3　粒子的波动性优秀教案

人教版

高中物理选修3-5 第17章第3节

粒子的波动性

【知识与技能】

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。学科网

2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。学科网

3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。学科网

【过程与方法】

1．了解物理真知形成的历史过程。学科网

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。学科网

3．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性

【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。学科网

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。学科网

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。学科网

【教学重难点】

★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。学科网

★教学难点：实物粒子的波动性的理解。学科网

【教学过程】

★重难点一、光的波粒二象性★

★光学发展史

学说名称

代表人物

微粒说

牛顿

波动说

惠更斯

电磁说

麦克斯韦

能在真空中传实验依据

光的直线传播、光的反射

光的干涉、衍射

播，是横波，光速等于电磁波速

光电效应康普顿效应

光子说

爱因斯坦

波粒二象性

公认

光既有波动现象，又有粒子特征

光是具有电磁内容要点

光是一群弹性粒子

光是一种机械波

光是一种电磁波

光是由一份一份光子组成的

本性的物质，既有波动性又有粒子性

1

年代

17世纪

17世纪

19世纪中

20世纪初

20世纪初

1．光的波粒二象性的特征．

(1)波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性．

(2)光子的能量：ε＝hν. (3)光子的动量：p＝. λ注：物理量ε和p描述光的粒子性，物理量ν和λ描述光的波动性，h架起了粒子性与波动性的桥梁．

2．光的波动性与粒子性的统一．

(1)大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性．如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；

2．光的波动性与粒子性的统一．

但是如果微弱的光在照射时间加大的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律．这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据．

(2)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量．

(3)光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．

(4)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．

(5)光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性．

综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立的．

3．从微观的角度理解光的波动性和粒子性．

光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观世界的观念来认识，必须从微观的角度建立起光的行为图景．认识光的波粒二象性，需要明确的是：爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”是两个完全不相同的概念；同样，麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念，其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别．

★对光的波粒二象性的理解

实验基础

光的波动性

干涉、衍射

光的波动性是光子本身的一种属性，它不同含义

于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述：(1)足够能量的光(大量光子)在传播光的粒子性

光电效应、康普顿效应

粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量。(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显h

2

时，表现出波的性质。(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著。

示出光的粒子性。(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著。

(1)光子说并没有否定波动性，E＝hν中，ν表示光的频率，表示了波的特征。光既具有波动二象性

性，又具有粒子性，波动性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同。

(2)只有用波粒二象性，才能统一说明光的各种行为。

【典型例题】关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是(

) A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性

B．光波频率越高，粒子性越明显

C．能量越大的光子其波动性越显著

D．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性

E．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显

【审题指导】

光子既具有波动性又具有粒子性，波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义．波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量．个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．频率越大的光，光子的能量越大，粒子性越显著，频率越小的光，光子的能量越小，波动性越显著。

【答案】C

【解析】光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D、E说法正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B说法正确、C说法错误．

★重难点二、物质波★

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，也叫物质波．

ε2．波的频率：ν＝h；

波的波长：λ＝p. 注：ε为粒子的能量，p为粒子的动量．

3．物质波的实验验证．

(1)验证物质波是否存在的思路．

h

3

人们知道，干涉、衍射是波动性质的特有表现．如果实物粒子具有波动性的话，在一定条件下，也该发生衍射现象．为了证实粒子具有波动性质，我们先估计一下实物粒子波长的数量级，看看它实现衍射所需要h6.631034的条件，对质量为1 g、速度为1 cm/s的物体来说，它的波长为3m=6.631027m

2mv1010这么小的波长，比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性．而一个原来静止的电子，在经过100 V电压加速后，德布罗意波长约为0.12 nm，因此有可能观察到电子的波动性．

(2)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电子束衍射的实验，得到了类似下图的衍射图样，从而证实了电子的波动性．他们为此获得了1973年的诺贝尔物理学奖

【典型例题】质量为10g，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，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？

【解析】根据德布罗意的观点，任何运动着的物体都有一种波和它对应，飞行的子弹必有一种波与之对应，由于子弹的德布罗意波长极短，我们不能观察到其衍射现象，由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。

由波长公式可得

6.63×1034h－λ＝p＝m＝2.21×1034m。

－3210×10×3×10因为子弹的德布罗意波长太短，无法观察到其波动性。

不会看到这种现象，因德布罗意波是一种概率波，粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非宏观的机械波，更不是粒子做曲线运动。

－

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