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实物粒子与光子的比较

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实物粒子与光子的比较

实物粒子与光子的比较

学习了高中《物理》第二册(必修)第十九章光的本性后,学生初步认识到:物理学把物质分为两大类,一类是质子、中子、电子等,叫做实物(粒子);另一类是电场、磁场等,统称场.光在本质上是一种电磁波(传播着的电磁场),组成电磁场的基本成分是光子,光子具有波粒二象性.另一方面,根据德布罗意假设,任何一个实物粒子及由它们组成的物体,都对应着一种波,叫做物质波或德布罗意波,实物粒子也具有波粒二象性.学生对上述近代物理初步知识的学习兴趣很浓,但也普遍存在如下困惑:既然实物粒子和光子都具有波粒二象性,与它们联系着的物质波和光波又都是概率波,那么它们有何区别?实物粒子的运动速率v是否就是物质波的传播速度?公式v=λf是否适用于物质波?实物粒子与光子之间有何内在联系呢?虽然这些问题已经超出高中物理教学大纲的要求范围,但对教师来说在教学研究中回顾、关注并弄清这些问题,才能做到高屋建瓴、心中有数,对充分发挥教师在教学中的主导作用,针对学生存在的疑问给予简明扼要、恰到好处的点拨,还是非常必要的.

一、从粒子性方面比较

实物粒子和场是物质存在的两类不同的形态,一切微观粒子的粒子性特征表现为它们都具有能量、动量和质量.

由光子说和相对论可知,与电磁波密切联系着的光子没有静质量(m0=0),但具有能量E、动量p和动质量(相对论质量)m,即

E=hν=mc2,①

p=mc=E/c=h/λ,②

m=E/c2=(hν)/c2.③

式中h为普朗克常量,ν和λ分别为对应的光波的频率和波长,c为真空中的光速.因光子的能量是量子化的(一份一份的)且每一份能量不能任意取值(由玻尔原子理论的跃迁假设决定),故光子的质量、动量也是量子化的且不能任意取值.

实物粒子的静质量不为零,考虑到实物粒子的速度可能很大(接近光速),根据相对论可知,其质量、能量和动量的表达式为

m=m0/,

⑤E=mc2=(m0c2)/,

⑥p=mv=(m0c)/.

从粒子性特征即粒子具有量子化的能量、动量、质量方面来看,光子和实物粒子是相同的,但它们又有根本的区别,主要表现在以下几个方面:

(1)实物粒子可以任意的速度在空间运动,其值与参考系的选择有关,具有相对性;而与电磁场相联系的光子,不论其频率ν多大,在真空中都以相同的速度c运动,且与参考系的选择无关(光速不变原理).

(2)因为实物粒子的相对论质量、能量、动量都与速度有关,所以其值也是相对的,且可任意取值;与实物粒子不同,光子没有静质量(没有静止的光子),光子的质量、动量、能量与参考系的选择无关,且不能任意取值.

(3)实物粒子占据的空间不能同时被另一个实物粒子所占据,但几个电磁场可以相互叠加而占据同一空间,所以与电磁场联系着的几个光子也可以占据同一空间.实物粒子和光子虽然在上述几个方面有根本区别,但它们都是微观粒子,除了它们的物质性、量子性相同外,还有一点是相同的,即它们都不是经典物理意义下的粒子.量子力学告诉我们:要想同时精确测定微观粒子的位置x和动量p是不可能的.换言之,位置的不确定量Δx和动量的不确定量Δp的乘积不可能小于一个常量h/(4π),即

Δx·Δp≥h/(4π).

这个关系式叫做不确定性关系式(海森堡测不准关系式).

二、从波动性方面比较

1 比较物质波与光波的传播速度

根据德布罗意假设,质量为m、速度为v的实物粒子在没有力场的空间运动时,对应的物质波的波长λ和频率ν的表达式为

λ=h/p=h/(mv).⑦

ν=E/h=(mc2)/h.⑧

注意:教材中没有给出频率的表达式.

由①、②、⑦、⑧式知,具有确定能量E、动量p的光子和实物粒子,对应着具有确定频率ν、波长λ的电磁波和物质波,即对应着单色平面简谐波.描述波的运动状态的表达式通常有以下三种形式(设初相φ=0),即

Ψ=Acosω((x/v)-t), ⑨

或Ψ=Acos2π[(x/λ)-(t/T)], ⑩

或Ψ=Acos(kx-ωt). ⑾

式中A为振幅,圆频率ω=2πν,波数k=(2π)/λ,周期T=1/ν,v代表单色平面波的一定的相位向前移动的速度,称为相速度(简称相速,用v相表示).根据相位不变的条件,即

(x/v相)-t=常量(或kx-ωt=常量),

不难解得v相=(dx)/(dt)=ω/k=λ·ν.⑿

因ω和k都是不随时间t和位置坐标x而变化的常量,故单色平面波的相速v 相也是不随t和x而变化的常量,且相速等于波长和频率之积.

对光波而言,将①、②式代入⑿式,得

v相=λν=E/p=c.

这就是教材126面给出的电磁波的波速与频率、波长的关系式.可见,各种频率(或波长)的光波在真空(无色散介质)中的传播速度(相速)都相等,都等于c.

对严格的单色平面物质波来说,将⑦、⑧式代入⑿式,得

v相=ω/k=λν=E/p=c2/v.⒀

上式表明:不同速度的实物粒子动量不同,对应的物质波的波长不同,即使在真空中相速度也不相同.这就是说物质波在真空中也要发生色散,这一点是物质波与光波的显著区别之一.另一方面,单色平面物质波的相速v相虽然在形式上也可表示为波长λ和频率ν的乘积,但根据相对论,实物粒子的力学速度v<c,由上式推知v相>c,显然这是不可能的.笔者认为:这是量子理论与相对论结合产生的一个表现矛盾,说明理论尚不完善,故不能用上式来计算单色平面物质波的相速度.

大家知道,严格的单色平面波在空间和时间的延续上都是无限的,是一种理想的极限情

况,实际上并不存在.实际存在的波都是在有限的空间和有限的时间间隔内发生的波,这样的波称为脉动或波群.理论分析表明[1]:任何形式的脉动都可看成是由无限多个不同频率、不同振幅的单色平面波叠加而成(即可将任何脉动分解成傅里叶级数或傅里叶积分的形式).为了简化问题,假设组成脉动的各单色平面波的振幅都等于A,这样的脉动的运动状态仍可表为

Ψ=A0cos(kx-ωt), ⒁

式中A0=2Acos(Δk·x-δω·t). ⒂

注意脉动的合振幅A0不再是常量,而是随时间和空间在改变,但改变得很缓慢,因为ω和k的微元(Δω和Δk)比ω和k小得多.

