3　粒子的波动性板书设计及设计说明

17.3粒子的波动性

一、教材分析

本节教材涉及物质波概念的建立和物质波的实验检验等知识，突出科学家探索物质波的历程和类比思维方法的运用，是对学生进行科学思维教育的好题材，在教学中要使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，特别是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。

学生已经学习了光的粒子性和波动性，但是实物粒子同时具有波动性和粒子性学生较难理解，在经典物理学中，物质的波动性和粒子性是互不相容的，二者是两种不同的研究对象，波和粒子这两个概念是互相排斥的，所以实物粒子波动性的理解是教学的难点。

二、教学目标

1.通过实验分析，了解光的波粒二象性的?热荩?感受微观粒子运动的复杂性。

2.知道实物粒子具有波动性，领会对称的研究方法，感悟科学家的探究精神。

3.通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。

4.通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步。

三、教学过程

1.辩证统一――光的波粒二象性

围绕如下几个问题展开：

问题一：前面我们学习了许多关于光的知识，光到底是什么？你的依据又是什么？

学生回答后教师归纳：光有波的性质，我们称为光的波动性，光有粒子的性质，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”！

问题二：光的这两种性质有无联系？它们的关系又是怎样？

上节学习中知道一份光子的动量、能量的基本关系式，如图1：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典型物理量。普朗克常数h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

问题三：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，揭开它的庐山真面目，认识它的波动性和粒子性真难！为什么全面认识光的性质那么难？

教师指出：光有波粒二象性是一种实验事实，但光不是经典意义上的粒子，也不是经典意义上的波，需要借助事实去想象。光有时表现出波动性，有时表现出粒子性，它们均反映了光的本质的一个侧面。这在宏观世界看是矛盾的现象，在微观世界，却是统一的，在光身上，我们看到了波动性与粒子性的统一、连续性与间断性的统一。

【设计意图】借助图片展示、结合实验事实的讨论，以及教师的启发性讲述，帮助学生根据事实去想象、理解和把握光的多面性。

2.类比假说――粒子波动性的提出

教师讲述：当时的许多科学家对光具有波粒二象性还持怀疑态度时，有一位当时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。到底是怎么回事呢？

学生带着下列问题阅读37页第二框（粒子的波动性）内容：

（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？

（3）物质波的频率、波长公式是什么？

（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？

深入认识如下问题：

问题一：德布罗间提出的假说的要点是什么？

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；质量为m的自由粒子以速率v运动时，它的粒子性表现在具有能量ε和动量p，它的波动性表现在具有频率ν和波长λ。

问题二：什么是实物粒子？

物理学把物质形态分为两大类：实物和场，如图2所示。场和实物一样是一种客观存在，具有一些相同的（能量、质量、动量等）物质基本属性。但（场）又有不同（于实物）的特性。

问题三：什么是物质波？

与实物粒子相联系的波――实物粒子的波动既不是机械波也不是电磁波，被称为德布罗意波或物质波。比如，他提出了电子也是一种波，他还预言，电子束穿过小孔时也会发生衍射现象。

如果用能量ε和动量p来表征实物粒子的粒子性，则可用频率v和波长λ来表示实物粒子的波动性。v=，λ=，其中λ为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。认为任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应。

问题四：德布罗意这样提出物质波，属于一种什么思维方法？

德布罗意将实物粒子与光进行类比，用类比方法提出了实物粒子的波动性。

问题五：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哪些？

伽利略的落体运动；哥白尼和布鲁诺的日心说；惠更斯的光的波动说。

问题六：物理学中，你要让人们信服你的观点和理论，最有效的手段是什么？

通过实验验证。验证理论所获得的预言和推理。物理学的发展需要理论和实验的两只脚向前迈进，现在理论这只脚已经先向前迈进了一步，这就给实验提出了研究课题。学科网

教学过程

一、光的波粒二象性

1.光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有________，而光电效应、康普顿效应又表明光具有_____性.因此光具有波粒二象性。

