高中物理第四章波粒二象性光的波粒二象性导学案教科选修.docx
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高中物理第四章波粒二象性光的波粒二象性导学案教科选修
3 光的波粒二象性
[目标定位] 1.了解康普顿效应及其意义,了解光子理论对康普顿效应的解释.2.知道光的波粒二象性,知道波和粒子的对立统一的关系.3.了解什么是概率波,知道光也是一种概率波.
1.康普顿效应
(1)光的散射:
光子在介质中和物体微粒相互作用,使光的传播方向发生偏转,这种现象叫光的散射.
(2)康普顿效应:
X射线经物质散射后波长变长的现象.
2.光的波粒二象性
(1)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性.
(2)光的波动性的证明:
光能发生干涉、衍射和色散等波特有的现象.
(3)光的粒子性的证明:
光在与其他物质相互作用时,能量和动量是以一份一份的形式进行交换的.光电效应现象和康普顿效应证明光具有粒子性.
3.光子的能量ε=hν,动量p=
,两式左侧的ε和p描述光的粒子性,右侧的ν和λ描述光的波动性,两式把粒子性和波动性紧密地联系了起来.
4.光是一种概率波
在双缝干涉实验中,屏上亮纹的地方,是光子到达概率大的地方,暗纹的地方是光子到达概率小的地方.所以光波是一种概率波,即光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小.
预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
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,而且也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.
【例1】 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量.图1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________(填“不变”“变短”或“变长”).
图1
答案 1 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.
二、对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光的波动性
干涉和衍射
1.光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述.
2.足够能量的光在传播时,表现出波的性质.
1.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.
2.光的波动性不同于宏观观念的波.
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少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性
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
波动性和粒子性的对立、统一
①大量光子易显示波动性,而少量光子易显示出粒子性.
②波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强
①光子说并未否定波动性,E=hν=
中,ν和λ就是波的概念.
②波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的
【例2】 (多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
答案 AD
解析 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,D正确;大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,C错误.
借题发挥 解答此类问题的关键是要理解以下知识要点:
(1)光是一种波,同时也是一种粒子,也就是说光具有波粒二象性;
(2)光的波动性在光的传播过程中体现出来,具有一定的波长和频率,能够发生干涉和衍射现象;
(3)光的粒子性在它与物质的相互作用时体现出来,光子具有一定的能量(ε=hν)和动量
.
针对训练 有关光的本性,下列说法正确的是( )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性
D.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
答案 D
解析 19世纪初,人们成功地在实验中观察到了光的干涉、衍射现象,这属于波的特征,微粒说无法解释.但到了19世纪末又发现了光的新现象——光电效应,证实光具有粒子性.这种现象波动说不能解释,因此,光既具有波动性,又具有粒子性,但不同于宏观的机械波和机械粒子.波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现,是同一物体的两个不同侧面,不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性.选D.
三、对光是概率波的理解
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.大量粒子运动的统计规律:
光在传播过程中,光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定,所以光是一种概率波.
【例3】 (多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上,假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子( )
A.一定落在中央亮纹处
B.一定落在亮纹处
C.可能落在暗纹处
D.落在中央亮纹处的可能性最大
答案 CD
解析 根据光波是概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处.当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故C、D选项正确.
对康普顿效应的理解
1.(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 BCD
解析 美国物理学家康普顿在研究X射线散射时,发现散射光波长发生了变化,这种现象用波动说无法解释,用光子说却可以解释,A错,波长改变的多少与散射角有关,B对.当波长较短时发生康普顿效应,较长时发生光电效应,C对、D对.
对光的波粒二象性的理解
2.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.大量光子的行为往往显示出粒子性
答案 C
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,光的有些行为(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的一种粒子.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正确,A、B、D错误.
3.关于光的波粒二象性,下列说法中不正确的是( )
A.波粒二象性指光有时表现为波动性,有时表现为粒子性
B.光波频率越高,粒子性越明显
C.能量越大的光子其波动性越显著
D.个别光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性
答案 C
解析 波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,或者说在某种场合下光的粒子性表现明显,在另外某种场合下,光的波动性表现明显.个别光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性,A、D说法正确;光的频率越高,能量越高,粒子性相对波动性越明显,B说法正确、C说法错误.
