高中物理 人教版 選修三 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性 第四單元第八課時(shí)

.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)容由粒子的波動(dòng)性、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、量子力學(xué)的建立和量子力學(xué)的應(yīng)用四部分組成。第一部分介紹了德布羅意提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，提出物質(zhì)波的假設(shè)。實(shí)物粒子的波動(dòng)性還有待于實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。第二部分介紹了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，成功地觀察到了電子束的衍射圖樣，從而證實(shí)了實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。它使我們對自然界的認(rèn)識又上升了一個(gè)層次，更加豐富了學(xué)生的世界觀，后兩部分簡單介紹了量子力學(xué)的建立過程，并介紹了一些量子力學(xué)推動(dòng)的重要技術(shù)，以及這些技術(shù)的應(yīng)用。量子力學(xué)與我們的生活息息相關(guān)，只是大家不知道這就是量子力學(xué)罷了?！緦W(xué)情分析】學(xué)生已經(jīng)掌握了光既有波動(dòng)性，又有粒子性，而且通過本章前四節(jié)的學(xué)習(xí)，知道了經(jīng)典力學(xué)的局限性，需要建立新的理論解釋來微觀世界的現(xiàn)象；另外，無論從研究方法還是思維能力方面也已具備學(xué)習(xí)本節(jié)課的能力，理解實(shí)物粒子的波動(dòng)性仍有較大的難度?！窘虒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。科學(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)?？茖W(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?！窘虒W(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?！窘谭ㄅc學(xué)法】主要采用以實(shí)驗(yàn)的方式直擊學(xué)生思維盲區(qū)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生注意力。然后以問題式教學(xué)法，設(shè)置問題情境，引導(dǎo)學(xué)生自主討論、交流與展示，最終用所學(xué)的知識解決實(shí)際問題，讓同學(xué)們感受到學(xué)習(xí)帶來的成就感和自豪感?！窘虒W(xué)過程】一、實(shí)驗(yàn)引入：演示：把兩個(gè)燈泡都接在220V的電源上，觀察哪個(gè)燈泡亮？猜想：你覺得哪個(gè)燈泡的功率大？讓學(xué)生讀出燈泡的額定功率，發(fā)現(xiàn)亮的燈泡功率反而小，形成學(xué)生認(rèn)知反差，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。二、新課教學(xué)1、粒子的波動(dòng)性通過對雙縫干涉、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(dòng)性。我們已經(jīng)認(rèn)識到如電子、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?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)：他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(指19世紀(jì))在光學(xué)上，與波動(dòng)方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究，而在實(shí)物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子方面的圖像想得太多，而忽視了波的現(xiàn)象呢？”德布羅意提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對應(yīng)的波的頻率ν和波長λ之間，遵從如下關(guān)系：普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來被稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。2、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：通過實(shí)驗(yàn)，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、電荷量為e，用加速電壓為U的電場加速后，它的速度代入數(shù)據(jù)得：帶入數(shù)據(jù)得波長與X射線（1pm--10nm）波長相當(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。1961年，德國科學(xué)家瓊森通過實(shí)驗(yàn)觀測到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。問題：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。這根本測不出衍射，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提高顯微鏡的精度，知道光如果碰到和波長差不多的物體就會(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限制，波長越短，精度越高。正常的顯微鏡使用可見光波長在400~700納米左右，電子的德布羅意波長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。3、量子力學(xué)的建立經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的現(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：，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。德國物理家海森堡和玻恩等人對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。4、量子力學(xué)的應(yīng)用視頻介紹量子力學(xué)的應(yīng)用借助量子力學(xué)，人們深入認(rèn)識了微觀世界的組成、結(jié)構(gòu)和屬性。量子力學(xué)被應(yīng)用到眾多具體物理系統(tǒng)中，得到了與實(shí)驗(yàn)符合得很好的結(jié)果，獲得了極大的成功。量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。