4.5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立 教案

.5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立〖教材分析〗本節(jié)內(nèi)容比較少主要由物質(zhì)波和量子力學(xué)的建立量大部分組成。物質(zhì)波的概念使我們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)又上升了一個(gè)層次，更加豐富了學(xué)生的世界觀。在驗(yàn)證物質(zhì)波的教學(xué)中，要求學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段與科學(xué)發(fā)現(xiàn)的關(guān)系。能夠進(jìn)一步了解驗(yàn)證物理理論的基本方法——實(shí)驗(yàn)。量子力學(xué)的與我們的生活息息相關(guān)，知識(shí)大家不知道這就是量子力學(xué)罷了，教學(xué)時(shí)注意舉例子來(lái)豐富學(xué)生的見(jiàn)識(shí)?！冀虒W(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶形成實(shí)物粒子也具有波粒二象性的觀念，了解量子力學(xué)在生活中的應(yīng)用?？茖W(xué)思維∶能夠利用波粒二象性關(guān)系式解釋實(shí)物粒子的波動(dòng)性，能在生活中發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)的具體應(yīng)用情形，并作出解釋?？茖W(xué)探究：通過(guò)物質(zhì)波的驗(yàn)證，掌握驗(yàn)證物理理論的基本方法——實(shí)驗(yàn)。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶量子力學(xué)不是一天建成的，也不是一個(gè)人就能建立，告誡學(xué)生做事要懂得合作，要持之以恒。〖教學(xué)重難點(diǎn)〗教學(xué)重點(diǎn)：實(shí)物粒子的波粒二象性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物質(zhì)波，量子力學(xué)的建立。教學(xué)難點(diǎn)：實(shí)物粒子的波粒二象性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物質(zhì)波?！冀虒W(xué)準(zhǔn)備〗多媒體課件等?！冀虒W(xué)過(guò)程〗一、新課引入通過(guò)對(duì)雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問(wèn)題的研究，人們終于認(rèn)識(shí)到光既有粒子性，又有波動(dòng)性。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子是具有粒子性的，那么，實(shí)物粒子是否也會(huì)同時(shí)具有波動(dòng)性呢?二、新課教學(xué)（一）粒子的波動(dòng)性前面說(shuō)到光具有波粒二象性，受此啟發(fā)德布羅意，在他的博士論文中提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：如同光波具有粒子性一樣，實(shí)物粒子也可能具有波動(dòng)性，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都和一個(gè)波相對(duì)應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。問(wèn)題：它的波長(zhǎng)和頻率分別是多少呢？和光波類(lèi)比一下，我們知道光的頻率和光子能量有關(guān)，所以光波的頻率問(wèn)題：光的波長(zhǎng)跟什么有關(guān)呢？它可以用光速除以頻率來(lái)計(jì)算，把頻率的式子帶入進(jìn)去，可以整理成這樣，所以波長(zhǎng)就是德布羅意猜測(cè)物質(zhì)波的頻率和波長(zhǎng)，也滿足這兩個(gè)式子。（二）物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.實(shí)驗(yàn)思路我們知道，光的干涉和衍射現(xiàn)象是光具有波動(dòng)性的有力證據(jù)。物質(zhì)波驗(yàn)證方法：找到電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子干涉和衍射的圖樣。2.實(shí)驗(yàn)材料比如電子的質(zhì)量m=9.1×10-31kg，用200V的加速電壓給他加速能量就是200eV。此時(shí)它的波長(zhǎng)是多少呢？波長(zhǎng)和動(dòng)量有關(guān)，所以咱倆計(jì)算電子速度。這也可以通過(guò)動(dòng)能，它比光速慢很多，用這個(gè)速度就能計(jì)算出波長(zhǎng)了，這個(gè)波長(zhǎng)與X射線相當(dāng)，因此如果電子具有波動(dòng)性，就可以用觀察X射線衍射的裝置觀察到電子的衍射。3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1927年戴維孫和湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，得到了衍射圖樣，從而證實(shí)了電子的波動(dòng)性。在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，人們還進(jìn)一步觀測(cè)到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。問(wèn)題：為什么我們看不到實(shí)物粒子的波動(dòng)性呢？宏觀小物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)是多少呢？如質(zhì)量為0.01kg的子彈，速度是300m/s，那么計(jì)算出的波長(zhǎng)就是2.21×10-34m，這也太小啦。