光子按波的概率分布的特点判断，由于大部分光子都落在b处，故b处一定是亮纹，选项A正确．]
7．在双缝干涉实验中若采用的光源非常弱，感光胶片曝光后的情况是( )
A．若曝光时间极短，图像显示出光的波动性
B．若曝光时间极短，图像显示出光的粒子性
C．无论曝光时间长短，都可以在感光胶片上得到明显的干涉条纹
D．无论曝光时间长短，图像都呈现不规则分布
B [根据光的波粒二象性知，单个光子表现出粒子性，而大量光子表现出波动性，故曝光时间极短时，底片上出现一些不规则分布的点，说明了单个光子表现出粒子性；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，到达的光子多的区域表现为亮条纹，而到达的光子少的区域表现为暗条纹，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出波动性．故B正确，A、C、D错误．]
8．近年来，数码相机家喻户晓，用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素，1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点，现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解为( )
A．光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份的
B．光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的
C．大量光子表现出光具有粒子性
D．光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性
D [数码相机拍出的照片不是白点，不能显示光的粒子性，A错误；光的波粒二象性是光的内在属性，即使是单个光子也有波动性，跟光子的数量和光子之间是否有相互作用无关，B错误；大量光子表现出光具有波动性，C错误；光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性，D正确．故选D．]
9．科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒内单位面积接收到的光子数为n，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S，设太阳光垂直射到黑色的太阳帆上，飞船总质量为m，则飞船的加速度为多少？
[解析] 光子垂直射到黑色的太阳帆上，设动量变化量为p，光对太阳帆的压力为F，单位时间打到太阳帆上的光子数为N，则N＝nS
由动量定理有FΔt＝NΔt·p，
所以F＝nSp
而光子动量p＝hλ，所以F＝nShλ
由牛顿第二定律可得飞船加速度a＝Fm＝nShmλ．
[答案] nShmλ
10．(多选) 为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是( )
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
AC [使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现双缝干涉图样，如果时间很短，少量光子到达底片上，由于光波是概率波，光子的行为是随机的，则底片上不会出现双缝干涉图样，故A正确，B错误；光波是一种概率波，光子落在光屏上各点的概率是不同的，单个光子通过双缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过双缝后打在底片上的情况呈现出规律性，所以个别光子的运动体现粒子性，大量光子的运动体现波动性，故C正确；光既具有波动性又具有粒子性，故D错误．]
11．已知每秒从太阳射到地球的垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.4×103 J，其中可见光部分约占45%，假如认为可见光的波长均为5.5×10-7 m，太阳向各方向的辐射是均匀的，日地间距离为1.5×1011 m，普朗克常量h＝6.6×10-34 J·s，π＝3.14，估算出太阳每秒钟辐射出的可见光子数约为多少？
[解析] 设地面上1 m2的面积上每秒接收的光子数为n，则有E·45%＝nhcλ
代入数据解得n＝1.75×1021个/m2
设想一个以太阳为球心，以日地间距离R为半径的大球面包围着太阳，大球面接收的光子数即太阳辐射的全部光子数，则所求的可见光光子数约为
N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2≈5×1044个．
[答案] 5×1044个
12．用波长为2.0×10-7 m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子的动能最大是4.7×10-19 J．由此可知，钨的截止频率是多少(普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字)?
[解析] 由光电效应可知，入射光子的能量等于逸出功与最大初动能的和，即hν＝W＋Ek
又有c＝λν，W＝hν0，由以上三式得钨的截止频率ν0＝cλ-Ekh＝3×1082×10-7 Hz－4.7×10-196.63×10-34 Hz≈7.9×1014 Hz．
[答案] 7.9×1014 Hz学说名称
微粒说
波动说
电磁说
光子说
波粒二象性
年代
17世纪
17世纪
19世纪中
20世
纪初
20世纪初
代表
人物
牛顿
惠更斯
麦克斯韦
爱因
斯坦
公认
实验
依据
光的直线传播、光
的反射
光的干涉、衍射
光能在真空中传播，是横
波，光速等于
电磁波速
光电效应、康普顿效应
光既有波动现象，又有粒子特征
内容
要点
光是一群
弹性粒子
光是一种机械波
光是一种电磁波
光是由一份一份的光子组成的
光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性
比较
实验基础
表现
说明
光
的
波
动
性
干涉和
衍射
(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)大量光子在传播
时，表现出波的性质
光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
光的粒子性
光电效应、康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
相关学案
高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第一节 电路中的能量学案： 这是一份高中物理粤教版 (2019)必修 第三册<a href="/wl/tb_c4003200_t4/?tag_id=42" target="_blank">第一节 电路中的能量学案</a>，共20页。
高中物理第一节 静电现象学案： 这是一份高中物理<a href="/wl/tb_c4003175_t4/?tag_id=42" target="_blank">第一节 静电现象学案</a>，共19页。
高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应第2课时导学案： 这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册<a href="/wl/tb_c163321_t4/?tag_id=42" target="_blank">2 光电效应第2课时导学案</a>，共8页。
