高中物理人教波粒二象性

1、新課標(biāo)人教版課件系列高中物理選修選修3-53-5第十七章第十七章波粒二象性波粒二象性17.117.1能量量子化：能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元物理學(xué)的新紀(jì)元教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射 （2）了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系（3）了解能量子的概念 2、過(guò)程與方法： 了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)】

2、1、重點(diǎn): 能量子的概念 2、難點(diǎn): 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓牛頓惠更斯惠更斯微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性對(duì)光學(xué)的研究從很早就開(kāi)始了 能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元1、黑體與黑體輻射熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K 能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生

3、反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看作黑體。黑體模型 研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。2. 2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實(shí)驗(yàn)結(jié)果o實(shí)驗(yàn)值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線123456783.3.能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)=h輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量

4、并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。能量量子經(jīng)典h=6.626*10-34J.s(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克實(shí)驗(yàn)值),(0Te 17.217.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性光的粒子性教學(xué)目標(biāo) 知識(shí)與技能： 1通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量過(guò)程與方法： 經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展

5、對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 2、難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后，因?yàn)?897年，J.Thomson才發(fā)現(xiàn)電子 ，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？ 第1課時(shí)光電效應(yīng) 光子問(wèn)題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程？用弧光燈

6、照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電定義：定義：在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

7、規(guī)律1. 1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極 將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。 當(dāng) K K、A A 間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 U Uc c 時(shí)，光電流恰為0 0。 U Uc c稱遏止電壓。221cevmceU遏止電壓IUcOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極IIsUaOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 強(qiáng)強(qiáng)光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓飽和電流 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極AGVK陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極W石英石

8、英窗窗2. 2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律. .光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。. .截止頻率c -極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間 10-9s。經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻

9、率。 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。 為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。3.3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.1.內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為 的光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。0WEhk 在光

10、電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：2.2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 221vmEek0W為光電子的最大初動(dòng)能。 3. 3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系 4.4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率： 愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 1. 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, ,榮獲1

11、9211921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛(ài)因斯坦由于愛(ài)因斯坦由于對(duì)對(duì)光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對(duì)的理論解釋和對(duì)理論理論物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電

12、荷有最小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)爾物理學(xué)獎(jiǎng)。放大器放大器控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu) 可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。4.4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.1.光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105 108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.2.光電倍增管應(yīng) 用光電管光電源電流計(jì)IAK第2課時(shí)康普頓效應(yīng)1.光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)

13、，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測(cè)測(cè)器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) 康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線的散射 按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng) 0外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 2.新波長(zhǎng) 隨散射角的增大而增大。 散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為0 =0Oj=45Oj

14、=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng). . 0 稱為電子的Compton波長(zhǎng))cos1 (j j c只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與 c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角j j 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X X射線的波長(zhǎng) 0 0 無(wú)關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）遇到的困難遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)2. 2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所

15、發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下： 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋三. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)

16、的意義（1 1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)?？悼灯掌疹D頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線( 0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同

17、的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)光子的能量和動(dòng)量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的17.317.3嶄新的一頁(yè)：嶄新的一頁(yè)：粒子的波動(dòng)性粒子的波動(dòng)性教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能： 了解光的波粒二象性；了解粒子的波動(dòng)性2、過(guò)程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，

18、正確地獲取知識(shí)的方法?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：粒子波動(dòng)性的理解 2、難點(diǎn)：對(duì)德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 德布羅意波 波粒二象性1、德布羅意波（物質(zhì)波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。 他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖象呢” 一、德布羅意的物質(zhì)波一、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善

19、于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕的一角”。法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。 能量為E、動(dòng)量為p的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為 的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv hmvp 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng) 稱為德布羅意波長(zhǎng)。一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子

20、、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒(méi)有波動(dòng)性呢？ 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)= 。 ph/【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。 解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)速度v7m/s ，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。m

21、mph3634109 . 17501063. 6 例題2 (1)電子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長(zhǎng)。 解 (1)因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。2410452 .mEmpk61093. 5phmh =1.23ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。,22122mpmEk 一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量E和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率 和波長(zhǎng) 所描述的波動(dòng)性。hEPh德布羅意關(guān)系如速度v=5.0 102

22、m/s飛行的子彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh25103 . 1 如電子m=9.1 10-31Kg，速度v=5.0 107m/s, 對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh2104 . 1 太小測(cè)不到！X射線波段(2) 子彈問(wèn)題2、戴維遜革末實(shí)驗(yàn) 1927年，Davisson和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 （該實(shí)驗(yàn)榮獲（該實(shí)驗(yàn)榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)）物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，在 散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大。 （可用晶體對(duì)X射線的衍射方法來(lái)分析） 50vL.V.L.V.德布羅意 v電子波

23、動(dòng)性的理論研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)vC.J.戴維孫 v通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖類似的實(shí)驗(yàn)： 19271927年，年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn) 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。 德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，1929年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)電子波而榮獲Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡17.417.4概率波概率波教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能 1了解微粒說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)

