3　粒子的波动性优秀教案设计

17.3

粒子的波动性

一、核心素养

通过《粒子的波动性》的学习过程，让学生感受人类对光认识的美好、曲折过程，欣赏物理学的对称美，体会蕴含的哲学思想。从科学家的工作中感悟科学探究：如何向固有观念挑战，提出大胆猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证。培养学生的科学文化素质──科学方法、科学意识、科学精神。

二、教学目标

1. 通过史实的回顾，感受人类对光的认识过程的曲折性，了解光的波粒二象性的内容。

2. 知道实物粒子具有波动性，领会类推的研究方法和用历史的观念来看问题，感悟科学家的探求精神。

3. 通过对德布罗意波的实验对象的选择和实验方案的设计，感受实验研究这一重要的研究方法。

4. 通过对显微镜的分析学习，感受科学的成就推动了技术的进步。

三、学情分析

粒子的波动性是《人教版选修3-5》第十七章第三节内容，主要包括了解光的波粒二象性，知道实物粒子的波动性和物质波的实验验证。

学生在《选修3-4》中已经学习了光的波动性的知识，在本章第二节又学习了光的粒子性的知识，通过光的本性的史实回顾，了解光的波粒二象性难度不大。

类推的思想方法在高中物理学习中曾多次运用，学生能从科学家的工作中感悟科学探究，以及向固有观念的大胆挑战。这其中蕴含的教育功能是非常重要的，教学中要突出体现和渗透。

学生明白，任何一个假设的验证，都必须依靠实验。实验如何设计，在设计过程中技术问题如何解决，是本节课思维量最大的部分，也是最能锻炼学生能力的部分，这一教学环节的设计显得尤为重要。建立具体的情境，通过问题的引导，学生在探究中完成这个实验方案。

四、教学重点、难点

1. 实物粒子的波动性、类推的研究方法、对固有观念的挑战

2. 物质波实验方案的设计、技术问题的解决

1 / 5

五、教学活动

课前：登陆优教平台，发送预习任务。根据优教平台上学生反馈的预习情况，发现薄弱点，针对性教学。

1、光的波粒二象性：【讲授、提问】

很久以前，人类就在思考这样一个问题：光是什么？人类对光的本性的研究构成了一部科学史诗。最早对此提出观点的是牛顿，牛顿认为光是由一些非常神奇的微粒组成的，它们的运动遵守牛顿运动定律，这可以解释光的直线传播和光的反射现象。同一时期惠更斯提出过光的波动说，由于牛顿无与伦比的学术地位，他的微粒说一直占主导地位。直到19世纪初，科学家们在实验室里观察到了一些光的现象，从而说明了光具有波动性。

（学生回忆、回答）：光的干涉、光的衍射等现象。19世纪后期，麦克斯韦提出电磁波理论，他经过计算发现电磁波传播的速度与光速相等，从而猜想光是一种电磁波。后来，赫兹在实验室里捕获了电磁波，验证了麦克斯韦的理论。至此，光的波动性得到了科学界的广泛认可。然而，到了20世纪初，人类对光的本性的认识再一次发生了重大的转折，科学家在实验室里又观察到了什么现象？说明了光又具有粒子性。

（学生回忆、回答）：光电效应现象。爱因斯坦认为人们在整个19世纪都在研究光的波动性，而忽略了光具有粒子性的一面，并且只有利用光的粒子性才能解释光电效应现象。这使得人们又不得不承认光具有粒子性。

光既具有波动性，又具有粒子性，我们统称光具有波粒二象性。光子的能量和动量的表达式，，，从中我们可以看到，能量和动量p是描述粒子性的物理量，频率和波长是描述波动性的物理量，它们之间通过普朗克常量h联系在一起，h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

2、粒子的波动性：【讲授、提问、分析感悟】

光子具有波粒二象性，那么实物粒子呢？它们会不会跟光子一样也具有波粒二象性呢？

最早思考这个问题的是法国物理学家德布罗意，德布罗意从小酷爱阅读各类书籍，爱好非常广泛，他最早攻读的是历史学学士学位。后来，他大量阅读了物

2 / 5

理学书籍，并参加了一些物理学前沿问题的讨论会，他对物理学产生了浓厚的兴趣，转而研究物理，在巴黎大学攻读物理博士学位时，他开始思考这个问题。德布罗意是这么思考的“整个世纪以来，在光学上，与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究；而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子方面的图像想得太多，而忽略了波的现象？”。

他运用了历史学的观点来看待物理问题，大胆得将光的波粒二象性类推到实物粒子，所以他提出假设：实物粒子也具有波动性。并且，实物粒子的能量和动量p与它所对应的波的频率和波长之间的关系，与光完全类似。

