4　概率波优质课教案

新课程人教版物理选修模块3-5（2007年3月第2版）

17.4 概

率

波

泰安第三中学 李克君

【教学目标】

★

知识与技能

1．知道经典粒子与经典波的基本特性。

2．知道经典的粒子与经典的波的区别与联系。

3．知道光是一种概率波，物质波也是一种概率波。

4．理解什么是概率波。

★过程与方法

理解什么是概率波，并能用概率波的概念解释干涉，衍射等现象。

★

情感态度与价值观

１.体会科学理论的建立过程，体会科学发展的无限性。

２.培养学生的科学素质及学习科学热爱科学精神。

【教学重点、难点】

重点：人类对光波物质波的认识发展过程。

难点：理解什么是概率波。

【教具准备】 多媒体Powerpoint课件

▼教学过程：

【前置复习】：什么是物质波？

【新课导入】

教师：通过上节课的学习我们知道，光具有波动性，实物粒子也具有波动性，那么光波和物质波到底是什么样的波？（设置悬念，抓住学生的注意力）

教师：这就是我们今天要解决的问题。（多媒体板书：17.4

概率波）

【讲解过程】

教师：分析物理现象、建立科学理论时，经常要建立模型，研究光波和物质波怎样建立模型？为了解决这个问题，先看一下经典物理学怎样建立模型解释问题的。（板书

：一

经典的粒子和经典的波）

教师：请同学们阅读第40页1-4自然段，然后思考回答幻灯片上的几个问题。（多媒体打出如下问题：1：经典物理学建立了几种模型？2：回顾学过的运动，那些运动以粒子模型方式处理？那些运动以波动模型方式处理？3：经典的粒子模型基本特征是什么？有何缺陷？4：经典的波动模型基本特征是什么？）（学生阅读课本后马上思考提出的问题，并同学之间交流讨论，教师巡视指导学生）

（学生开始积极回答问题）

学生：经典物理学建立了2种模型，粒子模型和波动模型。

学生：以粒子模型处理的有：匀变速直线运动，自由落体运动，平抛运动，匀速圆周运动，简谐运动…………，以波动模型处理的有：绳波，水波，声波等机械波，电磁波…………

学生：经典的粒子模型基本特征是：有一定的的空间大小，有一定的质量，有的有电荷。只要知道物体的初始条件（初始位置、初速度）以及受力情况，由牛顿第二定律可知，就能确定它们以后任意时刻的位置和速度，进而确定它们在空间中的运动轨迹。缺陷：有些问题想着简单处理起来很麻烦。

学生：经典的波动模型基本特征是：其特征是具有波长和频率，具有时间和空间的周期性。例如声波，电磁波，水波可用波长和频率周期性变化的物理量来描述，具有干涉、衍射、偏振等现象。

（教师对于主动回答问题，回答好的同学要积极肯定）

教师：（教师总结，引出下一问题）由此可见，在经典物理学中，粒子和波是完全不同的两件事，但是在现代物理当中科学家在处理问题时却把粒子和波统一起来，你能举出例子吗？

学生：光子的能量E=hν，光子的动量ph表达式说明光具有波粒二象性，光的波动性和粒子性并不矛盾。

教师：（层层递进引向概率波）可见研究光波和物质波是什么波，不能从经典粒子经典波分析，那么研究“光波和物质波是什么波”怎么建立模型进行分析呢？请同学们阅读第40页倒数第2自然段“为了了解光波…………”至第41页第3自然段结束“…………光波是一种概率波。”然后思考回答幻灯片上打出的几个问题。（此时多媒体打出如下问题：

1：分析课本图17.4-1，回答按照光的波动理论如何解释条纹的明暗？

2：如何用光子学说解释条纹的明暗? 3：光的波动性是否是光子之间的相互作用引起的？有什么办法可以解决这个问题？得到的现象说明什么问题？）

（学生阅读课本思考提出问题，同学之间交流讨论，教师巡视指导学生）

（学生积极回答问题）

学生：屏上条纹的明暗表示到达屏上的光的强度不同，明纹处光波加强，暗纹处光波减弱。

学生：每个同频率的光子都有相同的一份能量，条纹明暗的分布应该是到达屏上的光子数目多少的分布。因此光的强度对应光子的数目，明纹处到达的光子数多，暗纹处到达的光子数少。

学生：让光源非常弱，以至它在前一个光子到达屏幕之后才发射第二个光子。常时间曝光得到的照片与用强光短时间得到的照片基本相同，这说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，波动性是光子自身的固有属性。

（教师展示以下多媒体图片，结合解释说明）

A 图 B 图 C 图 D 图

教师：（设置问题，层层递进引向概率波）单个光子通过狭缝后到底落在D 图屏上的那一点呢？

学生：不好确定。（估计学生很难直接回答，可结合多媒体伽尔顿板实验解释）

（单个小球下落的位置是不确定的,但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大．）

教师：（结合多媒体）D 图光屏上条纹的明暗与光子在该处出现的机会（概率）有什么关系？

学生：光子落在明纹处的机会（概率）大，落在暗纹处的机会（概率）小。

教师：（层层递进，马上要逼出概率波的概念了！）光子落在明纹处的机会大，落在暗纹处的机会小，这又说明了什么？

学生：（千呼万唤，逼出了概率波的概念！）光子在空间出现的概率是不一样的，光子落在明条纹处的概率大，落在暗纹处的概率小，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，因此我们说光波是一种概率波。（教师这时在多媒体上要用敲击键盘的特殊声音效果逐字打出概率波概念：光子在空间出现的概率是不一样的，光子落在明条纹处的概率大，落在暗纹处的概率小，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，因此我们说光波是一种概率波。）

