3　粒子的波动性优质课教案

粒子的波动性

教学设计

人教版

《物理

选修3-5》 任教学生：高一学生

执教者：

吴存华

一、前期分析

1、教材分析

本节教材涉及物质波概念的建立和实验的检验。通过对光的本性的历史回顾，引入光的波粒二象性理论，并介绍了1924年德布罗意如何受到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的启发，以类比的方法大胆提出实物粒子也具有波粒二象性的假设，并提出德布罗意波的概念。实物粒子具有粒子性已是不争的事实，实物粒子的波动性还有待于实验的验证。利用晶体的电子束衍射实验，证实了实物粒子也具有波动性。本节教材是对学生进行“类比”思想方法培养的好题材。 2、学习者分析

学生通过光的干涉、衍射及电磁理论的学习，知道了光是一种电磁波。通过光的粒子性的学习，认识到光具有粒子性，知道光子具有能量与动量。于此基础上，学生能从能量与动量的表达式中进一步开展数学推理，并从中感悟科学家如何向固有观念与认识挑战，提出大胆的猜想与假说，并寻找有效的方法加以验证。这些正是学生在本节课的学习所需。

二、教学目标

物理学科核心素养指向

●深度相关 ◎中级相关 ○浅层相关

教学目标陈述

通过实验分析，了解光的波粒二象性的内容，感受微观粒子运动的复杂性。

知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探求精神

通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。

物理

观念

科学

思维

◎科学

探究

◎科学态度

与责任

1 2 3 ●

●●●●

◎●

4 通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步

三、重难点

1.力的单位的理解

2.同时性、矢量性等方面的深入理解

3.运用牛顿第二定律处理问题

四、评价设计

序号

1 2 3 4 学生表现性评价设计

说出光之性质的证据及结论，解释波粒二象性

推导物质波的频率与波长公式，并解释公式意义

计算电子的德布罗意波长，阐述电子衍射的困难

◎

●指向目标

学习目标1 学习目标2 学习目标3 评价方式

小组讨论，课堂理答

自主推导，交流理答

自主计算，交流理答

自主阅读，归纳理答

说出电子显微镜分辨本领的工作原理，列举生活实例

学习目标4

五、教学准备

PPT；学历案；手机互动课堂；

六、教学过程

（一）光的波粒二象性

01 历史回顾

序号

1 教师

【展示1】子弹、质子，水波、声音。请学生进行分类，并说出分类的依据。

【理答】讨论基础上，进行阐述，如传播路线、如遇到障碍物。得出粒子的确定性与波的周期性

学生

其他备注

2 【问题2】实物粒子与波有何各自特征量？

3 3 【展示3】光属于上面的哪一类？

【问题4】让学生给出依据？并在学生讨论的基础上，总结出波粒二象性的特征。

【展示5】雁荡山合掌峰照片，指出对光的

【理答】波—干涉、衍射；光子—光电效应、康普顿效应

4

序号

02 内在联系

序号

03 认识之难

2

1 1 认识，如同不同角度看山，真是横看成岭侧成峰

教师

学生

【讨论】内在联系

【讨论】写出公式E=hv;p=h/λ；

其他备注

【问题1】你觉得光的波动性与光的粒子性，是各自为政的两个性质，还是有内在联系的？

2 3 【问题2】哪里体现其具有内在联系？得出公式后，进一步追问，公式如何体现？

【小结3】粒子性与波动性依靠普朗克常量h架起桥梁。

教师

【问题1】光是如此常见，但对光的认识却经历了如此多的曲折，形成一部波澜壮阔的科学史诗。为何认识如此之难？

学生

【讨论】因为光即是波，又是粒子？

【理答】日常生活其他备注

【问题2】即是波，又是粒子，不是很简单？

中，波与粒子是水火不容的。

【总结】光并非经典意义上的粒子，也并非经典意义上的波，凭生活经验去理解，存在困境。因为很难想像，一个光子既是有时表现出波动性，有时粒子性，均是光的本质的一个侧面反映。

在宏观世界上看似矛盾，在微观世界，却是统一的。

4 一个限制于很小体积内的实体，又是一个扩展到一个大空间的场。这需要凭实验事实去想象，波粒二象性是实验事实，是不以人的意志为转移的客观事实。

5 【讲述】尽管如此，当时许多科学家，对光具有波粒二象性，还怀疑态度。可见一个与生活经验有显著不同的理论，若想为人所接受，是很不容易的。

（二）粒子的波动性

04 科学之路

序号

1 教师

【问题1】假设你生活在那个时代，当你听说光具有这种性质时，你会信吗？

【问题2】针对回答“信”的同学，进一步提问，在光学的研究上，一个阶段以来，侧重于波动性的研究，忽视了粒子性的研究。既然你相信光具有波粒二象性，那你能否针对光的波粒二象性，再提出一些有大胆地、具有前瞻性的设想？

