3　粒子的波动性教案设计范例

普通高中课程标准实验教科书

物理

3-5

（教案）

崭新的一页：粒子的波动性

第1课时

教学目标

一、知识目标：

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。

2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。

3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。

二、能力目标：

1．了解物理真知形成的历史过程。

2．了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性。

3．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。

三、德育目标：

1．通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正。

2．通过相关理论的实验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学态度。

3．通过了解电子衍射实验，使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。

教学重点

实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。

教学难点

实物粒子的波动性的理解。

教学方法

学生阅读－讨论交流－教师讲解－归纳总结

教学用具

投影片，多媒体辅助教学设备

课时安排

2课时

教学过程

引入新课: 提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？请同时举出相应的事实基础。

学生阅读课本、思考后回答：光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。（分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。

点评：让学生阅读课本内容结合前面所学知识进行归纳总结，形成正确观点。

教师：原来我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？

学生举例说明：例如哲学中对事物的辨正观点等。

点评：培养学生对事物或规律的全面把握，并与与其他学科进行横向渗透联系。

新课教学: 1、光的波粒二象性

教师：讲述光的波粒二象性。

在学生的辨析说明下进行归纳整理。

（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。

1 少年素质教育报.理化周刊 http：//www.snszjyb.com

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光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。

（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。

点评：通过学生归纳总结形成结论，教师再进行讲解，学生容易接受。充分注重知识的学生自主形成过程。

2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

hv

ph/

让学生找到更多的关系公式：ph/＝hv/v/c

提问：受此启发，人们想到：同样作为物质的实物粒子(如电子、原子、分子等)是否也具有波动性呢？

学生阅读课本“粒子的波动性”。

点评：让学生带着问题阅读，提高阅读的效率，培养学生从课文材料中提取有关信息的能力。

3、粒子的波动性

提问：谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？只是因为他大胆吗？

学生回答：法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。

展示演示文稿资料：有关德布罗意。

点评：使学生了解对知识理论的推广和假设并不是一味

的凭空猜想，而是有一定的理论或事实基础。

（1）德布罗意波

实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。

（2）物质波波长

hhE＝

pmvp提问：各物理量的意义？

学生回答：为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。

点评：对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解。

讲述：当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受，历史上类似的事例我们还知道那些？

学生回答：伽利略的两个铁球同时落地等。

点评：使学生了解正确的知识理论往往并不是一提出就能被大家所接受的。

教师：让学生带着问题阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过实验验证？又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证？

4．物质波的实验验证

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？

学生阅读教材后回答：宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性．作为微观粒子的电子，其德布罗意－10波波长为10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事．

点评：让学生知受实际条件的限制而使很多理论在开始都处于假设阶段，不易被人们接受。

例题：某电视显像管中电子的运动速度是4.0×107m/s；质量为10g的一颗子弹的运动2 少年素质教育报.理化周刊 http：//www.snszjyb.com

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速度是200m/s．分别计算它们的德布罗意波长．

引导学生分析，学生解答：根据公式h/p计算得1.8×10-11m和3.3×10-34m 点评：通过具体计算使学生对实物粒子的德布罗意波长有感性认识，进一步理解实物粒子波动性验证的困难。

说明：由计算结果知，通常生活中观察不到实物波动特性征的原因。

展示演示文稿资料：电子波动性的发现者———戴维森和小汤姆逊

（电子波动性的发现,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实,并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖.而戴维森和小汤姆逊由于发现了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖）

学生阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关知识的形成建立和发展的真是过程。

点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

教师：讲述电子衍射实验：1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案．从而证实了德布罗意的假设。

学生了解更具体的相关历史资料。

点评：增加真实感，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处。

讲述：除了电子以外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。

点评：引用更多实验事实来增强对理论的证明。

提问：衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否？如何改进？

学生阅读课本材料：显微镜的分辨本领。

点评：对所学知识进行拓展，加强对实际生产生活应用的联系。

课堂小结

光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。

教学说明：

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

崭新的一页：粒子的波动性

第2课时

教学目标

一、知识目标：

1、了解光既具有波动性，又具有粒子性。

2、知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。

3、知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。

二、能力目标：

1、了解物理真知形成的历史过程。

2、了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性。

3、知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。

三、德育目标：

1、通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正。

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（教案）

2、通过相关理论的实验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学态度。

3、通过了解电子衍射实验，使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。

教学重点

实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。

教学难点

实物粒子的波动性的理解。

学生阅读－讨论交流－教师讲解－归纳总结。

投影片，多媒体辅助教学设备

教学方法

教学用具

课时安排

2课时

教学过程

引入新课: 提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？请同时举出相应的事实基础。

学生阅读课本、思考后回答：光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。（分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。

点评：让学生阅读课本内容结合前面所学知识进行归纳总结，形成正确观点。

教师：原来我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？

学生举例说明：例如哲学中对事物的辨正观点等。

点评：培养学生对事物或规律的全面把握，并与与其他学科进行横向渗透联系。

新课教学: 一、说明：光的波粒二象性的联系

（1）、E=hν 光子说不否定波动性

光具有能量动量，表明光具有粒子性。光又具有波长、频率，表明光具有波动性。且由E=hν，光子说中E=hν，ν是表示波的物理量，可见光子说不否定波动说。

（2）、光子的动量和光子能量的比较：p=h与ε=hν

Ｐ与ε是描述粒子性的，λ、ν是描述波动性的，h则是连接粒子和波动的桥梁

波粒二象性对光子来讲是统一的。

二、德布罗意波（物质波）

1924年，德布罗意(due de Broglie, 1892-1960)最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。

De . Broglie 1924年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。

他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那末在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢” 于是，他提出：一切实物粒子都有具有波粒二象性。即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。

能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为的波相联系，并遵从以下关系：E=mc2=hv p=mv=h 其中p：运动物体的动量

h：普朗克常量

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1、德布罗意波

这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波或概率波),其波长称为德布罗意波长。

2、一切实物粒子都有波动性。

后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。

一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？

【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。

解：估计一个中学生的质量m≈50kg ，百米跑时速度v≈7m/s ，则 λ=h－36=1.9×10m p计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。

所以，宏观物体只表现出粒子性。

如电子m=9.110-31Kg，速如速度v=5.0102m/s飞行的子度v=5.0107m/s, 对应的德

弹，质量为m=10-2Kg，对应的布罗意波长为：

德布罗意波长为：

hh21.31025nm

1.410nmmvmv

X射线波段太小测不到！

可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。

德布罗意公式成为揭示微观粒子波－粒二象性的统一性的基本公式，1929年，De Broglie因发现电子波而荣获Nobel

物理学奖。

三、物质波的实验验证

G.P.汤姆孙电子衍射实验

1927年汤姆孙观察了电子束透过多晶薄片的衍射现象.

PDM

K

1961年,C.约恩孙让电子束通过单缝、多缝的衍射图样.

课堂小结：

光具有能量动量，表明光具有粒子性。光又具有波长、频率，表明光具有波动性。且由5 少年素质教育报.理化周刊 http：//www.snszjyb.com

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E=hν，光子说中E=hν，ν是表示波的物理量，可见光子说不否定波动说。

教学说明:

本节课我们学习了光的本质，即光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。注意对光的本质的全面把握。学习了得到实验事实验证的实物粒子波动性，其对应的波称之为物质波，注意掌握物质波的计算公式。

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