我们把这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。然而，在那个年代，人们无法认同德布罗意的假设，就连他的导师物理学家郎之万也根本不相信他的假设，只是因为他的论文写的文采飞扬，才勉强让他毕业了。以至于德布罗意本人也说，他的这种假设很有可能是“没有科学特征的狂想曲”。导师后来将他的论文寄给了爱因斯坦，爱因斯坦看了后，觉得这位年轻人很有想法，虽然很大胆，但也有些道理。他说这很可能是“揭开一幅大幕的一角”。

两种截然不同的评价，到底谁对谁错？德布罗意的假设能否得到验证，还得依靠什么的检验？（学生：实验的检验。）

3、物质波的实验验证：【讲授、建立情境、学生运算、实验方案设计】

我们人体就可以看成一个实物，如果德布罗意的假设是正确的，人体也具有波动性。

我们可以尝试着估算一个中学生在跑百米时的物质波的波长。学生代入自己的大致数据，进行运算。请一位同学来讲解一下自己的数据以及解题的方法。同学们算出的波的数量级大致都为10-36m，大家普遍都感觉这个数字很小，那么它到底小到何种程度呢？我们可以举出一个例子：晶体中原子间距的数量级为10-10m。可见，这列波的波长可以说小的一塌糊涂。那么，你能观察到这列波吗？

类比前面光的波动性的验证方案。教师引导，能让学生自己提出：为了观察到波动性，必须借助于干涉、衍射等这些实验现象。紧接着，再让学生提出：要能观察到明显的衍射图样，必须满足一个条件：狭缝的尺寸比波长小或者差不多大。从而，让学生感悟到，这列波无法观察到的原因是：波长太小了，与它相对应的狭缝无法找到。

3 / 5

因此，学生认识到必须要找到一个研究对象，它的物质波波长要适当大一些，才能方便找到与之相匹配的狭缝。联系到p=mv=，自然就有很多同学踊跃提出，可以减小质量m和速度v。教师提问：这两个物理量减小哪一个，能起到更佳的效果？我们刚才研究的是宏观的物体，如果是微观物体，例如电子。给出电子的质量与人体质量一比较，效果是立竿见影的。

因此，再给出一个微观物体的情境：一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，德布罗意波长约为多少？学生经过短暂运算后，让一位同学交流运算方法和数据。由于运算过程跟上一个情境类似，所以此题的时间可以比上题节省一些，只要让学生充分思考了就可以了，给出电子波长数量级10-10m。

这个数量级让科学家们眼前一亮，他们为何如此的兴奋呢？同学们，这个数量级我们见过吗？大家领悟到，这同时也就是我们刚讲过的晶体中原子间距的数量级。因此，对于这个实验的方案，你是不是已经有了想法？学生答：如果电子具有波动性，那么我们将电子射入晶体的原子间距中，就可以发生明显的衍射现象。

设计出了实验方案，大家一定很兴奋。最早设计出该方案，并完成实验的是物理学家C.J.戴维孙和G.P.汤姆孙，他们将电子束射入晶体中，观察电子图样。PPT中打出图样，大家认为这是电子的衍射图样吗？科学家们看到这个图样，又是一阵狂喜，早在十多年前，他们曾经进行过X射线经过晶体的衍射实验，我们知道X射线是一种电磁波，得到的衍射图样与电子图样放在一起比较，完全相似。所以，终于证明了：电子具有波动性。

德布罗意因该假设得到了实验的检验，获得了诺贝尔奖，同时，完成这个实验的两位科学家C.J.戴维孙和G.P.汤姆孙，也获得了诺贝尔奖。其中汤姆孙这个名字大家熟悉吗？有一位汤姆孙因为发现了电子而获得了诺贝尔奖，他叫J.J.汤姆孙。这两位汤姆孙是何关系呢？父子关系。父子二人都因为跟电子有关的实验而获得诺贝尔奖，这在科学史上被传为一段佳话。后来，大量的实验表明：质子、中子等微观粒子也具有波动性。

4、科学漫步：显微镜【讲授、讨论、设计】

对实物粒子波动性的研究，不仅开阔了人类认识物质的视野，同时也推进了

4 / 5

科技的进步，显微镜就是个典型的例子。

我们利用显微镜来观察微小的物体，大家都曾经使用过光学显微镜。“光学显微镜能用来观察原子吗？”这个肯定是不行的，关键是原因，结合我们刚才的实验设计过程，同学们可以领悟到：光射向原子时会发生明显的衍射，原子成像就会很模糊。这是光学显微镜的局限性，若能减小波的波长，就可以观察到更微小的物体。

结合我们这节课的研究对象，以及同学们对显微镜的耳闻，很容易想到电子显微镜。让同学们自己去表述：为什么电子显微镜可以观察原子等更微小的物体？p=，增大动量，就可以减小波长。动量的增大，可以通过增大加速电压的方式实现。

六、课堂训练

七、板书设计

17.3 粒子的波动性

5 / 5