3　粒子的波动性教案推荐

人教版高中物理选修 3-5 教学设计

17.3粒子的波动性

（一课时） 课型结构

导学-合作探究-分享

执笔

：武汉市钢都中学韩尚文

教学分析

【课标分析】

2003年4月第一版物理课程标准（实验）要求知道实物粒子具有波动性。

【考纲分析】

2018年全国高考考试大纲对本节没有目标要求。本节内容在2001年-2018年之间全国高考只考了三道题：1. 2004年江苏物理

1

2.

2007年江苏物理

7

3．2013年江苏物理

12，但尽管如此，对物理学史的考查和科学思想方法的考查，仍然是高考的必考点。这是设计本节课值得注意的地方。

【学情分析】

宏观物体在不受外力的时候，遵守牛顿第一定律，保持匀速直线运动状态。这个知识学生在高一上学期学习。而宏观的波动性衍射现象是，在明显衍射条件存在的情况下，物体将偏离直线运动，绕到障碍物后面去。这个知识学生在高二下学期学习。这两个知识在时间跨度上非常大。学生对宏观物体的波动性与粒子性的对立性理解并不深刻。因此，对微观粒子的波动性与粒子性的统一的认识也就比较浅。这节课设计了在温故而知新环节当中复习牛顿第一定律和衍射现象。就是要引起学生对宏观物体粒子性与波动性的对立性的强烈认识。在已知宏观物体的波动性与粒子性的对立的基础上认识微观粒子的波动性与粒子性的统一将更加深刻。

【知识框架】

光子的波粒二项性 粒子的波动性 类比法科学思想 波动性与粒子性的对立统一

【教学目标】

知识与技能

（1）了解微观世界中的量子化现象。体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

（2）了解人类对光子的认识历程，明确光子的波粒二象性。

（3）了解人类对电子的认识历程，明确电子的波粒二象性及粒子的波粒二象性。

（4）了解德布罗意波的内容，验证过程及波长的计算。

过程与方法

（5）以光子电子的发现历程为线索揭示微观粒子的波动性，引领学生来到量子世界的大门。

（6）引导学生进行合作探究，通过提出问题，寻找证据，充分解释，相互交流的步骤，了解德1

布罗意提出物质波运用的科学思想方法、宏观物体的波动性不明显、找到验证物质波的实验选材依据、以及物质波相关的应用问题。

情感态度价值观

（7）通过典型事例了解人类直接经验的局限性。体会人类对世界的探究是不断深入的。感受人类对光子电子认识的美好、曲折过程，欣赏物理学的对称美，体会蕴含的对立统一的哲学思想。

（8）引导学生从科学家的工作中感悟科学思维模式：正确运用类比的科学思想方法突破前人固有的思维模式质疑创新，根据自然界中的对称性提出大胆猜想和假说并科学推理，构建微观粒子波粒二象性的统一模型，最后采取有效的实验方法加以验证。

（9）引导学生学习科学家的锲而不舍、遵守客观规律的同时勇于创新的实事求是的科学态度以及宝贵的成功经验。

【教学重难点】

人类对电子和光子认知方面的物理学史。

德布罗意波长和粒子动量关系。

实物粒子的波动性的理解。

微观粒子的波动性与粒子性对立统一的理解

类比法与对称性等科学思想方法

教学设计

【创新点】

1.本节课通过以下环节帮助学生们建立对立统一的哲学观点。通过课前导学四个问题帮助同学们认识到宏观物体波动性与粒子性的对立性，然后再根据波粒二象性的学习帮助学生们认识到微观粒子波动性与粒子性的对立统一。对这个教学难点进行了四次突破。第一次突破在介绍人类对光子和电子认识的知识导图的中建立；第二次突破是在微观粒子具有波粒二象性同样遵守德布罗意提出的能量与频率、动量与波长的关系式中建立。第三次突破在新课引入和牛顿定律局限性总结中提示学生宏观物体波动性与粒子性是对立的，而微观粒子将波动性和粒子性统一了起来。第四次突破是在课中导学问题最后两个问题中建立。

