高三物理教案：《康普頓效應(yīng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

　　康普頓效應(yīng)

　　三維教學(xué)目標(biāo)

　　1、知識(shí)與技能

　　(1)了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量

　　(2)了解光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性;

　　(3)知道實(shí)物粒子和光子一樣具有波粒二象性;

　　(4)了解光是一種概率波。

　　2、過(guò)程與方法：

　　(1)了解物理真知形成的歷史過(guò)程;

　　(2)了解物理學(xué)研究的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理研究的重要性;

　　(3)知道某一物質(zhì)在不同環(huán)境下所表現(xiàn)的不同規(guī)律特性。

　　3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。

　　教學(xué)重點(diǎn)：實(shí)物粒子和光子一樣具有波粒二象性

　　教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)物粒子的波動(dòng)性的理解。

　　教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。

　　教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備

　　(一)引入新課

　　提問(wèn)：前面我們學(xué)習(xí)了有關(guān)光的一些特性和相應(yīng)的事實(shí)表現(xiàn)，那么我們究竟怎樣來(lái)認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)和把握其特性呢?(光是一種物質(zhì)，它既具有粒子性，又具有波動(dòng)性。在不同條件下表現(xiàn)出不同特性，分別舉出有關(guān)光的干涉衍射和光電效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)事實(shí))。

　　我們不能片面地認(rèn)識(shí)事物，能舉出本學(xué)科或其他學(xué)科或生活中類似的事或物嗎?

　　(二)進(jìn)行新課

　　1、康普頓效應(yīng)

　　(1)光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。

　　(2)康普頓效應(yīng)

　　1923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。

　　(3)康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：

　　按經(jīng)典電磁理論：如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的!散射中出現(xiàn) 的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。

　　康普頓散射曲線的特點(diǎn)：

　　① 除原波長(zhǎng) 外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)

　　② 新波長(zhǎng) 隨散射角的增大而增大。波長(zhǎng)的偏移為

　　波長(zhǎng)的偏移只與散射角 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長(zhǎng) 無(wú)關(guān)，

　　= 0.0241?=2.41×10-3nm(實(shí)驗(yàn)值)

　　稱為電子的Compton波長(zhǎng)

　　只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 與 可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。

　　(4)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難

　　①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。

　　②無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。

　　(5)光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋

　　①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。

　　②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。

　　③因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。

　　(6)康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義

　　①有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè);

　　②首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè);③證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。

　　2、光的波粒二象性

　　講述光的波粒二象性，進(jìn)行歸納整理。

　　(1)我們所學(xué)的大量事實(shí)說(shuō)明：光是一種波，同時(shí)也是一種粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和連續(xù)性是相對(duì)的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

　　(2)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵從波動(dòng)規(guī)律，物理學(xué)中把光波叫做概率波。

　　3、光的波動(dòng)性與粒子性是不同條件下的表現(xiàn)：

　　大量光子行為顯示波動(dòng)性;個(gè)別光子行為顯示粒子性;光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)性越強(qiáng);光的波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)。光的波動(dòng)性不是光子之間相互作用引起的，是光子本身的一種屬性。

　　例題：已知每秒從太陽(yáng)射到地球上垂直于太陽(yáng)光的每平方米截面上的輻射能為1.4×103J，其中可見(jiàn)光部分約占45%，假設(shè)認(rèn)為可見(jiàn)光的波長(zhǎng)均為0.55μm，太陽(yáng)向各個(gè)方向的輻射是均勻的，日地之間距離為R=1.5×1011m，估算出太陽(yáng)每秒輻射出的可見(jiàn)光的光子數(shù)。(保留兩位有效數(shù)字)