3　粒子的波动性优秀教案案例

选修3—5

17.3 粒子的波动性

& 17.4 概率波

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教学目标叙写

1、能够说出具有代表性的有关光本性的认识的理论学说，知道光具有波粒二象性及其对应的实验现象。

2、知道什么叫概率波，通过概率波理论进一步认识和理解光的波粒二象性

3、知道一切物体都具有波动性，能够应用德布罗意波长公式简单的分析和解释相关现象。

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教学过程

一、对“光的波粒二象性”的理解

教师：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、把握其特性呢？

对于光的本性的认识，人类经历了漫长的历程。从牛顿的光的微粒说、托马斯·杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说，针对相应的事实基础，科学家们提出了各自的理论

——

学说

名称

代表

人物

微粒说

牛顿

波动

说

惠更斯

电磁说

麦克斯韦

光子说

爱因斯坦

波粒

二象性

能在真空中传播，实验

光的直线传播、光的干涉、

光电效应、

光既有波动现象，

是横波，光速等

依据

光的反射

衍射

康普顿效应

又有粒子特征

于电磁波的速度

光是具有电磁本光是由一份一

性的物质，既有波份光子组成的

动性又有粒子性

内容

要点

光是一群

弹性粒子

光是一种

机械波

光是一种

电磁波

【拓展】

1、光的干涉：几列频率相同，振动方向一致的光波，在空间相遇时相互叠加，使得在某些区域的振动加强，在另一些区域的振动削弱，从而形成稳定的强弱分布的现象。（如右图甲所示为红光的干涉图像）

2、光的衍射：光在传播过程中，遇到很小的障碍物或小孔时，会偏离直线传播的途径，绕到障碍物后面的阴影区域继续进行传播的现象。（如右图乙所示为光的衍射图像）

【总结归纳1】

（1）大量的事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。

（2）光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现；大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。

（3）光子的行为服从统计规律，光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中也把光波叫做概率波。

1 甲

乙

教师：通过一些实验现象我们确切地了解到光具有波粒二象性，你能否从理论上再来发现光的这一特性吗？

学生：光子的能量表达式为h、动量表达式为ph，已知能量和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长和频率是描述物质的波动性的典型物理量。普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间桥梁；这两个表达式从理论上生动说明了光具有波粒二象性。

【反馈练习】（

）下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是

A、有的光是波，有的光是粒子

B、光子与电子是同样的一种粒子

C、光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著

D、大量光子的行为往往显示出粒子性

【总结归纳2】对光的波粒二象性的理解：

实验基础

表

现

说

明

（1）光的波动性是光子本身的一（1）光子在空间各点出现的可种属性，不是光子之间相互作用光的

能性大小可用波动规律来描述。

干涉和衍射

产生的。

波动性

（2）足够能量的光在传播时，（2）光的波动性不同于宏观观念表现出波的性质。

的波。

（1）当光同物质发生作用时，（1）粒子的含义是“不连续”的、这种作用是“一份一份”进行的，光的

光电效应、

“一份一份”的。

表现出粒子的性质。

粒子性

康普顿效应

（2）光子不同于宏观观念的粒（2）少量或个别光子容易显示子。

出光的粒子性。

二、物质波

教师：受到光的波粒二象性的启发，科学家们联想到：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？

自主阅读教材P37—P38相关内容，回答一下问题

（1）哪位科学家大胆地将光的波粒二象性推广到了一切实物粒子？他的具体观点是什么？

（2）哪些科学家通过实验进行了验证？

学生：（1）法国科学家德布罗意认为，实物粒子也具有波动性，，每一个运动的粒子都与有个对应的波相联系，满足关系式

——

布罗意波”，也叫做“物质波”。

2 h。这种与实物粒子相联系的波后来被称为“德p

（2）1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了对应的衍射图样（教材P38 图17.3—1），从而证实了电子的波动性，也第一次从实验上证实了德布罗意的假设。

教师：德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性，可是我们观察运动着的汽车，并未感觉到它的波动性。你如何理解该问题？

学生：宏观物体也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，根据h可知宏观p物体的波长非常短，难以观测。

【总结归纳】

1、任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。

2、德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，即具有波粒二象性；与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。

教师：阅读教材P39的“科学漫步”，思考以下问题

——

（1）为什么光学显微镜的分辨率不能无限提高？

（2）电子显微镜的优势从何而来？

（3）如果显微镜是用质子流而不是用电子流工作，经过相同的加速电压加速后，哪种显微镜的分辨本领更高？

学生：（1）光学显微镜的分辨率不能一味提高。因为受到光的衍射影响，被观察的物体上的一个光点经过透镜后不再汇聚成一个光点，而形成一个光斑，将影响清晰度。

（2）将电子加速，是它的动量很大，那么根据h可知，其德布罗意波就会很小，比可p见光的波长短得多，那么由于衍射现象所造成的影响就小多了。

（3）粒子被加速后，由动能定理知，Uq1mv20，所以v22Uq

m已知pmv=2Uqm，则根据德布罗意波长的表达式可知，hph2Uqm。

因为q质q电、m质m电，所以质电，即质子的衍射现象更不明显。

综上所述：质子显微镜的分辨本领更高。

3

【总结归纳】

1、

对光的认识

（1）光是一种波，也是一种粒子，光具有波粒二象性

（2）光的波动性和粒子性是相对的，是在不同条件下的表现——

①

大量光子更容易表现出波动性，少量光子更容易表现出粒子性

②

频率低的光，波动性显著；频率高的光，粒子性显著

③

光在传播过程中往往显示出波动性；光在与物质相互作用时，往往显示出粒子性

（3）光是一种概率波；单个粒子的运动具有偶然性，大量粒子的运动遵循统计规律，符合波动规律。概率波体现了波粒二象性的和谐统一

（4）光是一种电磁波

2、波大致可以分为以下几类

——

（1）机械波：声波、水波

（2）电磁波：无线电波、光波

（3）概率波：光波、物质波

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