新教材同步輔導(dǎo)2023年高中物理第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4.5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立課件新人教版選擇性必修第三冊

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性學(xué)習(xí)目標(biāo)1.

通過對干涉、衍射、光電效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析,了解光的波粒二象性及實(shí)驗(yàn)證據(jù),感受微觀粒子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性.2.通過對物質(zhì)波概念的提出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容的學(xué)習(xí),知道實(shí)物粒子和光一樣也具有波粒二象性,領(lǐng)會(huì)對稱性的研究方法,感受科學(xué)家的探究精神.3.通過對量子力學(xué)建立過程和量子力學(xué)應(yīng)用的學(xué)習(xí),了解量子力學(xué)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的普遍理論,了解量子力學(xué)在生產(chǎn)、生活、科技、軍事等方面的應(yīng)用,感受科學(xué)的成就推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步.5

粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立知識(shí)點(diǎn)一

粒子的波動(dòng)性1.光的本性:光的

、

、

等現(xiàn)象證明光具有波動(dòng)性;麥克斯韋從理論上預(yù)言光是

,揭示了光的電磁本質(zhì);光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)證明光具有

.綜上所述,光具有

.2.物質(zhì)波:法國物理學(xué)家德布羅意深受光的波粒二象性的啟發(fā),提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性,即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對應(yīng)的波相聯(lián)系,這種波稱為物質(zhì)波.某實(shí)物粒子的能量為ε、動(dòng)量為p,對應(yīng)的物質(zhì)波的頻率ν、波長λ分別為多少?

干涉衍射偏振電磁波粒子性波粒二象性知識(shí)點(diǎn)二物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.圖甲和圖乙分別是科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)得到的電子的衍射圖樣和干涉條紋,電子的衍射和干涉現(xiàn)象說明了什么?答案:光的衍射和干涉現(xiàn)象是光具有波動(dòng)性的有力證據(jù),電子也可以產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象,說明實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性.甲乙2.德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被實(shí)驗(yàn)證實(shí),表明電子、質(zhì)子、原子等粒子不但具有

的性質(zhì),而且具有

的性質(zhì).換句話說,它們和光一樣,也具有

.3.宏觀物體是否也有波動(dòng)性?不借助儀器,我們能觀察到宏觀物體的波動(dòng)性嗎?

粒子波動(dòng)波粒二象性知識(shí)點(diǎn)三量子力學(xué)的建立1.“早期量子論”包括普朗克

、愛因斯坦

、康普頓

、玻爾

、德布羅意

等,這些理論都是針對一個(gè)特定的具體問題,都不是統(tǒng)一的普遍性理論.2.量子力學(xué)的建立.(1)1925年,德國物理學(xué)家海森堡和玻恩等人對玻爾的氫原子理論進(jìn)行了推廣和改造,使之可以適用于更普遍的情況.他們建立的理論被稱為

.黑體輻射理論光電效應(yīng)理論散射理論氫原子理論物質(zhì)波假說矩陣力學(xué)(2)1926年,奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了物質(zhì)波滿足的方程——

.把這個(gè)方程應(yīng)用于氫原子,就很容易能得到氫原子光譜的公式.同時(shí),這個(gè)方程還可以方便地應(yīng)用于其他的系統(tǒng),使玻爾理論的局限得以消除.由于這個(gè)理論的關(guān)鍵是物質(zhì)波,因此被稱為

.(3)兩種理論的統(tǒng)一:波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是

,它們是同一種理論的兩種表達(dá)方式.隨后數(shù)年,在以玻恩、海森堡、薛定諤、狄拉克、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,它被稱為

.薛定諤方程波動(dòng)力學(xué)等價(jià)的量子力學(xué)知識(shí)點(diǎn)四量子力學(xué)的應(yīng)用2.量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展.核物理的發(fā)展,讓人們成功地認(rèn)識(shí)并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量,即

.核能3.量子力學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展.我們今天能在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信,基礎(chǔ)之一就是以

為載體的光纖網(wǎng)絡(luò).核磁共振技術(shù)被廣泛地用于化學(xué)、生物研究和

.原子鐘利用原子為電磁波校準(zhǔn)頻率,從而實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的高精度測量;當(dāng)下被廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星定位技術(shù),其核心部件就是

.4.量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展.科學(xué)家們利用半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)發(fā)明了

等各類固態(tài)電子器件,并結(jié)合激光光刻技術(shù)制造了大規(guī)模

,俗稱“芯片”.靠這些芯片,制造了體積小且功能強(qiáng)大的電子計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等信息處理設(shè)備,真正走進(jìn)了信息時(shí)代.激光醫(yī)學(xué)診斷原子鐘晶體管集成電路小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”).1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性.()2.光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋電磁理論.()3.德布羅意認(rèn)為實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性.()4.電子的衍射現(xiàn)象證實(shí)了實(shí)物粒子具有波動(dòng)性.()5.向前飛行的子彈只有粒子性沒有波動(dòng)性.()6.牛頓第二定律適用于宏觀物體的運(yùn)動(dòng),量子力學(xué)適用于微觀粒子的運(yùn)動(dòng).()7.原子鐘實(shí)現(xiàn)了對時(shí)間的高精度測量.()√×√√×√√探究一實(shí)物粒子的波動(dòng)性問題情境光能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,表明光具有明顯的波動(dòng)特征,光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又表明光具有粒子性.有一位偉大的物理學(xué)家大膽地把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子,有人認(rèn)為他很大膽,有人認(rèn)為他很有預(yù)見性.1.這位物理學(xué)家是誰?他提出了怎樣的假設(shè)?他運(yùn)用了怎樣的思維方法?

