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學必求其心得,業(yè)必貴于專精學必求其心得,業(yè)必貴于專精學必求其心得,業(yè)必貴于專精2020-2021學年高二物理人教版選修3-5學案:第十七章第3節(jié)粒子的波動性含解析第3節(jié)粒子的波動性1.了解人類對光的本性的認識史,了解光的波粒二象性及其對立統(tǒng)一關系。2.了解粒子的波動性,了解什么是德布羅意波,了解物質波的實驗驗證,會解釋有關現(xiàn)象。3.學會用辯證的觀點看待問題,認識到物理學各種觀點的局限性。一、光的波粒二象性1.光的本性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象表明光具有eq\o(□,\s\up4(01))波動性,光電效應和康普頓效應表明光具有eq\o(□,\s\up4(02))粒子性,即光具有eq\o(□,\s\up4(03))波粒二象性。2.光子的能量和動量關系式(1)關系式:ε=eq\o(□,\s\up4(04))hν,p=eq\o(□,\s\up4(05))eq\f(h,λ)。(2)意義:能量ε和動量p是描述物質的eq\o(□,\s\up4(06))粒子性的重要物理量;波長λ和頻率ν是描述物質的eq\o(□,\s\up4(07))波動性的典型物理量。因此ε=hν和p=eq\f(h,λ)揭示了光的eq\o(□,\s\up4(08))粒子性和eq\o(□,\s\up4(09))波動性之間的密切關系。二、粒子的波動性及實驗驗證1.粒子的波動性(1)德布羅意波:每一個eq\o(□,\s\up4(01))運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)系,這種與eq\o(□,\s\up4(02))實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波,也叫eq\o(□,\s\up4(03))物質波。(2)物質波的波長:λ=eq\o(□,\s\up4(04))eq\f(h,p).(3)物質波的頻率:ν=eq\o(□,\s\up4(05))eq\f(ε,h)。2.物質波的實驗驗證(1)實驗探究思路:eq\o(□,\s\up4(06))干涉、衍射是波特有的現(xiàn)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eq\o(□,\s\up4(07))干涉或衍射現(xiàn)象。(2)實驗驗證:1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了eq\o(□,\s\up4(08))電子束衍射的實驗,得到了eq\o(□,\s\up4(09))電子的衍射圖樣,證實了eq\o(□,\s\up4(10))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eq\o(□,\s\up4(11))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,宏觀物體運動時的eq\o(□,\s\up4(12))動量很大,對應的德布羅意波的波長eq\o(□,\s\up4(13))很小,根本無法觀察到它的波動性。判一判(1)光子與實物粒子沒有本質區(qū)別.()(2)光的波動性與機械波有區(qū)別,光可在真空中傳播,機械波的傳播只能借助介質。()(3)我們平常所見的宏觀運動物體,由于波長太短,波動性不明顯.()提示:(1)×(2)√(3)√想一想(1)可見光中,哪種單色光的波動性最強?哪種單色光的粒子性最強?提示:可見光中紅光波動性最強,紫光的粒子性最強。(2)光的波動性與粒子性跟它們的波長、頻率有怎樣的關系?提示:光波頻率越低,波長越長,光的波動性越明顯;光波頻率越高,波長越短,光的粒子性越明顯。(3)每一個運動的物體都有一個對應的波,為什么觀察不到一粒飛行著的子彈的波動性?提示:宏觀物體在運動時,我們觀察不到它們的波動性,但也有一個波與之對應,只是對應飛行的子彈的波的波長太小了,所以觀察不到子彈的波動性,但一粒飛行著的子彈的波動性還是存在的。課堂任務光的波粒二象性1.對光的本性認識史人類對光的認識經歷了漫長的歷程,從牛頓的光的微粒說、托馬斯·楊和菲涅耳的波動說到麥克斯韋的光的電磁說和愛因斯坦的光子說。直到二十世紀初,對于光的本性的認識才提升到一個更高層次,即光具有波粒二象性。對于光的本性認識史,列表如下:2.對光的波粒二象性的理解光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。光子的能量ε和動量p可以表示為ε=hν和p=eq\f(h,λ)。它們是描述光的性質的基本關系式.能量ε和動量p是描述物質的粒子性的重要物理量;波長λ或頻率ν是描述物質的波動性的典型物理量。兩式左側的物理量ε和p描述光的粒子性,右側的物理量ν和λ描述光的波動性,它們通過普朗克常量h聯(lián)系在一起。