对脉动来说,可选定一个确定的合振幅A0,用A0的移动速度来表征脉动的传播速度,叫做脉动的群速度,用u表示.在脉动形变不大和正常色散介质的条件下,群速度u代表脉动所具有的能量传播速度.由⒂式知,A0不变的条件是

δk·x-δω·t=常量.

因δk、δω是不随t和x而变化的变量,把上式两边微分,容易得出群速度的表达式为u=(dx)/(dt)=(δω)/(δk). ⒃

对于任何脉动,组成它的各个成分波(即单色波)的相速度v相是随波长λ而变的,即v相是k的函数,可以证明:相速度v相与对应的群速度u满足如下关系式(瑞利公式),即u=v相-λ(δv相)/(δλ). ⒄

λ(δv相)/(δλ)表示相速对波长的变化率,又称为介质的色散值.对脉动光波而言,光在各种有色散的介质中,λ(δv相)/(δλ)≠0,由⒄式知,群速度小于相速度,即u<v

相.只有在真空中才没有色散,λ(δv相)/(δλ)=0,群速度等于相速度,即u=v 相=λ·ν.

对脉动物质波而言,根据⒃、⑦、⑧式及ω=2πν、k=(2π)/λ,群速度的表达式可写成

u=(dx)/(dt)=(δω)/(δk)=(δE)/(δp). ⒅利用⒅式可以证明群速度等于实物粒子的力学运动速度.因为实物粒子的能量E和动量p的变化发生在有力场作用的空间,设粒子在外力F的作用下,在时间dt里沿着力的方向发生一段位移dx,那么能量的变化δE=F·dx,动量的变化为δp=F·dt,则实物粒子的力学速度为

v=(dx)/(dt)=(Fdx)/(Fdt)=(δE)/(δp)=u. ⒆

可见,粒子的力学速度v等于物质波的群速度u.

不论在真空中还是在其他介质中,物质波都要发生色散,λ(δv)/(δλ)≠0,由⒄式可知,u=v<v相,结合对⒀式所做的分析,可以得出结论:教材中给出的关系式v=fλ不适用于物质波.

2 从统计观点比较实物粒子和光子的波动规律

大家知道光波和物质波都是概率波.在一般情况下,对于光子和实物粒子不能用确定的坐标来描述它们的位置,也无法用轨迹来描述它们的运动,但是光和电子束的衍射实验图样表明,它们在空间各处出现的概率是受波动规律支配的.微观粒子的这种波动性不是由粒子之间的相互作用引起的,而是微观粒子本身的一种属性.为了描述这种波动性,引入波函数概念.沿x方向传播的能量为E、动量为p的自由粒子的波函数(复数形式)的表达式为Ψ=Aei[(kx-ωt)-φ].⒇

注意⑾式就是初相为φ=0时上述波函数的实数部分.波函数的表达式还可写成另一种形式Ψ=Ψ0e[(2πi)/h](px-Et).(21) 式中,k=2π/λ=(2πp)/

h,ω=2πν=(2πE)/h,波函数的振幅Ψ0=Ae-iφ.

值得注意的是,波函数Ψ本身并没有直接的物理意义,有实际物理意义的是波函数模的平方|Ψ|2.根据波函数的统计解释,在满足波函数的归一化条件和标准化条件下,微观粒子在给定时刻在空间某点邻近的单位体积内出现的几率(即几率密度)正比于波函数在该时刻在该点的模的平方,即几率密度|Ψ|2.一般情况下,波函数Ψ是复数,|Ψ|2等于波函数Ψ与其共轭复数Ψ*的乘积,即

|Ψ|2=Ψ·Ψ*.

实验表明:光和电子束衍射图样强度大的地方(亮条纹),恰好也是对应波函数模的平方|Ψ|2大的地方,反之强度小的地方(暗条纹)恰好也是|Ψ|2小的地方,也就是说光子和电子(实

物粒子)在空间分布的概率是受波动规律支配的,从这个意义上说二者是相同的,因此说光波和物质波都是概率波.但是,二者还是有本质区别的[2]:

第一,光是一种电磁波,是电磁场的传播.电磁场一经产生,即使场源消失,因变化的电场和变化的磁场可以相互转化,并以一定的速度继续在空间传播,故电磁波可以脱离场源而独立存在.根据量子场论,各种实物粒子相应对应着一种场(不妨称为粒子场),如电子对应存在电子场,中子对应存在中子场等.对于不带电的中性粒子(如中子),当粒子运动时对应的中性场(处于激发态)在空间传播,形成物质波.一旦中性粒子消失(湮灭),中性场退激到基态,对应的物质波随着消失.

第二,对物质波而言,波函数Ψ可以任意地乘上一个常数D,所得结果不会改变空间各点找到粒子几率的相对大小.例如,波函数DΨ与Ψ比较,只表示前者在空间各点找到粒子的几率密度都是后者的D2倍,显然DΨ和Ψ在描述粒子在空间各点出现几率的相对大小方面是没有什么区别的.但对光波而言,波函数的模的平方|Ψ|2,除了表示光子在空间各点出现的几率外,还有另一层物理意义,即|Ψ|2还表示电磁波在空间各点的强度(也就是能量密度),从这层意义来说,波函数DΨ和Ψ就不能代表同一光波的运动状态了.

三、实物粒子与光子的内在联系

由上述分析可以看出,实物粒子和光子既有区别又有联系,在一定条件下可以相互转化.近代实验表明,高能的电子和正电子对撞发生湮灭,产生一对光子,e-+e+→2γ.这一现象揭示了光子和电子之间存在着深刻的内在联系,这种联系无法用经典物理来解释.按经典物理观点,湮灭前只存在正、负电子,没有光子,湮灭后正、负电子消失,产生光子.那么二者在反应过程中没有一个时刻是同时存在的,它们之间怎么实现相互作用呢?即按超距作用观点解释粒子间的相互作用存在一个表现矛盾.

量子场论认为[3]:湮灭前电子场处于激发态,表现为存在一个电子,电子场激发态的复共轭态表现为存在一个正电子,而与光子对应的电磁场处于基态,表现为没有光子.反应过程中,电子场与电磁场相互作用,电子场退激发到基态,把激发能传递过去引起电磁场的激发,表现为正、负电子湮灭而产生一对光子.量子场论以粒子所对应的场之间的相互作用来说明粒子之间的相互转化,上述表现矛盾不再存在.

