2017-2018學(xué)年高中物理第17章波粒二象性3粒子的波動性學(xué)案新人教版選修

1、3粒子的波動性學(xué)習(xí)目標(biāo)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、光的波粒二象性導(dǎo)學(xué)探究人類對光的本性的認(rèn)識的過程中先后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，比如：光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)(圖A)光的雙孔干涉實(shí)驗(yàn)(圖B)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(圖C)光的薄膜干涉實(shí)驗(yàn)(圖D)康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等等(1)在以上實(shí)驗(yàn)中哪些體現(xiàn)了光的波動性？哪些體現(xiàn)了光的粒子性？(2)光的波動性和光的粒子性是否矛盾？答案(1)單縫衍射、雙孔干涉、薄膜干涉體現(xiàn)了光的波動性光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)體現(xiàn)了光的粒子性(2)不矛盾大量光子在傳播過程中顯示出波動性，比如干涉和

2、衍射當(dāng)光與物質(zhì)發(fā)生作用時，顯示出粒子性，如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光具有波粒二象性知識梳理(一)人類對光的本性的研究學(xué)說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦實(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，光速等于電磁波的速度光電效應(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(二)光的波粒二象性1.2光子的能量和動量(1)能量：h.(2)動量：peq f(h,).3意義：能量和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長和頻率是

3、描述物質(zhì)的波動性的典型物理量因此h和peq f(h,)揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)光的干涉、衍射、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)光在傳播過程中，有的光是波，有的光是粒子()二、物質(zhì)波導(dǎo)學(xué)探究德布羅意認(rèn)為任何運(yùn)動著的物體均具有波動性，可是我們觀察運(yùn)動著的汽車，并未感覺到它的波動性，你如何理解該問題？答案波粒二象性是微觀粒子的特殊規(guī)律，一切微觀粒子都存在波動性，宏觀物體(汽車)也存在波動性，只是因?yàn)楹暧^物體質(zhì)量大，動量大，波長短，難以觀測知識梳理對物質(zhì)波的認(rèn)識1粒

4、子的波動性(1)德布羅意波：任何運(yùn)動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與它相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波，又叫德布羅意波(2)物質(zhì)波波長、頻率的計(jì)算公式為eq f(h,p)，eq f(,h).(3)我們之所以看不到宏觀物體的波動性，是因?yàn)楹暧^物體的動量太大，德布羅意波長太小的緣故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的實(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

5、子，德布羅意給出的eq f(,h)和eq f(h,p)關(guān)系同樣正確物質(zhì)波也是一種概率波即學(xué)即用判斷下列說法的正誤(1)一切宏觀物體都伴隨一種波，即物質(zhì)波()(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波()(3)電子的衍射現(xiàn)象證實(shí)了實(shí)物粒子具有波動性()一、光的波粒二象性的理解1大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性；個別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性2光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣，具有能量和動量和其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導(dǎo)作用；在光的傳播過程中，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，由波動性起主導(dǎo)作用，因此稱光波為概率波3頻率低、波長長的光，波動性特征顯著，而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著4光子的能量與其

6、對應(yīng)的頻率成正比，而頻率是描述波動性特征的物理量，因此h揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯(lián)系例1(多選)對光的認(rèn)識，以下說法中正確的是()A個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性B高頻光是粒子，低頻光是波C光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時，就不再具有波動性了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)得明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)得明顯答案AD解析個別光子的行為表現(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，頻率高的光粒子性強(qiáng)，頻率低的光波動性強(qiáng)，光的粒子

7、性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律，故正確選項(xiàng)為A、D.針對訓(xùn)練1關(guān)于光的波粒二象性，下列理解正確的是()A當(dāng)光子靜止時有粒子性，光子傳播時有波動性B光是一種宏觀粒子，但它按波的方式傳播C光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可以用波動規(guī)律來描述D大量光子出現(xiàn)的時候表現(xiàn)為粒子性，個別光子出現(xiàn)的時候表現(xiàn)為波動性答案C解析光子是不會靜止的，大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，故A、D錯誤；光子不是宏觀粒子，光在傳播時有時看成粒子有時可看成波，故B錯誤；光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可以用波動規(guī)律來描述，故C正確二、對物質(zhì)波的理解例2質(zhì)

8、量為10 g、速度為300 m/s在空中飛行的子彈，其德布羅意波長是多少？為什么我們無法觀察到其波動性？答案2.211034 m由于子彈的德布羅意波長極短，無法觀察到其波動性解析由德布羅意波長公式可得eq f(h,p)eq f(6.631034,10103300) m2.211034 m.因子彈的德布羅意波長太短，故無法觀察到其波動性針對訓(xùn)練2(多選)下列說法中正確的是()A物質(zhì)波也叫德布羅意波B物質(zhì)波也是概率波C光波是一種概率波D光波也是物質(zhì)波答案ABC解析物質(zhì)波，又稱德布羅意波，是概率波，指空間中某點(diǎn)某時刻可能出現(xiàn)的幾率，其中概率的大小受波動規(guī)律的支配，故A、B正確光波具有波粒二象性，波動

9、性表明光波是一種概率波，故C正確由于光子的特殊性，其靜止質(zhì)量為零，所以光不是物質(zhì)波，故D錯誤德布羅意波長的計(jì)算(1)首先計(jì)算物體的速度，再計(jì)算其動量如果知道物體動能也可以直接用peq r(2mEk)計(jì)算其動量(2)再根據(jù)eq f(h,p)計(jì)算德布羅意波長(3)需要注意的是：德布羅意波長一般都很短，比一般的光波波長還要短，可以根據(jù)結(jié)果的數(shù)量級大致判斷結(jié)果是否合理1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；光的波長越短，其粒子性越顯著D大量光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性答案C解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行為

