人教版高中物理選擇性必修三 第4章 5.粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立講義

1、5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立學(xué)習(xí)目標(biāo)：1物理觀念知道德布羅意波，光有波動(dòng)性和粒子性、量子力學(xué)等基本觀點(diǎn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2.科學(xué)思維掌握光的波粒二象性，理解其對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系；并能應(yīng)用波粒二象性解釋有關(guān)現(xiàn)象，提高分析、推理能力。3.科學(xué)探究通過(guò)學(xué)習(xí)電子衍射、與干涉的探究，學(xué)會(huì)觀察與討論，并能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高動(dòng)腦能力。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任學(xué)習(xí)科學(xué)家們探究物質(zhì)波、建立量子力學(xué)的艱辛，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。閱讀本節(jié)教材，回答第92頁(yè)“問(wèn)題”并梳理必要的知識(shí)點(diǎn)。教材P92“問(wèn)題”提示：經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，歸納得出所有的實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性。一、粒子的波動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1粒子的波動(dòng)性(1)德布

2、羅意波1924年法國(guó)巴黎大學(xué)的德布羅意提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長(zhǎng)、頻率關(guān)系式eq f(,h)，eq f(h,p)。2物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(1)實(shí)驗(yàn)探究思路干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，則在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，得到了電子的衍射圖樣，如圖所示，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。電子束穿過(guò)鋁箔后的衍射圖樣(3)說(shuō)明人們陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動(dòng)性。對(duì)于這些粒子，德布羅意給出的eq f

3、(,h)和eq f(h,p)關(guān)系同樣正確。宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量很大，對(duì)應(yīng)的德布羅意波的波長(zhǎng)很小，根本無(wú)法觀察到它的波動(dòng)性。說(shuō)明：所有物體都具有波動(dòng)性和粒子性。二、量子力學(xué)的建立與應(yīng)用1量子力學(xué)的建立(1)普朗克黑體輻射理論、愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論、康普頓散射理論、玻爾氫原子理論以及德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)等一系列理論在解釋實(shí)驗(yàn)方面都取得了成功。(2)在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國(guó)的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來(lái)，它被稱為量子力學(xué)。2量子力學(xué)的應(yīng)用(1)量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。(2)量子力

4、學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。(3)量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展。1思考判斷(正確的打“”，錯(cuò)誤的打“”)(1)一切宏觀物體都伴隨著一種波，即物質(zhì)波。()(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波。()(3)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性。()(4)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯。()2(多選)關(guān)于光的本性，下列說(shuō)法中正確的是()A關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說(shuō)”惠更斯提出“波動(dòng)說(shuō)”，愛(ài)因斯坦提出“光子說(shuō)”，它們都說(shuō)明了光的本性B光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性D光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性CD光的波動(dòng)性指大量光子在

5、空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述，不是惠更斯的波動(dòng)說(shuō)中宏觀意義下的機(jī)械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個(gè)光子，不是牛頓微粒說(shuō)中的經(jīng)典微粒。某現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，是指波動(dòng)理論能解釋這一現(xiàn)象。某現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性，是指能用粒子說(shuō)解釋這個(gè)現(xiàn)象。要區(qū)分說(shuō)法和物理史實(shí)與波粒二象性之間的關(guān)系。C、D正確，A、B錯(cuò)誤。3關(guān)于物質(zhì)波，以下觀點(diǎn)不正確的是()A只要是運(yùn)動(dòng)著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應(yīng)的波與之對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波B只有運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子才有物質(zhì)波，對(duì)于宏觀物體，不論其是否運(yùn)動(dòng)，都沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波C由于宏觀物體的德布羅意波長(zhǎng)太小，所以無(wú)法觀察到它們的