教师：（教师总结，引出下一问题）刚才我们通过分析实验证明了光波是一种概率波，那么对与电子和其它实物粒子所联系的物质波是什么波呢？同学们阅读第41页最后一自然段，然后回答以下问题。（多媒体打出如下问题：

1：甲乙丙三图片是怎么得到的？

2：通过分析甲乙丙三图片你能得出与电子所联系的物质波是什么波呢？为什么？

3：甲乙丙三张图片那张最能体现波动性？那张最能体现粒子性？少量粒子的行为主要表现与大量粒子的行为主要表现相同吗?有何区别？）（学生阅读课本思考提出问题，同学之间交流讨论，教师巡视指导学生）

（学生开始积极回答问题）

学生：甲表示100多个电子通过双缝后的干涉图样。乙丙分别表示3000多个，70000多个电子通过双缝后的干涉图样。

学生：与电子所联系的物质波也是概率波，因为电子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，落在明条纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。（这时在多媒体上要用敲击键盘的

特殊声音效果逐字打出：与电子所联系的物质波也是概率波。电子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定：落在明条纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。）

学生：丙图片那张最能体现波动性。甲图片那张最能体现粒子性。少量粒子的行为主要表现与大量粒子的行为主要表现不同，少量粒子的行为主要表现为粒子性。大量粒子的行为主要表现为波动性。（这时在多媒体上要用敲击键盘的特殊声音效果逐字打出：少量粒子的行为主要表现为粒子性。大量粒子的行为主要表现为波动性。）

教师：（继续探索概率波本质）这样电子就既具有粒子性又具有波动性，电子具有波粒二象性，除了用“少量粒子的行为主要表现为粒子性。大量粒子的行为主要表现为波动性”来

判断粒子性波动性外，还有其他方法吗？）

（对此问题学生可能直接很难回答，教师可引导学生思考：前面怎么得出“光具有波粒二象性”的这个结论的？肯定有学生能根据对光的本质的历史探究过程(光的干涉，衍射，光电效应等现象)得出同样结论：粒子在和其它物质发生相互作用的时主要表现为粒子性，粒子在运动传播的过程中主要表现为波动性。教师再结合第41页课本甲乙丙三张图片说明，便能直观证明。）

（教师多媒体板书：粒子在和其它物质发生相互作用时主要表现为粒子性，粒子在传播的过程中主要表现为波动性）

教师：（教师开始提出终结本课的问题）同学们通过本节学习，你有什么收获？

学生：光波是一种概率波，物质波也是一种概率波。

教师：（画龙点睛）光波物质波都是概率波，概率波是波吗？与经典波有何区别？

(此言既出能立即引起学生的强烈的好奇心和困惑，能让学生自然的回到本节核心“概率波是什么”，从而引起新的回味，自然达到本节课画龙点睛之目的。学生经过思考，相互争论，教师引导，最终肯定得能到概率波三字的真正含义。) 学生：概率波不是波，是一种规律，概率波3字应分开理解才有意义，“概率”指的是粒子在空间出现的概率，“波”是指波动的规律。“概率波”3字合起意义应指：粒子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定，也就是粒子落在明条纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。

（多媒体上用特殊声音效果分别打出：

粒子在空间出波动的规

现的概率

确定

律

概率

波

针对概率波的例题和练习

例1：在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子（

ＣＤ ）

A. 一定落在中央亮纹处

B. 一定落在亮纹处

C. 可能落在暗纹处

D. 落在中央亮纹处的可能性最大

同步达标练习１：在验证光的波粒二象性的实验中下列说法正确的是（

ＡＤ

）

Ａ．使光子一个一个的通过狭缝如果时间足够长，底片上将会显示衍射图样

Ｂ．单个光子通过狭缝后底片上会出现完整的衍射图样

Ｃ．光子通过狭缝后的运动路线是直线。

Ｄ．光的波动性是大量光子运动的规律

同步达标练习２：对光的认识以下说法正确的是（

ＡＢＤ

）

Ａ．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性。

Ｂ．光的波动是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的。

Ｃ．光表现出波动性就不具有粒子性，光表现出粒子性就不具有波动性了。

Ｄ．光的波粒二象性应理解为：在某中场合下光的波动性表现明显，在另外的某种场合下光的粒子性表现明显。

【新课结束】教师让学生总结本节内容并进行补充，然后教师提出本节大纲要求，并布置作业。（详见多媒体）

【作业】

一．

课本第４２页课后练习２练习３

二．

质量为１０克速度为３００ｍ／ｓ在空中飞行的子弹其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能够看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？

◆

教学设计说明

本节内容为新课程人教版选修模块3-5第4节。本节课主要任务是知道经典的粒子和经典的波及基本特征，通过理论分析和实验探究理解概率波的概念，知道经典的粒子和经典的波与概率波的区别与联系，利用概率波解释一些现象。。本节课在以前的高中教材只是略为提及主要是在大学里学习，现在之所以下到高中来主要目的是通过概率波建立，打破只是利用经典方法处理物理问题的思维，引入一种处理物理问题的新思想，扩大学生的眼界，培养学生的科学素质和学习科学的兴趣。由于本节内容抽象、理论性强，笔者个人认为：如果采用教师讲学生听得办法，可能出现学生不知教师所言的现象，采用问题式方式层层推进来处理教材能降低台阶，提高学生的兴趣和课堂参与度，增强目标的指向性，达到水到渠成的效果。