3　粒子的波动性教案教学设计导入设计

“粒子的波动性”教学设计

“粒子的波动性”是高中物理人教版选修3-5（2010年4月第三版）第十七章第3节的内容。课程意图是使学生能够从科学家的工作中感悟科学探究，引导学生认识光及实物粒子的波粒二象性，帮助学生形成相对完整、科学的物质观念。

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教学设计思路

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确的价值观念、必备品格和关键能力。物理教学不仅仅是要应对高考，它的核心目标是要让学生认知、探究自然。核心素养导向的高中物理教学要求教师重视物理核心观念教学、渗透科学思维方法、注重科学探究方法的应用、关注学生科学态度与责任的培养。

本案例就是在以上理念的指导下，按照《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出的课程目标设计的。本节课试图通过物理学史的回顾，使学生认识到科学家如何向固有的观念、认识挑战，提出大胆的猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证粒子的波动性，通过思考与讨论了解经典粒子和波的模型，通过观察电子干涉条纹图示让学生了解概率波是如何将波粒二象性集于一身的。

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教学目标

2.1

物理观念

认识光的波粒二象性，知道实物粒子的波动性，建构微观粒子波粒二象性模型，形成相对完整、科学的物质观念和微观粒子的运动观念。

2.2

科学思维

通过对“粒子的波动性”的阅读，领会类推、对称的研究方法和用历史的观念来看问题的辩证思维。

2.3

科学探究

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。

2.4

科学态度与责任

通过史实回顾，感受人类对光的认识过程的曲折性；通过对显微镜的分析，感受科学的成就推动了技术的进步。

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重点、难点

3.1

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。

3.2

难点

实物粒子波动性的理解。

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教学方法

问题驱动、讨论交流、归纳总结。

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教学资源

多媒体课件、投影仪、101教育PPT。

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教学流程图

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教学过程设计

7.1

创设情境，导入新课

观察下列两幅图（如图1），你有什么体会？

图1

创设情境

导入新课

回顾史实

辩证统一

类比猜想

提出假说

技术突破

验证成功

拓展延伸

学以致用

结论：左图是一个老妇人和少女的脸，右图是花瓶和人脸。同一事物，观察的角度不同，得到的结论就不同。

【设计意图】以两幅心理学图片引入新课，增加了学生的体验，联系了生活，激发了学生的兴趣，可以让学生体会到物理与人文的相统一的，事物的两面性甚至多面性是常见的，为理解光的波粒二象性埋下伏笔。

7.2

回顾史实，辩证统一

问题一：前面我们学习了许多关于光的知识，光到底是什么？你的依据是什么？

归纳：光有波的性质，我们称为光的波动性，光有粒子性质，我们称为光的粒子性；光既有波动性，又有粒子性，即光具有波粒二象性。光真可谓“横看成岭侧成峰”！

教师：光是那么的熟悉，那么的亲切，可人类对光的认识构成了一部科学史诗，认识它的波动性和粒子性真难！

用幻灯片展示牛顿、惠更斯、麦克斯韦、爱因斯坦四位物理学家的图片（如图2）。

图2

第一次争论发生在17世纪，牛顿的微粒说与惠更斯、胡克等人的波动说之争，由于波动说的缺陷和牛顿的威望等原因，微粒说胜出。

第二次争论发生在19世纪，托马斯·杨的双缝干涉实验、菲涅尔的衍射理论等，麦克斯韦预言电磁波的存在，赫兹用实验对其作了证实，波动理论大获全胜。

第三次争论发生在20世纪初，经典电磁理论无法解释光电效应，爱因斯坦提出光量子假说，又一次提出光的粒子性，但他并没有放弃波动说，还利用了波动理论中的波长、频率等概念。这一次光的波动学说与粒子学说可以说是握手言和，最终揭示了光的本性——波粒二象性。

问题二：光的这两种性质有无联系？它们的关系又是怎样？

结论：光子的动量、能量的基本关系式hv、ph，左侧是描述物质的粒子性的重要物理量，右侧是描述物质的波动性的物理量。普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