6、波動(dòng)性D電子束照射到金屬晶體上得到電子束的衍射圖樣，從而證實(shí)了德布羅意的假設(shè)是正確的B只要是運(yùn)動(dòng)著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應(yīng)的波與之對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波，故A正確，B錯(cuò)誤；由于宏觀物體的德布羅意波長(zhǎng)太小，所以無(wú)法觀察到它們的波動(dòng)性，故C正確；電子束照射到金屬晶體上得到了電子束的衍射圖樣，從而證實(shí)了德布羅意的假設(shè)是正確的，故D正確。B符合題意。對(duì)光的波粒二象性的理解我們說(shuō)光具有波粒二象性，即光有波動(dòng)性，同時(shí)光也具有粒子性，那么哪些現(xiàn)象可以證明光具有波動(dòng)性？哪些現(xiàn)象證明光具有粒子性？大量光子體現(xiàn)的什么性更強(qiáng)？提示：光的干涉和衍射證明光具有波動(dòng)性；光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)則說(shuō)明光具有粒子

7、性。大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。1對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)史人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，從牛頓的光的微粒說(shuō)到托馬斯楊和菲涅耳的波動(dòng)說(shuō)，從麥克斯韋的光的電磁說(shuō)到愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。直到20世紀(jì)初，對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)才提升到一個(gè)更高層次，即光具有波粒二象性。對(duì)于光的本性認(rèn)識(shí)史，列表如下：學(xué)說(shuō)名稱微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)光子說(shuō)波粒二象性內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性又有粒子性理論領(lǐng)域宏觀世界宏觀世界微觀世界微觀世界微觀世界2.對(duì)光的波粒二象性的理解項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說(shuō)明光的波動(dòng)性干涉和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用

8、波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述(2)足夠能量的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(1)光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子特別提醒大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性，光具有波粒二象性?！纠?】有關(guān)光的本性，下列說(shuō)法正確的是()A光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)C大量光子才具有波動(dòng)性

9、，個(gè)別光子只具有粒子性D由于光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，無(wú)法只用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性思路點(diǎn)撥：(1)光的粒子性與波動(dòng)性是對(duì)立統(tǒng)一的。(2)光表現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性，只是說(shuō)明哪一個(gè)方面表現(xiàn)得更顯著。D光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子。波動(dòng)性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個(gè)不同側(cè)面、不同屬性，我們無(wú)法用其中的一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性。選項(xiàng)D正確。(1)光既有波動(dòng)性又有粒子性，二者是統(tǒng)一的。(2)光表現(xiàn)為波動(dòng)性，只是光的波動(dòng)性顯著，粒子性不顯著而已。(3)光表現(xiàn)為粒子性，只是光的粒子性顯著，

10、波動(dòng)性不顯著而已。跟進(jìn)訓(xùn)練1下列關(guān)于光的波粒二象性的說(shuō)法中，正確的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子與電子是同樣的一種粒子C光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)越短，其粒子性越顯著D大量光子的行為往往顯示出粒子性C一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動(dòng)性，有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說(shuō)有的光是波，有的光是粒子。雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)的形式存在的物質(zhì)，所以，不能說(shuō)光子與電子是同樣的一種粒子。光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子

11、的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著，光的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大，個(gè)別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤。對(duì)物質(zhì)波的理解(1)1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，得到如圖甲的衍射圖樣，試問(wèn)該圖樣證明了什么？甲乙(2)1960年，約恩孫直接做了電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片，試問(wèn)這證明了什么？提示：(1)證明電子的波動(dòng)性。(2)證明電子的波動(dòng)性。1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性，我們之所以觀察不到宏觀物體

12、的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小。2物質(zhì)波波長(zhǎng)的計(jì)算公式為eq f(h,p)，頻率公式為eq f(,h)。3德布羅意假說(shuō)是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動(dòng)性，與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。 特別提醒一般宏觀物體物質(zhì)波的波長(zhǎng)很短，波動(dòng)性很不明顯，難以觀察到其衍射現(xiàn)象，如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣?！纠?】如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多長(zhǎng)？(中子的質(zhì)量為1.671027 kg)思路點(diǎn)撥：(1)據(jù)公式pmv計(jì)算出它們的

