人教版高中物理人教版選修3-5課件第十七章：173-粒子的波動性-(共張30張)-課件

1、 第17章 波粒二象性 第三節(jié) 粒子的波動性 第17章 波粒二象性 第三節(jié) 粒子的波動性 光是一種物質(zhì)，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現(xiàn)出不同特性。本節(jié)將針對光的這兩個特性進一步的展開分析。 光是一種物質(zhì)，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條密立根光電效應(yīng)實驗光學(xué)發(fā)展史1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動性粒子性1801托馬斯楊雙縫干涉實驗1814菲涅耳衍射實驗赫茲電磁波實驗1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)19161922康普頓效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動說漸成真理密立根光學(xué)發(fā)展史1672牛頓T/年惠更斯波動說1690麥克斯一、光

2、的波粒二象性電磁波光 子光的波動性光的粒子性 波長l頻率n波速cm 動質(zhì)量e能量p動量 光的干涉光的衍射光的偏振光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)光具有波粒二象性。普朗克常量h是聯(lián)系描述粒子的物理量和描述波動的物理量的橋梁。一、光的波粒二象性電磁波光 子光的波動性光的粒子性 波長一、光的波粒二象性我們無法只用其中一種觀點說明光的一切行為，因而認為光具有波粒二象性。 大量光子產(chǎn)生的效果顯示波動性；個別光子產(chǎn) 生的效果顯示粒子性。波長長的光波動性明顯；波長短的光粒子性明顯。光在空間傳播時顯示波動性；與物質(zhì)微粒作用時顯 示粒子性。一、光的波粒二象性我們無法只用其中一種觀點說明光的一切行為， 光是一種電磁波，也具有粒

3、子性，那實物粒子是否具有波動性呢？【思考討論】 光是一種電磁波，也具有粒子性，那實物粒子是否具有波動二、粒子的波粒二象性他認為，“整個世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究方法的話，那么在實物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢”。 德布羅意，波動力學(xué)創(chuàng)始人，量子力學(xué)奠基人之一。二、粒子的波粒二象性他認為，“整個世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光三、粒子的波動性德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后改學(xué)理論物理。善于用歷史的觀點，用類比方法分析問題。1924年，他在博士論文關(guān)于量子理論的研究中大膽地把光的波粒二象性推廣到實

4、物粒子，如電子，質(zhì)子等。于是他提出實物粒子也具有波動性。德布羅意，波動力學(xué)創(chuàng)始人，量子力學(xué)奠基人之一。三、粒子的波動性德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后改學(xué)理論物理。善于用物理學(xué)家德布羅意指出實物粒子也具有波動性。每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系。與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也稱為物質(zhì)波。物理學(xué)家德布羅意指出實物粒子也具有波動性。每一個運動的粒子都物體的動量普朗克常量德布羅意波波長任何一個物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與它對應(yīng)。物質(zhì)波（德布羅意波） 物體的動量普朗克常量德布羅意波波長任何一個物體，小到電子、質(zhì)三、物質(zhì)波的實驗驗證由于德布羅意博士論文獨創(chuàng)性，得到了答辯委員會

5、的高度評價，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無法接受。愛因斯坦卻說：“瞧瞧吧，看似瘋狂，不過的確站得住腳”。于是，有人質(zhì)問：有什么可以驗證這一新的觀念？三、物質(zhì)波的實驗驗證由于德布羅意博士論文獨創(chuàng)性，得到了答辯委 我們還知道，光雖然具有波動性，但并不是任何情況下都能發(fā)生明顯的干涉和行射。用來顯示波動性的狹縫或障礙物的線度要足夠小才行。于是，一個關(guān)系到物質(zhì)世界真實圖景的理論間題、就與一個實踐上的技術(shù)問題聯(lián)系起來了。人們能夠制作或找到這樣的裝置嗎? 在20世紀(jì)20年代，那些關(guān)心物質(zhì)波實驗驗證的物理學(xué)家們，說起來實在太幸運了。因為他們在技術(shù)上的這一難題已經(jīng)解說決，那是在對倫琴射線的研究中解決的。沒有

