高中物理人教版5第十七章波粒二象性3粒子的波動性 第十七章第3節(jié)粒子的波動性

第3節(jié)粒子的波動性1.知道光具有波粒二象性，區(qū)分光的波動性和粒子性．2.知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性．3．了解德布羅意波和粒子動量的關系．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ε和動量p可分別表示為：ε＝hν，p＝eq\f(h,λ).能量ε和動量p是描述物質粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質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．1．(1)光的干涉、洐射、偏振現象說明光具有波動性．()(2)光子數量越大，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．()提示：(1)√(2)×(3)√二、粒子的波動性及物質波的實驗驗證1．粒子的波動性(1)德布羅意波：每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯系，這種與實物粒子相聯系的波稱為德布羅意波，也叫物質波．(2)物質波的波長、頻率關系式：波長：λ＝eq\f(h,p)頻率：ν＝eq\f(ε,h).2．物質波的實驗驗證(1)實驗探究思路：干涉、衍射是波特有的現象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應該發(fā)生干涉或衍射現象．(2)實驗驗證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性．(3)說明①人們陸續(xù)證實了質子、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ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)關系同樣正確．②宏觀物體的質量比微觀粒子的質量大得多，運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很小，根本無法觀察到它的波動性．2．(1)一切宏觀物體都伴隨一種波，即物質波．()(2)湖面上的水波就是物質波．()(3)電子的衍射現象證實了實物粒子具有波動性．()提示：(1)×(2)×(3)√知識點一對光的波粒二象性的理解實驗基礎表現說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現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，表現出波的性質(3)波長長的光容易表現出波動性(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、康普頓效應(1)當光同物質發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質(2)少量或個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有關光的波粒二象性的下列說法中，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．大量光子的行為往往顯示出粒子性[解析]同一種光在不同條件下，有時表現出波動性，有時表現出粒子性，A錯．電子是實物粒子，有靜止質量；光子無靜止質量，以場的形式存在，B錯．光的波長越長(頻率越低)，其波動性越顯著，反之，粒子性越顯著，C對．大量光子的行為往往表現出波動性，D錯．[答案]C光既有波動性又有粒子性，二者是統一的．光的波長越長，波動性越強，波長越短，粒子性越強．個別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動性．知識點二物質波的理解和波長計算1．對物質波的理解(1)任何物體，小到電子、質子，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，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故．(2)粒子在空間各處出現的幾率受統計規(guī)律支配，不要以宏觀觀點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粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是物質波．2．計算物質波波長的方法(1)根據已知條件，寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達式p＝mv.(2)根據波長公式λ＝eq\f(h,p)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式．如光子的能量：ε＝hν，動量p＝eq\f(h,λ)；微觀粒子的動能：Ek＝eq\f(1,2)mv2，動量p＝mv.eq\a\vs4\al(對物質波的理解)下列關于德布羅意波的認識，正確的解釋是()A．任何一個物體都有一種波和它對應，這就是物質波B．X光的衍射證實了物質波的假設是正確的C．電子的衍射證實了物質波的假設是正確的D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現象，所以宏觀物體不具有波動性[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波的存在，B項錯．[答案]C物質波波長的計算如果一個中子和一個質量為10g的子彈都以103m/s的速度運動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質量為×10－27kg)[解析]中子的動量為p1＝m1v，子彈的動量為p2＝m2v，據λ＝eq\f(h,p)知中子和子彈的德布羅意波的波長分別為λ1＝eq\f(h,p1)，λ2＝eq\f(h,p2)聯立以上各式解得：λ1＝eq\f(h,m1v)，λ2＝eq\f(h,m2v)將m1＝×10－27kg，v＝1×103m/s，h＝×10－34J·s，m2＝×10－2kg代入上面兩式可解得λ1＝×10－10m，λ2＝×10－35m.