2022年光的波粒二象性教案

1、光的波粒二象性教案示例一、教學(xué)目標(biāo)1學(xué)問目標(biāo)（1）明白微粒說的基本觀點(diǎn)及對光學(xué)現(xiàn)象的說明和所遇到的問題（2）明白波動(dòng)說的基本觀點(diǎn)及對光學(xué)現(xiàn)象的說明和所遇到的問題（3）明白事物的連續(xù)性與分立性是相對的,明白光既有波動(dòng)性,又有粒子 性（4）明白光是一種概率波2才能目標(biāo)培育同學(xué)對問題的分析和解決才能, 初步建立光與實(shí)物粒子的波粒二象性以 及用概率描述粒子運(yùn)動(dòng)的觀念3情感目標(biāo)懂得人類對光的本性的熟悉和爭論經(jīng)受了一個(gè)非常漫長的過程,這一過程也 是辯證進(jìn)展的過程依據(jù)事實(shí)建立學(xué)說,進(jìn)展學(xué)說,或是打算學(xué)說的取舍,發(fā)覺 新的事實(shí),再建立新的學(xué)說人類就是這樣通過光的行為,經(jīng)過分析和爭論,逐 漸熟悉光的本性的二、重

2、點(diǎn)、難點(diǎn)分析1、這一章的內(nèi)容, 貫穿一條主線人類對光的本性的熟悉的進(jìn)展過程結(jié)合各節(jié)內(nèi)容, 適當(dāng)穿插物理學(xué)史材料是必要的這種做法不但可使課堂教學(xué)主動(dòng)活潑,內(nèi)容豐富,仍可以對同學(xué)進(jìn)行唯物辯證思想訓(xùn)練本節(jié)就課本內(nèi)容,非常 簡潔,同學(xué)學(xué)起來非?？菰镎n本所提到的內(nèi)容,都是結(jié)論性的,加入一些史料 不僅可能而且必要2、本節(jié)中同學(xué)初步接觸量子化、二象性、概率波等概念,由于沒有直接的 生活體會,所以在教學(xué)中要重點(diǎn)讓同學(xué)體會這些概念三、主要教學(xué)過程光學(xué)現(xiàn)象是與人類的生產(chǎn)和日常生活親密相關(guān)的的爭論的同時(shí),也開頭了對光本性的探究人類在對光學(xué)現(xiàn)象、 規(guī)律到了 17 世紀(jì),人類對光的本性的熟悉逐步形成了兩種學(xué)說（一）光的

3、微粒說一般,人們都認(rèn)為牛頓是微粒說的代表,牛頓于 群難以想象的微小而快速運(yùn)動(dòng)的大小不同的粒子”1675 年曾提出：“ 光是一,這些粒子被發(fā)光體 “ 一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射出來” 用這樣的觀點(diǎn),說明光的直進(jìn)性、影的形成等現(xiàn)象是非常方 便的在說明光的反射和折射現(xiàn)象時(shí), 同樣非常簡便當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的界面時(shí),要發(fā)生反射和折射 在說明反射現(xiàn)象時(shí), 只要假設(shè)光的微粒在與介質(zhì)作用時(shí),其相互作用, 使微粒的速度的豎直重量方向變化,但大小不變； 水平重量的大小和方向均不發(fā)生變化 （由于在這一方向上沒有相互作用）,就可以精確地得出光在 反射時(shí),反射角等于入射角這一與試驗(yàn)事實(shí)吻合的結(jié)論說到折射,笛卡兒曾用類似的假設(shè),