(时间:
60分钟)
题组一 康普顿效应
1.白天的天空各处都是亮的,是大气分子对太阳光散射的结果.美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖,假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后,电子向某一个方向运动,光子沿另一方向散射出去,则这个散射光子跟原来的光子相比( )
A.频率变大B.速度变小
C.光子能量变大D.波长变长
答案 D
解析 光子与自由电子碰撞时,遵守动量守恒和能量守恒,自由电子碰撞前静止,碰撞后动量、能量增加,所以光子的动量、能量减小,由λ=
,ε=hν可知光子频率变小,波长变长,故D正确,由于光子速度是不变的,故B错误.
2.光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程,对此下列说法正确的是( )
A.两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律
B.两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程
C.两种效应都属于吸收光子的过程
D.光电效应是吸收光子的过程,而康普顿效应相当于光子和电子弹性碰撞的过程
答案 D
解析 光电效应吸收光子放出电子,其过程能量守恒,但动量不守恒,康普顿效应相当于光子与电子弹性碰撞的过程,并且遵守动量守恒定律和能量守恒定律,两种效应都说明光具有粒子性.故D正确.
3.科学研究证明,光子有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ′,则碰撞过程中( )
A.能量守恒,动量不守恒,且λ=λ′
B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ′
C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ′
D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ′
答案 C
解析 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律,适用于宏观世界也适用于微观世界.光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律.光子与电子碰撞前光子的能量ε=hν=h
,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,光子的能量ε′=hν′=h
,由ε>ε′可知λ<λ′,选项C正确.
题组二 光的波粒二象性
4.(多选)说明光具有粒子性的现象是( )
A.光电效应B.光的干涉
C.光的衍射D.康普顿效应
答案 AD
5.(多选)关于光的波动性与粒子性,以下说法正确的是( )
A.爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说
B.光电效应现象说明了光的粒子性
C.光波不同于机械波,它是一种概率波
D.光的波动性和粒子性是相互矛盾的,无法统一
答案 BC
解析 爱因斯坦的光子说并没有否定电磁说,只是在一定条件下光是体现粒子性的,A错;光电效应说明光具有粒子性,说明光的能量是一份一份的,B对;光波在少量的情况下体现粒子性,大量的情况下体现波动性,所以C对;光的波动性和粒子性不是孤立的,而是有机的统一体,D错.
6.下列关于光的波粒二象性的理解,正确的是( )
A.大量的光子中有些光子表现出波动性,有些光子表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
答案 D
解析 光的波粒二象性是光的属性,不论其频率的高低还是光在传播或者是与物质相互作用,光都具有波粒二象性,大量光子的效果易呈现出波动性,个别光子的效果易表现出粒子性,光的频率越高,粒子性越强,光的频率越低,波动性越强,故A、B、C错误,D正确.
7.关于光的本性,下列说法正确的是( )
A.波动性和粒子性是相互矛盾和对立的,因此光具有波粒二象性是不可能的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子具有波动性,个别光子具有粒子性
D.γ射线具有显著的粒子性,而不具有波动性
答案 C
解析 由光的波粒二象性可知:
光是同时具有波粒二象性的.但是不同于宏观的机械波和宏观粒子,波动性和粒子性是光在不同情况下的表现,是同一客观事物的两个侧面.我们无法用一种学说去说明光的所有行为,只能认为光具有波粒二象性.实际上光是一种概率波,即少数光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性.综上所述选项C正确.
8.(多选)关于光的性质,下列叙述中正确的是( )
A.在其他同等条件下,光的频率越高,衍射现象越容易看到
B.频率越高的光,粒子性越显著;频率越低的光,波动性越显著
C.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
D.如果让光子一个一个地通过狭缝时,它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动
答案 BC
解析 光具有波粒二象性,频率越高,粒子性越显著;少量光子表现出粒子性,但光子的波粒二象性是本身固有的.
9.(多选)在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( )
A.使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上会出现衍射图样
B.单个光子通过单缝后,底片上会出现完整的衍射图样
C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏
D.单个光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出随机性,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性
答案 AD
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,个别光子的运动显示光的粒子性
D.光只有波动性没有粒子性
答案 AC
解析 光的波动性是统计规律的结果,对个别光子我们无法判断它落到哪个位置;对于大量光子遵循统计规律即对大量光子的运动或曝光时间足够长,显示出光的波动性.
