2024-2025學(xué)年高中物理第十七章波粒二象性第3節(jié)粒子的波動(dòng)性學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE6-第3節(jié)粒子的波動(dòng)性1．了解人類對(duì)光的本性的相識(shí)史，了解光的波粒二象性及其對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。2．了解粒子的波動(dòng)性，了解什么是德布羅意波，了解物質(zhì)波的試驗(yàn)驗(yàn)證，會(huì)說(shuō)明有關(guān)現(xiàn)象。3．學(xué)會(huì)用辯證的觀點(diǎn)看待問(wèn)題，相識(shí)到物理學(xué)各種觀點(diǎn)的局限性。一、光的波粒二象性1．光的本性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象表明光具有eq\o(□,\s\up4(01))波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有eq\o(□,\s\up4(02))粒子性，即光具有eq\o(□,\s\up4(03))波粒二象性。2．光子的能量和動(dòng)量關(guān)系式(1)關(guān)系式：ε＝eq\o(□,\s\up4(04))hν，p＝eq\o(□,\s\up4(05))eq\f(h,λ)。(2)意義：能量ε和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的eq\o(□,\s\up4(06))粒子性的重要物理量；波長(zhǎng)λ和頻率ν是描述物質(zhì)的eq\o(□,\s\up4(07))波動(dòng)性的典型物理量。因此ε＝hν和p＝eq\f(h,λ)揭示了光的eq\o(□,\s\up4(08))粒子性和eq\o(□,\s\up4(09))波動(dòng)性之間的親密關(guān)系。二、粒子的波動(dòng)性及試驗(yàn)驗(yàn)證1．粒子的波動(dòng)性(1)德布羅意波：每一個(gè)eq\o(□,\s\up4(01))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eq\o(□,\s\up4(02))實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫eq\o(□,\s\up4(03))物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長(zhǎng)：λ＝eq\o(□,\s\up4(04))eq\f(h,p)。(3)物質(zhì)波的頻率：ν＝eq\o(□,\s\up4(05))eq\f(ε,h)。2．物質(zhì)波的試驗(yàn)驗(yàn)證(1)試驗(yàn)探究思路：eq\o(□,\s\up4(06))干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，假如實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，則在肯定條件下，也應(yīng)當(dāng)發(fā)生eq\o(□,\s\up4(07))干涉或衍射現(xiàn)象。(2)試驗(yàn)驗(yàn)證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了eq\o(□,\s\up4(08))電子束衍射的試驗(yàn)，得到了eq\o(□,\s\up4(09))電子的衍射圖樣，證明白eq\o(□,\s\up4(10))電子的波動(dòng)性。(3)說(shuō)明①人們接連證明白質(zhì)子、中子以及原子、分子的eq\o(□,\s\up4(11))波動(dòng)性，對(duì)于這些粒子，德布羅意給出的ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)關(guān)系同樣正確。②宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的eq\o(□,\s\up4(12))動(dòng)量很大，對(duì)應(yīng)的德布羅意波的波長(zhǎng)eq\o(□,\s\up4(13))很小，根本無(wú)法視察到它的波動(dòng)性。判一判(1)光子與實(shí)物粒子沒(méi)有本質(zhì)區(qū)分。()(2)光的波動(dòng)性與機(jī)械波有區(qū)分，光可在真空中傳播，機(jī)械波的傳播只能借助介質(zhì)。()(3)我們平常所見(jiàn)的宏觀運(yùn)動(dòng)物體，由于波長(zhǎng)太短，波動(dòng)性不明顯。()提示：(1)×(2)√(3)√想一想(1)可見(jiàn)光中，哪種單色光的波動(dòng)性最強(qiáng)？哪種單色光的粒子性最強(qiáng)？提示：可見(jiàn)光中紅光波動(dòng)性最強(qiáng)，紫光的粒子性最強(qiáng)。(2)光的波動(dòng)性與粒子性跟它們的波長(zhǎng)、頻率有怎樣的關(guān)系？提示：光波頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的波動(dòng)性越明顯；光波頻率越高，波長(zhǎng)越短，光的粒子性越明顯。(3)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的波，為什么視察不到一粒飛行著的子彈的波動(dòng)性？提示：宏觀物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們視察不到它們的波動(dòng)性，但也有一個(gè)波與之對(duì)應(yīng)，只是對(duì)應(yīng)飛行的子彈的波的波長(zhǎng)太小了，所以視察不到子彈的波動(dòng)性，但一粒飛行著的子彈的波動(dòng)性還是存在的。課堂任務(wù)光的波粒二象性1．對(duì)光的本性相識(shí)史人類對(duì)光的相識(shí)經(jīng)驗(yàn)了漫長(zhǎng)的歷程，從牛頓的光的微粒說(shuō)、托馬斯·楊和菲涅耳的波動(dòng)說(shuō)到麥克斯韋的光的電磁說(shuō)和愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。直到二十世紀(jì)初，對(duì)于光的本性的相識(shí)才提升到一個(gè)更高層次，即光具有波粒二象性。對(duì)于光的本性相識(shí)史，列表如下：2．對(duì)光的波粒二象性的理解光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。光子的能量ε和動(dòng)量p可以表示為ε＝hν和p＝eq\f(h,λ)。它們是描述光的性質(zhì)的基本關(guān)系式。能量ε和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長(zhǎng)λ或頻率ν是描述物質(zhì)的波動(dòng)性的典型物理量。