高三物理实物粒子的波粒二象性

第三节 实物粒子的波粒二象性 三维教学目标 1、知识与技能 (1)了解光既具有波动性,又具有粒子性; (2)知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性; (3)知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。 (4)了解不确定关系的概念和相关计算; 2、过程与方法 (1)了解物理真知形成的历史过程; (2)了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性; (3)知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。 3、情感、态度与价值观 (1)通过学生阅读和教师介绍讲解,使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就,需要经过一个较长的历史发展过程,不断得到纠正与修正; (2)通过相关理论的实验验证,使学生逐步形成严谨求实的科学态度; (3)通过了解电子衍射实验,使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。 教学重点:实物粒子和光子一样具有波粒二象性,德布罗意波长和粒子动量关系。 教学难点:实物粒子的波动性的理解。 教学方法:学生阅读-讨论交流-教师讲解-归纳总结。 教学用具:课件:PP 演示文稿(科学家介绍,本节知识结构)。多媒体教学设备 (一)引入新课 提问:前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现,那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢?(光是一种物质,它既具有粒子性,又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性,分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实)。 我们不能片面地认识事物,能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗? (二)进行新课 1、光的波粒二象性 讲述光的波粒二象性,进行归纳整理。 (1)我们所学的大量事实说明:光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的,是不同条件下的表现,光子的行为服从统计规律。 (2)光子在空间各点出现的概率遵从波动规律,物理学中把光波叫做概率波。 2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。 hv =ε λ/h p = λ/h p ==c v hv //ελ= 提问:作为物质的实物粒子(如电子、原子、分子等)是否也具有波动性呢? 3、粒子的波动性 提问:谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子?只是因为他大胆吗?(法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功,大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。) (1)德布罗意波:实物粒子也具有波动性,这种波称之为物质波,也叫德布罗意波。

课时跟踪检测(六) 粒子的波动性

课时跟踪检测(六)粒子的波动性 1.[多选]实物粒子和光都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是() A.电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样 B.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构 C.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构 D.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关解析:选ABC干涉是波具有的特性,电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,说明电子具有波动性,A正确;利用慢中子衍射来研究晶体的微观结构,说明中子可以产生衍射现象,具有波动性,B正确;利用电子显微镜观测物质的微观结构,说明电子可以产生衍射现象,具有波动性,C正确;光电效应现象体现的是光的粒子性,D错误。 2.[多选]下列说法中正确的是() A.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性 B.光的频率越大,波长越长 C.光的波长越长,光子的能量越大 D.光在真空中的传播速度为3.0×108 m/s 解析:选AD光既具有波动性又具有粒子性,A正确。由v=λν知B错。由爱因斯坦光子理论ε=hν,v=λν,知波长越长,光频率越小,光子能量越小,C错。任何光在真空中传播速度均为3.0×108 m/s,D正确。 3.(2017·北京高考)2017年年初,我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100 nm(1 nm=10-9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子打碎。据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s)() A.10-21 J B.10-18 J C.10-15 J D.10-12 J 解析:选B光子的能量E=hν,c=λν,联立解得E≈2×10-18 J,B项正确。 4.对波粒二象性的理解,下列说法错误的是() A.光电效应揭示了光的粒子性,而康普顿效应从动量方面进一步揭示了光的粒子性B.德布罗意提出:实物粒子也具有波动性,而且粒子的能量和动量跟它所对应的波的

光的波动性和粒子性

专题二光的波动性和粒子性 考情动态分析 该专题内容,以对光的本性的认识过程为线索,介绍了近代物理光学的一些初步理论,以及建立这些理论的实验基础和一些重要的物理现象.由于该部分知识和大学物理内容有千丝万缕的联系,且涉及较多物理学的研究方法,因此该部分知识是高考必考内容之一.难度适中.常见的题型是选择题,其中命题率最高的是光的干涉和光电效应,其次是波长、波速和频率.有时与几何光学中的折射现象、原子物理中的玻尔理论相结合,考查学生的分析综合能力.此外对光的偏振降低了要求,不必在知识的深度上去挖掘. 考点核心整合 1.光的波动性 光的干涉、衍射现象说明光具有波动性,光的偏振现象说明光波为横波,光的电磁说则揭示了光波的本质——光是电磁波. (1)光的干涉 ①光的干涉及条件 由频率相同(相差恒定)的两光源——相干光源发出的光在空间相遇,才会发生干涉,形成稳定的干涉图样.由于发光过程的量子特性,任何两个独立的光源发出的光都不可能发生干涉现象.只有采用特殊的“分光”方法——将一束光分为两束,才能获得相干光.如双缝干涉中通过双缝将一束光分为两束,薄膜干涉中通过薄膜两个表面的反射将一束光分为两束而形成相干光. ②双缝干涉 在双缝干涉中,若用单色光,则在屏上形成等间距的、明暗相间的干涉条纹,条纹间距 L Δx和光波的波长λ成正比,和屏到双缝的距离L成正比,和双缝间距d成反比,即Δx= d λ.若用白光做双缝干涉实验,除中央亮条纹为白色外,两侧为彩色条纹,它是不同波长的光干涉条纹的间距不同而形成的. ③薄膜干涉 在薄膜干涉中,薄膜的两个表面反射光的路程差(严格地说应为光程差)与膜的厚度有关,故同一级明条纹(或暗条纹)应出现在膜的厚度相同的地方.利用这一特点可以检测平面的平整度.另外适当调整薄膜厚度.可使反射光干涉相消,增强透射光,即得增透膜. (2)光的衍射 ①条件 光在传播过程中遇到障碍物时,偏离原来的直线传播路径,绕到障碍物后面继续传播的现象叫光的衍射.在任何情况下,光的衍射现象都是存在的,但发生明显的衍射现象的条件应是障碍物或孔的尺寸与光波的波长相差不多. ②特点 在单缝衍射现象中,若入射光为单色光,则中央为亮且宽的条纹,两侧为亮度逐渐衰减的明暗相间条纹;若入射光为白光,则除中央出现亮且宽的白色条纹外,两侧出现亮度逐渐衰减的彩色条纹. (3)光的偏振 在与光波传播方向垂直的平面内,光振动沿各个方向均匀分布的光称为自然光,光振动沿着特定方向的光即为偏振光. 自然光通过偏振片(起偏器)之后就成为偏振光.光以特定的入射角射到两种介质界面上时,反射光和折射光也都是偏振光. 偏振现象是横波特有的现象,所以光的偏振现象表明光波为横波.