高考理综物理模拟试卷
注意事项:
1.答题前,考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚,将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。
2.选择题必须使用2B铅笔填涂;非选择题必须使用0.5毫米黑色字迹的签字笔书写,字体工整、笔迹清楚。
3.请按照题号顺序在各题目的答题区域内作答,超出答题区域书写的答案无效;在草稿纸、试题卷上答题无效。
4.保持卡面清洁,不要折叠,不要弄破、弄皱,不准使用涂改液、修正带、刮纸刀。
一、单项选择题
1.如图,P为固定的点电荷,虚线是以P为圆心的两个圆。
带电粒子Q在P的电场中运动。
运动轨迹与两圆在同一平面内,a、b、c为轨迹上的三个点。
若Q仅受P的电场力作用,其在a、b、c点的加速度大小分别为aa、ab、ac,速度大小分别为va、vb、vc,则
A.aa>ab>ac,va>vc>vb
B.aa>ab>ac,vb>vc>va
C.ab>ac>aa,vb>vc>va
D.ab>ac>aa,va>vc>vb
2.跳台滑雪就是运动员脚着特制的滑雪板,沿着跳台的倾斜助滑道下滑,以一定的速度从助滑道水平末端滑出,使整个身体在空中飞行约3~5s后,落在着陆坡上,经过一段减速运动最终停在终止区。
如图所示是运动员跳台滑雪的模拟过程图,设运动员及装备总质量为60kg,由静止从出发点开始自由下滑,并从助滑道末端水平飞出,着陆点与助滑道末端的竖直高度为h=60m,着陆瞬时速度的方向与水平面的夹角为60°(设助滑道光滑,不计空气阻力),则下列各项判断中错误的是
A.运动员(含装备)着地时的动能为4.8×104J
B.运动员在空中运动的时问为2
s
C.运动员着陆点到助滑道末端的水平距离是40
m
D.运动员离开助滑道时距离跳台出发点的竖直高度为80m
3.如图所示,细线的一端固定于O点,另一端系一小球,在水平拉力作用下,小球以恒定速率在竖直平面内由点B运动到点A.下列说法正确的是()
A.小球所受合力为0
B.绳子上张力T做负功
C.重力的功率P逐渐增大
D.水平拉力F逐渐减小
4.电吉他是利用电磁感应原理工作的一种乐器.如图甲所示为电吉他的拾音器的原理图,在金属弦的下方置有一个连接到放大器的螺线管.一条形磁铁固定在管内,当拨动金属弦后,螺线管内就会产生感应电流,经一系列转化后可将电信号转为声音信号.若由于金属弦的振动,螺线管内的磁通量随时间的变化如图乙所示,则对应感应电流的变化为
A.
B.
C.
D.
5.雨打芭蕉是我国古代文学中重要的抒情意象。
为估算雨天院中芭蕉叶面上单位面积所承受的力,小玲同学将一圆柱形水杯置于院中,测得10分钟内杯中雨水上升了15mm,查询得知,当时雨滴落地速度约为10m/s,设雨滴撞击芭蕉后无反弹,不计雨滴重力,雨水的密度为1×103kg/m3,据此估算芭蕉叶面单位面积上的平均受力约为
A.0.25NB.0.5NC.1.5ND.2.5N
6.在如图所示的电路中,E为电源电动势,r为电源内阻,R1和R3均为定值电阻,R2为滑动变阻器。
当R2的滑动触点在a端时合上开关S,此时三个电表A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U。
现将R2的滑动触点向b端移动,则三个电表示数的变化情况是
A.I1增大,I2不变,U增大
B.I1减小,I2增大,U减小
C.I1增大,I2减小,U增大
D.I1减小,I2不变,U减小
二、多项选择题
7.如图所示,A、B、C、D为竖直平面内一正方形的四个顶点,已知A、B、C点分别固定电荷量为+q的点电荷,D点固定电荷量为-q的点电荷。
一根光滑、绝缘的细管MN竖直固定放置,且M端和N端恰好位于正方形AB边和CD边的中点处,现有一直径略小于细管内径的带正电的小球,从细管的M端由静止释放,则小球从M端下落到N端的过程中,下列说法正确的是
A.小球的速率先增大后减小
B.小球的速率一直增大
C.小球的电势能先增大后减小
D.细管对小球的弹力一直增大
8.电场中有一条电场线与x轴重合,x轴上各点的电场强度与位置的关系如图所示,一质子只在电场力作用下自坐标原点由静止释放沿x轴正方向运动,已知oa=ab=bc=d,b点电势φb=0。
则下列结论正确的是
A.质子沿x轴做匀速直线运动
B.质子在a、c两点的电势能相等
C.质子在a、b、c三点的动能之比为2:
3:
4
D.坐标原点O的电势为1.5E0d
9.下列说法中正确的是。
A.在受迫振动中,物体振动的频率不一定等于驱动力的频率
B.做简谐运动的质点,经过四分之一周期,所通过的路程不一定等于振幅
C.变化的磁场可以产生电场,变化的电场可以产生磁场
D.双缝干涉实验中,若只减小双缝到光屏间的距离,两相邻亮条纹间距将变小
E.声波从空气传入水中时频率变大,波长不变
10.发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道I,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送人同步圆轨道3,轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点.如图所示,则卫星分别在1、2、3轨道上运行时,以下说法正确的是()
A.卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度
B.卫星在轨道3上的周期大于在轨道1上的周期
C.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
D.卫星在轨道3上与地心选线在单位时间内扫过的面积大于在轨道1上与地心连线在单位时间内扫过的面积
三、实验题
11.如图所示,把质量为0.2g的带电小球A用丝线吊起,若将带电荷量为+4×10-8C的小球B靠近它,当两小球在同一高度相距3cm时,丝线与竖直方向的夹角为45°(g取10m/s2),求:
(1)小球A带何种电荷;
(2)此时小球B受到的库仑力大小;
(3)小球A带的电荷量qA.