2.德布羅意認(rèn)為任何運(yùn)動(dòng)著的物體均有波動(dòng)性,可是我們觀察運(yùn)動(dòng)著的汽車時(shí),并未感覺到它的波動(dòng)性.你如何理解該問題?談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí).答案:一切微觀粒子都存在波動(dòng)性,宏觀物體(汽車)也存在波動(dòng)性,只是因?yàn)楹暧^物體質(zhì)量大,動(dòng)量大,波長短,難以觀測,但微觀粒子如電子、質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動(dòng)性為宏觀物體具有波動(dòng)性奠定了事實(shí)基礎(chǔ).過程建構(gòu)

(2)德布羅意波是一種概率波,粒子在空間各處出現(xiàn)的概率服從波動(dòng)規(guī)律.不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波.電子、實(shí)物粒子等其他微觀粒子,同樣具有波粒二象性,所以與它們相聯(lián)系的德布羅意波也是概率波.(3)物質(zhì)波的假說是光的波粒二象性的推廣,實(shí)物粒子和光子都既具有粒子性,又具有波動(dòng)性.與光子對應(yīng)的波是電磁波,與實(shí)物粒子對應(yīng)的波是德布羅意波.【典例1】一顆炮彈的質(zhì)量為5kg,普朗克常量h=6.63×10-34

J·s.(1)該炮彈以200m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),它的德布羅意波長多大?(2)假設(shè)它以光速運(yùn)動(dòng)(不考慮相對論效應(yīng)),它的德布羅意波長多大?(3)若要使它的德布羅意波長等于400nm,則它必須以多大的速度運(yùn)動(dòng)?

答案:(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s計(jì)算物質(zhì)波波長的基本方法

探究二物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問題情境1961年,瓊森將一束電子加速到能量為

50keV,讓其通過一縫寬為a=0.5×10-6m,間隔為d=2.0×10-6m的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,示意圖如圖所示.1.電子是沿直線運(yùn)動(dòng)打到熒光屏上的嗎?熒光屏上出現(xiàn)的條紋說明了什么問題?本實(shí)驗(yàn)有什么意義?答案:電子不是沿直線運(yùn)動(dòng)的,如果沿直線運(yùn)動(dòng),那么熒光屏上不會(huì)出現(xiàn)明暗條紋;熒光屏上出現(xiàn)的條紋說明電子具有波動(dòng)性;該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意提出的物質(zhì)波的觀念是正確的.2.下列四幅圖分別是不同數(shù)目的電子一個(gè)一個(gè)通過雙縫后在熒光屏上形成的圖案.如何理解電子的波粒二象性?答案:對于電子和其他微觀粒子,與它們相聯(lián)系的物質(zhì)波是概率波,粒子在空間各處出現(xiàn)的概率服從波動(dòng)規(guī)律,少量的電子顯示粒子性,大量的電子顯示波動(dòng)性,所以實(shí)物粒子同樣具有波粒二象性.7個(gè)電子100個(gè)電子3000個(gè)電子70000個(gè)電子過程建構(gòu)按光子的模型,用統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看待單個(gè)粒子與粒子總體的聯(lián)系,并將波的觀點(diǎn)與粒子觀點(diǎn)結(jié)合起來了,這里的波是特殊意義的波,即“概率波”.

這種對物質(zhì)波干涉和實(shí)物粒子的波粒二象性的理解,稱作統(tǒng)計(jì)解釋或概率解釋.【典例2】(多選)實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實(shí)中突出體現(xiàn)波動(dòng)性的是(

)A.電子束通過雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣B.人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)C.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)D.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)答案:

ABC解析:干涉是波具有的特性,電子束通過雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣,說明電子具有波動(dòng)性,選項(xiàng)A正確.利用慢中子衍射來研究晶體的微觀結(jié)構(gòu),說明中子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,具有波動(dòng)性,選項(xiàng)B正確.利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),說明電子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,具有波動(dòng)性,選項(xiàng)C正確.光電效應(yīng)現(xiàn)象體現(xiàn)的是光的粒子性,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.課堂評(píng)價(jià)1.下列說法正確的是(

)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,都有一種波和它對應(yīng),這種波叫物質(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)性答案:C解析: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)象不明顯而已.只有選項(xiàng)C正確.2.如果一個(gè)電子的德布羅意波長和一個(gè)中子的相等,那么它們的下列物理量也相等的是(

)A.速度

B.動(dòng)能C.動(dòng)量

D.總能量

答案:C3.(2022·浙江卷)(多選)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是近代證實(shí)物質(zhì)波存在的實(shí)驗(yàn).如圖所示,電子槍持續(xù)發(fā)射的電子動(dòng)量為1.2×10-23kg·m/s,然后讓它們通過雙縫打到屏上.已知電子質(zhì)量取9.1×10-31kg,普朗克常量取6.6×10-34J·s,下列說法正確的是(

)A.發(fā)射電子的動(dòng)能約為8.0×10-15JB.發(fā)射電子的物質(zhì)波波長約為5.5×10-11mC.只有成對電子分別同時(shí)通過雙縫才能發(fā)生干涉D.如果電