高三物理粒子的波动性

普通高中课程标准实验教科书—物理(选修3-5)[人教版] 第十七章波粒二象性 新课标要求 1.内容标准 (1)了解微观世界中的量子化现象。比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。 (2)通过实验了解光电效应。知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。 (3)了解康普顿效应。 (4)根据实验说明光的波粒二象性。知道光是一种概率波。 (5)知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了解不确定性关系。 (6)通过典型事例了解人类直接经验的局限性。体会人类对世界的探究是不断深入的。 例1 通过电子衍射实验,初步了解微观粒子的波粒二象性,体会人类对于物质世界认识的不断深入。 2.活动建议 阅读有关微观世界的科普读物,写出读书体会。 新课程学习 17.3 崭新的一页:粒子的波动性

★新课标要求 (一)知识与技能 1.了解光既具有波动性,又具有粒子性。 2.知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。 3.知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。 (二)过程与方法 1.了解物理真知形成的历史过程。 2.了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性。 3.知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。 (三)情感、态度与价值观 1.通过学生阅读和教师介绍讲解,使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就,需要经过一个较长的历史发展过程,不断得到纠正与修正。 2.通过相关理论的实验验证,使学生逐步形成严谨求实的科学态度。 3.通过了解电子衍射实验,使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。 ★教学重点 实物粒子和光子一样具有波粒二象性,德布罗意波长和粒子动量关系。 ★教学难点

大学物理期末试卷(带答案)

大学物理期末试卷(A) (2012年6月29日 9: 00-11: 30) 专业 ____组 学号 姓名 成绩 (闭卷) 一、 选择题(40%) 1.对室温下定体摩尔热容m V C ,=2.5R 的理想气体,在等压膨胀情况下,系统对外所做的功与系统从外界吸收的热量之比W/Q 等于: 【 D 】 (A ) 1/3; (B)1/4; (C)2/5; (D)2/7 。 2. 如图所示,一定量的理想气体从体积V 1膨胀到体积V 2分别经历的过程是:A B 等压过程; A C 等温过程; A D 绝热过程 . 其中吸热最多的 过程 【 A 】 (A) 是A B. (B) 是A C. (C) 是A D. (D) 既是A B,也是A C ,两者一样多. 3.用公式E =νC V T (式中C V 为定容摩尔热容量,ν为气体摩尔数)计算理想气体内能 增 量 时 , 此 式 : 【 B 】 (A) 只适用于准静态的等容过程. (B) 只适用于一切等容过程. (C) 只适用于一切准静态过程. (D) 适用于一切始末态为平衡态的过程. 4气缸中有一定量的氦气(视为理想气体),经过绝热压缩,体积变为原来的一半,问气体 分 子 的 平 均 速 率 变 为 原 来 的 几 倍 ? p V V 1 V 2 A B C D . 题2图

【 B 】 (A)2 2 / 5 (B)2 1 / 5 (C)2 1 / 3 (D) 2 2 / 3 5.根据热力学第二定律可知: 【 D 】 (A )功可以全部转化为热, 但热不能全部转化为功。 (B )热可以由高温物体传到低温物体,但不能由低温物体传到高温物体。 (C )不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程。 (D )一切自发过程都是不可逆。 6. 如图所示,用波长600=λnm 的单色光做杨氏双缝实验,在光屏P 处产生第五级明纹极大,现将折射率n =1.5的薄透明玻璃片盖在其中一条缝上,此时P 处变成中央 明纹极大的位置,则此玻璃片厚度为: 【 B 】 (A) 5.0×10-4 cm (B) 6.0×10-4cm (C) 7.0×10-4cm (D) 8.0×10-4cm 7.下列论述错误..的是: 【 D 】 (A) 当波从波疏媒质( u 较小)向波密媒质(u 较大)传播,在界面上反射时,反射 波中产生半波损失,其实质是位相突变。 (B) 机械波相干加强与减弱的条件是:加强 π?2k =?;π?1)2k (+=?。 (C) 惠更斯原理:任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源,各自发出球面次波;在以后的任何时刻,所有这些次波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面 (D) 真空中波长为500nm 绿光在折射率为1.5的介质中从A 点传播到B 点时,相位改变了5π,则光从A 点传到B 点经过的实际路程为1250nm 。 8. 在照相机镜头的玻璃片上均匀镀有一层折射率n 小于玻璃的介质薄膜,以增强某一波长 的透射光能量。假设光线垂直入射,则介质膜的最小厚度应为: 【 D 】 (A)/n λ (B)/2n λ (C)/3n λ (D)/4n λ P O 1 S 2 S 6. 题图

浅谈光的粒子性

一、浅谈光的粒子性 序 人类的认识往往是在曲折中前进的,对光的认识也是如此。最初,人们对光的本质的认识有两种观点,一种认为光是一种波,而另一种观点认为光是一种粒子,即有光的粒子说和波动说两种说法并存。牛顿认为光是一种匀质硬性小球,这种观点能够较好地解释光的反射、折射及光的直线传播现象。但随着光的干涉、衍射现象的发现,使光的波动说又占了上风;而光电效应的发现,使光的粒子说又重新登上了历史的舞台。但麻烦随之而来,因为光的粒子说无法解释干涉、衍射现象,而光的波动说也无法解释光电效应。于是,有聪明人把波动性和粒子性这两种截然不同的特性揉在一起,创造出了所谓的光的波粒二象性,并且自以为对物质的认识又前进了一大步,这还不算,他们又进而推广认为一切物质都有波粒二象性,这恐怕也是没有办法的办法。就在人们为波粒二象性这种新提法而洋洋自得的时候,殊不知,却丧失了一次认识光子内部结构的极好机会。而此后,人们若要揭示光的本性,就要承受更大的压力,排除更多的干扰,做更多不必要的工作。本文将从光的干涉、衍射现象入手,全面揭示光的本性--粒子性…… 1、光的本性――粒子性 光的本性是什么?这个问题似乎无需讨论。物理学家会告诉你,光具有波粒二象性,是一种物质波;实际上一切物体都具有波动性,只不过宏观物质的物质波较短,更多时候其表现出粒子性而已。这样