4、勝利地得出了入射角正弦與折射角正弦 之比為一常數(shù)的結(jié)論 但當(dāng)光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時(shí), 發(fā)生的是近法線折射,即入射角大, 折射角小 這時(shí),必需假設(shè)光在光密介質(zhì)的傳播速度較光在光疏介 質(zhì)中的傳播速度大才行一束光入射到兩種介質(zhì)界面時(shí),既有反射,又有折射何種情形發(fā)生反射,何種情形下又發(fā)生折射呢？微粒說在說明這一點(diǎn)時(shí)遇到了很大的困難為此,牛頓提出了聞名的“ 猝發(fā)理論” 他提出：“ 每一條光線在通過任何折射面時(shí),便處于某種為時(shí)短暫的過渡性結(jié)構(gòu)和狀態(tài)之中在光線的前進(jìn)過程中, 這種狀態(tài)每隔相等的間隔（等時(shí)或等距）內(nèi)就復(fù)發(fā)一次,并使光線在它每一次復(fù)發(fā)時(shí),簡潔透過下一個(gè)折射面,而在它（相繼）兩次復(fù)發(fā)之間簡潔被

5、這個(gè)面所反射” ,“ 我將把任何一條光線返回到傾向于反射（的狀態(tài)）稱它為簡潔反射的猝發(fā),而把它返回到傾向于透射（的狀態(tài)）稱它為簡潔透射的猝發(fā),并且把每一次返回和下一次返回之間所經(jīng)過的距離稱它為猝發(fā)的間隔” 假如說“ 猝發(fā)理論”仍能說明反射和折射的話, 那么,以微粒說說明兩束光相遇后,為何仍能沿原方向傳播這一常見的現(xiàn)象,微粒說就完全無能為力了（二）光的波動(dòng)說關(guān)于光的本性, 當(dāng)時(shí)仍存在另一種觀點(diǎn), 即光的波動(dòng)說認(rèn)為光是某種振動(dòng),以波的形式向四四周傳播 其代表人物是荷蘭物理學(xué)家惠更斯他認(rèn)為, 光是由發(fā)光體的微小粒子的振動(dòng)在充滿于一切地方的“ 以太”介質(zhì)中傳播過程, 而不是像微粒說所設(shè)想的像子彈和箭那

6、樣的運(yùn)動(dòng)他指出：“ 假如留意到光線向各個(gè)方向以極高的速度傳播, 以及光線從不同的地點(diǎn)甚至是完全相反的地方發(fā)出時(shí),光射線在傳播中一條光線穿過另一條光線而相互毫不影響,就能完全明白這一點(diǎn)：當(dāng)我們看到發(fā)光的物體時(shí), 決不行能是由于從它所發(fā)生的物質(zhì),像穿過空氣的子彈和箭一樣, 通過物質(zhì)遷移所引起的”他把光比作在水面上投入石塊時(shí)產(chǎn)生的同心圓狀波紋發(fā)光體中的每一個(gè)微粒把振動(dòng),通過“ 以太” 這種介質(zhì)向四周傳 播,發(fā)出一組組同心的球面波波面上的每一點(diǎn),又可以此點(diǎn)為中心,再向外傳 播子波當(dāng)然,這樣的觀點(diǎn)說明同時(shí)發(fā)生反射和折射,比微粒說的“ 猝發(fā)理論”便利得多,以水波為例,水波在傳播時(shí),反射與折射可以同時(shí)發(fā)生一

7、列水波在 與另一列水波相遇時(shí),可以毫無影響的相互通過惠更斯用波動(dòng)說仍說明了光的反射和折射但他在說明光自光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)的近法線折射時(shí), 需假設(shè)光在光密介質(zhì)中的傳播速度較小現(xiàn)代光速的測定說明,波動(dòng)說在說明折射時(shí)依據(jù)的假設(shè)是正確的：光在光密介質(zhì)中傳播時(shí)間速較小但在 17 世紀(jì)時(shí),光速的測量尚在起步階段,誰是誰非,沒有定論當(dāng)然,光的波動(dòng)說在說明光的直進(jìn)性和何以能在傳播時(shí),會在不透亮物體后 留下清楚的影子等問題也遇到困難可見,光的微粒說和波動(dòng)說在說明光學(xué)現(xiàn)象時(shí),能完滿地說明當(dāng)時(shí)所明白的各種光學(xué)現(xiàn)象都各有勝利的一面, 但都不在其后的 100 多年中,主要由于牛頓的崇高位置及聲望,因而微粒說始終占主導(dǎo)