13、動(dòng)量。(2)據(jù)eq f(h,p)算出波長(zhǎng)。解析中子的動(dòng)量為p1m1v子彈的動(dòng)量為p2m2v據(jù)eq f(h,p)知中子和子彈的德布羅意波的波長(zhǎng)分別為1eq f(h,p1)，2eq f(h,p2)聯(lián)立以上各式解得：1eq f(h,m1v)，2eq f(h,m2v)將m11.671027 kg，v1103 m/s，h6.631034 Js，m21.0102 kg代入上面兩式可解得14.01010 m，26.631035 m。答案4.01010 m6.631035 m宏觀物體波動(dòng)性的三點(diǎn)提醒(1)一切運(yùn)動(dòng)著的物體都具有波動(dòng)性，宏觀物體觀察不到其波動(dòng)性，但并不能否定其波動(dòng)性。(2)要注意大量光子、個(gè)別光

14、子、宏觀物體、微觀粒子等相關(guān)概念的區(qū)別。(3)在宏觀世界中，波與粒子是對(duì)立的概念；在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一。跟進(jìn)訓(xùn)練2下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)正確的是()A任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動(dòng)性C運(yùn)動(dòng)的物體才具有波動(dòng)性，A錯(cuò)誤；宏觀物體由于動(dòng)量太大，德布羅意波長(zhǎng)太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動(dòng)性，D錯(cuò)誤；X光是波長(zhǎng)極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B錯(cuò)誤；只有C項(xiàng)正確。1物理觀念：粒子的波動(dòng)性、德布羅意波、

15、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、量子力學(xué)的建立與發(fā)展應(yīng)用。2科學(xué)思維：對(duì)物質(zhì)波粒二象性的理解，應(yīng)用物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)解釋問(wèn)題。3科學(xué)方法：假設(shè)法、實(shí)驗(yàn)法。1(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是()A大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)變成粒子C高頻光是粒子，低頻光是波D波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著AD光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯，選項(xiàng)D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項(xiàng)A正確；光在傳播時(shí)波動(dòng)性顯著，光與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子

16、性顯著，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動(dòng)性顯著，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。2(多選)關(guān)于光的波粒二象性，下列正確的說(shuō)法是()A光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B(niǎo)光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量越小，波動(dòng)性越顯著C頻率高的光子不具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子不具有粒子性D個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性ABD光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，反之波動(dòng)性明顯，個(gè)別光子易顯示粒子性，大量光子顯示波動(dòng)性，故選項(xiàng)A、B、D正確。3(多選)以下說(shuō)法正確的是()A宏觀粒子也具有波動(dòng)性B抖動(dòng)細(xì)繩一端，繩上的波就是物質(zhì)波C物質(zhì)波也是一種概率

17、波D物質(zhì)波就是光波AC任何物體都具有波動(dòng)性，故A正確；對(duì)宏觀物體而言，其波動(dòng)性難以觀測(cè)，我們所看到的繩波是機(jī)械波，不是物質(zhì)波，故B錯(cuò)誤；物質(zhì)波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動(dòng)規(guī)律，但物質(zhì)波不是光波，故C正確，D錯(cuò)誤。4下列說(shuō)法正確的是()A物質(zhì)波屬于機(jī)械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性C德布羅意認(rèn)為，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都具有一種波和它對(duì)應(yīng)，這種波叫作物質(zhì)波D宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性C物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波，與機(jī)械波性質(zhì)不同，宏觀物體也具有波動(dòng)性，只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯，故選項(xiàng)C正確。5歷史上美國(guó)宇航局曾經(jīng)完成了用“深度撞擊”號(hào)探測(cè)器釋放的撞擊器“擊中”坦普爾1號(hào)彗星的實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器上所攜帶的重達(dá)400 kg的彗星“撞擊器”將以1.0104 m/s的速度徑直撞向彗星的彗核部分，撞擊彗星后“撞擊器”融化消失，這次撞擊使該彗星自身的運(yùn)行速度出現(xiàn)1.0107 m/s的改變。已知普朗克常量h6.61034 Js。則：(1)撞擊前彗星“撞