的回答不禁使人想起一个幽默: 有人问:“地球为什么是圆的?” 答曰:“因为它在转” 又问:“地球为什么在转?” 答曰:“因为它是圆的” 光是什么?━━光是一种物质波。 光为什么是物质波?━━因为它有波粒二象性。 光为什么有波粒二象性呢?━━因为它是一种物质波。 我们痛心地发现,这个简单的近乎无聊的逻辑被人滥用到了令人吃惊的程度,在当今物理学中,似乎不谈物质波、相对论就显得落伍、水平不高什么的。那么,物质波是什么东西呢?恐怕只有极少数的聪明人才知道!我从来就认为光是一种粒子。这种观点可以解释光的直线传播、反射等等现象,但是光子说的确“无法解释光的干涉、衍射现象”。长久以来,我一直在思考如何解释这个问题,而光的干涉现象、衍射现象无疑是建立光子说的最大障碍。所以要想建立光子说,必须首先突破干涉现象、衍射现象的瓶颈。如何认识光的干涉现象、衍射现象呢?我们认为需要从两个方面入手,一方面是光子内部结构问题,另一方面是引力场的问题,这两方面要统筹考虑。。牛顿的光子说仅仅把光子看作一种简单的匀质硬性小球,这实际上是对光子的内部复杂结构认识不足,我们认为,光子并不是“匀质硬性小球”,它有极其复杂的内部结构,而光的干涉现象和衍射现象实际上是我们通过引力场认识光子内部结构的极好机会。

高中物理-粒子的波动性练习

高中物理-粒子的波动性练习 我夯基我达标 1.下列哪组现象能说明光具有波粒二象性() A.光的色散和光的干涉 B.光的干涉和光的衍射 C.光的反射和光电效应 D.泊松亮斑和光电效应 思路解析:光的色散、光的反射可从波动性与粒子性两方面分别予以理解,故A、C选项错误.光的干涉、衍射现象只说明了光的波动性,B选项错误.泊松亮斑能说明光具有波动性,光电效应说明具有粒子性,故D选项正确. 答案:D 2.对光的认识,下列说法正确的是() A.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性 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,光表现出粒子时,就不再具有波动性 D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现得明显,在另外的某种场合下,光的粒子性表现得明显 思路解析:本题考查的是光的波粒二象性,光是一种概率波,少量光子的行为往往易显出粒子性,而大量光子的行为往往显示出其波动性,A选项正确.光的波动性不是由于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. 答案:ABD 3.下列说法正确的是() A.光的波粒二象性学说就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电磁理论 C.光子说并没有否定电磁说,在光子的能量E=hν中,ν(频率)就是波的特征量 D.光波不同于宏观观念中的那种连续的波,它是表明大量光子运动规律的一种概率波 思路解析: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;光同时还是一种概率波,可以用波动规律来解释,但与惠更斯的波动说中的光是一种机械波有本质区别,因而A错而D对.在光的波粒二象性中,光子能量E=hν中,ν表示了波的特征,因而并没有否定麦克斯韦的电磁说,B错C对. 答案:CD 4.对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.光子与电子是同一种粒子,光波与机械波是同样一种波 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,在光子的能量E=hν中,频率ν仍表示的是波的特性 思路解析:根据波粒二象性,光同时具有波动性和粒子性,A选项错误.不同于宏观观念的粒子和波,故B选项错误.光的波动性是光子本身固有的性质,不是光子之间相互作用引起的,C选项错误.光子的能量与其对应的能量成正比,而频率是反映波动特征的物理量,因此E=hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系,光子说并未否定电磁说,故D选项正确. 答案:D

实物粒子与光子的比较

实物粒子与光子的比较 学习了高中《物理》第二册(必修)第十九章光的本性后,学生初步认识到:物理学把物质分为两大类,一类是质子、中子、电子等,叫做实物(粒子);另一类是电场、磁场等,统称场.光在本质上是一种电磁波(传播着的电磁场),组成电磁场的基本成分是光子,光子具有波粒二象性.另一方面,根据德布罗意假设,任何一个实物粒子及由它们组成的物体,都对应着一种波,叫做物质波或德布罗意波,实物粒子也具有波粒二象性.学生对上述近代物理初步知识的学习兴趣很浓,但也普遍存在如下困惑:既然实物粒子和光子都具有波粒二象性,与它们联系着的物质波和光波又都是概率波,那么它们有何区别?实物粒子的运动速率v是否就是物质波的传播速度?公式v=λf是否适用于物质波?实物粒子与光子之间有何内在联系呢?虽然这些问题已经超出高中物理教学大纲的要求范围,但对教师来说在教学研究中回顾、关注并弄清这些问题,才能做到高屋建瓴、心中有数,对充分发挥教师在教学中的主导作用,针对学生存在的疑问给予简明扼要、恰到好处的点拨,还是非常必要的. 一、从粒子性方面比较 实物粒子和场是物质存在的两类不同的形态,一切微观粒子的粒子性特征表现为它们都具有能量、动量和质量.由光子说和相对论可知,与电磁波密切联系着的光子没有静质量(m0=0),但具有能量E、动量p和动质量(相对论质量)m,即 E=hν=mc2,①p=mc=E/c=h/λ,②m=E/c2=(hν)/c2.③ 式中h为普朗克常量,ν和λ分别为对应的光波的频率和波长,c为真空中的光速.因光子的能量是量子化的(一份一份的)且每一份能量不能任意取值(由玻尔原子理论的跃迁假设决定),故光子的质量、动量也是量子化的且不能任意取值.实物粒子的静质量不为零,考虑到实物粒子的速度可能很大(接近光速),根据相对论可知,其质量、能量和动量的表达式为 ④ m=m0/, ⑤ E=mc2=(m0c2)/, ⑥ p=mv=(m0c)/. 从粒子性特征即粒子具有量子化的能量、动量、质量方面来看,光子和实物粒子是相同的,但它们又有根本的区别,主要表现在以下几个方面: (1)实物粒子可以任意的速度在空间运动,其值与参考系的选择有关,具有相对性;而与电磁场相联系的光子,不论其频率ν多大,在真空中都以相同的速度c运动,且与参考系的选择无关(光速不变原理). (2)因为实物粒子的相对论质量、能量、动量都与速度有关,所以其值也是相对的,且可任意取值;与实物粒子不同,光子没有静质量(没有静止的光子),光子的质量、动量、能量与参考系的选择无关,且不能任意取值. (3)实物粒子占据的空间不能同时被另一个实物粒子所占据,但几个电磁场可以相互叠加而占据同一空间,所以与电磁场联系着的几个光子也可以占据同一空间. 实物粒子和光子虽然在上述几个方面有根本区别,但它们都是微观粒子,除了它们的物质性、量子性相同外,还有一点是相同的,即它们都不是经典物理意义下的粒子.量子力学告诉我们:要想同时精确测定微观粒子的位置x和动量p 是不可能的.换言之,位置的不确定量Δx和动量的不确定量Δp的乘积不可能小于一个常量h/(4π),即Δx·Δp≥h/(4π). 这个关系式叫做不确定性关系式(海森堡测不准关系式). 二、从波动性方面比较 1 比较物质波与光波的传播速度 根据德布罗意假设,质量为m、速度为v的实物粒子在没有力场的空间运动时,对应的物质波的波长λ和频率ν的