6、實驗裝置 我們還知道，光雖然具有波動性，但并不是任何情0.1nm三、物質(zhì)波的實驗驗證1、倫琴射線衍射實驗 在倫號射線發(fā)現(xiàn)后的十多年間，這種射線到底是不是波長很的電磁波，尚無定論。1912年，德國物理學(xué)家勞厄提議，利用晶中體排列規(guī)則的物質(zhì)微粒作為衍射光柵，來檢驗倫琴射線的波動性。實驗獲得了成功，證實倫琴射線就是波長為十分之幾納米的電磁波。射線0.1nm三、物質(zhì)波的實驗驗證 在倫號射線發(fā)三、物質(zhì)波的實驗驗證2、電子衍射實驗屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極 考慮到電了的德布羅意波長與倫琴射線的波長具有相近的數(shù)量級，1927年載維孫、湯姆孫分別利用晶體做了電子束行射的實驗，得到了類似圖衍射圖樣，從而證實了電

7、子的波動性。三、物質(zhì)波的實驗驗證屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極 一切實物粒子都有波動性 除了電子以外，后來還陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出的vE/h和入=h/p關(guān)系同樣正確。1929年，德布羅意獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，成為以學(xué)位論文獲此殊榮的人。 既然一切運動的物體都具有波動性，那么宏觀物體為什么僅表現(xiàn)出粒子性，而沒有表現(xiàn)出波動性呢？一切實物粒子都有波動性 除了電子以外，后來還陸為什么生活中的宏觀物體沒有顯示波動性呢？例1：質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300m/s 的子彈的德布洛意波長為多少？結(jié)果表明，宏觀物體(如子彈)的波動性根本測不出來。所以

8、，宏觀物體表現(xiàn)為粒子性。 為什么生活中的宏觀物體沒有顯示波動性呢？例1：質(zhì)量 m = 例2：電子動能Ek=100eV，質(zhì)量m=9.110-31Kg，求德布羅意波長。 解：電子動能較小，速度較小，用公式求解：可見，微觀粒子的波動性較顯著，如電子運動時， 相當(dāng)于X射線波段。=1.23例2：電子動能Ek=100eV，質(zhì)量m=9.110-31K一些粒子的物質(zhì)波波長子彈電子中子地球粒 子已 知 條 件物 質(zhì) 波 波 長一些粒子的物質(zhì)波波長子彈電子中子地球粒 子已 知 條 件顯微鏡的分辨本領(lǐng)科學(xué)漫步 生物實驗室里的顯微鏡利用可見光工作，是光學(xué)顯微鏡。最好的光學(xué)顯微鏡能夠分辨200mm大小的物體，可以看到最

9、小的細菌。大多數(shù)病毒比細菌小得多、光學(xué)顯微鏡就無能為力了。技術(shù)在不斷發(fā)展，人們可以制造更為精良的光學(xué)顯微鏡。那么，它的分辮本領(lǐng)能不能無限提高呢?不能。衍射現(xiàn)象限制了光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)。 大家知道，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯。音的波長在1m左右，所以我們能夠聽兒墻后面入們的談話聲，這是聲音的衍射。可見光的波長為400700nm，日常生活中的物體大小比可見光的波長大得多，光的衍射現(xiàn)象不明顯，所以我們才說光沿直線傳播。但是，顯微鏡的精度報高，物鏡的直徑又不大，所以衍射現(xiàn)象不能忽略。由于衍射，被觀察物體上的一個光點經(jīng)過透鏡以后不再會聚成一個光點，而形成一個光境，這樣物體的像就模糊了，影響了顯微鏡的分辨

