3　粒子的波动性优质课教案内容

17. 3

粒子的波动性教学设计

【教学目标】

1.通过实验分析，了解光的波粒二象性，并了解其对立统一的关系。 2.知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探索精神。 3.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。

【教学重点】

实物粒子和光一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子的动量的关系。

【教学难点】

实物粒子波动性的理解。

【教学方法】

学生阅读、小组讨论交流、教师精讲点拨，师生归纳总结

【教学用具】

课件、PPT演示文稿，多媒体教学设备

【设计思路】

《粒子的波动性》是人教版高中物理选修3-5第十七章第三节的内容，本节的主要内容是根据光的波粒二象性，德布罗意以类比的方法提出实物粒子也具有波粒二象动性，并通过实验验证了实物粒子的波动性。本节课在设计时为了让学生理解知识点，要让学生积极参与思考讨论，展示自己的观点，让学生的思维在碰撞过程中掌握本节知识点。教学时主线要清晰，先让学生举例说明光具有波粒二象性，知道光子的能量和动量表达式，并通过讨论和练习理解光的波粒二象性；德布罗意受到普朗克能量子和爱因斯坦光子说的启发，以类比的方法提出实物粒子也具有波动性，且实物粒子对应的德布罗意波的频率和波长与光子的能量和动量有相同的规律；再让学生讨论如何通过实验验证德布罗意波的观点。

【教学过程】

（一）复习提问，引入新课

前面我们学习了有关光的一些特性和相应的一些事实表现。那么，我们怎么来认识光的本性，请同学们讨论一下，并举出相关的事实依据。

学生阅读课文思考后回答：光既具有波动性，又具有粒子性；光具有波粒二象性。

(二)新课教学

1.光的波粒二象性

（教师）问题1：我们根据什么说光具有波粒二象性？

提问学生回答后，教师总结并板书：

（1）光的本性：光能够发生干涉、衍射现象，说明光具有波动性;光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。因此我们说光具有波粒二象性。

（2）光子的能量和动量：

 hp光子的能量光子的动量



h1

意义：光子的能量ε=hν，光子的动量p=h/λ，能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，频率ν和波长λ是描述物质的波动性的典型物理量。因此这两个表达式揭示了光的波动性和粒子性之间的密切关系。

师问：如何理解光的波粒二象性？光什么时候表现为波动性，什么时候表现为粒子性？

学生讨论，思考。学生回答后教师总结

（3）正确理解光的波粒二象性：

光的粒子性: 1.与物质发生作用时,表现出粒子的性质

2.少量或个别光子容易显示出粒子性

3.频率较大时,易显示粒子性

光的波动性: 1.传播时,表现出波的性质

2.大量光子容易显示出波动性

3.频率较小时,易显示波动性

综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，并不是独立存在的。

巩固练习：

例1.下列关于光具有波粒二象性的叙述中正确的是（ ）

A.光的波动性与机械波、光的粒子性与质点都是等同的

B.大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性

C.光有波动性又有粒子性，是互相矛盾的，是不能统一的

D.光的频率越高，波动性越显著

例2.（多选）用极细弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图（a)、(b)、(c)所示的图像，则

（ ） A.图像（a）表明光具有粒子性

B.图像（c）表明光具有波动性 C.用紫外线观察不到类似的图像

D.实验表明光是一种概率波

2. 粒子的波动性

问题2：哪位科学家提出了粒子也具有波动性的观点？他提出的假设内容是什么？

学生回答后，师总结：

2

由于普朗克能量子和爱因斯坦光子说的启发，法国巴黎大学的德布罗意以类比的方式提出了：实物粒子也具有波动性，即任何一个运动着的物体，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。

(2)物质波的频率：ν=h/ε；物质波的波长：λ=h/p。

简述德布罗意关于实物粒子的观点在当时不被人们理解的现状，以及爱因斯坦德布罗意波的评价。

3. 物质波的实验验证

问题3：如何验证德布罗意的假说是否正确？

学生讨论思考后，师总结：

(1)实验探究思路

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。

问题4：用实验验证实物粒子是否具有波动性时，有什么困难？如何解决的？

学生回答：用来显示波动性的狭缝或障碍物的线度要足够小才行。他们在技术上的难题是对伦琴射线的研究中解决的。

简介劳厄对X射线是否是电磁波的实验验证。

（2）实验验证

由于电子的波长数量级与X射线的波长相近， 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，得到了电子束穿过铝箔后的衍射图样，证实了电子的波动性。

他们为此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。

此后，人们相继证实了质子、中子、原子、分子等都具有波动性。 1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖。

问题5：宏观物体有波动性吗？为什么观察不到它们的衍射或干涉现象？

学生讨论后回答：

讨论：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那个大？

学生讨论后展示：

巩固练习：

例3.(多选）关于物质波的认识，下列说法中正确的是（ ） A．电子的衍射实验证实了物质波的假设是正确的。

B．物质波也是一种概率波。 C．任一运动的物体都有一种波和它对应，这就是物质波。 D．宏观物体尽管可以看作物质波，但他们不具有干涉、衍射等现象。

（三）课堂小结：（让学生总结）

3

（四）课后练习：

1. (考查物质波的提出)提出物质波假设的科学家是(

) A. 普朗克

B. 爱因斯坦

C. 德布罗意

D. 汤姆孙

2. (考查波粒二象性)关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是(

) ．．．A. 不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

B. 运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道

C. 波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的

D. 实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性

3. (考查粒子的波动性)为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜。下列说法中正确的是(

) A. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的短，因此不容易发生明显衍射

B. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的长，因此不容易发生明显衍射

C. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的短，因此更容易发生明显衍射

D. 电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光的长，因此更容易发生明显衍射

4. (考查对物质波的计算)在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1. 67×10

kg，普朗克常量-34-10h=6. 63×10

J·s，据此可以估算出德布罗意波长λ=1. 82×10 m的热中子的动量的数-27量级可能是(

) A. 10

kg·m/s

B. 10

kg·m/s

C. 10

kg·m/s

D. 10

kg·m/s

-17-18-20-24

对点练习：

拓展一：光的波粒二象性

1. 对于光的波粒二象性的说法中，正确的是(

) A. 一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子

B. 光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同样一种波

C. 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的

D. 光是一种波，同时也是一种粒子，在光子的能量ε=hν中，频率ν表示的是波的特性

4

2. 有关光的本性的说法正确的是(

) A. 微粒说、波动说、光子说都说明了光的本性

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，光电效应说明光具有粒子性

D. 在光的双缝干涉实验中，如果光通过双缝则显示出波动性，如果光只通过一个缝则显示出粒子性

拓展二：粒子的波动性

3. 求m=1. 0 kg、v=50 m/s的足球和me=9. 1×10 kg、ve=1. 5×10 m/s的电子的德布罗意波长时，计算结果说明什么问题?

4. 关于物质波，下列说法中正确的是(

) A. 实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是本质相同的物质

B. 物质波和光波都不是概率波

C. 粒子的动量越大，其波动性越易观察

D. 粒子的动量越小，其波动性越易观察

【课后反思】

-316

5