人們認(rèn)識了原子、原子核、基本粒子等各個(gè)微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。而粒子物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。通過天文望遠(yuǎn)鏡，人們發(fā)現(xiàn)宇宙宙正在膨脹，宇宙是否有一個(gè)奇點(diǎn)爆炸而成？大爆炸的能量從何而來？早期的宇宙是否有夸克和其它基本粒子組成？反物質(zhì)在哪里？暗物質(zhì)到底是什么？這些問題的解決都需要量子力學(xué)的幫助。從整個(gè)宇宙到微小的粒子，人們探索自然的視野前所未有的廣闊。人們驚訝的發(fā)現(xiàn)世界具有奇妙的結(jié)構(gòu)，最微觀層次和最宏觀層次的規(guī)律，竟有著緊密的聯(lián)系。核物理的發(fā)展讓人們認(rèn)識到原子內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的能量，核物理的研究讓人們成功的認(rèn)識并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量——核能。愛因斯坦說：“這是人們第一次利用太陽以外的能量”。量子力學(xué)推動(dòng)了原子分子物理和光學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識了原子的結(jié)構(gòu)以及原子、分子和電磁場相互作用的方式。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了各式各樣對原子和電磁場進(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。普通的光是由于原子在不同能級之間躍遷產(chǎn)生的，光子的頻率和傳播方向各不相同。激光是由于光的照射使原子產(chǎn)生受激輻射，讓大量處于同一高能級的原子向同一低能級躍遷，從而產(chǎn)生大量頻率和傳播方向相同的光子。激光技術(shù)使人們第一次擁有了純凈可控的光源，我們今天能在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信，基礎(chǔ)之一就是以激光為載體的光纖網(wǎng)絡(luò)。如果在月球上使用激光武器，只需要1.3秒就可以摧毀地球上的目標(biāo)，讓你根本沒有時(shí)間反應(yīng)，即使有時(shí)間反應(yīng)，如果沒有激光武器，你也打不到他。核磁共振技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于化學(xué)，生物研究和醫(yī)學(xué)診斷?，F(xiàn)在我們來了解一下核磁共振的成像原理，人體有65%的重量來自于水，氫原子在不停的圍繞其自身旋轉(zhuǎn)，我們稱之為自旋，由于旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生一個(gè)小磁場。在外加磁場的作用下，讓大量氫原子在自旋的同時(shí)圍繞磁場方向公轉(zhuǎn)。通過高頻電磁波，我們改變氫原子公轉(zhuǎn)方向，當(dāng)撤去高頻電磁波后，氫原子又會(huì)恢復(fù)到原來的方向，并發(fā)出電磁信號。由于人體不同組織內(nèi)含水量不同，從而發(fā)出不同電磁信號。由這些不同電磁信號得到磁共振圖像，由于核磁共振中的核經(jīng)常被誤解成與放射性元素有關(guān)，所以醫(yī)學(xué)上習(xí)慣把核字去掉，稱之為磁共振。原子鐘就是利用原子躍遷時(shí)產(chǎn)生的精細(xì)的，穩(wěn)定的輻射頻率。因此在1967年國際計(jì)量大會(huì)重新定義了一秒鐘。它就是銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。而這種利用原子穩(wěn)定能級之間躍遷的計(jì)時(shí)方式就被稱作原子鐘。1995年，法國利用“激光冷卻和囚禁原子”的方法，成功研制出冷原子鐘。說到這里，可能會(huì)有人疑惑，為什么要把一秒鐘的精度提高到如此之高？首先，更加準(zhǔn)確和統(tǒng)一的計(jì)時(shí)裝置，為科學(xué)技術(shù)的研究、計(jì)算和人們的日常生活帶來了極大的便利。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟便是一塊銣原子鐘，他的每一次跳動(dòng)都決定著北斗衛(wèi)星定位、測速和授時(shí)功能的精度。面對如此重要的原子鐘，我國也不甘示弱。2007年，中國計(jì)量科學(xué)研究院成功研制出“NIM4銫原子噴泉鐘”，實(shí)現(xiàn)了600萬年不差一秒，我國也成為繼法國、美國、德國之后第四個(gè)自主研制成功冷原子鐘的國家。2010年推出的“NIM5銫原子噴泉鐘”更是將中國的時(shí)間頻率基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度提高了2000萬年不差一秒。量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展，人們了解了固體中電子運(yùn)行的規(guī)律，并弄清了為什么固體有導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體之分?？茖W(xué)家們利用半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)發(fā)明了晶體管等各類固態(tài)電子器件。并結(jié)合激光光刻技術(shù)制造了大規(guī)模集成電路，俗稱芯片。這些器件利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對電路進(jìn)行操控，速度和可靠性都遠(yuǎn)勝過去的電子管，而體積則小得多?？克麄?nèi)藗儾趴梢灾圃祗w積小且功能強(qiáng)大的電子計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等信息處理設(shè)備，真正走進(jìn)了信息時(shí)代。固體物理學(xué)的發(fā)展，還為人們帶來了低能耗高亮度的半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，白熾燈通過電流熱效應(yīng)把鎢絲加熱，從而發(fā)光。所消耗的電能僅有10%轉(zhuǎn)化成功能。其余部分以熱量的形式散失了。半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)是將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接在一起形成PN結(jié)。電子注入空穴時(shí)，其中多余的能量以光子的形式向外輻射，從而大大的降低了能耗，提高了發(fā)光效率。這就是節(jié)能燈比白熾燈更節(jié)能的原因。量子力學(xué)的應(yīng)用還有很多。毫不夸張地說，在過去的近一百年中，量子力學(xué)極大地推動(dòng)了人類的進(jìn)步?！耙徊揭恢靥?，百步上云端”，人類探索自然的步伐不會(huì)停息，量子力學(xué)必將在這個(gè)征途上繼續(xù)發(fā)揮巨大的基礎(chǔ)性作用。當(dāng)然，這個(gè)探索的過程也期待你的加入！作業(yè)布置我們安徽省在量子通信領(lǐng)域走在世界的前列，大家課后查閱有