2.构建思维导图，将必备知识技能合理布置构图帮助学生形成解决问题的关键能力。

（1）构建知识导图：电子光子的认识线索图（本节课将电子的认识线索图也组织出来），将相关知识串接形成光子与微观粒子波动性与粒子性大相统一的观念。

（2）构建思维导图，帮助学生理解什么是类比法，德布罗意是怎样用类比法得出物质波猜想。

将类比法和对称性清楚的区分开来。

【教学方法】

课前导学－教师引导－自主探究－合作交流－归纳总结－课外延伸。

.本节课采用了学生合作探究与分享的教学模式。把部分课堂交给学生，老师是主导，学生是主体。

2

【教学用具】

课件：PPT演示文稿，多媒体教学设备一体机，手机互动课堂APP。

本节课将现代化信息技术手段引入课堂。既节约时间，又加深学生的印象。

（1）利用现代化信息教学技术手段录制微课视频，介绍人类对光子和电子的认识史，文字及相关图片，配音及配乐，画面内容丰富多彩，提高课堂效率。

（2）本节课使用教育云上互动课堂中移动讲台的功能，使用手机与一体机相互配合将学生当堂的练习投影到电子屏幕上，及时评讲学生的练习。

教学过程

课前准备

【课前问题导学】（复习与预习）

1.

人类对光子和电子的认识史填空，本文结尾出有放大清晰版。课前让学生通过教育云互动课堂中在课前导学板块里观看本节视频微课，有不清楚的地方可在班级讨论中讨论。

【设计意图】复习物理学史、初步建立粒子性与波动性的统一观念。

2.牛顿第一定律是什么？

3

3.波特有的现象是什么？

4.什么是衍射现象？

5.明显衍射现象的条件是什么？

温故而知新

教师活动：上新课之前，我们先来复习一下本节课所需要的一些知识。请同学们看导学案。

第一题，牛顿定律是什么？

第二题，波特有的现象是什么？

第三题，什么是衍射现象？

第四题，明显衍射现象的条件是什么？

【设计意图】通过这四道题，使同学们认识到宏观物体的粒子性与波动性存在对立性。

学生活动：

第一题，牛顿第一定律是什么？

一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

第二题，波特有的现象是什么？干涉、衍射

第三题，什么是衍射现象？衍射是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。

第四题，明显衍射现象的条件是什么？障碍物或孔的尺寸要比波长小或者和波长差不多

一、

引入新课

教师活动：

宏观物体遵守牛顿第一定律，在不受外力的时候，保持匀速直线运动状态。那么有没有一种实体物质在不受外力的情况下，能够偏离直线运动呢？

【设计意图】通过发问，使同学们认识到宏观物体的粒子性与波动性存在对立性，那么是否存在统一呢？

二、

新课教学

（一）、人类对光子电子的认识史

（播放视频微课展示文字，配解说、音乐和相关图片）

本文结尾出有放大清晰版

4

（二）、德布罗意波物质波假设的提出

对电子的认识，人们没有就此停止脚步。时间来到1924年，法国物理学家德布罗意在他的博士论文中将光子的波粒二象性推广到实物粒子，提出假设，实物粒子也具有波动性。

这个想法可不是瞎猜的，他观察到自然界在许多方面都表现出对称性。德布罗意采用了类比的方法，提出了物质波的假设。

每个运动中的粒子都对应一个波，而且也像光子和光波一样，遵守如下关系。

hv

和

ph/

这种与实物粒子相对应的波，后来被称为德布罗意波，也叫做物质波。

由于这个想法当时近乎疯狂。很多人都不能接受。于是有人质问德布罗意。你怎么证实你的这个想法是对的呢？同学们如果你是德布罗意，你将怎么回答呢？

（三）、物质波的实验验证

那么德布罗意的猜想对不对呢?我们知道这要靠实验来验证。1927年戴维逊和汤姆逊两位科学家分别利用晶体做了电子束的衍射实验，观察到了电子的衍射图样。

证实了德布罗意提出的电子具有波动性的假设。

（四）、粒子的波粒二象性

此时人们认识到光子电子都具有波粒二象性。

随后人们陆续证实了质子中子原子分子也具有波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的关系式同样正确。同学们请注意。能量和动量是描述物质粒子性的重要物理量，波长和频率是描述波动性5

