3　粒子的波动性优秀教案案例

第十七章

第三节

崭新的一页：粒子的波动性

一、教学目标

1．知识与技能

（1）知道光、实物粒子具有波粒二象性；

（2）知道德布罗意假说的内容，公式表达；

（3）了解物质波的验证过程。

2．过程与方法

（1）沿着物理学家的研究过程展开教学，尽量再现物理学家的思想和研究方法。

（2）通过“小练习”对比，进而理解宏观物体的波动性不明显，并找到验证物质波的方法

3．情感态度与价值观

（1）感受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。

（2）从科学家的工作中感悟科学探究：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。

（3）培养学生的科学文化素质──科学方法、科学意识、科学精神。 二、教学重点、难点

重点：知道德布罗意波及德布罗意波波长计算粒子同样具有波动性。

难点：理解德布罗意波（物质波）及表现规律。

三、教学用具

自制多媒体课件

四、复习回顾

⑴人类对光认识的历史过程

──

一部科学史诗

学生阅读课本第一段，分组讨论、自由发言，教师引导归纳，同时多媒体辅助

问题：光的发展史(光的本性)？

①十七世纪初笛卡儿两种假说：光是类似于微粒的一种物质光是一种以“以太”为媒质的压力。

②十七世纪光的微粒说(代表人物---牛顿)：光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播，能解释光的反射现象、析射现象。

③同时期光的波动说(代表人物---惠更斯) ：认为光是一种波，在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，微粒说无法解释。

④光的电磁说(十九世纪：代表人物---麦克斯韦) 麦克斯韦认为光是一种电磁波,赫兹用实验证实了光的电磁本性.光是电磁波的主要依据：①传播都不需介质.②都是横波.③在真空中传播速度相同。

⑤19世纪末赫兹等又发现了---光电效应现象，用波动说无法解释。

⑥爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。

从笛卡儿两种假说到牛顿与胡克、牛顿与惠更斯粒子说与波动说之争，再到麦克斯韦、赫兹、普朗克和爱因斯坦的对光的进一步认识。在新的事实与理论面前，终于以光即具有波动性，又有粒子性即光具有波粒二象性而画一下圆满的句号。（多媒体展示）

原来相互矛盾的两种学术，后来发现只是一个事的两个表现形式，并非有此无彼，而是彼中有我，我中有你，最后以爱因斯坦提出的“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。为此爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。

⑵──粒子性、波动性之间的桥梁

以上两个公式中ε和p是物质所具有的粒子性的重要物理量，而是波长与频率是波动性的典型物理量，所以两式左侧是粒子性，而右侧却是波动性，它们通过普朗克常量h联系，可见光的波动性与粒子性并不矛盾。光的波动性和粒子性是一对矛盾的两个方面，彼此含有对方的

成份，共存于光的统一体中。

五、进行新课

知识点

教师活动

学生活动

时间

波的概念

（1）

机械波的形成。（以水波绳波为例演示如（1）

看PPT了解水波（1分钟）

何形成机械波）

（2）

认识波长、频率、波速。让学生认识三个物理量的关系。

（3）

分清横波纵波的特点

波的特性

（1）

波的衍射；演示波的衍射现象实验。

（2）

波的干涉

（3）

横波的偏振现象演示

（2）

参与演示横波和纵波的形成（3分钟）

（3）

总结得出光速、频率和波长的关系（1分钟）

（1）参与波的衍射实验以及观察分析水波的衍射。（3分钟）

（4）

参与波的干涉实验以及观察分析水波的现象。（3分钟）

（5）

横波偏振现象的演示（2分钟）

光的波动性

（1）

让学生了解对光的本性物理学史。

（2）

演示证明光的偏振、干涉、衍射

（1）

看光的偏振现象（1分钟）

（2）

看光的衍射现象（2分钟）

（3）

看光的干涉现象（2分钟）

概率波

（1）

讲解光满足波的特点证明光是一种波。

（2）

展示机械波形成的原因；PPT展示光是概率波

（1）

分析总结出光的波动性（1分钟）

（2）

观看PPT了解概率波的特点（2分钟）

3分钟

5分钟

8分钟

5分钟

光的粒子性

演示光电效应实验，演示改变频率和改变光观察实验，验证课本上光电效应的规强得到的实验现象

律（4分钟）

（1）

总结得出光的波粒二象性（1分钟）

（2）

完成课堂练习（2分钟）

4分钟

3分钟

光的本性

（1）

引导学生总结光的本性

（2）

课堂练习

德布罗意波

物质波

（1）

讲解德布罗意的假说

（1）

听讲和观看（1分钟）

3分钟

（2）

PPT展示电子的衍射；引导学生推导（2）

推导公式回答问题（3分钟）

物质波的波长公式

（3）

讲述物理学史。

课堂练习

（1）

发放课堂练习

完成课堂练习

6分钟

（2）

组织完成课堂作业；提问检查作业 课堂小结

组织学生总结本堂课的内容布置作总结知识点

3分钟

业。导学案

⑴、德布罗意提出实物粒子具有波动性的假设（体会德布罗意从类比和对称性思考的科学思想方法）

19世纪以来，光学上注重波动方面的研究，忽视了粒子方面的研究；而实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误？体会德布罗意从类比和对称性思考的科学思想方法。