12.如图所示,用质量为m的重物通过滑轮牵引小车,使它在长木板上运动,打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。
利用该装置可以完成“验证牛顿第二定律”的实验。
(1)打点计时器使用的电源是_________(选填选项前的字母)。
A.直流电源B.交流电源
(2)实验中,需要平衡摩擦力和其他阻力。
正确操作方法是____(选填选项前的字母)。
A.把长木板右端垫高B.改变小车的质量
在不挂重物且______(选填选项前的字母)的情况下,轻推一下小车,若小车拖着纸带做匀速运动,表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。
A.计时器不打点B.计时器打点
(3)某同学在做保持小车质量不变,验证小车的加速度与其合外力成正比的实验时,根据测得的数据作出如图所示的a-F图线,所得的图线既不过原点,又不是直线,原因可能是_______。
(选填选项前的字母)
A.木板右端所垫物体较低,使得木板的倾角偏小
B.木板右端所垫物体较高,使得木板的倾角偏大
C.小车质量远大于砂和砂桶的质量
D.砂和砂桶的质量不满足远小于小车质量
四、解答题
13.如图所示,顶角
=60°的光滑金属导轨MON固定在水平面内,导轨处在方向竖直向下、大小为B的匀强磁场中。
以O为坐标原点、金属导轨的角分线为x轴,在水平面内建立如图所示的直角坐标系。
一根初始位置与y轴重合的导体棒在垂直于导体棒的水平外力作用下以速度v沿x轴做匀速直线运动,导体棒的质量为m,导轨与导体棒单位长度的电阻为r。
导体棒在滑动过程中始终保持与导轨良好接触。
以导体棒位于O处作为计时零点。
试求
(1)t时刻流过导体棒的电流强度I和电流方向(回答沿磁场方向看顺时针或逆时针)
(2)t时刻作用于导体棒的水平外力的大小F
(3)0~t时间内导体棒上产生的焦耳热Q。
14.一圆筒的横截面如图所示,其圆心为O。
筒内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B。
圆筒下面有相距为d的平行金属板M、N,其中M板带正电荷,N板带等量负电荷。
质量为m、电荷量为q的带正电粒子自M板边缘的P处由静止释放,经N板的小孔S以速度v沿半径SO方向射入磁场中。
粒子与圆筒发生两次碰撞后仍从S孔射出,设粒子与圆筒碰撞过程中没有动能损失,且电荷量保持不变,在不计重力的情况下,求:
(1)M、N间电场强度E的大小;
(2)圆筒的半径R;
(3)保持M、N间电场强度E不变,仅将M板向上平移2d/3,粒子仍从M板边缘的P处由静止释放,粒子自进入圆筒至从S孔射出期间,与圆筒的碰撞次数n。
【参考答案】
一、单项选择题
题号
1
2
3
4
5
6
答案
D
D
D
D
A
B
二、多项选择题
7.BD
8.CD
9.BCD
10.ABD
三、实验题
11.1)负电
(2)2×10-3N(3)5×10-9C
12.BABAD
四、解答题
13.
(1)
,逆时针方向;
(2)
;(3)
14.
(1)
(2)
(3)n=3
高考理综物理模拟试卷
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3.请按照题号顺序在各题目的答题区域内作答,超出答题区域书写的答案无效;在草稿纸、试题卷上答题无效。
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一、单项选择题
1.入冬以来,全国多地多
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