3　粒子的波动性教案推荐

人教版

高中物理选修3-5 第17章第3节 粒子的波动性

【知识与技能】

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。学科网

2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。学科网

3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。学科网、、

【过程与方法】

1．了解物理真知形成的历史过程。学科网

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。学科网

3．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性

【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。学科网

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。学科网

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。学科网

【教学重难点】

★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。学科网

★教学难点：实物粒子的波动性的理解。学科网

【教学过程】

一、光的波粒二象性

（1）光学发展史

学说名称

代表人物

微粒说

波动说

电磁说

光子说

波粒二象性

牛顿

惠更斯

麦克斯韦

爱因斯坦

公认

实验依据

光的直线传播、光的反射

光的干涉、衍射

能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速

光电效应康普顿效应

光既有波动现象，又有粒子特征

光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性

内容要点

光是一群弹性粒子

光是一种机械波

光是由一份光是一种电磁波

一份光子组成的

1．光的波粒二象性的特征．

(1)波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性．

(2)光子的能量：ε＝hν. (3)光子的动量：p＝hλ. 注：物理量ε和p描述光的粒子性，物理量ν和λ描述光的波动性，h架起了粒子性与波动性的桥梁．

2．光的波动性与粒子性的统一．

(1)大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性．如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；

2．光的波动性与粒子性的统一．

但是如果微弱的光在照射时间加大的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律．这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据．

(2)光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量．

(3)光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系．

(4)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著．

(5)光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性．

综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立的．

3．从微观的角度理解光的波动性和粒子性．

光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观世界的观念来认识，必须从微观的角度建立起光的行为图景．认识光的波粒二象性，需要明确的是：爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”是两个完全不相同的概念；同样，麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念，其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别．

（2）对光的波粒二象性的理解

实验基础

光的波动性

干涉、衍射

光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空含义

间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述：(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著。

光的粒子性

光电效应、康普顿效应

粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量。(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著。

(1)光子说并没有否定波动性，E＝hν中，ν表示光的频率，表示了波的特征。光既具有波动二象性

性，又具有粒子性，波动性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同。

(2)只有用波粒二象性，才能统一说明光的各种行为。

【典型例题】关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是( ) A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性

B．光波频率越高，粒子性越明显

C．能量越大的光子其波动性越显著

D．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性

E．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显

【审题指导】

光子既具有波动性又具有粒子性，波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义．波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量．个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．频率越大的光，光子的能量越大，粒子性越显著，频率越小的光，光子的能量越小，波动性越显著。

【答案】C

【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，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D、E说法正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B说法正确、C说法错误．

二、粒子的波粒二象性

1．德布罗意波：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．波的频率：ν＝波的波长：λ＝. 注：ε为粒子的能量，p为粒子的动量．

3．物质波的实验验证．

(1)验证物质波是否存在的思路．

人们知道，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．为了证实粒子具有波动性质，我们先估计一下实物粒子波长的数量级，看看它实现衍射所需要的条件，对质量为1 g、速度为1 cm/s的物体来说，它的波长为h6.6310343m=6.631027m

2mv1010εh；

hp

这么小的波长，比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性．而一个原来静止的电子，在经过100 V电压加速后，德布罗意波长约为0.12 nm，因此有可能观察到电子的波动性

(2)物质波的实验验证．

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，得到了类似下图的衍射图样，从而证实了电子的波动性．他们为此获得了1973年的诺贝尔物理学奖

【典型例题】质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？

【解析】根据德布罗意的观点，任何运动着的物体都有一种波和它对应，飞行的子弹必有一种波与之对应，由于子弹的德布罗意波长极短，我们不能观察到其衍射现象，由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。

由波长公式可得

6.63×1034h－λ＝p＝m＝2.21×1034m。

－3210×10×3×10－因为子弹的德布罗意波长太短，无法观察到其波动性。

不会看到这种现象，因德布罗意波是一种概率波，粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非宏观的机械波，更不是粒子做曲线运动。

三、物质波的实验验证

由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？

如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？

1. 电子衍射实验

1927年，戴维孙和汤姆孙进行了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。

0.多GK阴栅Cs晶U高

屏

微观粒子具有波粒二象性的理论得到了公认。电子衍射、中子衍射、原子和分子束在晶体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。

晶体的电子NaCl晶体的中四.生活中的应用

电子显微镜

电子在两个电极间加速，由于电压越高，电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨能力就越强。

小结：

一、光的波粒二象性

（1）光的发展史

（2）光子的能量：ε＝hν.

光子的动量：p＝hλ. 物理量ε和p描述光的粒子性，物理量ν和λ描述光的波动性，h架起了粒子性与波动性的桥梁

注：波长越长，波动性越明显

波长越短，粒子性越明显

二、粒子的波粒二象性

Ehph

爱因斯坦

─

德布罗意关系式

三、实验验证

四、生活中的应用