问题：“相反的错误”指什么？

生：实物粒子的研究只注重了粒子性，而忽视了波动性。

（2）、（自学）德布罗意假说──科学的狂想曲，回答问题：

问题：德布罗意假说的内容？

生：实物粒子也具有波动性；每一个运动的粒子都与一种波对应。

问题：物质波的概念？

生：与实物粒子相联系的波──德布罗意波。

问题：物质波的频率、波长公式？ 生：

，

⑶、物质波的验证

问题：如何验证德布罗意假说？

生：如果能观察到实物粒子的干涉、衍射等波的特有现象，可验证实物粒子具有波动性。

问题：发生明显衍射的条件？

生：障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多，或者比波长还要小。

找学生爬黑板，应用德布罗意波能量、动量关系式计算子弹及电子的波长。

计算：一个质量为0．01kg，速度为300m/s的子弹，对应的德布罗意波长？

解析： 问题：为什么不易观察到宏观物体的波动性？

计算：一个原来静止的电子，经过100v的电压加速后，对应的德布罗意波长？

解析：，，

问题：分子直径的数量级？与上面计算出的电子波长数量级相当吗？

师点拨：电子的德布罗意波长与分子直径相当，电子束照到晶体上，两晶格的狭缝可使电子发生明显的衍射。1927年戴维孙和G．P．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。

⑷、学生看书了解这一历史过程，并观察电子束的衍射图样与X-射线晶体衍射图样相似。

电子束通过铝箔时的衍射图样 弗兰克林拍摄的DNA的X射线衍射照片

六、小节

本节课的设计不仅关注知识及知识的形成过程，更注重科学素质的培养，也关注情感态度价值观方面的东西。教师通过对光的本质的认识这一线索，对光的有关知识进行重新复习，对光的粒子性与波动性有一个系统的全面的认识。通过光子能量公式、动量公式，两式左侧是粒子性，而右侧却是波动性，以及联系量普朗克常量h，从理论上光波与粒子之间的联系。再利用实验和物理学史对物质波动性的深入探究，从德布罗意波的提出、验证、物质波理论的形成到诺贝尔物理学奖的获得。不但学到了许多知识，更重要的是让学生明确科学的探究是不断的深入的，理论是在不断发展的，了解到人类直接经验的局限性和曲折历程，渗透辩证的思想特别是培养了敢于创新，勇于实践，实事求是科学的精神和科学态度以及类比法、实践法等科学的方法，同时意识到科学有价，意识到物质世界尽管千差万别，却又有共同的规律──波粒二象性，这大大的扩展和深化了人们对物质世界的认识，并为进一步研究微观世界提供了思想武器。整节课力图体现学生主体意识，问题意识，建构意识，保护学生的学习兴趣，采用启发性教学，重视科学探究，注重科学素质的培养。

导学案

基础达标

1．下列说法中正确的是(

) A．质量大的物体，其德布罗意波波长短

B．速度大的物体，其德布罗意波波长短

C．动量大的物体，其德布罗意波波长短

D．动能大的物体，其德布罗意波波长短

2．下列哪组现象能说明光具有波粒二象性(

) A．光的反射和光的干涉

B．光的衍射和光的干涉

C．光的干涉和光电效应

D．以上三组现象都不行

3．如图所示是一个粒子源，产生某种粒子，在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光．那么在荧光屏上将看到(

) A．只有两条亮纹

B．有多条明暗相间的条纹

C．没有亮纹

D．只有一条亮纹

4．(多选)用极微弱的红光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则(

) A．图像(a)表明光具有粒子性

B．图像(c)表明光具有波动性

C．用紫光观察不到类似的图像

D．用蓝光观察不到类似的图像

5．关于物质波，下列说法正确的是(

) A．速度相等的电子和质子，电子的波长长

B．动能相等的电子和质子，电子的波长短

C．动量相等的电子和中子，中子的波长短

D．甲电子速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍

6．实验表明电子也有波粒二象性，由于电子的粒子性比光强，故电子的波长比光的波长更短，电子和光相比，我们(

) A．更容易观察到明显的衍射现象和干涉现象

B．不容易观察到明显的衍射现象和干涉现象

C．不容易观察到明显的衍射现象，但容易观察到干涉现象

D．更容易观察到明显的衍射现象，但不容易观察到干涉现象

7．人类对光的本性认识的过程中先后进行了一系列实验，如下所示的四个示意图表示的实验不能说明光具有波动性的是(

)

8．如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以10

m/s的速度运动，则它们的德布罗－意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.67×1027 kg)

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