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高中物理选择性必修三素养提升学案
第四章 原子结构和波粒二象性
4.2 光电效应（第2课时）
一、新课标要求
1.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量。
2. 理解光的波粒二象性及其对立统一的关系，会用光的波粒二象性分析有关现象。
二、科学素养要求
1.物理观念:知道康普顿效应、光子的概念，能解释相关现象，树立粒子性观念。
2.科学思维:掌握相关规律，提高分析问题、解决问题的能力。
3.科学探究:通过对光电效应规律的探究，揭示实验规律，学会与他人合作交流，培养探究意识，提高实验能力。
4.科学态度与责任：培养实事求是的科学态度和精神。
三、教材研习
探究点一、康普顿效应
情境探究
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。
（1）则碰后光子可能沿图中1、2、3中哪个方向运动。
（2）碰后光子的波长怎样变化？
归纳
1.康普顿效应的几点认识
（1）光电效应主要用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。
（2）光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律。
（3）假定射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
（4）康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。
2.光子的能量和动量
能量和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率是描述物质的波动性的典型物理量。和揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。
探究应用
【典例】 (多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对射线的散射时，发现在散射的射线中，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。关于康普顿效应，以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加
.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，碰撞后的波长为，则碰撞过程中( )
A.能量守恒，动量守恒，且
B.能量不守恒，动量不守恒，且
C.能量守恒，动量守恒，且
D.能量守恒，动量守恒，且
为λ的光子能量为，动量为，为普朗克常量，为光在真空中的传播速度。科研人员用强激光竖直向上照射一水平放置的小玻璃片，激光子全部被吸收，产生的“光压”把小玻璃片托在空中。若小玻璃片质量为，重力加速度为，则激光的发射功率为( )
A.
B.
C.
D.
二象性
情境探究
1.科学家在对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：光的单缝衍射实验（图甲）、光的双缝干涉实验（图乙）、光电效应实验（图丙）、光的薄膜干涉实验（图丁）、康普顿效应实验。
（1）在以上实验中哪些体现了光的波动性，哪些体现了光的粒子性？
（2）光的波动性和光的粒子性是否矛盾？
探究归纳
1.光本性学说的发展简史
学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性
代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 —
实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波的速度 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
2.对光的波粒二象性的理解
项目 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）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
探究应用
【典例】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.光子与电子是同样的一种粒子，光波与机械波是同样的一种波
C.当光和物质相互作用时表现出粒子性
D.光在传播过程中表现出波动性
于光的波粒二象性的几点说明
（1）光既有波动性又有粒子性，二者是统一的。
（2）大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性，光具有波粒二象性。
（3）光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已；光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已。
迁移应用
1.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，两种性质是不相容的
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
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高中物理选择性必修三素养提升学案
第四章 原子结构和波粒二象性
4.2 光电效应（第2课时）
一、新课标要求
1.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量。
2. 理解光的波粒二象性及其对立统一的关系，会用光的波粒二象性分析有关现象。
二、科学素养要求
1.物理观念:知道康普顿效应、光子的概念，能解释相关现象，树立粒子性观念。
2.科学思维:掌握相关规律，提高分析问题、解决问题的能力。
3.科学探究:通过对光电效应规律的探究，揭示实验规律，学会与他人合作交流，培养探究意识，提高实验能力。
4.科学态度与责任：培养实事求是的科学态度和精神。
三、教材研习
探究点一、康普顿效应
情境探究
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。
（1）则碰后光子可能沿图中1、2、3中哪个方向运动。
（2）碰后光子的波长怎样变化？
答案：（1）因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可知碰后光子运动的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向。
（2）通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由知，频率变小，再根据知，波长变长。
探究归纳
1.康普顿效应的几点认识
（1）光电效应主要用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。
（2）光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律。
（3）假定射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
（4）康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。
2.光子的能量和动量
能量和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率是描述物质的波动性的典型物理量。和揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。
探究应用
【典例】 (多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对射线的散射时，发现在散射的射线中，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。关于康普顿效应，以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加
答案： ;
解析：康普顿效应说明光具有粒子性，项错误，、项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，项错误。
迁移应用
1.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，碰撞后的波长为，则碰撞过程中( )
A.能量守恒，动量守恒，且
B.能量不守恒，动量不守恒，且
C.能量守恒，动量守恒，且
D.能量守恒，动量守恒，且
答案：
解析：光子与电子碰撞时遵循动量守恒定律和能量守恒定律。光子与电子碰撞前光子的能量，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，由，可知，项正确。
2.已知波长为λ的光子能量为，动量为，为普朗克常量，为光在真空中的传播速度。科研人员用强激光竖直向上照射一水平放置的小玻璃片，激光子全部被吸收，产生的“光压”把小玻璃片托在空中。若小玻璃片质量为，重力加速度为，则激光的发射功率为( )
A.
B.
C.
D.
答案：
解析：由题得（式中为单位时间照射到玻璃片上的光子数），经过时间，以入射的光子为研究对象，由动量定理得，又有，因为玻璃板静止，则有，联立解得，故项正确。
探究点四、光的波粒二象性
情境探究
1.科学家在对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：光的单缝衍射实验（图甲）、光的双缝干涉实验（图乙）、光电效应实验（图丙）、光的薄膜干涉实验（图丁）、康普顿效应实验。
（1）在以上实验中哪些体现了光的波动性，哪些体现了光的粒子性？
（2）光的波动性和光的粒子性是否矛盾？
答案：（1）单缝衍射、双缝干涉、薄膜干涉体现了光的波动性；光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性。
（2）不矛盾，大量光子在传播过程中显示波动性，比如干涉和衍射；当光与物质发生作用时显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应。
探究归纳
1.光本性学说的发展简史
学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性
代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 —
实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波的速度 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
2.对光的波粒二象性的理解
项目 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）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
探究应用
【典例】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.光子与电子是同样的一种粒子，光波与机械波是同样的一种波
C.当光和物质相互作用时表现出粒子性
D.光在传播过程中表现出波动性
答案： ;
解析：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，项错误；当光和物质作用时，是“一份一份”的，表现出粒子性，光的干涉、衍射又说明光是一种波，光既不同于宏观的粒子，也不同于宏观的波，项错误，、项正确。
解题感悟
关于光的波粒二象性的几点说明
（1）光既有波动性又有粒子性，二者是统一的。
（2）大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性，光具有波粒二象性。
（3）光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已；光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已。
迁移应用
1.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，两种性质是不相容的
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：
解析：光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、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。项正确。
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