3　粒子的波动性教学设计第一课时

人教版高中物理选修3-5 《17.3粒子的波动性》

教学设计

第十七章

第3节

粒子的波动性

教学设计

广东省开平市第一中学

物理科组

李健新

一、设计思想

以学生为主体，以学生的发展为中心，发挥物理学科教育效应优势，促进学生知识、技能、品德三维一体的全面发展。

二、教材分析

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。

通过光的本性的史实回顾，了解光的波粒二象性难度不大。本节教材通过对光的本性认识的了历史回顾，引入光的波粒二象性，并介绍了1924年德布罗意如何受到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的启发，以类比的方法大胆提出实物粒子也具有波粒二象性的假设，并提出德布罗意波的概念。通过电子束衍射实验，成功地观察到了电子束的衍射图样，从而证明了实物粒子也具有波动性。本节是对学生进行类比思想方法培养的好题材，让学生领会对称性的研究方法，感悟科学家的探求精神。

三、学情分析

学生在本章第二节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。但对学生光的波动性还没有学习，所以在学习本节内容中让学生先学习一些有关光的波动性的知识，了解光的本性。类推的思想方法在高中物理学习中曾多次运用，学生通过对粒子的波动性的学习过程，进一步感受到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。

四、教学目标

（一）知识与技能

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性，了解波粒二象性的内容。

2．知道德布罗意波的频率和粒子能量，波长和粒子动量关系。

3．了解证明粒子的波动性的重要实验。

（二）过程与方法

1．了解对光本性认识的的历史过程。

2．了解物理学研究的基础是实验事实以及实验研究对于物理学的重要性。

3．了解波粒二象性中某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。

（三）情感、态度与价值观

1．通过粒子波动性相关理论的实验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学态度。

2．通过对科学漫步中显微镜的分析学习，感受科学的成就推动了技术的进步。

五、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

教学过程

（一）引入新课

1 /

5

人教版高中物理选修3-5 《17.3粒子的波动性》

教学设计

从古代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。那是哪些现象？

学生思考并回答：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。

学生思考并回答回答：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。

（二）新课讲解

1、光的波粒二象性

引导学生的进行归纳整理。

光的本性：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。

点评：通过学生归纳总结形成结论，教师再进行讲解，学生容易接受。充分注重知识的学生自主形成过程。

2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

hv

ph

又vc

hhv

cc让学生找到更多的关系公式：p类比分析：计算比较X射线和电子的动量大小，从中我们能否用类比思想对电子的属性进行大胆的猜想？

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，满足什么规律？

学生阅读课本“粒子的波动性”，引导学生试从课本中找到相关答案。

3、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：有关德布罗意图片和论文。

（1）德布罗意波：实物粒子也具有波动性，这种波叫德布罗意波，称之为物质波。

2 /

5

人教版高中物理选修3-5 《17.3粒子的波动性》

教学设计

（2）物质波频率和波长

v提问：各物理量的意义？

h

h

p学生回答：为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。

4、物质波的实验验证

提问：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，这列波的波长很小。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。

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？

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。

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．

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．

引导学生分析，学生解答：根据公式h/p计算得1.8×10-11m和3.3×10-34m 点评：通过具体计算使学生对实物粒子的德布罗意波长有感性认识，进一步理解实物粒子波动性验证的困难。

课件展示演示文稿资料：电子波动性的发现者———戴维孙和汤姆逊

教师：讲述电子衍射实验：1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案．从而证实了德布罗意的假设。

电子波动性的发现,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实,并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖.而戴维孙和汤姆逊由于发现了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖。

教师讲述：除了电子以外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。进一步提问：衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否？如何改进？

3 /

5

人教版高中物理选修3-5 《17.3粒子的波动性》

教学设计

5、科学漫步

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。

提问：为什么电子显微镜可以观察原子等更微小的物体？由h可知，增大动量，p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。

（三）课堂小结学科网

本节课我们学习了光的本性，即光是一种物质，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。另外学习了通过实验事实验证实物粒子波动性，即称为物质波，同时学习了物质波的计算公式。

（四）布置作业

完成《金版学案》对应练习，及预习17.4概率波完成学案

六、课堂训练

完成导学案【巩固练习】

七、板书设计

17.3 粒子的波动性

教学反思

实物粒子

实验：电子衍射

光的本性

v波动性



h 

p粒子性

波粒二象性

本节课粒子的波动性相对比较抽象，学生难以通过生活经验和感观认识，实验室进行演示实验比较困难，故这里以学生为主导，让学生阅读思考后归纳得出结论，激发学生学习兴趣，感受科学探索的曲折之路，故反思如下：

（1）注重培养学生全面把握物理规律和解决问题的能力。

（2）教师善于总结开发课本材料，及时补充的物理学史资料让学生阅读，通过观看、归纳得出正确结论，提高学生的获得感。

（3）借助多种媒介，向学生展示演示实验，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体验实验验证法对物理研究的重要性。

4 /

5

人教版高中物理选修3-5 《17.3粒子的波动性》

教学设计

5 /

5