3　粒子的波动性课堂实录及点评

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粒子的波动性

临高中学 物理组 吴鸿栋 88362 学

习

目

标

1.知道光的本性认识史．

2．知道光的波粒二象性，理解其对应统一的关系．(重点) 3．会用光的波粒二象性分析有关现象．(重点) 4．理解德布罗意波，会解释相关现象．(重点、难点)

光

的

波

粒

二

象

性

[先填空]

1.

知

识

脉

络

2．光子的能量和动量

(1)能量：ε＝hν. h(2)动量：p＝λ. 3．意义

能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述1

h物质的波动性的典型物理量．因此ε＝hν和p＝λ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．

[再判断]

1．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性．(√) 2．光子数量越大，其粒子性越明显．(×) 3．光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．(√) [后思考]

h由公式E＝hν和λ＝，能看出波动性和粒子性的联系吗？

p【提示】

从光子的能量和动量的表达式可以看出，是h架起了粒子性与波动性之间的桥梁．

[合作探讨]

探讨1：认识光的波粒二象性，应从微观角度还是宏观角度？

【提示】

应从微观的角度建立光的行为图像，认识光的波粒二象性．

探讨2：光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子，这句话正确吗？

【提示】

不正确．光具有波粒二象性，只是有时表现为波动性，有时表现为粒子性，并不是有的光是波，有的光是粒子．

[核心点击]

1．对光的认识的几种学说

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

实验

依据

光的直

线传播、

光的反射

光是一

群弹性

光的干

涉、衍射

中传播，是

横波，光速

等于电磁

波速度

内容

要点

光是一

种机械

光是一种

电磁波

光是由

一份一

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

光是具有电磁本性2

粒子

波

份光子

组成的

的物质，既有波动性又有粒子性

理论

领域

宏观

世界

宏观

世界

微观

世界

微观

世界

微观

世界

2.对光的波粒二象性的理解

实验基础

表现

(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描光的

波动

性

干涉和

衍射

述

(2)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质

(3)波长长的光容易表现出波动性

(1)当光同物质发生作用时，这光的

粒子

性

光电

种作用是“一份一份”进行(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的

(2)光子不同于宏观观念的粒子

说明

(1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的

(2)光的波动性不同于宏观观念的波

效应、

的，表现出粒子的性质

康普顿

(2)少量或个别光子容易显示效应

出光的粒子性

(3)波长短的光，粒子性显著

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

D．光电效应说明光具有粒子性

3

E．波粒二象性是光的属性

【解析】

光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系．C、D、E正确，A、B错误．

【答案】

CDE 2．关于光的波粒二象性的理解正确的是

(

) A．大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性

B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子

C．光在传播时波动性显著，而与物质相互作用时粒子性显著

D．高频光是粒子，低频光是波

E．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著

【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，E正确；大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误C正确；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著．D错误．

【答案】

ACE

1光既有波动性又有粒子性，二者是统一的. 2光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已. 3光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已.

粒

子

的

波

动

性

及

物

质

波

的

实 4

验

验

证

[先填空]

1．粒子的波动性

(1)德布罗意波

1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波．

(2)物质波的波长、频率关系式

εhν＝h，λ＝p. 2．物质波的实验验证

(1)实验探究思路

干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象．

电子束穿过铝箔后的衍射图样

图17-3-1 (2)实验验证

1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图17-3-1所示，证实了电子的波动性．

(3)说明

①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性．对于这些粒子，德εh布罗意给出的ν＝h和λ＝p关系同样正确．

②宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很小，根本无法观察到它的波动性．

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[再判断]

1．一切宏观物体都伴随一种波，即物质波．(×) 2．湖面上的水波就是物质波．(×) 3．电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．(√) [后思考]

既然德布罗意提出了物质波的概念，为什么我们生活中却体会不到？

【提示】

平时所见的宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，运动的动h量很大，由λ＝p可知，它们对应的物质波波长很小，因此，无法观察到它们的波动性．

[合作探讨]

探讨1：物质波的概念是如何提出的？

【提示】

德布罗意认为光学研究中忽视了粒子性，而实物粒子中则忽视了其波动性，因此，德布罗意提出了实物粒子的波动性．

探讨2：宏观物体的运动也具有波动性吗？

【提示】

不管是微观粒子还是宏观运动的物体，都具有波动性，但宏观运动物体的波动性很不明显．

[核心点击]

1．物质的分类

(1)由分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质．

(2)“场”也是物质，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质．

2．物质波的普遍性

任何物体，都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故．

3．求解物质波波长的方法

(1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv. h(2)根据波长公式λ＝p求解．

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(3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式．如光子的能量：εh1＝hν，动量p＝λ；微观粒子的动能：Ek＝2mv2，动量p＝mv.

3．下列说法中正确的是

(

) A．物质波属于机械波

B．物质波与机械波有本质区别

C．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性

D．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波

E．宏观物体运动时，虽看不到它的衍射或干涉现象，但宏观物体运动时仍具有波动性

【解析】

物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，A错误B正确；宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，C错误E正确；德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波，D正确．

【答案】

BDE 4．如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103

m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.67×10－27 kg) 【解析】

中子的动量为p1＝m1v，

子弹的动量为p2＝m2v，

h据λ＝p知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为

hhλ1＝p，λ2＝p

12hh联立以上各式解得：λ1＝mv，λ2＝mv

12将m1＝1.67×10－27 kg，v＝1×103 m/s，h＝6.63×10－34 J·s，m2＝1.0×10－2 kg代入上面两式可解得

λ1＝4.0×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m. 【答案】

4.0×10－10 m

6.63×10－35 m 7

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