它的原子核的半徑還要小19個(gè)數(shù)量級(jí)。這根本測(cè)不出衍射，所以宏觀物體幾乎看不到波動(dòng)性只表現(xiàn)粒子性。4.粒子波動(dòng)性的作用它可以用來(lái)提高顯微鏡的精度，知道光如果碰到和波長(zhǎng)差不多都物體就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致被觀察物體的光點(diǎn)成像后，變成光斑看不清楚，所以顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到所用光波的波長(zhǎng)限制，波長(zhǎng)越短，精度越高。正常的顯微鏡使用可見(jiàn)光波長(zhǎng)在400~700納米左右，電子的德布羅意波長(zhǎng)比這短的多所以把光束替換成電子束制作的電子顯微鏡分辨能力甚至可以達(dá)到0.2納米，這足以看清分子的表面。（三）量子力學(xué)的建立經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，這就表明，微觀世界的物理規(guī)律和宏觀世界的物理定律可能存在巨大的差別，人們需要建立描述微觀世界的物理理論。普朗克黑體輻射理論：ε=hν愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論：EK=hv-w0普朗克常量：h康普頓散射理論：玻爾氫原子理論：hv=En-Em德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)：，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。德國(guó)物理家海森堡和玻恩等人對(duì)玻爾的氫原子理論進(jìn)行了推廣和改造，使之可以適用于更普遍的情況。奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了物質(zhì)波滿足的方程——薛定諤方程。把這個(gè)方程應(yīng)用于氫原子，就很容易能得到氫原子光譜的公式。最終建立量子力學(xué)：描述微觀世界的理論。（四）量子力學(xué)的應(yīng)用1.量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。（動(dòng)圖展示）2.量子力學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。（動(dòng)圖展示）3.量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展。STSE：量子力學(xué)的創(chuàng)立和索爾維會(huì)議播放視頻課堂練習(xí)例1：下列說(shuō)法正確的是（）物質(zhì)波屬于機(jī)械波只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性德布羅意認(rèn)為，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都具有一種波和它對(duì)應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性解析∶物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波，與機(jī)械波性質(zhì)不同。宏觀物體也具有波動(dòng)性，只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯，只有選項(xiàng)C正確。例2：如果一個(gè)電子的德布羅意波長(zhǎng)和一個(gè)中子的相等，則它們的（）也相等。速度.動(dòng)能動(dòng)量總動(dòng)能解析∶由德布羅意波長(zhǎng)知二者的動(dòng)量應(yīng)相同，故選項(xiàng)C正確，由p=mv可知二者速度不同，，二者動(dòng)能不同，由E=mc2可知總能量也不同。答案C。例3：根據(jù)物質(zhì)波理論，下列說(shuō)法正確的是（）微觀粒子有波動(dòng)性，宏觀物體沒(méi)有波動(dòng)性宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性宏觀物體的波動(dòng)性不易被人觀察到是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)速度相同的質(zhì)子和電子相比，電子的波動(dòng)性更為節(jié)明顯解析∶一切運(yùn)動(dòng)的物體都有一種物質(zhì)波與它對(duì)應(yīng)，所以宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)很短，不易觀察到它的波動(dòng)性，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子質(zhì)量小，由知電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以電子波動(dòng)性更明顯，選項(xiàng)D正確。答案∶BD。例4：我們根據(jù)什么說(shuō)光具有波粒二象性?解析：光的干涉和衍射說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性?！及鍟?shū)設(shè)計(jì)〗4.5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立一、粒子的波動(dòng)性實(shí)物粒子既具有粒子性，也具有波動(dòng)性這種波叫做物質(zhì)波，二者通過(guò)h來(lái)聯(lián)系。，二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀測(cè)電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子干涉和衍射的圖樣三、量子力學(xué)的建立四、量子力學(xué)的應(yīng)用〖教學(xué)反思〗量子力學(xué)的誕生是上世紀(jì)的物理界的一件大事，它并不是一個(gè)人努力的結(jié)果，而是群英薈萃的結(jié)果。在學(xué)習(xí)量子力