8、位置,波動(dòng)說進(jìn)展很緩慢 人類對光本性的熟悉, 仍期望新的現(xiàn)象的發(fā)覺 直到 19 世紀(jì)初,人們發(fā)覺了光的干涉現(xiàn)象,進(jìn)一步爭論了光的衍射現(xiàn)象干涉和衍射是波動(dòng)的重要特點(diǎn), 從而光的波動(dòng)說得到快速進(jìn)展達(dá)到一個(gè)新的階段（三）牛頓理論中的波動(dòng)性思想人類對光的本性的熟悉作為一代物理學(xué)大師的牛頓, 是提倡了微粒說, 但他卻并不排斥波動(dòng)說 他 依據(jù)他所做過的大量試驗(yàn)和縝密的摸索,提出了不少杰出的、富有啟示性的思 想在關(guān)于顏色的見解上, 他提出“ 不同種類的光線, 是否引起不同大小的振動(dòng),并按其大小而激起不同的顏色感覺, 正像空氣的振動(dòng)按其大小而激起不同的聲音 感覺一樣？而且是否特殊是那些最易折射的光線激起最短的

9、振動(dòng)以造成深紫色的感覺,最不易折射的光線激起最長的振動(dòng),以造成深紅色的感覺, 而介于兩者之間的各種光線激起各種中間大小的振動(dòng)而造成中間顏色的感覺？”他同時(shí)仍提出： “ 扔一塊石頭到安靜的水面中,由此激起的水波將在石頭落水的地方連續(xù)一段時(shí)間, 并從這里以同心圓的形式在水面上向遠(yuǎn)處傳播空氣用力撞擊所激起的振動(dòng)和跳動(dòng)也將連續(xù)少許時(shí)間,并從撞擊處以同心球的形式傳播到遠(yuǎn)方,與此相像, 當(dāng)光線射到任何透亮體的表面并在那里折射或反射時(shí),是不是因此就要在反射或折射介質(zhì)中入射點(diǎn)的地方,振動(dòng)總能在那里發(fā)生并從那里傳播出去”激起振動(dòng)和跳動(dòng)的波, 而且這種在說明光現(xiàn)象中, 牛頓仍多次提出了周期性的概念而具有周期性,

10、也是波動(dòng)的一個(gè)重要特點(diǎn) 提出波動(dòng)說的惠更斯卻否認(rèn)振動(dòng)或波動(dòng)的周期性因此,對牛頓來說, 在他的微粒說理論中包含有波動(dòng)說的合理因素到底誰是誰非, 牛頓認(rèn)為“ 我只是對尚待發(fā)覺的光和它對自然結(jié)構(gòu)的那些成效開頭作了一些分析,對它作了幾點(diǎn)提示, 而把這些提示留待那些奇怪的人們進(jìn)一步去用試驗(yàn)和觀看來加以證明和改進(jìn)” 牛頓的嚴(yán)謹(jǐn),兼收并蓄的科學(xué)態(tài)度是值得我們學(xué)習(xí)的,唯恐這也是他成為物理學(xué)大師的緣由之一（四）懂得光的波粒二象性1、動(dòng)畫（參考媒體資料中的動(dòng)畫“ 光的波粒二象性” ）：當(dāng)我們用很弱的 光做雙縫干涉試驗(yàn)時(shí), 將感光膠片放在屏的位置上, 會看到什么樣的照片呢？為 什么會有這種現(xiàn)象？分析圖片：結(jié)論：1、

11、左側(cè)圖片清楚的顯示了光的粒子性2、光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大 （對于波的干涉即為干涉加強(qiáng)區(qū)） ,說明光子在空間各點(diǎn)顯現(xiàn)的可能性的大小可以用波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行說明得出：光波是一種概率波,概率表征某一事物顯現(xiàn)的可能性2、讓同學(xué)回憶在爭論分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí)做過的伽爾頓板試驗(yàn)：老師總結(jié)：伽爾頓板試驗(yàn)中,單個(gè)小球下落的位置是不確定的 , 但是它落在 中間狹槽的可能性要大一些,即小球落在中間的概率較大3、摸索與爭論：（書中的摸索）依據(jù)你的懂得,說明概率的意義,舉出幾個(gè)日常生活中的或 科學(xué)中的事例, 說明哪些大事是個(gè)別顯現(xiàn)時(shí)看不出什么規(guī)律,而大量顯現(xiàn)時(shí)就顯 示出肯定的規(guī)律性老師總結(jié)：生活中,涉及概率統(tǒng)計(jì)的大事很

