高三物理光的波粒二象性北师大版知识精讲.doc

高三物理光的波粒二象性北师大版【本讲教育信息】一. 教学内容：第三节：光的波粒二象性［学习过程］一. 能说明光具有波动性的实验––––光的干涉及衍射实验 1. 光的干涉及衍射产生条件 典型实验 图样特点干涉 相干光源（f 相同） 双缝干涉 等宽明暗相间的条纹衍射 障碍物或小孔的尺寸 单缝、圆孔、 越窄，衍射明显 不等宽跟光波波长差不多 圆盘 中央亮而宽，边缘暗而窄a. 干涉条纹间距 ∆x L d=λ△x ：两个相邻的亮（暗）条纹间距 b. 明暗条纹分布规律： 光程差δ＝r 2－r 1中央 第一级 第二级 亮纹 δ＝n λ 振动加强 n ＝0 n ＝1 n ＝2 )12(2=-n λδ暗纹 振动减弱 第一级 第二级c. 薄膜干涉（空气膜、油膜、肥皂膜、增透膜） （空气膜：相干光源的获得） 检查平面平整：dδλ==2d n 亮纹增透膜：dδλ=12振动减弱，暗条纹 21214d d ==λλλ：绿光在增透膜中的波长注：①对光的衍射条纹，缝越窄，衍射现象明显，衍射条纹间距越大。

缝宽一定时，波长越长的光，衍射现象明显。

②白光的衍射条纹：中央白条纹，两边彩色条纹，红光在外侧。

白光的干涉条纹：中央白条纹，两边彩色条纹，红光在外侧。

红紫 白红光△x 大，红光在外侧2. 光的电磁说：麦克斯韦提出 内容：光是一种电磁波。

理解要点：（1）光的电磁说的提出：光的干涉和衍射现象证实光是一种波。

麦克斯韦在电磁理论的基础上，根据电磁波和光波的相似性，提出光波是一种电磁波。

（2）光的电磁说的依据：赫兹用实验证实电磁波的存在。

①光和电磁波的传播速度相同，在真空中速度v ＝3×108m/s ；②传播时都不需要介质；③都具有波动性，具有反射、干涉、衍射等现象，都是横波。

λλ0==C fv f介 3. 电磁波谱：按f ↑排列4. 光的偏振（1）偏振光的产生方式：①自然光通过起偏器：通过两个轴的偏振片观察自然光，第一个偏振片的作用是把自然光变偏振光，叫起偏器。

第二个偏振片的作用是检验光是否为偏振光，叫检偏器。

其次，偏振片并非刻有狭缝，而是具有一种特性，即存在一个偏振化方向，只让平行于该方向振动的光通过，其他振动方向的光被吸收了。

②自然光射到两种介质的交界面上，如果光入射的方向合适，使反射光和折射光之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是偏振光，且偏振方向相互垂直。

（2）偏振光的理论意义和应用：①理论意义：光的干涉和衍射现象充分说明了光是波，但不能确定光波是横波还是纵波。

光的偏振现象说明光波是横波。

②应用：照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光等等。

二. 光的粒子性（光电效应B 类要求） 1. 光电效应（1）在光的照射下从物体表面发射电子的现象叫光电效应。

发射出的电子叫光电子。

（2）演示实验紫外线灯2. 光电效应的规律（1）瞬时性10-9S ，从光照到发射电子几乎是同时的 （2）任何金属存在一个极限频率，只有v 入射>v 极限发生（3）逸出光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随ν入射增大而增大（4）在入射光强度不变时，入射光强增加，光电流增大，饱和光电流与入射光强度成正比。

I 饱和光电流与λ入射光强度成正比电压λ不加电压，少量光电子到阳极，光电流小。

加电压，较多光电子到阳极，光电流大。

电压大到一定程度，光电流就不再增大，达到饱和光电流。

入射光强度：单位时间单位面积入射光的能量。

E ＝nhv ，v 不变，增大光强，光子数变大。

3. 爱因斯坦光子说：光是由一个个光子构成，每个光子能量：E ＝hv ，h ：普朗克常量。

光民效应方程：逸E hv W km =- 当电子吸收，，极限频率逸hv W 0=不同金属材料，W 不同，v 0不同v 不变时，增大I 入射，光子数增多，光电子数越多，光电流大 4. 光的波粒二象性 光波动性：λ=v f粒子性：E ＝h ν当v 较大，E 较大，粒子性显著，v 较小时，λ较大，波动性显著。

（1）大量光子运动的规律表现出光的波动性，单个光子的运动表现出光的粒子性；光的波长越长，波动性越明显，越容易观察到光的干涉和衍射现象；光波的频率越高，粒子性越明显，穿透本领越强。

光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

这是微观世界具有的特殊规律。

（2）物质波：一切微观粒子都具有波粒二象性，它的波长与它的动量之间的关系是λ=hp，宏观物体也具有波动性，只是波长太小很难观察到，实物粒子波又叫物质波或德布罗意波。

【典型例题】例1. 如图1所示，在双缝干涉实验中，S 1和S 2为双缝，P 是光屏上的一点，已知P 点与S 1和S 2距离之差为2.1μm ，今分别用A 、B 两种单色光在空气中做双缝干涉实验，问P 点是亮条纹还是暗条纹？（1）已知A 光在折射率为n ＝1.5的介质中波长为4×10-7m 。

