课题研究教学设计及教案分析

教学设计

课题

神秘的量子力学

课型

新授课

教学

目标

1、

了解近代物理的两大理论体系；

2、

理解薛定谔的猫和电子的双缝干涉实验原理；

3、

能够运用量子力学的知识简单解释实验现象。

重点

难点

教具

准备

重点：电子的双缝干涉现象；

难点：用不同的理论解释电子的双缝干涉现象。

课时

1课时

多媒体

安排

教学方法、教学手段与学法、学情

介绍基本情况

引起兴趣

教学过程与教学内容

一、现代物理学情况简介：

现代物理学的大厦是在相对论和量子力学的基础上盖起来的。量子力学主要揭示了微观粒子的运动规律；相对论主要研究宏观世界的时空观。其中量子力学的理论与实际生活经验差距较大，人们理解起来较为困难，但是越来越多的实验和现象证明量子力学的正确性，但是高中阶段只涉及了相对论和量子力学的简单基础内容，并没有介绍基本思想，本节课希望能够让学生简单了解一些量子力学的基础内容和基本思想。

二、电子的双缝干涉实验

我们通过一个有缝隙的障碍物向屏幕上随机的发射一些小东西，比如说小玻璃球，在屏幕上，我们会看到一个通过缝隙打出的弹痕。现在让我们再加上一条缝隙，我们会想象现在的弹痕会在右边多出同样的一条线来。

如果是波呢，波在碰到缝隙之后开始向四处发散波动。打在屏幕上和缝隙相对的那条线会有着最大的强度，屏幕上的亮度表明了那些波动的强度。这些线跟玻璃球弄出来的那些还差不多，但是当我们再加上一条缝隙之后，

不一样的事情发生了。如果一个波的波峰遇到另一个波的波谷，他们就会相互抵消掉，所以在屏幕上出现了一种干涉条纹。波峰相遇的地方，有着最高的强度，也就是看到的那些明亮的条纹，而当波动被抵消的地方，这是黑暗的条纹。当我们扔小玻璃球的时候，也就是说通过双缝我们得到这个两条弹痕。我们用波的话我们得到有着很多条干涉条纹。

介绍电子的双缝干涉实验

好下面我们看看量子世界是怎样的。电子是一种极小极小的物质，就像一个微型玻璃球。这么说，我们让这些小东西通过两条缝隙的话，他们应当会像玻璃球一样得到两条弹痕。什么，怎么会得到一个干涉条纹，我们用的可是电子小点点的物质。但是却得到了一个类似波的干涉条纹儿没有像小玻璃球那样有两个弹痕。那么这几块小东西怎么会出现像波一样的干涉条纹呢，没道理呀，好在物理学家们很聪明。我们在想或许那些小球球门挤来挤去。然后他们就决定让他们一个一个来，每次只发射一个电子。这个样子的话就断绝了他们之间相互干扰的可能性。但打了那么个把小时之后同样的干涉条纹出现了。这总要有个解释，这个解释就是这样的单个电子作为一个粒子离开，然后变成一种潜在的波动，通过两个缝隙，然后自己跟自己干涉。然后像上个例子一样打向屏幕，但从数学上来看这现象也太荒谬了，他是通过两个缝隙，还是没有通过任何一个缝隙，是通过了这个还是通过了另一个。所有这些可能都重叠在一起，物理学家们，这算是这次算是踢到铁板上了，他们开始想偷窥看看它到底是从哪条缝隙过去的。他们在一条缝隙边上放了一台测量设备来看看他到底是通过这里，还是通过那里，然后同样开始测量。但是量子力学的神秘远远超过他们的想象。等他们看着的时候儿电子开始变

简单解释实验的研究过程

得像个小玻璃球。在墙上打了两个弹痕出来，而不是很多条的干涉条纹。这种测量或者说观察电子会从哪条缝隙通过的行动使电子选择了不一样的表现，就好像他意识到自己被人看着。也是从这里开始，物理学家们开始了他们在奇异的量子世界里无尽的探索。

【总结】：观测使干涉条纹消失，叠加态变成本征态。

介绍薛定谔的猫

三、“薛定谔的猫”：

1．薛定谔简介：

埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger，1887年8月12日-1961年1月4日)，奥地利物理学家，量子力学奠基人之一，发展了分子生物学。维也纳大学哲学博士。苏黎世大学、柏林大学和格拉茨大学教授。在都柏林高级研究所理论物理学研究组中工作17年。因发展了原子理论，和狄拉克(Paul Dirac)共获1933年诺贝尔物理学奖。又于1937年荣获马克斯·普朗克奖章。

物理学方面，在德布罗意物质波理论的基础上，建立了波动力学。由他所建立的薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子运动状态的基本定律，它在量子力学中的地位大致相似于牛顿运动定律在经典力学中的地位。

提出薛定谔猫思想实验，试图证明量子力学在宏观条件下的不完备性。亦研究有关热学的统计理论问题。在哲学上，确信主体与客体是不可分割的。主要著作有《波动力学四讲》《统计热力学》《生命是什么?--活细胞的物理面貌》等。

【总结】：薛定谔在量子力学中的地位大致相似于牛顿运动定律在经典力学中的地位。

2．薛定谔的猫：

这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。

猫的两种本征态：死

活

用薛定谔方程来描述：活与不活的叠加态

揭开盖子时猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态

量子力学认为:如果没有揭开盖子，我们永远不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态。这与我们的日常经验及生物学严重相违。

【总结】：不观察时猫处于叠加态，人观察时处于某一种本征态。

四、两个实验之间的联系和解释：

这两个实验虽然看似无干，但却有深刻的内在联系。对于实验产生这种现象，现在有很多解释（仅仅是解释，但都无任何实质上的证据）。

哥本哈根诠释（然而，哥本哈根诠释尚无法完美解释宏观物体，如薛定谔猫的叠加态）

多世界诠释（大众更熟悉的叫法为平行宇宙）

神秘的量子力学

一、电子的双缝干涉实验

板

书

1.粒子：两条弹痕

2.波：干涉条纹

电子：干涉条纹

解释：电子之间的相互碰撞

验证：让电子一个个地发射。

二、薛定谔的猫

基于高中阶段的学生普及量子力学的知识，学生理解起来较为困难，但是这对于高中生了解现代物理，增加物理的趣味性有着明显意义。本节课增加了物理学科的趣味性，但是学生参与程度还不够。

教学

反思