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4.2.2 光电效应
一、自主学习
（一）康普顿效应和光子的动量
1.光的散射:光在介质中与_________相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。
2.康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长_________λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
（二）光的波粒二象性
1.大量光子产生的效果显示出_________,比如干涉、衍射、偏振现象表明光在传播过程中具有波动性。
2.个别光子产生的效果显示出_________,比如光电效应、康普顿效应等,这些都体现了光的粒子性。
3.光既具有波动性又具有粒子性,即光具有__________________。
二、课堂探究
[情景设问]白天的天空各处都是亮的；航天员在大气外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他地方的天空却是黑的，甚至可以看见星星。这是为什么？
宇宙几乎是真空的，在广阔的宇宙空间中几乎没有物质，所以宇宙中的“天”才是黑的。
（一）康普顿效应和光子的动量
结论1：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做________。
康普顿实验
结论2：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长________相同的成分外，还有波长大于________的成分，这个现象称为________康普顿效应。
[思考]按照经典物理学的理论，由于光是电磁振动的传播，入射光引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。
散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的頻率，因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不会出现λ＞λ0的散射光。
怎么解释这一现象呢？
结论3：光子不仅具有________，而且具有________，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为________。
光子既有能量也有动量
结论4：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。动量p减小，意味着波长λ变________，因此，这些光子散射后波长变________。
[思考]光本质上到底是什么？
杨氏双缝干涉实验
( 新建文件夹 / 双缝干涉实验.mp4 )
曝光时间很短时，感光片上出现杂乱无章的亮点．
结论5：类似子弹打到靶上留下的弹孔，体现出光具有______性。
长时间，感光片上出现清晰的干涉条纹。
结论6：体现出光具有______性。
[思考]列表展示光的波动性与粒子性的联系和区别
结论7：
体现 理解 与宏观概念的区别
光的波动性 大量光子/传播过程中/波长较长时波动性越________ 足够能量的光在传播时，表现出波的性质 波动性是光子本身的属性，不是光子间相互作用产生的
光的粒子性 少量光子/与其他物质作用时/波长较短时粒子性越________ 与其他物质发生作用时，是“________”的 单个光子的运动轨迹不确定
联系 光的粒子性和波动性并不是独立的，而是统一于光子，由普朗克常量联系起来： =________ p=________
光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性。
[思考]是否所有光子都落在亮条纹所在的区域，而没有光子到达暗条纹处？
结论8：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率________的地方，暗条纹是光子到达概率________的地方，因此光波又叫________。
[讨论]尝试论述光的波动性与粒子性的统一。
结论9：
（1）大量光子产生的效果显示出________性，比如干涉、衍射现象；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。和其他物质相互作用时，________性起主要作用。
（3）光子的能量与其对应的________成正比，而频率是波动性的特征物理量，因此ε = hν 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。
（4）对不同频率的光，频率低、波长长的光，________性特征显著；而频率高、波长短的光，________性特征显著。
（5）光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出________性。
三、典题精讲
【例题1】康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子(　　)
A.可能沿1方向,且波长变短
B.可能沿2方向,且波长变短
C.可能沿1方向,且波长变长
D.可能沿3方向,且波长变长
【例题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'
4、核心素养专练
1．光电子飞出金属表面的动能大小取决于（　　）
A．入射光的频率
B．入射光的强度
C．金属板的表面积
D．入射光与金属板之间的夹角
2．在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，光电子的最大初动能取决于入射光的（　　）
A．频率 B．照射时间 C．强度 D．光子数目
3．红、黄、蓝、紫四种单色光中，光子能量最大的是（　　）
A．红光 B．黄光 C．蓝光 D．紫光
4.光子的能量与其（　　）
A．频率成正比 B．波长成正比
C．速度成正比 D．速度平方成正比
5.如图四幅图中涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（　　）
A．图甲：爱因斯坦通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一
B．图乙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的
C．图丙：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子
D．图丁：根据电子束通过铝箔后的衍射图样，可以说明电子具有粒子性
6.用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在胶片上先后出现如图甲、乙、丙所示的图象，则下列说法错误的是（　　）
A．图象甲表明光具有粒子性
B．实验表明光是一种概率波
C．用紫外线光做实验，观察不到类似的图象
D．实验表明光的波动性不是光子间相互作用引起的
7.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．光子和电子是同种粒子，光波和机械波是同种波
C．光的波动性是由于光子间的相互作用形成的
D．光子说中光子的能量E=hν表明光子具有波的特征
8．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
9.动能相等的质子和α粒子的德布罗意波长之比为___________，动量之比为2：1的两光子的能量之比为___________。
10.一个速率为v的正电子与一相等速率的电子相向正碰，产生两个光子，此过程中电子的动能和质量亏损对应的能量全部转化为光子的能量。已知电子质量为m，光速为C，则产生光子的波长为___________，动量为___________。
参考答案
自主学习
（一）物质微粒 大于
（二）波动性 粒子性 波粒二象性
课堂探究
结论1：光的散射
结论2：λ0 λ0 康普顿效应
结论3：能量 动量 p=h/λ
结论4：大 大
结论5：粒子
结论6：波动
结论7：明显 明显 一份一份 hv h/λ
结论8：大 小 概率波
结论9：波动 粒子 频率 波动 粒子 粒子
典题精讲
【例题1】C
【例题2】C
核心素养专练
1.A
2.A
3.D
4.A
5.B
6.C
7.D
8.D
9.2：1，2：1
10.2hc/(2mc2+mv2)；mv2/2c+mc
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