24、光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題 2了解波動(dòng)說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題 3了解事物的連續(xù)性與分立性是相對(duì)的，了解光既有波動(dòng)性，又有粒子性 4了解光是一種概率波 （二）過(guò)程與方法 1領(lǐng)悟什么是概率波 2了解物理學(xué)中物理模型的特點(diǎn)初步掌握科學(xué)抽象這種研究方法 3通過(guò)數(shù)形結(jié)合的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)工具在物理科學(xué)中的作用 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 理解人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)人類就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)光的本性的 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：人類對(duì)

25、光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程 2、難點(diǎn)：對(duì)量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解 電子雙縫衍射 1) 用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性 衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì) 得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣 物質(zhì)波不是經(jīng)典波 經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋 實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的 微觀粒子不是經(jīng)典粒子 經(jīng)典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和B，屏幕C收集子彈數(shù)目1) 將狹縫B擋住 子

26、彈通過(guò)A在屏幕C上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大P1 子彈落在中央主極大范圍的概率分布2) 將狹縫A 擋住 子彈通過(guò)狹縫B在屏幕C上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大P2 子彈落在中央主極大范圍的概率分布12PPP3) A和B狹縫同時(shí)打開(kāi) 子彈是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈 還是通過(guò)B屏幕C上子彈的概率分布不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開(kāi)每顆子彈會(huì)有新的選擇！ 電子雙縫衍射 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目1) 將狹縫B擋住 電子通過(guò)狹縫A 在屏幕C有一定分布 類似于單縫衍射 的中央主極大10/173）A和B狹縫同時(shí)打開(kāi) 如果電子是經(jīng)典粒子 原

27、來(lái)通過(guò)A狹縫的電子 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子 還是通過(guò)B屏幕上電子的概率分布12PPP12PPP屏幕C 實(shí)際觀察到類似光的雙縫衍射條紋屏幕C上電子的概率分布 只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫 電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性 A和B狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí) 電子似乎“知道” 兩個(gè)狹縫都打開(kāi)！ 雙縫和屏幕之間 到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布 有了新的概率分布電子 不是經(jīng)典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I 大 光子出現(xiàn)概率大I小 光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于概率波理論單縫衍射單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比17.517.5不確定的關(guān)系不確定的關(guān)系教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能 1了解不確

28、定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)算 2了解物理模型與物理現(xiàn)象 （二）過(guò)程與方法 經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：不確定關(guān)系的概念 2、難點(diǎn)：對(duì)不確定關(guān)系的定量應(yīng)用 玻 恩 ( M . B o r n . 1882-1970)德國(guó)物理 學(xué)家。1926年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻 恩M. Born. 一、德布羅

29、意波的統(tǒng)計(jì)解釋一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋 1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 二二. .經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波( (物質(zhì)波物質(zhì)波) )的區(qū)別的區(qū)別 經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。不確定度關(guān)系（uncertainty relatoin) 經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。 微觀粒子：位置、

30、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。、電子衍射中的不確定度 一束電子以速度 v 沿 oy 軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。aoxy 在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都 可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)行討論。設(shè)有一束電子沿 軸射向屏ABAB上縫寬為 的狹縫，于是，在照相底片CDCD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo) 和動(dòng)量 來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢? ?也

31、就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo) 為多少? ?顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。Oybxpx對(duì)于第一衍射極小，asin1 式中 為 電子的德布羅意波長(zhǎng)。 電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為p1 aoxyax 電子的位置和動(dòng)量分別用 和 來(lái)表示。xp 同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 Px變化越大。p1 aoxy4hpxx分析計(jì)算可得:許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn),粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。動(dòng)量不確定度位

32、置不確定度zyxpppzyx, 不確定性關(guān)系(19011976)德國(guó)物理學(xué)家,量子力學(xué)矩陣形式的創(chuàng)建人, 1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：2 xpx 這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式2 ypy 2 zpz 2h（約化普朗克常量） 能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：2tE 原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。s10t8 ev10t2E8 稱為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。 我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢?jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。 11smkg0 . 2smkg20001. 0 mvp

33、1414smkg100 . 2smkg2100 . 1%01. 0pp例1.1.一顆質(zhì)量為1010g g 的子彈，具有200m200ms s-1-1的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(0. 01%(這在宏觀范圍是十分精確的了) )，則該子彈位置的不確定量范圍為多大? ?解: 子彈的動(dòng)量動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍mmphx31434106.2100.214.341063.64我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義。 1

34、28131smkg108 . 1smkg200101 . 9 mvp1321284smkg0 . 18 . 1 smkg0 . 18 . 1100 . 1%01. 0pp例2 2 . . 一電子具有200 m/s200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了) )，則該電子的位置不確定范圍有多大? ?解 : 電子的動(dòng)量為動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍mmphx33234109.2108.114.341063.64 宏觀物體 微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量可用牛頓力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)

35、動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連 能量量子化 。續(xù)變化的數(shù)值。不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)1. 物理意義： 微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量 x越小，動(dòng)量的不確定量 Px就越大，反之亦然。2. 微觀本質(zhì)： 是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。 不確定關(guān)系式表明： 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確( x0) ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確( px) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確( px0) ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確( x) 。 但這里要注意，不確定關(guān)系 不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)； 也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不