10、本領(lǐng)。 由于電壓越高電子最終獲得的動量越大，它的波長越短，分辨本領(lǐng)也就越強，所以電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的大小常用它的加速電壓來表示。 電子?xùn)|也是一種波。如果把電子加速，使它的動量很大，它的德布羅意波長會比可見光的波長短得多，衍射現(xiàn)象的影響就小多了。這樣就有可能大大提高分辨能力。這種使用電子?xùn)|工作的顯微鏡叫做電子顯鏡。肉眼不能看見電子求，可以讓電子?xùn)|打在熒光板上來觀察顯微圖像不過通常的傲法是用感光膠片或光電轉(zhuǎn)換件代替熒光板得到微小物體的顯微照片?，F(xiàn)代電子顯微鏡的分本領(lǐng)可以達到0.2nm，能夠看到蛋白質(zhì)分子和金屬的晶體結(jié)構(gòu)。顯微鏡的分辨本領(lǐng)科學(xué)漫步 生物實驗室里的顯微鏡利問題:從減輕衍射影這方面提高顯

11、微鏡的分辨本領(lǐng)有哪兩個途徑?電子顯薇鏡采用了哪個途徑?如果果顯微鏡用質(zhì)子流而不是電子流工作，它們加速后的度相同、哪種呈鏡的分本領(lǐng)有可能更高？科學(xué)漫步解析:波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯，要提高顯微鏡的分辨能力，可采用波長較短的光或使粒子動量很大，由入h/p得它的德布羅意波長會很短，衍射現(xiàn)象的影響就小多了，這樣就可大大提高分辨能力。電子顯微鏡是采用把電子加速，使它動量很大，由入h/p知，它的德布羅意波長會很短，從而提高分辨能力。 如果顯微鏡用質(zhì)子流而不是電子流，它們加速后的速度相同，因質(zhì)子質(zhì)量大于電子質(zhì)量，所以質(zhì)子動量大于電子的動量，由入h/p知，質(zhì)子的德布羅意波長比電子的德布羅意波長更短，分能力更強

12、，因此用質(zhì)子流顯徽鏡的分本領(lǐng)更高。問題:從減輕衍射影這方面提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)有哪兩個途徑?電【例題1】有關(guān)光的本性，下列說法正確的是A光既具有波動性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性答案：D解析：光既具有波動性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機械波和粒子。波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性。只有

13、選項D正確?！纠}1】有關(guān)光的本性，下列說法正確的是答案：D【典例2】.下列說法中正確的是( )A.質(zhì)量大的物體,其德布羅意波長小B.質(zhì)量小的物體,其德布羅意波長小C.動量大的物體,其德布羅意波長小D.速度大的物體,其德布羅意波長小C【典例2】.下列說法中正確的是( )C【典例3】下列關(guān)于德布羅意波的認識，正確的解釋是()A任何一個物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性C【典例3】下列關(guān)于德布羅意波的認識，正確的解釋是()C課堂小結(jié)一、光的波粒二象性大量

14、事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性。h架起了粒子性與波動性之間的橋梁二、粒子的波動性：一切實物粒子也具有波動性。 即每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系,如一個質(zhì)量為 m 的實物粒子以速率 v 運動時,即具有以能量和動量 p 所描述的粒子性，同時也具有以頻率 v 和波長所描述的波動性。 為 德布羅意波長與實物粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波。課堂小結(jié)一、光的波粒二象性大量事實說明：光是一種波，同時也是三、物質(zhì)波的實驗驗證 利用波的衍射和干涉進行驗證，通過晶體規(guī)則排列的物質(zhì)微粒。1、倫琴射線衍射實驗2、電子衍射實驗3、電子雙縫實驗 宏觀物體的波長太短,到現(xiàn)在為止，我們無法觀察到宏觀物體的波動性。宏觀物體的波動性不必考慮，只考慮其粒子性。三、物質(zhì)波的實驗驗證 利用波的衍射和干涉進行驗證作業(yè)布置：課本“問題與練習(xí)第1、2、3題作業(yè)布置：問題與練習(xí)解答：1、我們根據(jù)什么說光具有波粒二象性?解：個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性，大量的光子時表現(xiàn)為波動性。光的衍射和折射說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。波粒二象性：粒子是指其不連續(xù)是一份能量。光的的波長越長其波動性越顯著，波