的重要物理量，因此这个关系式将微观粒子的波动性和粒子性统一了起来。

（五）、牛顿定律的局限性（还记得引入新课时我们提出的问题吗？回复新课引入时提出的问题）

障碍物或缝的尺寸比微观粒子的物质波波长短或差不多时，微观粒子不受外力时可以偏离直线绕道障碍物的后面去。

牛顿定律不再适合讨论微观粒子的运动。

【设计意图】

提示学生宏观物体波动性与粒子性是对立的。微观粒子将波动性和粒子性统一了起来。

三、合作探究与分享

学生活动：

【课中问题导学】

1.如何理解德布罗意提出假设的科学思想类比法

？我们用类比法学过哪些知识？

2.一质量m=60kg的同学以v=10m/s的速度在操场上奔跑，求他对应的德布罗意波长。

3. 电子经电势差为U＝200 V的电场加速，在v≪c的情况下，求此电子的德布罗意波长．

4.为什么电子显微镜比光学显微镜的分辨本领高？

【设计意图】

第一题，引导学生构建思维导图，将类比法和对称性清楚的区分开来。帮助学生理解什么是类比法，德布罗意是怎样用类比法得出物质波猜想。

类比法就是用简单具体熟悉的事件与复杂抽象不熟悉的事情件进行比较,从某些方面的相同和相似推出它们在其他方面也可能相同的一种思维方法。德布罗意是将两个发现过程进行类比，从而提出物质波的假设。

第二题，引导学生思考，由计算的结果和明显衍射发生条件，我们知道了宏观物体很难看到波动性的原因。

第三题，由计算结果使学生认识到，电子衍射实验选择晶体作为实验材料的依据。晶体内部规则排列的物质微粒满足明显的衍射条件。这道题突出在明显衍射条件符合的情况下，电子显示波动性。

第四题，在电子显微镜中，观察微观世界，电子的明显衍射条件不存在的情况下，电子的粒子性比可见光强。

通过这两道题再一次使学生认识到，微观粒子是如何将波动性与粒子性进行完美的统一。

四、引出下节

教师活动：

电子具有波动性，能做出衍射图样一样，也能做出干涉图样。但要注意这里的波动性和我们以前所学的机械波和电磁波是不一样的。它是一种概率波。那么什么是概率波呢？请听下节分解。

6

五、课外延伸

由于本节课时间的限制。以下内容请同学们课后查找相关资料。

1.本节课出现了一对父子，你可知道？他们各自都获得了诺贝尔奖。请了解他们各自的科学成就。

2.牛顿定律不再适合讨论微观粒子的运动，那么微观粒子的运动用什么理论来讨论呢？

3.什么是概率波？薛定谔的猫是一只怎样的猫？

4.德布罗意是一位法国公爵和德国王子，身份高贵，然而他将毕生的精力投入到科学研究，是一位传奇人物，他的经历对你有哪些启发呢？

六、课堂小结

教师活动：请学生自己概括总结本节的内容。

与老师与同学的总结比较，看谁的更好，好在什么地方。

点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

七、布置作业

完成学案

八、

板书设计

17.3粒子的波动性

01 光子电子的认识史

02物质波

（德布罗意波长计算与实验验证）

03粒子的波粒二象性

04 科学思想方法

05 物质波的应用

教学效果

【学生合作探究分享实录】

1.德布罗意是如何用类比法提出物质波假设的？

我开始以为，

由光波具有粒子性想到实物粒子具有波动性，这就是类比法，其实这是对称性。具有对称性的还有，比如电生磁，磁生电。

7

关于类比法我和老师讨论过后，是这样理解的：

在研究电与磁时，人们认识了电生磁这个现象，由对称性自发的想到有没有磁生电这个现象呢？于是朝着这个方向努力研究。最后，法拉第真的发现了磁生电。

德布罗意由类似上面的发现过程类比波粒二象性，人们已经了解光波具有粒子性，他也根据对称性猜想，可能存在反过来的现象，实物粒子具有波动性。

于是他就这样用类比法

提出了物质波的假设。

2.一质量m=60kg的同学以v=10m/s的速度在操场上奔跑，求他对应的德布罗意波长。

答：刚才第一组同学解决的是一个思想方法问题，下面我们组解决一个物质波波长的计算问题

这个同学对应的德布罗意波长太小，所以，我们觉察不到这个同学的波动性！宏观物体质量大，动量大，这也是我们很难观察到宏观物体波动性的原因。

3. 电子经电势差为U＝200 V的电场加速，忽略相对论效应，求此电子的德布罗意波长．

刚才第二组介绍的是求宏观运动对应的物质波波长，我们这组介绍的是求微观粒子的物质波波长。

看到这个结果，我们组讨论出两个小结论

⑴电子对应的德布罗意波长的数量级在10x光一样具有衍射现象。

⑵可以推测晶体内部规则排列的物质微粒的尺寸与这个数值差不多，所以用晶体做实验可以看到电子的衍射图样。证明电子具有波动性。

我们组讨论的结果汇报完毕。

4.为什么电子显微镜比光学显微镜的分辨本领高？

同学一：刚才第二组、第三组介绍给了我们很大的启发。我们讨论的是一个关于物质波应用的问题。

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－11 米，我们学过，x光的数量级也在10－11 米，电子应该和

