3　粒子的波动性优质课教案设计

粒子的波动性

云南省石林彝族自治县第一中学

高建红

一、培养目标：

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。

2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。

3．知道实物粒子物质波的实验验证方法

二、课前自主预习：

一）、光的波粒二象性

1.光的波粒二象性

光既具有

,又具有

,即光具有

。

2.光子的能量和动量

(1)、能量:ε=hν。

ph/（2）动量:

(3)、意义：:能量ε和动量p是描述物质的

的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的

的典型物理量。因此ε=

和p=

揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

二）、粒子的波动性

（1）德布罗意波

实物粒子也具有

，这种波称之为

，也叫

（2）物质波波长、频率的关系

hhE＝

pmvp各物理量的意义：

为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。

三）、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年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。

(3)说明: ①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,德布罗意给出的- 1 -

ν=和λ=关系同样正确

②宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很小,根本无法观察到它的波动性。

三、教学过程：

新课导入

光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上，整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。

从光的直线传播、反射定律看，光很象是一种弹性良好的粒子流（用惯性、动量守恒解释）。而且，从光的折射方面考察，它和粒子之间似乎也有某种共性（譬如，网球往水中的折射，也会满足一个入射角和折射角的正弦之比为恒量的规律），因此，十七世纪，人们提出光是实物粒子流（粒子足够小、弹性足够好），持这种观点的代表是牛顿。

但是，光在传播时，也有一些用微粒说不能解释的现象，如衍射、干涉、偏振等。这些都是波动的典型特征。于是，十七世纪中叶，就已经出现了光是一种波的学说，坚持波动说的典型物理学家是（荷兰）惠更斯。

一方面由于惠更斯的波动说确实存在缺陷（解释直进、在真空中传播有困难），另一方面，由于牛顿在十七~十八世纪形成的泰斗地位——虽然没有足够的理由表明牛顿是微粒说的顽固坚持者（事实上，牛顿本人就在1675年做了牛顿环的实验，并提出了“波具有周期性”的观点）——但微粒说一度占据了上风。甚至在整个十八世纪，波动说没有实质性地得到发展。

到十九世纪，人们对于光的本性研究的手段更先进了，电磁场的理论也逐渐成熟。因此，在60年代，光的电磁波说被推了出来，它的代表物理学家是麦克斯维。由于麦克斯维的电磁波说和惠更斯的以太（弹性）波学说有着本质的区别，在解释各种光学现象时也非常成功，因此，人们一度认为它已经足够完美了。

但是，到十九世纪末，人们发现了光电效应，这使光的电磁波说遇到了空前的困难。在这种背景下，光的能量子说（光子说）应运而生，它的代表物理学家是爱因斯坦。

爱因斯坦提出光子说，并不意味着电磁波说倒退到牛顿的微粒说（因为量子和弹性微粒是两个本质不同的概念）。由于光子说主要是偏重于解释光的能量传递方面的特征，实质上并没有否定光的电磁波学说（基于光的传播方向得出结论）。光究竟是什么？现在的权威性观点是：粒子性和波动性都是光的属性之一，只是在某些条件下，某一个属性表现比较抢眼一些；光是波动和粒子运动的矛盾统一体，这就是所谓的波粒二象性。

上节课中的光电效应和康普顿效应已经深入的揭示了光的粒子性。那么这节课我们就来共同学习下粒子的波动性。

新课展示

1、光的波粒二象性

如果现在要问光的本性是什么，我们的回答是：

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⑴光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。

上节课我们已经分析了，光子的能力ε和动量p可以表示为：

hv

和

ph/

他们描述的是光的性质的基本关系式。能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；两式左侧的物理量ε和p描述光的粒子性，右侧的物理量λ和ν描述光的波动性，他们通过普朗克常量h联系在一起。我们可以一个侧面感觉到普朗克常量的重要性：架起了粒子性和波动性之间的桥梁。

让学生找到更多的关系公式：ph/＝hv/v/c

提问：受此启发，人们想到：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？

学生阅读课本“粒子的波动性”。

点评：让学生带着问题阅读，提高阅读的效率，培养学生从课文材料中提取有关信息的能力。

2、粒子的波动性

提问：谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？只是因为他大胆吗？

学生回答：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。

展示演示文稿资料：有关德布罗意。

点评：使学生了解对知识理论的推广和假设并不是一味

的凭空猜想，而是有一定的理论或事实基础。

（1）德布罗意波

实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。

（2）物质波波长

hhE＝

pmvp提问：各物理量的意义？

学生回答：为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。

讲述：当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受，历史上类似的事例我们还知道那些？

学生回答：伽利略的两个铁球同时落地等。

教师：让学生带着问题阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过实验验证？又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证？

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3．物质波的实验验证

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？

学生阅读教材后回答：宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中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．作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10－10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事．

点评：让学生知受实际条件的限制而使很多理论在开始都处于假设阶段，不易被人们接受。

案例分析

例题：某电视显像管中电子的运动速度是4.0×107m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s．分别计算它们的德布罗意波长．

【教学小结】

本节课作为近代物理部分内容，比较抽象，学生没有生活经验和感观认识，也没有演示实验可以做，在课堂上注意以学生为主导，通过补充的一些史料，加深学生感受，让学生阅读思考后归纳得出结论，同样能收到好的效果。

（1）在有关事实和已知观点基础下，归纳光的本性，培养学生注意全面把握物理规律和全面把握物理规律的能力。

（2）课本材料和补充的史料让学生先行阅读，通过思考、辨析后归纳得出正确结论，比教师一人讲解更具有真实感和说服力。同时也培养了学生阅读材料提取有关信息的能力。

（3）对于难以理解的粒子的波动性，并且实际条件不允许进行实验验证，必须充分展示真实的历史资料，加强说服力。同时通过对历史上创造条件进行实验验证的方法学习，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处，增强进行科学探索的兴趣。

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