2019届高三物理二轮复习光的粒子性题型归纳

2019届高三物理二轮复习光的粒子性题型归纳 类型一、光的本性的认识 例1、关于光的本性,下列说法中正确的是() 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、光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来 【思路点拨】理解光的本性,波动性的特征及代表人物,粒子性的特征及代表人物。 【答案】C 【解析】光具有波粒二象性,这是现代物理学关于光的本性的认识,光的波粒二象性不同于牛顿提出的微粒说和惠更斯的波动说,是爱因斯坦的光子说和麦克斯韦的电磁说的统一。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,故ABD错误,C对。【总结升华】光既有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性,这就是光的本性。 举一反三 【变式1】根据爱因斯坦的“光子说”可知() A. “光子说”本质就是牛顿的“微粒说” B. 光的波长越大,光子的能量越小 C. 一束单色光的能量可以连续变化 D. 只有光子数很多时,光才具有粒子性 【答案】B 【解析】爱因斯坦的“光子说”与牛顿的“微粒说”本质不同,选项A错误。由 c E h λ =可 知选项B正确。一束单色光的能量不能是连续变化,只能是单个光子能量的整数倍,选项C 错误。光子不但具有波动性,而且具有粒子性,选项D错误。 【变式2】关于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,其波动性就越显著;波长越短,其粒子性就越显著 D. 光子的数量越少波动性就越显著;光子的数量越多粒子性就越显著

高中物理-粒子的波动性练习

高中物理-粒子的波动性练习 A组 1.人类对光的本性的认识经历了曲折的过程.下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是() A.牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的 B.光的双缝干涉实验显示了光具有波动性 C.麦克斯韦预言了光是一种电磁波 D.光具有波粒二象性 解析:牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒,爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量,显然选项A错;干涉、衍射是波的特性,光能发生干涉说明光具有波动性,选项B正确;麦克斯韦根据光的传播不需要介质,以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等从而认为光是一种电磁波,后来赫兹用实验证实了光的电磁说,选项C正确;光具有波动性与粒子性,称为光的波粒二象性,选项D正确. 答案:BCD 2.用很弱的光做双缝干涉实验,把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在,如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片.这些照片说明() A.光具有粒子性 B.光具有波动性 C.光既有粒子性,又有波动性 D.光的波动性不是光子之间的相互作用引起的 解析:少量光子通过双缝后照片上呈现不规则分布的亮点显示了光的粒子性,大量光子通过双缝后照片上获得了双缝干涉条纹,说明光具有波动性;光子先后依次通过双缝,说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的.故选项C、D正确. 答案:CD 3.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 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,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,选项A错误. 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一种粒子,选项B错误. 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,D错误. 答案:C 4.下列说法正确的是()

实物粒子的波粒二象性

实物粒子波粒二象性的介绍 今年十月份,在西安召开的物理创新大会上,有幸结识了熊承坤先生。熊老先生给我看了一张照片,照片上是气泡在水中上升的轨迹,是一个非常漂亮的波浪线。这充分说明了实物粒子具有波动性。 回来后我购置了实验器材,亲自做了这方面的实验,发现实验效果非常直观、明显。 下面我简要把气泡的运动特点介绍一下: 1)气泡从针孔中刚冒出时,要经历一小段直线加速过程,当速度达到一定值时开始做规则的波动。这时速度趋于恒定。 2)气泡越大,波长越短;气泡越小,波长越长。当气泡过于小时,它在水中上升的速度一直很小,形成不了波动,在水中直线上升。 3)气泡形成波动时,虽然波长不同,但对应的速度几乎相等。 4)一个气泡的波动轨迹并不在同一平面内,是螺旋上升的;俯视,其为椭圆。 这是实物粒子具有波粒二象性最直观、明显的例子。

为什么在空气中运动的子弹、小球等不会有明显的波动性呢? 为什么在水中运动的气泡会有的波动性呢? 这恰恰说明实物粒子之所以具有波动性,是当它们运动时,受其周围介 质作用的结果。 在空气中运动的子弹、小球等之所以不会有明显的波动性,是因为空气 的密度较小,而子弹、小球的质量较大,空气对子弹、小球的作用很难体现。 在水中运动的气泡之所以有明显的波动性,是因为水的密度较大,而气泡的质量较小,水对运动的气泡的作用使气泡产生了明显的波动。 为什么在真空中高速运动的电子、中子等会具有的波动性呢? 这恰恰说明真空不是空的,真空中有某种物质存在。这种物质对运动的电子、中子作用使它们产生波动。 在此,我们应把波动分类: 1)像我们常见的在绳子上传播的绳波,在水中传播的水波等,这些波传播的是振动,媒质并没随波动传播。例如,绳子也好、水也好它们本身并没有随波动传播出去。 2)另一类就完全不同,像水中运动的气泡,像高速运动的电子、中子等,它们是实实在在的粒子在运动,由于与介质的作用,使它们的运动呈现出波动性。 了解了波动的不同分类,我们就容易认清光的本质了。 从光电效应、康普顿效应等可以看出,光具有明显的粒子性,所以说光子是实实在在的粒子。 光子在影子物质空间中高速运动,使其具有了波动。 光子质量越大,所对应的波长越短,频率越大。 在此我强调一下,光子是有质量的,光子质量为: 2c h m γ=

实物粒子的波粒二象性

3光的波粒二象性 4实物粒子的波粒二象性 (时间:60分钟) 知识点一康普顿效应 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 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=h p,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. 答案 D 2.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′ 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E=hν=h c λ,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E′=hν′=h c λ′,由E>E′,可知λ<λ′,选项C正确. 答案 C 3.频率为ν的光子,具有的动量为hν c,将这个光子打在处于静止状态的电子上, 光子将偏离原来的运动方向,这种现象称为光的散射.散射后的光子 ().A.虽改变原来的运动方向,但频率保持不变 B.光子将从电子处获得能量,因而频率将增大 C.散射后光子的能量减小,因而光子的速度减小 D.由于电子受到碰撞,散射后的光子频率低于入射光的频率 解析由动量公式p=h λ,在康普顿效应中,当入射光子与电子碰撞时,要把 一部分动量转移给电子,因而光子动量变小,波长变长,频率变小.而光的传播速度不变. 答案 D 知识点二光的波粒二象性 4.物理学家做了一个有趣的实验:如图4-3、4-2所示,在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,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,底片上只出现一些不规则的点;如果

