人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案2：4 5 粒子的波動性和量子力學(xué)的建立

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE14.5粒子的波動性和量子力學(xué)的建立〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道德布羅意波，光有波動性和粒子性、量子力學(xué)等基本觀點和相關(guān)實驗證據(jù)。2.掌握光的波粒二象性，理解其對立統(tǒng)一關(guān)系；并能應(yīng)用波粒二象性解釋有關(guān)現(xiàn)象，提高分析、推理能力。3.通過學(xué)習(xí)電子衍射、與干涉的探究，學(xué)會觀察與討論，并能得出實驗結(jié)論，提高動腦能力。4.學(xué)習(xí)科學(xué)家們探究物質(zhì)波、建立量子力學(xué)的艱辛，堅持實事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣?！贾R梳理〗一、粒子的波動性和實驗驗證1．粒子的波動性(1)德布羅意波1924年法國巴黎大學(xué)的德布羅意提出假設(shè)：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，這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式ν＝eq\f(ε,h)，λ＝eq\f(h,p)。(3)我們之所以看不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體的動量太大，德布羅意波長太小的緣故．(4)德布羅意假說是光的波粒二象性的推廣，即光子和實物粒子都既具有粒子性又具有波動性，即具有波粒二象性．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．2．物質(zhì)波的實驗驗證(1)實驗探究思路干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。(2)實驗驗證1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，得到了電子的衍射圖樣，如圖所示，證實了電子的波動性。電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣(3)說明①人們陸續(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)量比微觀粒子大得多，運動時的動量很大，對應(yīng)的德布羅意波的波長很小，根本無法觀察到它的波動性。說明：所有物體都具有波動性和粒子性。二、量子力學(xué)的建立與應(yīng)用1．量子力學(xué)的建立(1)普朗克黑體輻射理論、愛因斯坦光電效應(yīng)理論、康普頓散射理論、玻爾氫原子理論以及德布羅意物質(zhì)波假說等一系列理論在解釋實驗方面都取得了成功。(2)在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克和奧地利的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，它被稱為量子力學(xué)。2．量子力學(xué)的應(yīng)用(1)量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。(2)量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。(3)量子力學(xué)推動了固體物理的發(fā)展。小試牛刀1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)一切宏觀物體都伴隨著一種波，即物質(zhì)波。 ()(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波。 ()(3)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性。 ()(4)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯。 ()2．(多選)關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是()A．關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說”．惠更斯提出“波動說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性D．光電效應(yīng)說明光具有粒子性〖要點剖析〗一、對光的波粒二象性的理解思考1我們說光具有波粒二象性，即光有波動性，同時光也具有粒子性，那么哪些現(xiàn)象可以證明光具有波動性？哪些現(xiàn)象證明光具有粒子性？大量光子體現(xiàn)的什么性更強？1．對光的本性認(rèn)識史人類對光的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的歷程，從牛頓的光的微粒說到托馬斯·楊和菲涅耳的波動說，從麥克斯韋的光的電磁說到愛因斯坦的光子說。直到20世紀(jì)初，對于光的本性的認(rèn)識才提升到一個更高層次，即光具有波粒二象性。對于光的本性認(rèn)識史，列表如下：學(xué)說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是一種機械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性理論領(lǐng)域宏觀世界宏觀世界微觀世界微觀世界微觀世界2.對光的波粒二象性的理解項目實驗基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述(2)足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子〖特別提醒〗大量光子表現(xiàn)出波動性，個別光子表現(xiàn)出粒子性，光具有波粒二象性。例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(rèn)為光具有波粒二象性技巧歸納(1)光既有波動性又有粒子性，二者是統(tǒng)一的。(2)光表現(xiàn)為波動性，只是光的波動性顯著，粒子性不顯著而已。(3)光表現(xiàn)為粒子性，只是光的粒子性顯著，波動性不顯著而已。二、對物質(zhì)波的理解思考2(1)1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了電子束衍射實驗，得到如圖甲的衍射圖樣，試問該圖樣證明了什么？甲乙(2)1960年，約恩孫直接做了電子雙縫干涉實驗，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片，試問這證明了什么？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。2．物質(zhì)波波長的計算公式為λ＝eq\f(h,p)，頻率公式為ν＝eq\f(ε,h)。3．德布羅意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。