2024-2025學年高中物理第十七章波粒二象性第三節(jié)粒子的波動性學案新人教版選修3-5

PAGE7-第三節(jié)粒子的波動性【素養(yǎng)目標定位】※理解光的波粒二象性※了解粒子的波動性※理解物質波的概念，知道物質波的試驗驗證【素養(yǎng)思維脈絡】課前預習反饋教材梳理·夯基固本·落實新知學問點1光的波粒二象性1．光的本性(1)19世紀初托馬斯·楊、菲涅耳、馬呂斯等分別視察到了光的__干涉__、__衍射__和偏振現(xiàn)象。(2)19世紀60年頭和80年頭，麥克斯韋和赫茲先后從理論上和試驗上確認了光的__電磁波__本質。(3)光電效應和康普頓效應揭示了光的__粒子性__。(4)eq\x(\a\al(光,的,本,性))eq\b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(\x(\a\al(大量光子產(chǎn)生的效果顯示出__波動性__，,如干涉、__衍射__、偏振現(xiàn)象)),\x(\a\al(個別光子產(chǎn)生的效果顯示出__粒子性__，,如__光電效應__、康普頓效應))))eq\x(\a\al(光既有__粒子性__，,又具有__波動性__，,既光具有__波粒二象性__。))2．光子的能量和動量(1)能量：ε＝__hν__；(2)動量：p＝__eq\f(h,λ)__。3．意義能量ε和動量p是描述物質的__粒子__性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質的__波動__性的典型物理量。因此ε＝__hν__和p＝__eq\f(h,λ)__揭示了光的粒子性和波動性之間的親密關系。學問點2粒子的波動性1．德布羅意波任何一種實物粒子都和一個波相聯(lián)系，這種波被稱為德布羅意波，也叫__物質__波。2．物質波的波長和頻率波長公式λ＝__eq\f(h,p)__，頻率公式ν＝__eq\f(ε,h)__。3．物質波的試驗驗證(1)試驗探究思路干涉、衍射是__波__特有的現(xiàn)象，假如實物粒子具有波動性，則在肯定條件下，也應當發(fā)生__干涉__或__衍射__現(xiàn)象。(2)試驗驗證1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了__電子束衍射__的試驗，得到了類似如圖的__衍射__圖樣，從而證明白電子的波動性。他們因此獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。思索辨析『判一判』(1)光的干涉、洐射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性。(√)(2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯。(×)(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子。(√)(4)一切宏觀物體都具有波動性，即物質波。(√)(5)湖面上的水波就是物質波。(×)(6)電子的衍射現(xiàn)象證明白實物粒子具有波動性。(√)『選一選』(多選)(2024·黑龍江省哈爾濱六中高二下學期期中)波粒二象性是微觀世界的基本特征，下列說法正確的是(AB)A．光電效應和康普頓效應揭示了光的粒子性B．電子束的晶體衍射試驗表明實物粒子具有波動性C．動能相等的質子和電子的德布羅意波長相等D．低頻電磁波的粒子性顯著而高頻電磁波的波動性顯著解析：光電效應和康普頓效應，能說明光具有粒子性，故A正確；電子束射到晶體上產(chǎn)生的衍射圖樣說明電子具有波動性，故B正確；動能相等的質子和電子，它們的動量：p＝eq\r(2m·Ek)，質子與電子的質量不同，所以動能相等的電子與質子的動量是不同的，依據(jù)德布羅意波波長公式λ＝eq\f(h,p)，可知它們的德布羅意波長不相等，故C錯誤；電磁波的頻率越低，則能量值越小，頻率越大，則能量值越大，所以低頻電磁波的波動性顯著而高頻電磁波的粒子性顯著，故D錯誤?！合胍幌搿?024年6月30日，中國運動員蘇炳添在2024鉆石聯(lián)賽巴黎站競賽中，以9.91s的成果再次追平了男子100m亞洲記錄。設蘇炳添的質量約為75kg，請計算他在100m競賽時的德布羅意波長，并說明其波動性是否明顯。答案：8.76×10－37m，波動性很不明顯解析：蘇炳添100m跑時對應的德布羅意波波長為λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)＝eq\f(6.63×10－34,75×\f(100,9.91))m≈8.76×10－37m可見此波長極短，其波動性很難表現(xiàn)出來。課內互動探究細研深究·破疑解難·萃取精華探究對光的本性的相識┃┃思索探討1__■曾有一位記者向物理學家諾貝爾獎獲得者布拉格請教：光是波還是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物理學家休息?！蹦敲垂獾谋拘跃烤故鞘裁茨?？你是如何理解的？提示：光具有波粒二象性。光既不同于宏觀觀念的粒子，也不同于宏觀觀念的波，但光既具有粒子性又具有波動性，粒子性和波動性都是光本身的屬性。┃┃歸納總結__■1．光學發(fā)展史學說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦公認試驗依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波速光電效應康普頓效應光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內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，既有波動性又有粒子性年頭17世紀17世紀19世紀中20世紀初20世紀初2．對光的波粒二象性的理解光的波動性光的粒子性試驗基礎干涉、衍射光電效應、康普頓效應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，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律描述：(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質。(2)頻率低，波長長的光，波動性特征顯著。粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏觀概念的粒子，但也具有動量和能量。