【设计意图】借助图片展示、结合物理学史的讨论，通过光的本性之争，让学生了解科学规律的建立并非易事，科学的道路是曲折的，是螺旋式发展的，符合否定之否定规律。

7.3

类比猜想，提出假说

教师：当时的许多科学家对光具有波粒二象性还持怀疑态度时，有一位正在大学读博士的学生却更大胆，提出实物粒子也有波动性，甚至宏观物体也有波动性。到底是怎么回事？

阅读P37“粒子的波动性”，思考下列问题：

（1）谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？

（2）假说的要点是什么？

归纳：实物粒子既具有粒子性，又具有波动性，是粒子性和波动性的统一。

（3）什么是物质波？物质波的频率、波长公式是什么？

归纳：与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫做物质波，频率vh、h。

p（4）他提出实物粒子也具有波粒二象性，属于一种什么样的思维方法？（类比方法）

归纳：当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受（导师朗之万勉强让他毕业，“没有科学的狂想曲”；爱因斯坦——年轻人有想法，虽然大胆，但也有些道理，“揭开一幅大幕的一角”。）历史上类似的事例我们还知道哪些？（伽利略的落体运动、哥白尼和布鲁诺的日心说）

【设计意图】让学生带着问题去阅读课本，了解德布罗意提出物质波的历史背景，通过对问题的思考和回答，使学生深刻体会他是如何利用类推的方法提出粒子的波动性假说的。

7.4

技术突破，实验验证

过渡：两种截然不同的评价，到底谁对谁错？德布罗意的假设是否正确，还得依靠实验的检验。我们人体就可以看作一个实物，如果德布罗意的假设正确，人体也具有波动性。你

能观察到这列波吗？让我们通过对两个具体实例的计算来感受它们的波长大小。

1.一质量为0.01kg、速度为300m/s的子弹，它的德布罗意波长是多少？（2.21034m）

2.一个原来静止的电子，经过100V电压加速后，它的德布罗意波长是多少？（1.21010m）

问题一：物理学中，如何验证电子的波动性，证明它是一种波？

归纳：其实早在德布罗意之前12年，德国物理学家劳厄就已经提议用晶体中排列的物质微粒检验X射线的波动性，实验获得成功，证明了X光是电磁波。而电子的波长与X光的波长具有相近的数量级，所以德布罗意提出用晶体做电子衍射实验。

1927年戴维孙和GP汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，证实了电子的波动性，实验陆续证明了质子、中子及原子、分子的波动性。1929年德布罗意获诺贝尔奖，1937年戴维孙和汤姆孙获诺贝尔奖。

过渡：对实物粒子的研究，不仅开阔了人类认识物质的视野，同时也推动了科技的进步，显微镜就是一个很好例子。

问题二：光学显微镜能观察到微粒的布朗运动，却观察不到原子的结构，这又为什么？

归纳：可见光波长400~700nm，光学显微镜能够分辨200nm大小的物体。日常生活中的物体大小比可见光的波长大得多，光的衍射现象不明显，而原子的尺寸比光的波长小得多，由于衍射，被观察到物体上的一个光点经过透镜以后不再会聚成一个光点，而形成一个光斑，这样物体的像就模糊了。

【设计意图】创设具体的问题情境，引导学生寻找验证物质波的理论依据，通过物理学史的回顾和实验方案的设计，让学生体验实验是验证物理理论的基本方法。

7.5

拓展延伸，学以致用

问题一：爱因斯坦光子说中的“粒子和波”与牛顿微粒和惠更斯波动说有什么区别？

总结：光有波粒二象性是一种实验事实，但光不是经典意义的粒子，也不是经典意义上的波。经典的粒子和经典的波的模型是两种不同的研究对象，只有通过概率波才能将二者集于一身。

问题二：观察下列图样（如图3），你能得出光的什么规律？

图3

总结：光的波动性是光子自身固有的性质；光波和德布罗意波是一种概率波。

反思回眸：通过本节课的学习，我们了解了光有波粒二象性，在不同的条件下表现出不同的特性。同时知道了实物粒子也有波粒二象性，其对应的波称之为物质波。学了这节课，从科学家的工作中你对科学探究有何感悟、启发？给你最深的感触是什么？请同学们谈谈。

（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？）

【设计意图】学生自己总结本节课收获，体现自主学习的教学理念；教师引导学生反思，不仅对本节内容进行总结升华，也是一种方法的渗透。

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教学反思

物理课堂教学切忌只是简单地将知识传递给学生，而忽略建构过程，忽略科学思维方法的渗透，从而导致学生失去对该学科的兴趣。在教学设计过程中，笔者以“物理学史为主线，以问题为导引，以思维活动为核心”，引导学生自主学习，突破教学重难点，构建物理核心观念，渗透科学思维方法，提高科学探究能力，培养科学态度与责任。