第三~五節(jié) 光的波粒二象性 德布羅意波 不確定性關(guān)系

第三～五節(jié)光的波粒二象性德布羅意波不確定性關(guān)系核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解光的波粒二象性，知道光是一種概率波。(2)知道實物粒子具有波動性。(3)了解光和實物粒子的波粒二象性。(4)了解不確定性關(guān)系，知道其物理意義?？茖W(xué)思維能通過證據(jù)說明實物粒子具有波動性。科學(xué)探究通過電子衍射實驗認(rèn)識粒子的波動性?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任體會量子論的建立對人們認(rèn)識物質(zhì)世界的影響。一、光的波粒二象性1．光的本性之爭(1)英國物理學(xué)家牛頓認(rèn)為光是一種_____。(2)荷蘭物理學(xué)家惠更斯認(rèn)為光是一種____。2．光的波粒二象性(1)光既有_______，又有________。(2)物理學(xué)中把光波看成是一種_______。微粒波粒子性波動性概率波德布羅意波長衍射現(xiàn)象位置動量1.

根據(jù)測算，羽毛球離拍時的最大速度可達(dá)到288km/h，羽毛球的質(zhì)量為5.0g。求德布羅意波的波長以及能否觀察到羽毛球的波動性？2．每一個運動的物體都有一個對應(yīng)的波，為什么觀察不到一粒飛行著的子彈的波動性？提示：宏觀物體在運動時，我們觀察不到它們的波動性，但也有一個波與之對應(yīng)，只是對應(yīng)飛行的子彈的波的波長太小了，所以觀察不到子彈的波動性，但一粒飛行著的子彈的波動性還是存在的。3．在微觀物理學(xué)中，我們不可能同時準(zhǔn)確地知道某個粒子的位置和動量，判斷以下結(jié)論的正誤：(1)無論宏觀世界還是微觀世界，粒子的位置都是確定的。

()(2)我們可以根據(jù)電子的運動軌跡判斷電子的出現(xiàn)位置。

(

)(3)微觀世界中不能準(zhǔn)確地把握粒子的運動狀態(tài)。

(

)××√新知學(xué)習(xí)(一)|光的波粒二象性[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示是對光的本質(zhì)進(jìn)行研究的兩個實驗。兩幅圖分別是光什么性質(zhì)的代表？說明了什么問題？提示：甲圖是光電效應(yīng)演示實驗示意圖，它是光的粒子性的代表；乙圖是光的干涉實驗示意圖，它是光的波動性的代表。兩個實驗說明光具有波粒二象性。[重點釋解]1．光的粒子性的含義愛因斯坦光子說中的“粒子”與牛頓微粒說中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量與光的頻率有關(guān)，光子說并不否定波動說。(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。(2)少量或個別光子易顯示出光的粒子性。(3)頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著。2．光的波動性的含義光的波動性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波。(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。(2)頻率低、波長長的光，波動性特征顯著。3．光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動性，波動性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)，光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的。[典例體驗][典例]關(guān)于光的波粒二象性，下列說法正確的是

(

)A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到B．光的頻率越低，粒子性越顯著C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性D．光的波粒二象性否定了光的電磁說[解析]

光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動性明顯，故D錯誤。光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故A、B錯誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C正確。[答案]

C[針對訓(xùn)練]1．(多選)人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程。下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實的是

(

)A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的B．光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，選項A錯誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，選項B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等從而認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，選項C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項D正確。答案：BCD

2．(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，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．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性解析：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)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，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，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，故選項C、D正確，A、B錯誤。答案：CD

新知學(xué)習(xí)(二)|對德布羅意波的理解及波長計算[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示為電子穿過鋁箔后的衍射圖樣，這說明了什么？提示：說明電子具有波動性。

[重點釋解]1．對德布羅意波的理解(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的緣故。(2)粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波。(3)德布羅意波假說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，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。[典例體驗][典例]如果一個中子和一個質(zhì)量為104kg的火箭都以103m/s的速度運動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質(zhì)量為1.67×10－27kg，h＝6.63×10－34J·s)將m1＝1.67×10－27kg，v＝1×103m/s，h＝6.63×10－34J·s，m2＝104kg代入上面兩式可解得：λ1＝4.0×10－10m，λ2＝6.63×10－41m。[答案]

4.0×10－10m

6.63×10－41m

[針對訓(xùn)練]1．以下關(guān)于物質(zhì)波的說法正確的是

(

)A．實物粒子具有粒子性，在任何條件下都不可能表現(xiàn)出波動性B．宏觀物體不存在對應(yīng)的波C．電子在任何條件下都能表現(xiàn)出波動性D．微觀粒子在一定條件下能表現(xiàn)出波動性解析：任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與之對應(yīng)，這種波稱為物質(zhì)波，故A、B錯誤；電子有波動性，但在一定的條件下才能表現(xiàn)出來，故C錯誤，D正確。答案：D2．電子經(jīng)電勢差為U＝2000V的電場加速，電子的質(zhì)量m＝0.9×10－30kg，求此電子的德布羅意波波長，已知普朗克常數(shù)h＝6.6×10－34J·s。新知學(xué)習(xí)(三)|對不確定性關(guān)系的理解[任務(wù)驅(qū)動]既然位置與動量具有不確定性，為什么宏觀物體的位置和動量可以同時測量？提示：由于普朗克常量是一個很小的量，對于宏觀物體來說，其不確定性小到無法進(jìn)行觀測，因此不確定性關(guān)系對宏觀物體是不重要的，即宏觀物體的位置和動量是可以同時確定的。

提醒：不確定性關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn)，也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn)，更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn)，而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)。不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律，不是測量技術(shù)和主觀能力的問題。一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——光的波粒二象性1．(選自滬科版新教材課后練習(xí))在生活中我們會拍很多照片，通常我們都認(rèn)為，這是由人和景物發(fā)出或反射的光波經(jīng)過照相機(jī)的鏡頭聚焦在底片上形成的。實際上照片上的圖像也是由光子撞擊底片，使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的。如圖是用不同曝光量洗印的照片，請你根據(jù)自己對光的理解做出說明。提示：光波是一種概率波，在照片中有些地方光子出現(xiàn)的概率大，有些地方光子出現(xiàn)的概率小。光子個數(shù)較少時，在照片上出現(xiàn)的是一些隨機(jī)分布的光點，隨著曝光量的增大，圖像逐漸呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，整體逐漸清晰起來。

科學(xué)思維——德布羅意波長的理解及計算2．(選自人教版新教材課后練習(xí))一個電子和一個質(zhì)子具有同樣的動能時，它們的德布羅意波長哪個大？二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價值1．(多選)我國研制的世界首顆量子科學(xué)試驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射和在軌運行，將有助于我國廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，服務(wù)于國家信息安全。關(guān)于量子和量子化，下列說法正確的是

(

)A．玻爾在研究原子結(jié)構(gòu)中引進(jìn)了量子化的概念B．普朗克把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念C．光子的概念是愛因斯坦提出的D．光電效應(yīng)實驗中的光電子，也就是光子