(1)當光同物質發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質。(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。二象性(1)光子說并沒有否定波動性，E＝hν中，ν表示光的頻率，表示了波的特征。光既具有波動性，又具有粒子性，波動性和粒子性都是光的本身屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有用波粒二象性，才能統(tǒng)一說明光的各種行為。┃┃典例剖析__■典例1下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是(C)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．大量光子的行為往往顯示出粒子性解題指導：在宏觀現(xiàn)象中，波與粒子是對立的概念，而在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一。光具有波粒二象性是指光在傳播過程中和同其他物質作用時分別表現(xiàn)出波和粒子的特性。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)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，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子。光的波粒二象性的理論和試驗表明，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。光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應，所以其粒子性就很顯著，故選項C正確，A、B、D錯誤。┃┃對點訓練__■1．人類對光的本性相識的過程中先后進行了一系列試驗，如圖所示的四個示意圖所表示的試驗說明光具有波動性的是__ABD__，說明光具有粒子性的是__C__。解析：C為光電效應試驗，證明白光的粒子性；其余的三個試驗均證明白光的波動性。探究對物質波的理解┃┃思索探討2__■德布羅意認為任何運動著的物體均有波動性，可是我們視察運動著的汽車，并未感覺到它的波動性。你如何理解該問題，談談自己的相識。提示：波粒二象性是微觀粒子的特別規(guī)律，一切微觀粒子都存在波動性，宏觀物體(汽車)也存在波動性，只是因為宏觀物體質量大，動量大，波長短，難以觀測，而微觀粒子如電子、質子、中子以及原子、分子的波動性為宏觀物體具有波動性奠定了事實基礎。┃┃歸納總結__■1．德布羅意波頻率：ν＝eq\f(ε,h)波長：λ＝eq\f(h,p)ε、p分別為實物粒子的能量和動量。這種波稱為德布羅意波，也叫物質波。2．對德布羅意物質波的理解(1)任何一個運動的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽都具有波動性。由于宏觀物體的波長太小，其波動性不易視察到。(2)物質波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率聽從波動規(guī)律。不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波。(3)德布羅意假說是光的波粒二象性的推動，實物粒子和光子都既具有粒子性，又具有波動性。與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的是物質波。┃┃典例剖析__■典例2質量為10g，速度為300m/s在空中飛行的子彈，其德布羅意波波長是多少？為什么我們無法視察出其波動性？假如能夠用特別的方法視察子彈的波動性，我們是否能看到子彈上下或左右抖動著前進，在空間中描繪出正弦曲線或其他周期性曲線？為什么？解題指導：認為運動物體將做曲線運動是簡單出現(xiàn)的錯誤，以宏觀觀念的波來理解德布羅意波是錯誤的根源，德布羅意波是一種概率波，在一般狀況下不能用確定的坐標描述粒子的位置，無法用軌跡描述粒子的運動，但是粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配，不是粒子將做曲線運動，不能將物質波與宏觀意義上的機械波相混淆，物質波的實質是指粒子在空間的分布的概率是受波動規(guī)律支配的，它與機械波有著本質的區(qū)分，更不能將粒子的運動軌跡與波動性聯(lián)系在一起。解析：依據(jù)德布羅意的觀點，任何運動著的物體都有一種波和它對應，飛行的子彈必有一種波與之對應，由于子彈的德布羅意波長極短，我們不能視察到其衍射現(xiàn)象，由于德布羅意波是一種概率波，僅是粒子在空間出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，而非粒子做曲線運動。由波長公式可得λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(6.63×10－34,10×10－3×3×102)m＝2.21×10－34m。因為子彈的德布羅意波長太短，無法視察到其波動性。不會看到這種現(xiàn)象，因德布羅意波是一種概率波，粒子在空間出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，而非宏觀的機械波，更不是粒子做曲線運動。┃┃對點訓練__■2．下列說法中正確的是(C)A．物質波屬于機械波B．只有像電子、質子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C．德布羅意認為，任何一個運動著的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽，都有一種波和它對應，這種波叫物質波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解析：物質波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質不同，宏觀物體也具有波動性，只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯而已，故只有C對。核心素養(yǎng)提升易錯警示·以題說法·啟智培優(yōu)易錯點：不能正確相識運動物體的波動性案例一位戰(zhàn)士在實戰(zhàn)訓練時子彈脫靶，在分析脫靶的緣由時，突然想起德布羅意波長公式后，確認未擊中的緣由可能與子彈的波動性有關