3　粒子的波动性课程导入

3、粒子的波动性

[学习目标]

1、知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系。

2、了解德布罗意波和概率波，知道它们都遵循统计规律。

3、了解经典物理学中的粒子和波的特点。

4、了解概率波的内容。

一、光的波粒二象性

[导学探究]

人类对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：

光的单缝衍射实验(图1A) 光的双缝干涉实验(图B) 光电效应实验(图C) 光的薄膜干涉实验(图D)

图1 (1)在以上实验中哪些体现了光的波动性？哪些体现了光的粒子性？

(2)光的波动性和光的粒子性是否矛盾？

答：

(1)单缝衍射、双缝干涉、薄膜干涉体现了光的波动性。

光电效应体现了光的粒子性。

(2)不矛盾。大量光子在传播过程中显示出波动性，比如干涉和衍射；当光与物质发生作用时，显示出粒子性，如光电效应。光具有波粒二象性。

[知识梳理] 1、人类对光的本性的研究

学说名称

代表人物

实验依据

能在真空中光的直线传播、光的反射

光的干传播，是横光电效光既有波动牛顿

惠更斯

麦克斯韦

爱因斯坦

微粒说

波动说

电磁说

光子说

波粒

二象性

涉、衍波，光速等于应、康普现象，又有粒射

电磁波的速顿效应

度

光是具有电子特征

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

光是由一磁本性的物份一份光质，既有波动子组成的

性，又有粒子性

2、光的波粒二象性

(1)

(2)光子的能量和动量

①能量：ε＝hν。

h②动量：p＝λ。

(3)意义：能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λh和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量。因此ε＝hν和p＝λ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。

二、物质波

[导学探究]

德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，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？

答：

波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测。

[知识梳理]

对物质波的认识

1、粒子的波动性

(1)德布罗意波：任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，又叫德布罗意波。

hε(2)物质波波长、频率的计算公式为λ＝p，ν＝h。

(3)我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故。

2、物质波的实验验证

(1)实验探究思路：干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。

(2)实验验证：1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性。

(3)说明

人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，εh德布罗意给出的ν＝h和λ＝p关系同样正确。

三、概率波

[导学探究]

用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图2甲、乙、丙所示的图象。

图2 (1)图甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？

(2)图乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？可用什么规律来确定？

(3)图丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？

答：

(1)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具有粒子性。

(2)落在某些条形区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定。

(3)光的波动性。综合三个图象可知，少量光子呈现粒子性，大量光子呈现波动性，而且光是一种概率波。

[知识梳理]

1、光波是一种概率波：光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固有的性质，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，光波是一种概率波。

2、物质波也是概率波：对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置

是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。

3、经典的粒子

(1)含义：粒子有一定的空间大小，有一定的质量，有的还带有电荷。

(2)运动的基本特征：遵从牛顿运动定律，任意时刻有确定的位置和速度，在时空中有确定的轨道。

4、经典的波

(1)含义：在空间是弥散开来的。

(2)特征：具有频率和波长，即具有时空的周期性。

[即学即用]

判断下列说法的正误。

(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(

√

) (2)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。(

√

) (3)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。(

×

) (4)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波。(

×

) (5)湖面上的水波就是物质波。(

×

) (6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。(

√

)