3　粒子的波动性教学设计案例

3粒子的波动性

【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；

（2）知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性；

（3）知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。

（二）、过程与方法

（1）了解物理真知形成的历史过程；

（2）了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性；

（3）知道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）通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正；

（2）通过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；

（3）通过了解电子衍射实验，使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。

【教学重点】

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。

【教学难点】

实物粒子的波动性的理解。

【教学方法】

学生阅读－讨论交流－教师讲解－归纳总结。

【教学用具】

课件：PP演示文稿（科学家介绍，本节知识结构）。多媒体教学设备。

【教学过程】

（一）引入新课

提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？（光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表第1页

现出不同特性，分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。

我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？

（二）进行新课

1、光的波粒二象性

讲述光的波粒二象性，进行归纳整理。

（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。

（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。

2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

hv

ph/

ph/＝hv/v/c

提问：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？

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？（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。）

（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：

hEh＝

pmvp提问：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）

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？

4、物质波的实验验证

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？（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4.0×10m/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。（根据公式h/p计算得1.8×10m和3.3-117第2页

×10m）

电子波动性的发现者——戴维森和小汤姆逊

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，而戴维森和小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。

阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关知识的形成建立和发展的真是过程。（应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神）

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。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。

提问：衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否？如何改进？（显微镜的分辨本领）

课后练习

1、光是一种电磁波，能够产生____________和___________等波特有的现象，说明光具有__________性。而_____________能说明光具有粒子性，所以我们说光具有_____________性。

2、任何一种实物粒子都一个波相对应，这种波叫_____________或___________________，这一结论是通过___________________实验证明的。

3、经过加速电压为400V的电场加速后的电子的德布罗意波波长为_______________m。

4、下列关于光的本性说法正确的是 ( ) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子就是牛顿微粒说的微粒 C．光的波长越长，其波动性越明显 D．γ射线具有明显的粒子性，没有波动性 5、下列现象说明光具有波动性的是 ( ) A．光的直线传播 B．光的干涉

C．光的衍射 D．光电效应

6、下列现象说明光具有波粒二象性的是 ( ) A．光的直线传播和干涉 B．光的衍射和干涉

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C．光的干涉和光电效应 D．泊松亮斑和光电效应

7、电子显微镜的最高分辨率达0.2nm，若有人制造出质子显微镜，在加速到相同速度的情况下，质子显微镜的最高分辨率将 ( ) A．小于0.2nm

B．大于0.2nm

C．等于0.2nm D．无法确定

8、下列关于光的本性说法正确的是 ( ) A．在其他条件相同时，光的频率越高，衍射现象越明显 B．频率越高的光粒子性越明显 C．大量光子往往表现波动性，少量光子往往表现粒子性

D．若让光子一个一个地通过狭缝，它们将严格按照相同的轨道做极有规律的匀速直线运动

9、关于光的波粒二象性，下列说法正确的是 ( ) A．光的频率越高，光的能量越大，粒子性越明显 B．光的波长越长，光的能量越小，波动性越明显

C．频率高的光只具有粒子性，不具有波动性 D．无线电波只具有波动性，不具有粒子性

10、对于光的波粒二象性的理解正确的是 ( ) A．电磁波谱中，波长最长的只表现波动性，波长最短的只表现出粒子性

B．光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同一种波

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，光子说并未否定电磁说

11、估算一下一个中学生在百米跑时的德布罗意波的波长

12、一束光子能量为E的单色光，在某介质中的波长为λ，光在真空中的速度为c，普郎克常量为 h，求该介质的折射率。

13、爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在一个定量关系，即E＝mc。求：

（1）频率为5×10Hz的光子具有的动量为多少？

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（2）若一电子的动量与该光子的动量相同，则该电子的运动速度为多少？该电子对应的物质波的波长为多少？

14、光具有波粒二象性，光子的能量ε＝hν，其中频率ν表征波的特征，在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长λ的关系为p激光管以60W的功率发射波长为6.63×10m的光束，求：

（1）激光管在1s内发射出多少个光子？

（2）若光束全部被某黑体表面吸收，则该黑体表面所受到光束对它的作用力多大？

-7h。若某第5页