[答案]×10－10m×10－35m本題考查德布羅意波的波長計算．一般先求出動量，再由公式λ＝eq\f(h,p)求德布羅意波的波長．注意將各物理量統一采用國際制單位．典型問題——人類對光的本性認識歷程光的本性是什么？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，人類對光的認識構成了一部科學史詩．微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性年代17世紀17世紀19世紀中期20世紀中期20世紀初代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦公認實驗依據光的直線傳播、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、康普頓效應光既有波動現象，又有粒子特征內容要點光是一群彈性粒子光是一種機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，既有波動性又有粒子性關于光的本性，下列說法中正確的是()A．關于光的本性，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、衍射現象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性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地統一起來[解析]光的波動性指大量光子在空間各點出現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典微粒．某現象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現象；某現象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個現象．要區(qū)分說法和物理史實與波粒二象性之間的關系．選項C正確、選項A、B、D錯誤．[答案]C(多選)人類對光的本性的認識經歷了曲折的過程．下列關于光的本性的陳述符合科學規(guī)律或歷史事實的是()A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質上是一樣的B．光的雙縫干涉顯示了光的波動性C．麥克斯韋預言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：選BCD.牛頓的“微粒說”認為光是一種物質微粒，愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然選項A錯誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，選項B正確；麥克斯韋根據光的傳播不需要介質，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等，認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，選項C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項D正確．[隨堂達標]1．(2023·哈爾濱高二檢測)下列各組現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D．光的反射和光電效應解析：選C.光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波動性的證據，光電效應說明光具有粒子性，光的反射和色散不能說明光具有波動性或粒子性，故選項C正確．2．對光的認識，以下說法正確的是()A．光波和聲波的本質相同，都具有波粒二象性B．光既具有波動性，又具有粒子性，兩種性質是不相容的C．光表現出波動性時，就不具有粒子性了，光表現出粒子性時，就不具有波動性了D．光的波粒二象性應理解為：在某種場合下光的波動性表現明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現明顯解析：選D.光波是電磁波，具有波粒二象性，聲波是機械波，是振動在介質中的傳播，二者本質不同，A錯；光的干涉、衍射現象，這屬于波的特征，微粒說無法解釋．光電效應現象用波動說無法解釋，而用光子說可以完美地進行解釋，證實光具有粒子性．因此，光既具有波動性，又具有粒子性，B錯；光的波動性與粒子性都是光的本質屬性，只是表現明顯與否，不容易觀察并不說明不具有，C錯；波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現，是同一客體的兩個不同側面、不同屬性，我們無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性，D對．3．下列說法中正確的是()A．物質波屬于機械波B．只有像電子、質子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C．德布羅意認為，任何一個運動著的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽都具有一種波和它對應，這種波叫做物質波D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現象，所以宏觀物體運動時不具有波動性解析：選C.物質波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質不同，宏觀物體也具有波動性，只是干涉、衍射現象不明顯，只有選項C正確．4．電子經電勢差為U＝220V的電場加速，在v<c的情況下，求此電子的德布羅意波長．(已知：電子質量為×10－31kg，電子電荷量為×10－19C)解析：在電場作用下eq\f(1,2)mv2＝eU，得v＝eq\r(\f(2eU,m))，根據德布羅意波長λ＝eq\f(h,p)得λ＝eq\f(h,mv)＝eq\f(h,\r(2meU))＝eq\f,\r(U))nm，由于電壓U＝220V，代入上式得λ＝eq\f,\r(220))nm＝×10－2nm＝×10－11m.答案：×10－11m[課時作業(yè)][學生用書P82(獨立成冊)]一、單項選擇題1．關于光的波動性與粒子性，以下說法正確的是()A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說B．