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性，右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動(dòng)性，它們通過(guò)普朗克常量h聯(lián)系在一起。這里我們可以從一個(gè)側(cè)面感覺(jué)到普朗克常量的重要性：h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。波動(dòng)性和粒子性是對(duì)立統(tǒng)一的：(1)大量光子易顯示波動(dòng)性，而少量光子易顯示出粒子性。(2)波長(zhǎng)長(zhǎng)(頻率低)的光波動(dòng)性強(qiáng)，而波長(zhǎng)短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)。(3)光在傳播時(shí)常表現(xiàn)波動(dòng)性，與物質(zhì)作用時(shí)常表現(xiàn)粒子性。例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(1)光在發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)時(shí)是不是只具有粒子性而不具有波動(dòng)性？當(dāng)其發(fā)生干涉、衍射時(shí)又只具有波動(dòng)性，粒子性消逝？提示：不是。其粒子性與波動(dòng)性是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，相互間不是獨(dú)立的，只是有表現(xiàn)明顯與不明顯的區(qū)分。(2)單個(gè)光子與大量光子的表現(xiàn)有何不同？提示：?jiǎn)蝹€(gè)光子的粒子特征較明顯，波動(dòng)性不明顯。大量光子往往表現(xiàn)為波動(dòng)性，而粒子性特征表現(xiàn)不明顯。[規(guī)范解答]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，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，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)粒子性顯著，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，C錯(cuò)誤。[完備答案]AD光的波粒二象性的解題關(guān)鍵點(diǎn)(1)光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，只是在不同的條件下其中一特性質(zhì)表現(xiàn)比較明顯，另一個(gè)不明顯。(2)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象有力地說(shuō)明白光具有波動(dòng)性，而光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)表明，光還具有粒子性，即光具有波粒二象性。(3)解此類題關(guān)鍵要抓住光的本性，即光具有波粒二象性，再?gòu)漠a(chǎn)生波粒二象性的緣由動(dòng)身去分析，這類問(wèn)題就很簡(jiǎn)單解答了。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])關(guān)于對(duì)光的相識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．頻率高的光是粒子，頻率低的光是波B．光有時(shí)是波，有時(shí)是粒子C．光有時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，有時(shí)候表現(xiàn)出粒子性D．光既是宏觀概念中的波，也是宏觀概念中的粒子答案C解析一切光都具有波粒二象性，A錯(cuò)誤；光有些行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，有些行為表現(xiàn)出粒子性，B錯(cuò)誤，C正確；光子不是實(shí)物粒子，更不是宏觀概念中的粒子，D錯(cuò)誤。課堂任務(wù)物質(zhì)波的理解1．任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星都存在波動(dòng)性，我們之所以視察不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的原因。2．德布羅意假說(shuō)是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了全部的物質(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。例2關(guān)于物質(zhì)波，下列說(shuō)法正確的是()A．速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長(zhǎng)大B．動(dòng)能相等的電子和質(zhì)子，電子的波長(zhǎng)小C．動(dòng)量相等的電子和中子，中子的波長(zhǎng)小D．甲電子的速度是乙電子的3倍，甲電子的波長(zhǎng)也是乙電子的3倍由德布羅意波的波長(zhǎng)表達(dá)式可知波長(zhǎng)跟哪些物理量有關(guān)？提示：λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)。[規(guī)范解答]由λ＝eq\f(h,p)，可知?jiǎng)恿看蟮牟ㄩL(zhǎng)小，電子與質(zhì)子的速度相等時(shí)，電子的動(dòng)量小，波長(zhǎng)大，A正確；電子與質(zhì)子動(dòng)能相等時(shí)，由動(dòng)量與動(dòng)能的關(guān)系式p＝eq\r(2mEk)可知，電子的動(dòng)量小，波長(zhǎng)大，B錯(cuò)誤；動(dòng)量相等的電子和中子，其波長(zhǎng)應(yīng)相等，C錯(cuò)誤；假如甲、乙兩電子的速度遠(yuǎn)小于光速，甲電子的速度是乙電子的3倍，甲電子的動(dòng)量也是乙電子的3倍，則甲電子的波長(zhǎng)應(yīng)是乙電子的eq\f(1,3)，D錯(cuò)誤。[完備答案]A有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法(1)首先計(jì)算物體的速度，再計(jì)算其動(dòng)量。假如知道物體動(dòng)能也可以干脆用p＝eq\r(2mEk)計(jì)算其動(dòng)量。(2)再依據(jù)λ＝eq\f(h,p)計(jì)算德布羅意波長(zhǎng)。(3)須要留意的是：德布羅意波波長(zhǎng)一般都很短，比一般的可見(jiàn)光波波長(zhǎng)還要短，可以依據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大致推斷結(jié)果是否合理。(4)宏觀物體的波長(zhǎng)小到可以忽視，其波動(dòng)性很不明顯。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])質(zhì)量為1000kg的小