（2）已知B 光在某种介质中波长为3.15×10-7m ，当B 光从这种介质射向空气时，临界角为37°。

解析：知P 点与S 1和S 2的距离之差，由出现明暗条纹的条件可判断是亮条纹或暗条纹。

（）设光在空气中波长为，频率为，由于在介质中频率不变，所以111A r λ波长为，由，所以λλλ212n =λλ127715410610==⨯⨯=⨯--n m m . 根据光程差δμ==⨯-2121106..m m所以N 1167211061035==⨯⨯=--δλ.. 由此可知，从和到点的光程差是波长的倍，所以点为暗条S S P 12δλ135.P 纹。

（）根据临界角与折射率的关系得：21sin C n= n o==13753sin 由此可知，B 光在空气中波长λ2为： λλ277533151052510==⨯⨯=⨯--n m m 介.. 由光程差δ和波长λ的关系：N 22672110525104==⨯⨯=--δλ.. 可见，用B 光做光源，P 点为亮条纹。

例2. 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图2甲所示，将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜。

当光垂直入射后，从上往下看到的干涉条纹如图乙所示。

干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹和暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定。

现若在图甲装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下观察到的干涉条纹（ ）A. 变疏B. 变密C. 不变D. 消失（2003年上海高考试题）解析：因为相邻两个明纹位置的空气膜高度差和夹角的关系为：△h ＝l tan α（α为劈的倾角，△h 为相邻明纹的空气膜高度差，l 为相邻明纹的距离） ∴变疏，选A 答案：A 规律总结：抓住本题所给的条件是任意相邻明纹对应的薄膜高度差不变。

弄清条纹间距的决定因素。

例3. 某金属在一束黄光照射下，恰好能有电子逸出（即用频率小于这种黄光的光线照射就不可能有电子逸出）。

在下述情况下，逸出电子的多少和电子的最大初动能会发生什么变化？（1）增大光强而不改变光的频率； （2）用一束强度更大的红光代替黄光； （3）用强度相同的紫光代替黄光。

解析：“正好有电子逸出”，说明此种黄光的频率恰为该种金属的极限频率。

（1）增大光强而不改变光的频率，意味着单位时间内入射光子数增多而每个光子能量不变，根据爱因斯坦光电效应方程，逸出的光电子最大初动能不变，但光电子数目增大。

（2）用一束强度更大的红光代替黄光，红光光子的频率小于该金属的极限频率，所以无光电子逸出。

（3）用强度相同的紫光代替黄光，因为一个紫光光子的能量大于一个黄光光子的能量，而强度相同，因而单位时间内射向金属的紫光光子数将比原来少。

因此，逸出的电子数将减少，但据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能将增大。

例4. 如图3所示，阴极K 用极限波长λ0＝0.66μm 的金属铯制成，用波长λ＝0.50μm 的绿光照射阴极K ，调整两个极板电压，当A 板电压比阴极高出2.5V 时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64μA ，求：（1）每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。

（2）如果把照射阴极绿光的强度增大到原来的2倍，每秒钟阴极发射出的光电子数和飞出光电子的最大初动能。

解析：（1）当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和，由电流可求出每秒到达阳极的电子数，即为发射出的电子数，由爱因斯坦光电效应方程可算出最大初动能。

（2）光强加倍，发射的光电子数加倍，但入射光频率不变，光电子的最大初动能不变。

（）光电子数：（个）1064101610401061912n I e ==⨯⨯=⨯--... 由光电效应方程：E h W km =-ν () W h E h km =∴=-ννν00， 又· νλνλ==cc00∴=-⎛⎝⎫⎭⎪E hc km 110λλ =⨯⨯⨯⨯-⨯⎛⎝ ⎫⎭⎪=⨯----6631030101051010661095103486620.....()J（2）光电子数n’＝2n ＝8.0×1012（个） 光电子最大初动能E E J km km '.()==⨯-951020例5. 如图4所示为伦琴射线的示意图，K 为阴极钨丝，发射的电子的初速度为零，A 为阳极，当AK 之间加直流电压U ＝30千伏时，电子被加速后打在A 上，使之发出伦琴射线，设电子的动能全部转化为伦琴射线的能量，试求： （1）电子到达阳极的速度是多大？（2）由阳极发出的伦琴射线的最短波长是多大？（3）若AK 间的电流为10mA ，那么每秒钟从阳极最多能辐射出多少个伦琴射线电子？（电子电量e ＝1.6×10-19库，质量m ＝0.91×10-30千克）解析：（）1122mv qU = v qU m m s ==⨯⨯⨯⨯⨯=⨯--221610*********1010193308...(/) （），2122mv qU h h c ==νλλ==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯---hc qU m 66310301016103010411034819311....() （）·（个）311010116106251031916n I e ==⨯⨯⨯=⨯--.. 答案：（1）v m s =⨯10108./；（2）λ=⨯-411011.m ；（3）n =⨯6251016.个小结：本题说明伦琴射线的产生方法。

【模拟试题】1. 如图所示，两束不同的单色光，A 和B ，分别沿半径射入截面为半圆形玻璃砖中后，都由圆心O沿OP方向射出，下列说法中正确的是（）A. 在玻璃中B光传播的速度较大B. A光的光子能量较小C. 若分别用这两种单色光做双缝干涉实验，且保持其他实验条件不变，则A光在屏上形成的明暗条纹的宽度较小D. 若用B光照射某金属板能产生光电效应，则用A光照射该金属板也一定能产生光电效应2. 如图所示，一束复色光射到玻璃三棱镜AB面上，从三棱镜的AC面折出的光线分成a、b两束，如下图所示。