12、多,例如：在爭論分子熱運(yùn)動(dòng)時(shí),爭論單個(gè) 分子的運(yùn)動(dòng)是毫無意義的, 需要爭論的是大量分子整體表現(xiàn)出來的規(guī)律,這叫做 統(tǒng)計(jì)規(guī)律4、讓我們換一個(gè)角度摸索仍舊考慮雙縫干涉試驗(yàn)當(dāng)光源和感光膠片之間不行能同時(shí)有兩個(gè)和多個(gè)光子時(shí),長時(shí)間曝光得到的 照片仍舊和光源很強(qiáng)、 曝光時(shí)間較短時(shí)一樣, 就光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的結(jié)論：波動(dòng)性是光子本身的一種屬性（五）方法總結(jié)光既表現(xiàn)出波動(dòng)性, 又表現(xiàn)出粒子性, 由于微觀世界的某些屬性與宏觀世界不同,而我們的體會僅局限于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)在生活中找不到一個(gè)既具有粒子性、又具有波動(dòng)性的物理模型幫忙我們爭論光子的規(guī)律隨著人類熟悉的范疇不斷擴(kuò)大,不行能直接感知的事物顯

13、現(xiàn)在我們的眼前,需要我們建立新的模型, 提出新的理論來進(jìn)行爭論, 對于一種模型, 只要能與實(shí) 驗(yàn)結(jié)果一樣,它就能在肯定范疇內(nèi)表示所爭論對象的規(guī)律四、例題分析（參考備課資料中的典型例題）五、教學(xué)說明 人類對自然的探究精神, 是鼓勵(lì)同學(xué)學(xué)習(xí)的動(dòng)力 自本節(jié)起, 其后的物理各章節(jié)中,包含了大量的物理學(xué)史內(nèi)容充分利用這些珍貴資料, 恰當(dāng)結(jié)合教材內(nèi)容,既能充分激發(fā)同學(xué)學(xué)習(xí)愛好, 又可以自然地對同學(xué)進(jìn)行辯證唯物主義思想教 育,以利于對同學(xué)的科學(xué)素養(yǎng)和制造性精神的培育典型例題例 1 光的_和_現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性, _現(xiàn)象說明光具有粒子性 我們無法只用其中一種觀點(diǎn)說明光的一切行為,具有 _性因而認(rèn)為光答案：干

14、涉,衍射,光電效應(yīng),波粒二象例 2 依據(jù)光與水波的類比, 試說明在淺海灘邊, 不論海中波浪向什么方向傳 播,當(dāng)?shù)竭_(dá)岸邊時(shí)為什么總是沿著大約垂直于岸的方向傳來？提示：波在淺水中 傳播時(shí),水越淺,波速越小分析：由于光從光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)傳播時(shí),光的傳播速度減小, 折射角小于入射角, 折射線向法線靠攏 假如光在折射率逐步遞增的連續(xù)介質(zhì)中傳播,可 以設(shè)想把連續(xù)介質(zhì)分成很多薄層, 光從折射率較小的薄層逐步進(jìn)入折射率較大的 薄層時(shí),折射線會越來越向法線靠攏,最終趨向于接近法線的方向從深處向海灘邊傳播的水波, 波速也逐步減小, 依據(jù)與光的類比, 似乎進(jìn)入 折射率逐步增大的介質(zhì), 所以它的傳播方向跟垂直海岸的方向線之間的夾角也逐漸減小,最終必將沿著大約垂直海岸的方向傳來,方向傳播無關(guān)水波與光波的類比可用圖表示并且,這個(gè)結(jié)果與海浪向什么爭論：惠更斯通過光波