3　粒子的波動性

第3節(jié)粒子的波動性1.知道光的本性的認(rèn)識史，了解光的波粒二象性及其對立統(tǒng)一關(guān)系2.了解粒子的波動性，知道物質(zhì)波的概念3了解什么是德布羅意波，會解釋有關(guān)現(xiàn)象一、光的波粒二象性1波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性2光子的能量和動量：光子的能量和動量p可分別表示為：h，p.能量和動量p是描述物質(zhì)粒子性的重要物理量；波長和頻率是描述物質(zhì)波動性的典型物理量普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁二、粒子的波動性及物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1粒子的波動性(1)德布羅意波：每一個(gè)運(yùn)動的粒子都與一個(gè)對應(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波(2)物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式：波長：頻率：.2物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(1)實(shí)驗(yàn)探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實(shí)物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，得到了電子的衍射圖樣，證實(shí)了電子的波動性(3)說明人們陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性，對于這些粒子，德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，運(yùn)動時(shí)的動量很大，對應(yīng)的德布羅意波的波長很小，根本無法觀察到它的波動性 判一判(1)光的干涉、洐射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性()(2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子()(4)湖面上的水波就是物質(zhì)波()(5)電子的衍射現(xiàn)象證實(shí)了實(shí)物粒子具有波動性()提示：(1)(2)(3)(4)(5) 做一做(多選)對光的認(rèn)識，下列說法中正確的是()A個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C光表現(xiàn)出波動性時(shí)，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動性了D光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯提示：選ABD個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因?yàn)椴▌有员憩F(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動性，因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律，故正確選項(xiàng)有A、B、D對光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述；(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)；(3)波長長的光容易表現(xiàn)出波動性(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的；(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性；(3)波長短的光，粒子性顯著(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的；(2)光子不同于宏觀觀念的粒子(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子與電子是同樣的一種粒子C光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性思路點(diǎn)撥 求解此類題關(guān)鍵是抓住光的本性即波粒二象性，應(yīng)從波粒二象性的特征分析另外光不同于實(shí)物粒子，它沒有靜止的質(zhì)量解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，故選項(xiàng)C、D正確，A、B錯(cuò)誤答案CD(多選)下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是()A光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波粒二象性B頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著C光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性D光不可能同時(shí)既具有波動性，又具有粒子性解析：選BC光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，選項(xiàng)B正確；光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性，選項(xiàng)C正確；光的波粒二象性是指光有時(shí)表現(xiàn)為波動性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤對物質(zhì)波的理解和波長計(jì)算1對物質(zhì)波的理解(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因?yàn)楹暧^物體對應(yīng)的波長太小的緣故(2)粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率受統(tǒng)計(jì)規(guī)律支配，不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波(3)德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波2計(jì)算物質(zhì)波波長的方法(1)根據(jù)已知條件，寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達(dá)式pmv.(2)根據(jù)波長公式求解(3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動量的不同表達(dá)式如光子的能量：h，動量p；微觀粒子的動能：Ekmv2，動量pmv. 命題視角1對物質(zhì)波的理解下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識，正確的解釋是()A任何一個(gè)物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運(yùn)動時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性解析運(yùn)動的物體才具有波動性，A項(xiàng)錯(cuò)；宏觀物體由于動量太大，德布羅意波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動性，D項(xiàng)錯(cuò)；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B項(xiàng)錯(cuò)答案C 命題視角2物質(zhì)波波長的計(jì)算一顆質(zhì)量為5.0 kg的炮彈：(1)以200 m/s的速度運(yùn)動時(shí)，它的德布羅意波長多大？(2)假設(shè)它以光速運(yùn)動，它的德布羅意波長多大？(3)若要使它的德布羅意波長與波長是400 nm的紫光波長相等，則它必須以多大的速度運(yùn)動？解析直接利用德布羅意關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算(1)炮彈的德布羅意波長1 m6.631037m.(2)它以光速運(yùn)動時(shí)的德布羅意波長2 m4.421043 m.(3)由，得v m/s3.321028 m/s.答案(1)6.631037m(2)4.421043m(3)3.321028 m/s如何計(jì)算物質(zhì)波的波長每一個(gè)運(yùn)動的粒子都與一個(gè)對應(yīng)的波(物質(zhì)波或德布羅意波)相聯(lián)系，其波長，其中p為粒子的動量，h是普朗克常量，h6.631034 Js.所以，計(jì)算德布羅意波長時(shí)要熟記公式，有時(shí)還要結(jié)合粒子的能量與頻率的關(guān)系h進(jìn)行求解 【通關(guān)練習(xí)】1(多選)根據(jù)物質(zhì)波的理論，下列說法正確的是()A微觀粒子有波動性，宏觀物體沒有波動性B微觀粒子和宏觀物體都具有波動性C宏觀物體的波動性不易被察覺，因?yàn)樗牟ㄩL太長D速度相同的質(zhì)子和電子，電子的波動性更為明顯解析：選BD一切運(yùn)動物體都有一種波與它相對應(yīng)，所以宏觀物體也具有波動性，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；物質(zhì)波的波長與其動量成反比，因宏觀物體的動量較大，所以其德布羅意波長非常短，不易觀察到其衍射現(xiàn)象，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；速度相同的質(zhì)子和電子，電子的質(zhì)量較小，動量較小，物質(zhì)波的波長較長，故波動性明顯，選項(xiàng)D正確2如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質(zhì)量為1.671027 kg)解析：中子的動量為p1m1v，子彈的動量為p2m2v，據(jù)知中子和子彈的德布羅意波的波長分別為1，2聯(lián)立以上各式解得：1，2將m11.671027 kg，v1103 m/s，h6.631034 Js，m21.0102 kg代入上面兩式可解得14.01010 m，26.631035 m.答案：4.01010 m6.631035 m對光的本性的認(rèn)識歷程從牛頓的光的微粒說，到托馬斯楊和菲涅耳的光的波動說，從麥克斯韋的光的電磁說，到愛因斯坦的光子說，人類對光的認(rèn)識構(gòu)成了一部科學(xué)史詩微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性年代17世紀(jì)17世紀(jì)19世紀(jì)中期20世紀(jì)中期20世紀(jì)初代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦公認(rèn)實(shí)驗(yàn)依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波速光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是()A關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性B光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性D光的波粒二象性是將牛頓的粒子說和惠更斯的波動說真正有機(jī)地統(tǒng)一起來解析光的波動性指大量光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機(jī)械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個(gè)光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象；某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個(gè)現(xiàn)象要區(qū)分說法和物理史實(shí)與波粒二象性之間的關(guān)系選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤答案C(多選)人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是()A牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的B光的雙縫干涉顯示了光的波動性C