新教材人教版高中物理選擇性必修第三冊 4.5粒子的波動性和量子力學(xué)的建立 教學(xué)課件

1、第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4.5 粒子的波動性和量子力學(xué)的建立1知道實物粒子具有波動性，領(lǐng)會對稱性的研究方法，感悟科學(xué)家的探求精神。2過對物質(zhì)波的實驗驗證內(nèi)容的學(xué)習(xí)，感受實驗研究這一重要的研究方法。3通過對科學(xué)漫步的閱讀，感受科學(xué)的成就推動了技術(shù)的進(jìn)步。學(xué)習(xí)目標(biāo) 通過對雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問題的研究，人們終于認(rèn)識到光既有粒子性，又有波動性。我們已經(jīng)認(rèn)識到如電子、質(zhì)子等實物粒子是具有粒子性的，那么，實物粒子是否也會同時具有波動性呢？新課導(dǎo)入電磁波光 子光的波動性光的粒子性 波長頻率波速 動質(zhì)量能量動量 波的干涉波的衍射橫波偏振波動參量 波的行為特性 粒子參量 粒子的行為特性 黑體輻射光電

2、效應(yīng)康普頓效應(yīng)一、粒子的波動性 他提出假設(shè)：實物粒子也具有波動性，即每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系。 1924年，德布羅意在對光的波粒二象性、玻爾氫原子理論以及相對論的深入研究的基礎(chǔ)上，把波粒二象性推廣到實物粒子，如電子、質(zhì)子等。德布羅意，法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。粒子性波動性普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。實物粒子具有波粒二象性。新課講解二、物質(zhì)波的實驗驗證1、實驗思路找到電子、質(zhì)子等實物粒子干涉和衍射的圖樣物質(zhì)波驗證方法： 波的干涉波的衍射波的行為特性 單縫寬 0.8mm單縫寬

3、 0.4mm其德布羅意波的波長為： 則質(zhì)量運動速率靜止質(zhì)量若已知 m0， v。若對于一個自由的實物粒子運動動能靜止質(zhì)量若已知 m0， Ek 則動量大小其德布羅意波的波長為：若則2、某電子的動能Ek=100eV，求它的德布羅意波長。已知電子的靜止質(zhì)量m0e=9.1110-31kg,1eV= 1.610-19J。與 X 射線的波長相近，其波動性不可忽略。解析：波長短到無法檢測，其波動性可以忽略。1、某子彈的質(zhì)量m0=0.01kg，v=400m/s，求它的德布羅意波長。普朗克常量h=6.6310-34J s。解析：X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射若電子具有波動性的理論成立，那么電子打在晶體上應(yīng)也能觀察到

4、衍射現(xiàn)象。X射線衍射圖樣X射線的頻率范圍30PHz300EHz，對應(yīng)波長為1pm10nm，能量為124eV1.24MeV。0.1nm2、實驗驗證1927年C.J.戴維森和 G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫之子）利用電子束穿過晶體做了電子束的衍射實驗。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實驗實物粒子的衍射圖樣湯姆孫戴維孫電子束穿過鋁箔后的衍射（2）實物粒子的干涉圖樣大量電子的一次行為 在后來的實驗中，人們還進(jìn)一步觀測到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。三、量子力學(xué)的建立1925年，德國物理家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學(xué)。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了物質(zhì)波滿

5、足的方程薛定諤方程。波動力學(xué)在它們的背后，應(yīng)該存在著統(tǒng)一描述微觀世界行為的普遍性規(guī)律。普朗克黑體輻射理論愛因斯坦光電效應(yīng)理論德布羅意物質(zhì)波假說玻爾氫原子理論康普頓散射理論普朗克常量h 隨后數(shù)年，在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來，它被稱為量子力學(xué)（ quantum mechanics）。 量子力學(xué)的創(chuàng)立是物理學(xué)歷史上的一次重要革命。它和相對論共同構(gòu)成了20世紀(jì)以來物理學(xué)的基礎(chǔ)。四、量子力學(xué)的應(yīng)用1、推動了核物理和粒子物理的發(fā)展這是人們第一次利用太陽以外的能量 最微觀層次和最宏觀層次的規(guī)律，