這里我們可以從一個側面感覺到普朗克常量的重要性:h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。波動性和粒子性是對立統(tǒng)一的:(1)大量光子易顯示波動性,而少量光子易顯示出粒子性。(2)波長長(頻率低)的光波動性強,而波長短(頻率高)的光粒子性強.(3)光在傳播時常表現(xiàn)波動性,與物質作用時常表現(xiàn)粒子性。例1(多選)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(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)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(1)光在發(fā)生光電效應、康普頓效應時是不是只具有粒子性而不具有波動性?當其發(fā)生干涉、衍射時又只具有波動性,粒子性消失?提示:不是。其粒子性與波動性是一個有機的統(tǒng)一體,相互間不是獨立的,只是有表現(xiàn)明顯與不明顯的區(qū)別。(2)單個光子與大量光子的表現(xiàn)有何不同?提示:單個光子的粒子特征較明顯,波動性不明顯。大量光子往往表現(xiàn)為波動性,而粒子性特征表現(xiàn)不明顯.[規(guī)范解答]光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯,有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯,D正確;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,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。[完美答案]AD光的波粒二象性的解題關鍵點(1)光同時具有波動性和粒子性,只是在不同的條件下其中一個性質表現(xiàn)比較明顯,另一個不明顯。(2)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象有力地說明了光具有波動性,而光電效應、康普頓效應表明,光還具有粒子性,即光具有波粒二象性。(3)解此類題關鍵要抓住光的本性,即光具有波粒二象性,再從產生波粒二象性的原因出發(fā)去分析,這類問題就很容易解答了。eq\a\vs4\al([變式訓練1])關于對光的認識,下列說法正確的是()A.頻率高的光是粒子,頻率低的光是波B.光有時是波,有時是粒子C.光有時候表現(xiàn)出波動性,有時候表現(xiàn)出粒子性D.光既是宏觀概念中的波,也是宏觀概念中的粒子答案C解析一切光都具有波粒二象性,A錯誤;光有些行為表現(xiàn)出波動性,有些行為表現(xiàn)出粒子性,B錯誤,C正確;光子不是實物粒子,更不是宏觀概念中的粒子,D錯誤。課堂任務物質波的理解1.任何物體,小到電子、質子,大到行星都存在波動性,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.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。例2關于物質波,下列說法正確的是()A.速度相等的電子和質子,電子的波長大B.動能相等的電子和質子,電子的波長小C.動量相等的電子和中子,中子的波長小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倍由德布羅意波的波長表達式可知波長跟哪些物理量有關?提示:λ=eq\f(h,p)=eq\f(h,mv)。[規(guī)范解答]由λ=eq\f(h,p),可知動量大的波長小,電子與質子的速度相等時,電子的動量小,波長大,A正確;電子與質子動能相等時,由動量與動能的關系式p=eq\r(2mEk)可知,電子的動量小,波長大,B錯誤;動量相等的電子和中子,其波長應相等,C錯誤;如果甲、乙兩電子的速度遠小于光速,甲電子的速度是乙電子的3倍,甲電子的動量也是乙電子的3倍,則甲電子的波長應是乙電子的eq\f(1,3),D錯誤.[完美答案]A有關德布羅意波計算的一般方法(1)首先計算物體的速度,再計算其動量。如果知道物體動能也可以直接用p=eq\r(2mEk)計算其動量。(2)再根據λ=eq\f(h,p)計算德布羅意波長.(3)需要注意的是:德布羅意波波長一般都很短,比一般的可見光波波長還要短,可以根據結果的數量級大致判斷結果是否合理.(4)宏觀物體的波長小到可以忽略,其波動性很不明顯。eq\a\vs4\al([變式訓練2])質量為1000kg的小汽車以v=30m/s的速度在高速公路上行駛,試計算小汽車的德布羅意波的波長。(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)答案2.21×10-38m解
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