我们学过明显衍射条件，波长如果比障碍物或孔大或者差不多，衍射现象就明显；反之，粒子性越强，衍射现象就不明显。

同学二：显微镜的精度是很高的，物镜的直径又不大。可见光

容易发生衍射。可见光的波长在10在微观世界里，原子的直径约为10－10 －7 米，米，可见光波长比原子直径就大得更多了，观察微观世界时衍射的干扰就会比较大，被观察物体上的一个光点经过透镜以后，不再汇聚成一个光点，而是形成一个光斑。这样物体的像就模糊了，影响了显微镜的分辨本领。

这是由于可见光的衍射现象造成的模糊光斑。

同学一：电子也是一种波，由上题可知它的德布罗意波长在10原子的直径10－10 －11 米，比可见光的波长10－7 米短，比米短，用于观察微观世界，衍射现象的影响比可见光就小多了。这样就有可能大大提高了显微镜的分辨能力。

这是在电子显微镜下的植物花粉图片。大家看是不是很清楚，很漂亮。

同学二：由第三题我们看到了电子的波动性，第四题电子显微镜利用的是电子的粒子性比可见光强。

在经典物理学中，粒子性和波动性是完全不同的。但在现代物理学中，电子这样的微观粒子将这两个性质统一在自己身上了。以上是我们组的讨论结果。谢谢大家！

观评记录

【课后反思】

1.应该引导学生思考，我们曾经用类比法学过哪些知识？其实学生对类比法应该并不陌生。比如用地势类比学习电势。比如用水流类比学习电流，用水压类比学习电压。用水波干涉类比学习声波干涉。这样可以使同学们进一步理解类比法这种思维方式。

2.

在学生合作探究分享的过程同时，应该把板书补充完整（电子波动性的实验验证

微观粒子都具有波粒二象性

物质波的应用）

3.

本节课由于受上传视频大小不能超过500M的限制，只录制了35分35秒，可以让学生们自主探究时讨论十分钟充分讨论（本节课只给了五分钟）。课后有的同学提出希望能讲一下课中导学问题第三题：动量与动能的关系是怎样推出来的；如何快速计算等问题。

再一次领悟，教学是一门有缺憾的艺术！

测评练习

【高考真题回顾】

9

1. (2004年江苏物理

1)下列说法正确的是（

）

A．光波是一种概率波

B．光波是一种电磁波

C．单色光从光密介质进入光疏介质时，光子的能量改变

D．单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变

2. (2007年江苏物理

7)现代物理学认为，光和实物粒子都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是(

) A．一定频率的光照射到锌板上，光的强度越大，单位时间内锌板上发射的光电子就越

多

B．肥皂液是无色的，吹出的肥皂泡却是彩色的

C．质量为10－3 kg、速度为10－2 m/s的小球，其德布罗意波长约为10－28 m，不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹

D．人们常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距

大致相同

3．(2013年江苏物理

12)如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的_______也相等。

A．速度

B．动能

C．动量

D．总能量

【能力提升】（要有层次性）

1．关于光的本性，下列说法中正确的是(

) A．关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们

都说明了光的本性

B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上

的粒子

C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性

D．光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的

2．关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(

) A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子

B．光子与电子是同样的一种粒子，光波与机械波是同样的一种波

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，在光子能量ε＝hν中，

频率ν仍表示的是波的特性

3．关于物质波，下列说法正确的是(

) A．电子衍射图样证明了物质波的正确性

B．粒子的动量越大，其波动性越易观察

C．粒子的动量越小，其波动性越易观察

D．电子衍射图样中电子束物质波的波长与金属晶格大小可以比拟

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4．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．质量为m的粒子原来的速度为v，现将粒子的速度增大为2v，则描写该粒子的物质

波的波长将(粒子的质量保持不变)(

) A．保持不变

B．变为原来波长的两倍

C．变为原来波长的一半

D．变为原来波长的2倍

6．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发

现了宇宙X射线源．X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表

示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，

则(

) A．E＝hλc，p＝0

B．E＝hλhλc，p＝c2

C．E＝hcλ，p＝0

D．E＝hchλ，p＝λ

题号

1 2 3 4 5 6 答案

11

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