《粒子的波动性》优秀教学设计

《粒子的波动性》优秀教学设计 这是一篇由网络搜集整理的关于《粒子的波动性》优秀教学设计的文档,希望对你能有帮助。 本节教材涉及物质波概念的建立和物质波的实验检验等知识,突出科学家探索物质波的历程和类比思维方法的运用,是对学生进行科学思维教育的好题材,在教学中要使学生能从科学家的工作中感悟科学探究,特别是科学家如何向固有的观念、认识挑战,提出大胆的猜想和假说,如何寻找有效的方法加以验证。 学生已经学习了光的粒子性和波动性,但是实物粒子同时具有波动性和粒子性学生较难理解,在经典物理学中,物质的波动性和粒子性是互不相容的,二者是两种不同的研究对象,波和粒子这两个概念是互相排斥的,所以实物粒子波动性的理解是教学的难点。 二、教学目标 1.通过实验分析,了解光的波粒二象性的内容,感受微观粒子运动的复杂性。 2.知道实物粒子具有波动性,领会对称的研究方法,感悟科学家的探究精神。 3.通过对物质波的实验验证内容的学习,感受实验研究这一重要的研究方法。 4.通过对科学漫步的阅读,感受科学的成就推动了技术的进步。 三、教学过程 1.辩证统一——光的波粒二象性

围绕如下几个问题展开: 问题一:前面我们学习了许多关于光的知识,光到底是什幺?你的依据又是什幺? 学生回答后教师归纳:光有波的性质,我们称为光的波动性,光有粒子的性质,我们称为光的粒子性;光既有波动性,又有粒子性,即光具有波粒二象性。光真可谓“横看成岭侧成峰”! 问题二:光的这两种性质有无联系?它们的关系又是怎样? 上节学习中知道一份光子的动量、能量的基本关系式,如图1:左侧是描述物质的粒子性的重要物理量;右侧是描述物质的波动性的典型物理量。普朗克常数h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 问题三:光是那幺的熟悉,那幺的亲切,可人类对光的认识构成了一部科学史诗,揭开它的庐山真面目,认识它的波动性和粒子性真难!为什幺全面认识光的性质那幺难? 教师指出:光有波粒二象性是一种实验事实,但光不是经典意义上的粒子,也不是经典意义上的波,需要借助事实去想象。光有时表现出波动性,有时表现出粒子性,它们均反映了光的本质的一个侧面。这在宏观世界看是矛盾的现象,在微观世界,却是统一的,在光身上,我们看到了波动性与粒子性的统一、连续性与间断性的统一。 【设计意图】借助图片展示、结合实验事实的讨论,以及教师的启发性讲述,帮助学生根据事实去想象、理解和把握光的多面性。 2.类比假说——粒子波动性的提出 教师讲述:当时的许多科学家对光具有波粒二象性还持怀疑态度时,有一

科学家同时观察到光的粒子性与波动性

科学家同时观察到光的粒子性与波动性(图) 上面的想象图演示的是单光子穿过干涉仪时的情景,干涉仪的输出端装有量子分光镜。图中远处可以看到正弦振荡的波形,表示的是单光子干涉,是一种波动现象。而在图片近处,观察不到振荡,说明只表现出粒子的特性。在两种极端之间,单光子的行为连续不断地从波的形式向粒子形式转变,图中显示了这两种状态 的重叠。 受艺术家毛里茨·科内利斯·埃舍尔作品的启发绘制的艺术图,显示了光在粒子态和波形态之间的连续变 化。

受艺术家毛里茨·科内利斯·埃舍尔作品的启发绘制的艺术图,显示了光在粒子态和波形态之间的连续变 化。 阿尔贝托·佩鲁佐(左)和彼得·夏伯特(右),研究论文的并列第一作者。 实验中用以检测波粒二象性的量子光子芯片。单光子通过光纤进入环路,在输出端被极其敏感的探测器检测到。

新浪科技讯北京时间11月8日消息,长久以来,人们都知道光既可以表现出粒子的形式,也可以呈现波动的特征,这取决于光子实验测定时的方法。但就在不久之前,光还从未同时表现出这两种状态。 关于光是粒子还是波的争论由来已久,甚至可以追溯到科学最初萌芽的时候。艾萨克·牛顿提出了光的粒子理论,而詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁学理论认为光是一种波。到了1905年,争论出现了戏剧性的变化。爱因斯坦提出光是由称为“光子”的粒子组成,借此解释了光电效应。他也因此获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的发现对物理学影响深远,并为后来量子力学的发展作出了重大贡献。 量子力学在对微小粒子,如原子和光子的行为预测上,具有惊人的准确性。然而,这些预测非常违反直觉。比如,量子理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现,甚至是同时在无穷多的地方出现,就像波的行为一样。这种被称为“波粒二象性”的概念,也适用于所有的亚原子粒子,如电子、夸克甚至希格斯玻色子等。波粒二象性是量子力学理论系统的基础,诺贝尔奖获得者理查德·费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”。 刊于《科学》杂志上的两组独立研究,利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变进行了测定,以揭示光的本质面貌。两组研究都来源于理论物理学家约翰·惠勒于上个世纪80年代进行