2.光子的能量和动量

光子的能量：ε=______

光子的动量：p=______ 3、意义：ε和p描述物质的______性的物理量；

频率v和波长λ描述光的_______性的典型物理量。因此ε=hv和p=h/λ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。_____架起了粒子性与波动性的桥梁。

二、粒子的波动性

1.德布罗意波

任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也称_______。

2.物质的波长、频率的关系：v=______ λ=______ 三、物质波的实验验证

1927年戴维孙和G。P。汤姆孙分别利用晶体做了_______的实验，得到了______的衍射图样，从而证实了______波动性。他们为此获得了1973年的诺贝尔物理学奖。

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v=ε/h 、λ=h/p关系同样正确。

2．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；宏观物体也存在波动性，只是波长太小，难以观测。

巩固练习：

1.下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是(

) A．有的光是波，有的光是粒子

B．光于与电子是同样的一种粒子

C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著

D．大量光予的行为往往显示出粒子性

2

关于物质波，下列认识中错误的是

(

) A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波

B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的

C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的

D．宏观物体尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象

3

下列说法中正确的是

(

) A．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性

B．光的频率越大，波长越长

C．光的波长越大，光予的能量越大

D．光在真空中的传播速度为3．00x108m／s 4

以下说法正确的是

(

) A．物体都具有波动性

B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波

C．通常情况下，质子比电子的波长长

D．核外电子绕核运动时，并没有确定的轨道

5

为了观察晶体的原子排列，采用了以下两种方法：

(1)用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像(由于电子的物质波波长很短，能防止发生明显衍射现象，因此，电子显微镜的分辨率高)；(2)利用X射线或中子束得到晶体

的衍射图样，进而分析出晶体的原子排列。则下列分析中正确的是

(

) A．电子显微镜所利用的是，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多

B．电子显微镜中电子束运动的速度应很小

C．要获得晶体的X射线衍射图样，X射线波长要远小于原子的尺寸

D．中子的物质波的波长可以与原子尺寸相当

6．关于物质波以下说法正确的是

(

) A．实物粒子具有粒子性，在任何条件下都不可能表现出波动性

B．宏观物体不存在对应波的波长

C．电子在任何条件下都能表现出波动性

D．微观粒子在一定条件下能表现出波动性

7．下列说法中正确的是

(

) A．质量大的物体，其德布罗意波长小B．速度大的物体，其德布罗意波长小

[[来源学。科。网Z。X。X。K][来源学+科+网Z+X+X+K]

C．动量大的物体，其德布罗意波长小

D．动能大的物体，其德布罗意波长小

8．现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构。为满足测量要求，将显微镜工作时电子的德布罗意波长设定为d/n，其中n>1。已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e，电子的初速度不计，则显微镜工作时电子的加速电压应为

(

) A. n2h2/med2

B. (md2h2/n2e3)1/3

C. d2h2/2men2

D.n2h2/2med2

9．关于光的波动性与粒子性以下说法正确的是

(

) A．爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说

B．光电效应现象说明了光的粒子性

C．光波不同于机械波，它是一种概率波

D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一

10．质量为5t的汽车，当它以20m／s的速度前进时，其德布罗意波的波长为

。

11．以2．0x107m／s速度运动的电子束的德布罗意波长为

，以

速度运动的质子束，其德布罗意波长与电子束的波长相同。

—12．金属晶体中晶格大小的数量级是10lOm。电子经加速电场加速，形成一电子束，电子束照射该金属晶体时，获得明显的衍射图样。问这个加速电场的电压约为多少? (已知电子的电荷量为e=1．6x10-19C，质量为m=0．90X10—30kg)

13．如图所示，光滑水平面上A、B两小车质量都是M，A车头站立一质量为m的人，两车在同一直线上相向运动。为避免两车相撞，人从A车跃到B车上，最终A车停止运动，B车获得反向速度v0，试求：

①两小车和人组成的系统的初动量大小；

②为避免两车相撞，且要求人跳跃速度尽量小，则人跳上B车后，A车的速度多大？