光電效應現象說明了光的粒子性C．光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統一D．以上說法均錯誤解析：選B.愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現粒子性的，A錯；光電效應說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光的波動性和粒子性不是孤立的，而是有機的統一體，C錯．2．下列說法正確的是()A．光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質點B．光不具有波動性C．由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性D．實物粒子和光子一樣都具有波粒二象性，所以實物粒子與光子是相同本質的物質解析：選C.光的波動性和光的粒子性不同于宏觀的機械波和粒子，屬于微觀世界，A錯誤；光既具有波動性又具有粒子性，B錯誤；光的波動性和粒子性是光的行為，即光具有波粒二象性，C正確；實物粒子雖然與光子具有某些相同的現象，但粒子是實物，而光則是傳播著的電磁波，其本質不同，D錯誤．3．如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等，則它們也相等的是()A．速度 B．動能C．動量 D．總能量解析：選C.根據德布羅意波的波長公式λ＝eq\f(h,p)可知，如果電子的德布羅意波長與中子相等，則電子與中子一定具有相同的動量，故C項正確．4．(2023·昆明高二檢測)X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，則()A．E＝eq\f(hλ,c)，p＝0 B．E＝eq\f(hλ,c)，eq\f(hλ,c2)C．E＝eq\f(hc,λ)，p＝0 D．E＝eq\f(hc,λ)，p＝eq\f(h,λ)解析：選D.根據E＝hν，且λ＝eq\f(h,p)，c＝λν可得X射線每個光子的能量為E＝eq\f(hc,λ)，每個光子的動量為p＝eq\f(h,λ)，故選D.5．影響顯微鏡分辨率本領的一個因素是衍射，衍射現象越明顯，分辨本領越低．使用電子束工作的電子顯微鏡有較高的分辨本領，它利用高壓對電子束加速，最后打在感光膠片上來觀察顯微圖像．以下說法正確的是()A．加速電壓越高，電子的波長越長，分辨本領越強B．加速電壓越高，電子的波長越短，衍射現象越明顯C．如果加速電壓相同，則用質子流工作的顯微鏡比用電子流工作的顯微鏡分辨本領強D．如果加速電壓相同，則用質子流工作的顯微鏡比用電子流工作的顯微鏡分辨本領弱解析：選C.設加速電壓為U，電子電荷量為e，質量為m，則有Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eU＝eq\f(p2,2m)，又p＝eq\f(h,λ)，故eU＝eq\f(h2,2mλ2)，可得λ＝eq\r(\f(h2,2emU)).對電子來說，加速電壓越高，λ越小，衍射現象越不明顯，故選項A、B錯誤；電子與質子比較，因質子質量比電子質量大得多，可知質子加速后的波長要小得多，衍射現象不明顯，分辨本領強，故選項C正確，選項D錯誤．二、多項選擇題6．(2023·山西臨汾高二檢測)關于光的波粒二象性的理解正確的是()A．大量光子的行為往往表現出波動性，個別光子的行為往往表現出粒子性B．光在傳播時是波，而與物質相互作用時就轉變成粒子C．高頻光是粒子，低頻光是波D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著解析：選AD.光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，D正確；大量光子的效果往往表現出波動性，個別光子的行為往往表現出粒子性，A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質相互作用時粒子性顯著，B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，C錯誤．7．下列說法中正確的是()A．光的干涉和衍射說明光具有波動性B．光的頻率越大，波長越長C．光的波長越長，光子的能量越大D．光在真空中的傳播速度為×108m/s解析：選AD.干涉和衍射現象是波的特性，說明光具有波動性，選項A正確；光的頻率越大，波長越短，光子能量越大，故選項B、C錯誤；光在真空中的傳播速度為3×108m/s，故選項D正確．8．(2023·高考江蘇卷)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有()A．光電效應現象揭示了光的粒子性B．熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性C．黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋D．動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波長也相等解析：選AB.光電效應現象、黑體輻射的實驗規(guī)律都可以用光的粒子性解釋，選項A正確，選項C錯誤；熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性，選項B正確；由德布羅意波長公式λ＝eq\f(h,p)和p2＝2mEk知動能相等的質子和電子動量不同，德布羅意波長不相等，選項D錯誤．9．頻率為ν的光子，德布羅意波波長為λ＝eq\f(h,p)，能量為E，則光的速度為()\f(Eλ,h) B．pE\f(E,p) \f(h2,Ep)解析：選AC.根據c＝λν，E＝hν，λ＝eq\f(h,p)，即可解得光的速度為eq\f(Eλ,h)或eq\f(E,p)，故選A、C.10．根據物質波的理論，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，因為它的波長太長D．速度相同的質子和電子，電子的波動性更為明顯解析：選BD.一切運動物體都有一種波與它相對應，所以宏觀物體也具有波動性，選項A錯誤，選項B正確；物質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象，選項C錯誤；速度相同的質子和電子，電子的質量較小，動量較小，物質波的波長較長，故波動性明顯，選項D正確．三、非選擇題11．