6、竟有著緊密的聯(lián)系！ 發(fā)展了各式各樣的對原子和電磁場進(jìn)行精確操控和測量的技術(shù)，如激光、核磁共振、原子鐘等等。光纖通信2、推動原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展激光技術(shù)核磁共振3、推動了固體物理的發(fā)展晶體管集成電路量子力學(xué)的創(chuàng)立和索爾維會議1、粒子的波動性 實物粒子既具有粒子性，也具有波動性這種波叫做物質(zhì)波，二者通過h來聯(lián)系。2、物質(zhì)波的實驗驗證觀測電子、質(zhì)子等實物粒子干涉和衍射的圖樣3、量子力學(xué)的建立4、量子力學(xué)的應(yīng)用課堂小結(jié)【例題1】下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識正確的是()A.任何一個物體都有一種波和它對應(yīng),這就是物質(zhì)波B.X光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C.電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D.宏

7、觀物體運動時,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C典例分析解析： 運動的物體才具有波動性，A項錯；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項錯；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實物質(zhì)波的存在，B項錯；只有C項正確?！纠}2】 (多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對論與量子論的說法正確的是()A.當(dāng)物體的速度接近光速時,經(jīng)典力學(xué)就不適用了B.相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使經(jīng)典力學(xué)失去了意義C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運動的規(guī)律性D.萬有引力定律也適用于強相互作用力AC解析： 經(jīng)典力學(xué)只適用于低速宏觀的物體,故A正確;相對論和量子力學(xué)的

8、出現(xiàn),并沒有否定經(jīng)典力學(xué),只是說經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍,故B錯誤;量子力學(xué)描述了微觀粒子運動的規(guī)律性,故C正確;萬有引力定律對于強相互作用力是不適用的,故D錯誤?！纠}3】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，方法是讓電子束通過電場加速后，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，則下列說法中正確的是（ ）A.該實驗說明了電子具有粒子性 B.實驗中電子束的德布羅意波的波長為C.加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越明顯 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B解析：實驗得到了電子的衍射圖樣

9、，說明電子這種實物粒子發(fā)生了衍射，說明電子具有波動性，故A錯誤；1.質(zhì)量為10g，速度為300m/s在空中飛行的子彈，其德布羅意波波長是多少？為什么我們無法觀察出其波動性？如果能夠用特殊的方法觀察子彈的波動性，我們是否能看到子彈上下或左右顫動著前進(jìn)，在空間中描繪出正弦曲線或其他周期性曲線？為什么？當(dāng)堂小練解析：根據(jù)德布羅意的觀點，任何運動著的物體都有一種波和它對應(yīng)，飛行的子彈必有一種波與之對應(yīng)，由于子彈的德布羅意波長極短，我們不能觀察到其衍射現(xiàn)象，由于德布羅意波是一種概率波，僅是粒子在空間出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，而非粒子做曲線運動。2.關(guān)于粒子的波動性，下列說法正確的是（）A實物粒子具有波動性

10、，僅是一種理論假設(shè)，無法通過實驗驗證B實物粒子的動能越大，其對應(yīng)的德布羅意波波長越大C只有帶電的實物粒子才具有波動性，不帶電的粒子沒有波動性D實物粒子的動量越大，其對應(yīng)的德布羅意波的波長越短解析：A戴維孫和湯姆孫利用晶體做了電子衍射實驗，得到電子的衍射圖樣，證明了實物粒子的波動性，故A錯誤；BD根據(jù)德布羅意的波長公式又動量與動能的大小關(guān)系有聯(lián)立兩式可得所以，實物粒子的動量越大，其對應(yīng)的德布羅意波的波長越短；實物粒子的動能越大，其對應(yīng)的德布羅意波波長越短，故B錯誤，D正確；C粒子具不具有波動性與帶不帶電無關(guān)，故C錯誤。答案：D3. “4G改變生活，5G改變社會”，中國已正式進(jìn)入5G時代4G所使用的電磁波頻率一般都低于6GHz（1G=109）， 而5G所用的電磁波頻率一般在24GHz到100GHz之間，與4G使用的電磁波相比，5G使用的電磁波（）A光子能量較