讲义 - 光的波动性和粒子性

龙文教育学科教师辅导讲义 教师:______ 学生:______ 时间:_____年_____月____日____段 1929年,德布罗意因对实物粒子波动性的揭示而获得诺贝尔物理学奖.在授奖仪式上,瑞典物理学家卡尔·乌辛把德布罗意介绍给全体与会者,并发表了如下的讲话: “有一首每个瑞典人都很熟悉的诗是这样开头的:‘我的生活——就是波’.诗人也可以这样来表达他的思想:‘我——就是波’.他最好这样表达,这样,他的诗句也将包含着对物质性质最深刻认识的先觉.从现在起,这样的认识已是我们都能接受的了……” 3年高考平台 一、选择题 1.研究光电效应规律的实验装置如图16-1所示,以频率为ν的光照射光电管阴极K 时,有光电子产生.由于光电管K 、A 间加的是反向电压,光电子从阴极K 发射后将向阳极A 作减速运动.光电流i 由图中电流计G 测出,反向电压U 由电压表V 测出.当电流计的示数恰好为零时,电压表的示数称为反向截止电压U 0.在下列表示光电效应实验规律的图像中,错误的是( ) 图16-1 图16-2 答案:B 2.现有a 、b 、c 三束单色光,其波长关系为λa >λb >λc .用b 光束照射某种金属时,恰能发生光电效应.若分别用a 光束和c 光束照射该金属,则可以断定( ) A.a 光束照射时,不能发生光电效应 B.c 光束照射时,不能发生光电效应 C.a 光束照射时,释放出的光电子数目最多 D.c 光束照射时,释放出的光电子的最大初动能最小 答案:A 二、非选择题 3.(1)人们发现光电效应具有瞬时性和对各种金属都存在极限频率的规律.请问谁提出了何种学说很好地解释了上述规律?已知锌的逸出功为3.34 eV ,用某单色紫外线照射锌板时,逸出光电子的最大速度为106 m/s ,求该紫外线的波长λ(电子质量m e =9.11×10-31 kg ,普朗克常量h=6.63×10-34 J ·s,1 eV=1.60×10-19 J ). (2)风力发电是一种环保的电能获取方式.图16-3为某风力发电站外观图.设计每台风力发电机的功率为40 kW.实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%,空气的密度是1.29 kg/m 3,当地水平风速约为10 m/s ,问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求?

第3节 粒子的波动性(教师版)

第3节粒子的波动性

一、光的波粒二象性 1.波粒二象性:光既具有波动性,又具有粒子性. 2.光子的能量和动量:光子的能量ε和动量p 可分别表示为:ε=hν,p =h λ.能量ε和动 量p 是描述物质粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质波动性的典型物理量.普朗克常量h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁. 二、粒子的波动性及物质波的实验验证 1.粒子的波动性 (1)德布罗意波:每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫物质波. (2)物质波的波长、频率关系式: 波长:λ=h p ,频率:ν=ε h . 2.物质波的实验验证 (1)实验探究思路:干涉、衍射是波特有的现象,如果实物粒子具有波动性,则在一定条件下,也应该发生干涉或衍射现象. (2)实验验证:1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性. (3)说明 ①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于这些粒子,德布罗意给出的ν=εh 和λ=h p 关系同样正确. ②宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很小,根本无法观察到它的波动性. 判一判 (1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性.( ) (2)光子数量越大,其粒子性越明显.( ) (3)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子.( ) (4)湖面上的水波就是物质波.( ) (5)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性.( ) 提示:(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√

做一做 (多选)对光的认识,下列说法中正确的是( ) 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:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显 提示:选ABD.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;光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性;光的波动性与粒子性都是光的本质属性,因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律,故正确选项有A 、B 、 D. 对光的波粒二象性的理解 (多选)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 .康普顿效应表明光具有粒子性

2018版高中物理第四章波粒二象性4.4实物粒子的波粒二象性4.5不确定关系导学案教科版选修3-5

4 实物粒子的波粒二象性 5 不确定关系 [目标定位] 1.了解德布罗意假说的内容,知道德布罗意波的波长和粒子动量的关系.2.知道粒子和光一样具有波粒二象性,了解电子波动性的实验验证.3.初步了解不确定关系的内容,感受数学工具在物理学发展过程中的作用. 一、粒子的波动性 1.德布罗意波 任何一个运动的物体都有一种波与它相对应,这种波叫物质波,也称为德布罗意波. 2.物质波的波长、频率关系式:E=hν,p=h λ . 3.电子波动性的实验证实 (1)最早从实验上证实电子衍射现象的是美国的戴维孙和革末,他们做了电子束在晶体表面上散射的实验,观察到了和X射线衍射类似的电子衍射现象,首次证实了电子的波动性. (2)汤姆孙做电子束穿过多晶薄膜的衍射实验,也证实了电子的波动性. 二、氢原子中的电子云 1.定义:用点的多少表示的电子出现的概率分布. 2.电子的分布:某一空间范围内电子出现概率大的地方点多,电子出现概率小的地方点少.电子云反映了原子核外电子位置的不确定性,说明电子对应的波也是一种概率波. 三、不确定关系 1.定义:在经典物理学中,一个质点的位置和动量是可以同时测定的,在微观物理学中,要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的,这种关系叫不确定性关系. 2.表达式:ΔxΔp x≥h 4π .其中以Δx表示粒子位置的不确定量,以Δp x表示粒子在x方向上的动量的不确定量,h是普朗克常量. 3.不确定关系在微观世界与宏观世界中的不同作用 在微观世界里,由于粒子的波动性比较显著,粒子的不确定关系表现比较明显,但在宏观世界里,由于其德布罗意波长非常小,宏观粒子的波动性根本无法察觉,所以宏观物体的不确定关系不需要考虑. 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

粒子的波动性 说课稿 教案

粒子的波动性 【教学目标】 (一)知识与能力 1.了解光既具有波动性,又具有粒子性。 2.知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。 3.知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。 (二)过程与方法 1.了解物理真知形成的历史过程。 2.了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性。 3.知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。 (三)情感、态度与价值观 1.通过学生阅读和教师介绍讲解,使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就,需要经过一个较长的历史发展过程,不断得到纠正与修正。 2.通过相关理论的实验验证,使学生逐步形成严谨求实的科学态度。 3.通过了解电子衍射实验,使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。 【教学重重点】 实物粒子和光子一样具有波粒二象性,德布罗意波长和粒子动量关系。 【教学重难点】 实物粒子的波动性的理解。 【教学方法】 学生阅读-讨论交流-教师讲解-归纳总结 【教学器材】 课件:PP演示文稿(科学家介绍,本节知识结构)。多媒体教学设备。 【课时安排】 1 课时 【教学过程】 ◆新课导入 光一直被认为是最小的物质,虽然它是个最特殊的物质,但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上,整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。 从光的直线传播、反射定律看,光很象是一种弹性良好的粒子流(用惯性、动量守恒解释)。而且,从光的折射方面考察,它和粒子之间似乎也有某种共性(譬如,网球往水中的折射,也会满足一个入射角和折射角的正弦之比为恒量的规律),因此,十七世纪,人们提出光是实物粒子流(粒子足够小、弹性足够好),持这种观点的代表是牛顿。 但是,光在传播时,也有一些用微粒说不能解释的现象,如衍射、干涉、偏振等。这些都是波动的典型特征。于是,十七世纪中叶,就已经出现了光是一种波的学说,坚持波动说

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