3　粒子的波动性课堂实录【3】

第十七章

波粒二象性

第3节

粒子的波动性

★新课标要求

（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．领会对称性的研究方法，培养类比思想方法。

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，感悟科学家的探求精神。

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。

4．通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的发展

★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：PPT演示文稿、多媒体教学设备。

★课时安排 1 课时

★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？

课件展示：有这样一则故事，一名记者曾经这样问英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格教授：光到底是波还是粒子呢？如果是你，你讲如何回答这个问题？

提问，学生回答：光既是粒子，也是波。

教师：布拉格教授会如何回答这个问题呢？

（展示课件）布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”

教师提出问题，引出课题：那么光的本质到底是什么呢？

（二）进行新课

1、光的波粒二象性

教师：让我们一起来回顾一下光的本性认识的发展史。

（展示课件）

学生观看课件，思考后回答：光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。

（展示表格）

光的性质

波动性

粒子性

请学生思考回答，填写表格。

在学生的辨析说明下教师归纳整理：通过大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，在不同条件下表现出不同特性。光具有波粒二象性。

点评：通过学生归纳总结形成结论，教师再进行讲解，学生容易接受。充分注重知识的学生自主形成过程。

2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

回顾已学知识：hv

ph/

引导学生分析：能量和动量p是描述物质粒子性的重要物理量，而波长和频率v是描述物质的波动性的典型物理量。它们通过普朗克常量h联系在一起。

教师：h架起了波动性和粒子性之间的桥梁。

提问：受此启发，人们想到：同样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？

学生阅读课本“粒子的波动性”。

点评：让学生带着问题阅读，提高阅读的效率，培养学生从课文材料中提取有关信息的能力。

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？

学生回答：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。

课件展示演示文稿资料：有关德布罗意。

点评：使学生了解对知识理论的推广和假设并不是一味的凭空猜想，而是有一定的理论实验事实

描述的物理量

或事实基础。

（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）德布罗意关系式

h h

p提问：各物理量的意义？

学生回答：为德布罗意波长，h为普朗克常量，为粒子能量，p为粒子动量。

点评：对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解。

教师讲述：当时这个纯粹的通过类比方法提出的观点，超出了人们的想象，不被人们所接受。必须要通过实际的实验进行验证。

教师提出问题：要怎样去验证德布罗意的观点是正确的呢？为什么德布罗意波观点很难通过实验验证的过程？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

（1）实验思路

课件展示:光的

干涉

和

衍射

现象是光具有波动性的有力证据，因此如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么它们就应该像光波那样能发生

干涉

和

衍射

现象

学生思考后请学生回答填空。

教师总结：验证实物粒子也能发生干涉或衍射现象是验证实物粒子具有波动性的途径。

（2）实验的困难

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？

学生阅读教材后回答：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．

点评：让学生知受实际条件的限制而使很多理论在开始都处于假设阶段，不易被人们接受。

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．

引导学生分析，学生解答：根据公式h/p计算得1.8×10m和3.3×10m -11-347点评：通过具体计算使学生对实物粒子的德布罗意波长有感性认识，进一步理解实物粒子波动性验证的困难。

说明：由计算结果知，通常生活中观察不到实物波动特性征的原因。

（3）实验技术问题的解决

展示演示文稿资料：伦琴和劳厄

（伦琴( Wilhelm Röntgen

)，德国物理学家，1895年发现了X射线。劳厄(M.Von Laue)，德国物理学家，1912年提议利用晶体中物质微粒作为衍射光栅，完成X射线的晶格衍射，成功验证了伦琴射线的波动性，证实伦琴射线为电磁波。）

教师总结：由于电子的德布罗意波长和伦琴射线的波长具有相近的数量级，若利用晶体做电子束的衍射实验能获得稳定的衍射图样，就可以证实粒子具有波动性，验证物质波的存在。

（4）实验验证

课件演示文稿资料：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）

学生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。

点评：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。

教师：讲述电子衍射实验：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。

学生了解更具体的相关历史资料。

点评：增加真实感，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处。

讲述：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。

点评：引用更多实验事实来增强对理论的证明。

课件展示：典例探究

1.试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波长。

2. 电子动能

εk = 100 eV；子弹动量

p = 6.63×106 kg·m·s-1, 求它们的德布罗意波长。

教师：通过计算结果我们发现了哪些问题？

学生思考讨论后回答：由计算结果看出，运动的物体都有波动性，但只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的物质波波长非常小，所以很难观察到其波动性。

点评：让学生通过使用德布罗意关系式，掌握、运用公式进行相关计算，同时培养他们通过数据发现问题的能力。

5．物质波的应用

教师：请同学们认真阅读“科学漫步”，思考一下衍射现象对高分辨率的显微镜是否有影响呢？要如何改进？

学生阅读课本材料：科学漫步——显微镜的分辨本领。

点评：对所学知识进行拓展，加强对实际生产生活应用的联系。同时要让学生体会到科学的成就推动了技术的进步，技术的进步促进了科学研究的发展。

（三）课堂小结

教师活动：本节课我们学习了光的本质，即光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。注意对光的本质的全面把握。学习了得到实验事实验证的实物粒子具有波动性，其对应的波称之为德布罗意波（物质波），注意掌握物质波的计算公式，以及物质波的应用——电子显微镜。

点评：课堂小结为学生提供本节内容的主要知识框架，有利于学生对所学知识的及时巩固和知识重点的把握。（四）作业：

复习本节教材40页“问题与练习”中各题，预做回答。

点评：加深对课堂所学知识的理解和掌握，联系实际对所学内容进行应用。

★教学体会

本节课作为近代物理部分内容，比较抽象，学生没有生活经验和感观认识，也没有演示实验可以做，在课堂上注意以学生为主导，通过补充的一些史料，加深学生感受，让学生阅读思考后归纳得出结论，同样能收到好的效果。

（1）在有关事实和已知观点基础下，回顾光学的发展史，归纳光的本性，培养学生注意全面把握物理规律和全面把握物理规律的能力。

（2）课本材料和补充的史料让学生先行阅读，通过思考、辨析后归纳得出正确结论，比教师一人讲解更具有真实感和说服力。同时也培养了学生阅读材料提取有关信息的能力。

（3）对于难以理解的粒子的波动性，并且实际条件限制，必须充分展示真实的历史资料，加强说服力。同时通过对历史上创造条件进行实验验证的方法学习，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处，增强进行科学探索的兴趣。