学生

A：不信

B：信

【讨论】对实物粒子的研究，是否也过于侧重粒子方面的图景的研究，而忽视了可能存在的波的现象？

其他备注

2

3 【问题3】你的意思是，你认为实物粒子也具有波动性？

【问题4】什么是实物粒子?教师对其进行

4

5 归纳，并在PPT上展示，都具有能量等物质的基本属性。但也有不同的特性。

【问题5】你所认为的实物粒子相联系的波，是机械波吗？是电磁波吗？

最后教师指出，这种波既不是机械波，也不是电磁波，称为物质波。

6 【问题6】假设实物粒子真的有波动性，那必有对应的频率与波长，你认为其频率与波长与何因素有关？

【讨论】由能量与动量公式推导，得出v=E/h，λ=h/p

【小结7】我们当前大胆的思考与推理，与上个世纪一位读大学的博士生的想法如出一辙。请同学带着问题阅读书本P37页。

（1）这位博士生是谁？

（2）提出实物粒子具有波粒二象性，是属于瞎猜，还是具有何种思维方法？

7

8 9 【问题8】针对上述推理，你信其真吗？

【小结9】对光持有波粒二象性都还持怀疑大多数科学家都不理解。

【阅读】P38页关

态度，所以德布罗意提出粒子的波动性后，于德布罗意与爱因斯坦的说法。

列举日心说；自由落体运动；

05 波的描述

10 【拓展10】请学生列举科学发展中类似不用人理解的实例。

序号

1 教师

【问题1】若物质波确实存在，那就说明任何运动着的物体，小到电子、质子，大到

学生

其他备注

行星、太阳，都有一种波与它对应？

2 【活动2】请学生分别计算德布罗意波长。

（1）一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，运动速度约为6.0×10m/s。

（2）一个质量为0.01kg、速度为300m/s的子弹。

4学生通过运算，得出宏观物体对应的德布罗意波的波长很小。

（三）物质波的实验验证

序号

06 实验困境

4 1 教师

【问题1】如果你对这种猜测与推理很有信心，是否表明这种波就真的存在了？为了让人信服，最有效的手段是什么？

学生

其他备注

2 3 【问题2】如何验证粒子的波动性？

【问题3】拿一颗子弹朝一个缝射去，看穿过缝后能否发生衍射现象，可行否？

【回顾4】可见光的的波长约为400-700nm，用零点几毫米的缝或孔，能观察到衍射现象。

通过实验观察到干涉或衍射现象

【演示】再次用激光笔与光栅演示衍射，并用手机展示缝的宽度。

5

6 【问题5】波长越短，缝也需越小。如果让你去做验证实验，你选子弹的物质波？还是选电子的物质波？

【比较】电子的波【问题6】生活中能提供如此小的缝吗？分子的大小的数量级大概为多大？

长与光的波长的差别，判断缝需要多小？

序号

07 设计突破

3 1 教师

【问题1】紧密排列的分子间距多大？其间是否有空隙？能否让电子通过分子间缝隙而发生衍射呢？

学生

其他备注

2 【讲述2】实验能否顺利开展，有赖于技术的进步。

【引导3】请学生在阅读基础上，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。

【阅读】P38页关于伦琴射线的实验验证。

【讲述4】实验陆续证明了质子、中子及原子、分子的波动性，对于这些粒子，频率与波长公式同样正确。1929年，德布罗意获诺奖；1937年，戴维逊与汤姆孙获诺奖；薛定谔接受观点，提出波动方程，建立了量子力学。

【阅读】P38页关于戴维逊与汤姆孙的的实验验证。

4

序号

08 回眸科学

1 教师

【讲述】了解了光有波粒二象性，不同条件下表现出不同特性。知道粒子也有波粒二象性，对应的波称为物质波。

学生

【谈话】谈向固有观念挑战；谈学习感触；谈实验方法。

其他备注

2 【展示】展示逻辑图，回顾科学发现的过程，指出实验是检验理论的重要途径。

（四）课堂小结与课外拓展

序号

09 课堂小结

09 科学漫步

序号

1 2 弱？

【展示】各种利用电子显微镜的病毒照片

教师

【讲述】光与实物粒子都具有波粒二象性

学生

其他备注

1

教师

【问题】为什么光学显微镜的分辨力偏学生

【阅读】P39页，科学漫步

其他备注

七、形成性评价

1.我们根据什么说光具有波粒二象性？

2.一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个大？

3.如果显微镜用质子流而不是电子流工作，它们加速后的速度相同，哪种显微镜的分辨本领有可能更高？

4.射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗？为什么？根据现实情况下子弹质量、速度大小所对应的德布罗意波长来做定性说明。

八、教学流程

略