〖特別提醒〗一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短，波動性很不明顯，難以觀察到其衍射現(xiàn)象，如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣。例2．下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識正確的是()A．任何一個物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波B．X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例3“4G改變生活，5G改變社會”，中國已正式進入5G時代．4G所使用的電磁波頻率一般都低于6GHz（1G=109），而5G所用的電磁波頻率一般在24GHz到100GHz之間，與4G使用的電磁波相比，5G使用的電磁波（）A．光子能量較小 B．光子動量較大C．在真空中傳播速度更大 D．遇到障礙物更容易發(fā)生衍射現(xiàn)象技巧歸納宏觀物體波動性的三點提醒(1)一切運動著的物體都具有波動性，宏觀物體觀察不到其波動性，但并不能否定其波動性。(2)要注意大量光子、個別光子、宏觀物體、微觀粒子等相關(guān)概念的區(qū)別。(3)在宏觀世界中，波與粒子是對立的概念；在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一?！颊n堂達(dá)標(biāo)〗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)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B．光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(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，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著2．(多選)關(guān)于光的波粒二象性，下列正確的說法是()A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B．光的波長越長，光的能量越小，波動性越顯著C．頻率高的光子不具有波動性，波長較長的光子不具有粒子性D．個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性3．(多選)以下說法正確的是()A．宏觀粒子也具有波動性 B．抖動細(xì)繩一端，繩上的波就是物質(zhì)波C．物質(zhì)波也是一種概率波 D．物質(zhì)波就是光波4．下列說法正確的是()A．物質(zhì)波屬于機械波B．只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C．德布羅意認(rèn)為，任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都具有一種波和它對應(yīng)，這種波叫作物質(zhì)波D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運動時不具有波動性5．歷史上美國宇航局曾經(jīng)完成了用“深度撞擊”號探測器釋放的撞擊器“擊中”坦普爾1號彗星的實驗。探測器上所攜帶的重達(dá)400kg的彗星“撞擊器”將以1.0×104m/s的速度徑直撞向彗星的彗核部分，撞擊彗星后“撞擊器”融化消失，這次撞擊使該彗星自身的運行速度出現(xiàn)1.0×10－7m/s的改變。已知普朗克常量h＝6.6×10－34J·s。則：(1)撞擊前彗星“撞擊器”對應(yīng)物質(zhì)波波長為________；(2)根據(jù)題中相關(guān)信息數(shù)據(jù)估算出彗星的質(zhì)量為________。

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁小試牛刀1.××√×2.〖答案〗CD〖解析〗光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒。某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象。某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個現(xiàn)象。要區(qū)分說法和物理史實與波粒二象性之間的關(guān)系。C、D正確，A、B錯誤。思考1光的干涉和衍射證明光具有波動性；光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)則說明光具有粒子性。大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。例1〖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(rèn)為光具有波粒二象性。選項D正確。思考2(1)證明電子的波動性。(2)證明電子的波動性。例2．〖答案〗C〖解析〗運動的物體才具有波動性，A錯誤；宏觀物體由于動量太大，德布羅意波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動性，D錯誤；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實物質(zhì)波的存在，B錯誤；只有C項正確。例3．〖答案〗B〖解析〗A．根據(jù)光子能量可知5G使用的電磁波光子能量較大，A錯誤；B．根據(jù)光子動量p＝eq\f(h,λ)=eq\f(hv,c)可知，5G使用的電磁波光子動量較大，B正確；C．所有頻率的光在真空中傳播的速率均為，C錯誤；D．由于波長λ＝QUOTEcvcv可知5G使用的電磁波波長更短，遇到障礙物不容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，D錯誤?！颊n堂達(dá)標(biāo)〗1.〖答案〗AD〖解析〗光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，選項D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著，選項B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，選項C錯誤。2.〖答案〗ABD〖解析〗光具有波粒二象性，但在不同情況下表現(xiàn)不同，頻率越高，波長越短，粒子性越強，反之波動性明顯，個別光子易顯示粒子性，大量光子顯示波動性，故選項A、B、D正確。3.〖答案〗AC〖解析〗任何物體都具有波動性，故A正確；對宏觀物體而言，其波動性難以觀測，我們所看到的繩波是機械波，不是物質(zhì)波，故B錯誤；物質(zhì)波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點出現(xiàn)的概率遵循波動規(guī)律，但物質(zhì)波不是光波，故C正確，D錯誤。4.〖答案〗C〖解析〗物質(zhì)波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質(zhì)不同，宏觀物體也具有波動性，只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯，故選項C正確。5.〖解析〗(1)撞擊前彗星“撞擊器”的動量為：p＝