3　粒子的波动性优质课一等奖教案

课时17. 3

粒子的波动性

1. 知道光的波粒二象性，感受微观领域的复杂性。

2. 知道德布罗意假设的内容及公式表达，领会对称性思维在科研中的运用。

3. 了解物质波的实验验证，感受实验研究的重要作用。

1. 光的波粒二象性

(1)光的本性：光的干涉和衍射说明光具有①波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有②粒子性，即光具有波粒二象性。

(2)光子的能量和动量

光子的能量ε=hν，光子的动量p=，能量ε和动量p是描述物质的③粒子性的重要物理

量，频率ν和波长λ是描述物质的④波动性的典型物理量。因此这两个表达式揭示了光的波动性和粒子性之间的密切关系。

2. 粒子的波动性

(1)德布罗意波：任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。

(2)物质波的频率：ν=⑤

；物质波的波长：λ=⑥

。 3. 物质波的实验验证

(1)实验探究思路

干涉、衍射是波动性质的特有表现，如果实物粒子具有波动性的话，在一定条件下，也该发生衍射现象。

(2)实验验证

1927年戴维孙和G·P·汤姆孙分别利用晶体做了⑦电子束衍射的实验，得到了电子⑧衍射图样，证实了电子的波动性。

主题1：光的波粒二象性

情景：我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，如：光能发生干涉、衍射现象，表明光具有明显的波动特征，光电效应和康普顿效应又表明光具有粒子性。阅读课本中“光的波粒二象性”的内容，思考并回答下列问题。

问题：怎样来认识光的本质?

主题2：粒子的波动性

情景：有一位伟大的科学家大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。阅读教材中“粒子的波动性”的内容，思考后回答下面的问题。

问题：这位科学家是谁?他提出了怎样的假设?他运用了怎样的思维方法?

主题3：物质波的实验验证

情景：根据物质波波长公式λ=

= 知，宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，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。就是微观粒子的电子，找与之相匹配的障碍物也非易事。阅读教材中“物质波的实验验证”的内容，回答下列问题。

问题：(1)为什么很难观察到实物粒子的波动性? (2)科学家最终是怎样观察到电子的波动性的?

1. (考查物质波的提出)提出物质波假设的科学家是(

) A. 普朗克

B. 爱因斯坦

C. 德布罗意

D. 汤姆孙

2. (考查波粒二象性)关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是(

) ．．．A. 不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

B. 运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道

C. 波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的

D. 实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性

3. (考查粒子的波动性)为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜。下列说法中正确的是(

) A. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的短，因此不容易发生明显衍射

B. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的长，因此不容易发生明显衍射

C. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的短，因此更容易发生明显衍射

D. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的长，因此更容易发生明显衍射

4. (考查对物质波的计算)在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1. 67×10-27 kg，普朗克常量h=6. 63×10-34 J·s，据此可以估算出德布罗意波长λ=1. 82×10-10 m的热中子的动量的数量级可能是(

) A. 10-17 kg·m/s

B. 10-18 kg·m/s

C. 10-20 kg·m/s

D. 10-24 kg·m/s

拓展一：光的波粒二象性

1. 对于光的波粒二象性的说法中，正确的是(

) A. 一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子

B. 光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同样一种波

C. 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的

D. 光是一种波，同时也是一种粒子，在光子的能量ε=hν中，频率ν表示的是波的特性

2. 有关光的本性的说法正确的是(

) A. 微粒说、波动说、光子说都说明了光的本性

B. 光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子

C. 光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性

D. 在光的双缝干涉实验中，如果光通过双缝则显示出波动性，如果光只通过一个缝则显示出粒子性

拓展二：粒子的波动性

3. 求m=1. 0 kg、v=50 m/s的足球和me=9. 1×10-31 kg、ve=1. 5×106 m/s的电子的德布罗意波长时，计算结果说明什么问题?

4. 关于物质波，下列说法中正确的是(

) A. 实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是本质相同的物质

B. 物质波和光波都不是概率波

C. 粒子的动量越大，其波动性越易观察

D. 粒子的动量越小，其波动性越易观察

参考答案

知识体系梳理

①波动性

②粒子性

③粒子性

④波动性

⑤

⑥

⑦电子束衍射

⑧衍射图样

重点难点探究

主题1：光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应又说明光具有粒子性，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。光子的能量与频率以及动量与波长的关系是ε=hν，p=。

主题2：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。他认为实物粒子也具有波动性。这种波被称为物质波，也叫德布罗意波。物质波波长λ=

= 。他根据光波具有粒子性想到粒子也应有波动性，这是对称思维的运用。

主题3：(1)干涉和衍射是波动性的典型现象，但计算出的实物粒子的波长都很小，要想观察到明显的衍射现象就必须有足够小的狭缝或障碍物，但现实世界中很难找到，所以很难观察到实物粒子的波动性。

(2)从观察伦琴射线衍射的实验中得到启发，1927年戴维孙和G. P. 汤姆孙分别利用晶体中排列规则的物质微粒作为衍射光栅，成功地观察到了电子的衍射，从而证实了电子的波动性。

基础智能检测

1. C

2. D

3. A

4. D 全新视角拓展

1. D

【解析】根据波粒二象性知，光同时具有波动性和粒子性，A选项错误；光不同于宏观观念的粒子和波，故B选项错误；光的波动性是光子本身固有的性质，不是光子之间相

互作用引起的，C选项错误；光子的能量与其对应的能量成正比，而频率是反映波动特征的物理量，因此ε=hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系，故D选项正确。

2. C

【解析】微粒说中的微粒和波动说中的波并不分别等同于实物粒子和宏观中的机械波，都不能说明光的本性，A、B均错，C正确；双缝干涉和单缝衍射都说明光的波动性，当让光子一个一个地通过单缝时，曝光时间短显示出粒子性，曝光时间长则显示出波动性，D错误。

3. 见解析

【解析】足球的波长为：λe= =1. 3×10-26 nm

电子的波长为：λe=

=0. 5 nm 结果表明足球波长很短，不予考虑，电子的波长接近X光的波长，显示出波动性。

4. D

【解析】实物粒子虽然与光子具有某些相同的现象，但粒子是实物，而光则是传播着的电磁波，其本质不同。根据λ=知，动量越大，波长越小，波动性越不明显。