10、(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，A錯誤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B錯誤光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著，故選項(xiàng)C正確，D錯誤2下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識，正確的解釋是()A任何一個物體都有波和它對應(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，

11、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答案C解析運(yùn)動的物體才具有波動性，A項(xiàng)錯；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；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3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

12、來答案C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現(xiàn)象要區(qū)分題中說法和物理史實(shí)與波粒二象性之間的關(guān)系C正確，A、B、D錯誤4電子經(jīng)電勢差為U200 V的電場加速，電子質(zhì)量m09.11031 kg，求此電子的德布羅意波長答案8.69102 nm解析已知eq f(1,2)m0v2EkeUpeq f(h,)Ekeq f(p2,2m0)所以eq f(h,r(2

13、m0Ek)eq f(h,r(2em0U)把U200 V，m09.11031 kg，代入上式解得8.69102 nm.一、選擇題(17題為單選題，89題為多選題)1下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是()A光的色散和光的干涉 B光的干涉和光的衍射C泊松亮斑和光電效應(yīng) D光的反射和光電效應(yīng)答案C解析光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據(jù)，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，光的反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，故選項(xiàng)C正確2下列說法中正確的是()A物質(zhì)波屬于機(jī)械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C德布羅意認(rèn)為任何一個運(yùn)動的物體，小到電子、質(zhì)子、中子，大到行星、太陽都有一種波與之

14、相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波D宏觀物體運(yùn)動時，看不到它的衍射和干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動時不具有波動性答案C解析任何一個運(yùn)動的物體都具有波動性，但因?yàn)楹暧^物體的德布羅意波長很短，所以很難看到它的衍射和干涉現(xiàn)象，所以C項(xiàng)對，B、D項(xiàng)錯；物質(zhì)波不同于宏觀意義上的波，故A項(xiàng)錯3關(guān)于物質(zhì)波，下列說法正確的是()A速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長長B動能相等的電子和質(zhì)子，電子的波長短C動量相等的電子和中子，中子的波長短D甲電子的速度是乙電子的3倍，甲電子的波長也是乙電子的3倍答案A解析由eq f(h,p)可知，動量大的波長短，電子與質(zhì)子的速度相等時，電子動量小，波長長，A正確；電子與質(zhì)子動能相等時，由動量與動

15、能的關(guān)系peq r(2mEk)可知，電子的動量小，波長長，B錯誤；動量相等的電子和中子，其波長應(yīng)相等，C錯誤；如果甲、乙兩電子的速度遠(yuǎn)小于光速，甲的速度是乙的3倍，甲的動量也是乙的3倍，則甲的波長應(yīng)是乙的eq f(1,3)，D錯誤42002年諾貝爾物理學(xué)獎中的一項(xiàng)是獎勵美國科學(xué)家賈科尼和日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，則()Aeq f(h,c)，p0 Beq f(h,c)，peq f(h,c2)Ceq f(hc,)，p0 Deq f(hc,)，peq f(h,

16、)答案D解析根據(jù)h，且eq f(h,p)，c可得X射線每個光子的能量為eq f(hc,)，每個光子的動量為peq f(h,).5如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等，則它們的()也相等A速度 B動能 C動量 D總能量答案C解析根據(jù)德布羅意波長公式eq f(h,p)，選C.6關(guān)于光子和運(yùn)動著的電子，下列論述正確的是()A光子和電子一樣都是實(shí)物粒子B光子能發(fā)生衍射現(xiàn)象，電子不能發(fā)生衍射現(xiàn)象C光子和電子都具有波粒二象性D光子具有波粒二象性，而電子只具有粒子性答案C解析物質(zhì)可分為兩大類：一是質(zhì)子、電子等實(shí)物；二是電場、磁場等，統(tǒng)稱場光是傳播著的電磁場根據(jù)物質(zhì)波理論，一切運(yùn)動的物體都具有波動性，故

17、光子和電子都具有波粒二象性綜上所述，C選項(xiàng)正確7利用金屬晶格(大小約1010 m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是使電子通過電場加速后，讓電子束照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說法中不正確的是()A該實(shí)驗(yàn)說明了電子具有波動性B實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長為eq f(h,r(2meU)C加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越不明顯D若用相同動能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯答案D解析實(shí)驗(yàn)得到了電子的衍射圖樣，說明電子這種實(shí)物粒子發(fā)生了衍射，說明電子具有波動性，故A正確；由動能定理可得，eUeq f(1,2)mv

18、20，電子加速后的速度veq r(f(2eU,m)，電子德布羅意波的波長eq f(h,p)eq f(h,mv)eq f(h,mr(f(2eU,m)eq f(h,r(2meU)，故B正確；由電子的德布羅意波的波長公式eq f(h,r(2meU)可知，加速電壓U越大，電子德布羅意波的波長越短，衍射現(xiàn)象越不明顯，故C正確；物體動能與動量的關(guān)系是peq r(2mEk)，由于質(zhì)子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，所以動能相同的質(zhì)子的動量遠(yuǎn)大于電子的動量，由eq f(h,p)可知，相同動能的質(zhì)子的德布羅意波的波長遠(yuǎn)小于電子德布羅意波的波長，波長越小，衍射現(xiàn)象越不明顯，因此相同動能的質(zhì)子代替電子，衍射現(xiàn)象將更加不明顯

19、，故D錯誤8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光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動性C麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D光具有波粒二象性答案BCD解析牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然A錯；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確9下表列出了幾種不同物體在某種速度下的德布羅意波長和頻率為1 MHz的無線電波的波長，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知()質(zhì)量/kg速度/(ms1)波長/m彈子球2.01021.01023.31030電子(100 eV)9.110316.01061.21010無線電波(1 MHz)3.01083.0