2024-2025學(xué)年高中物理第十七章波粒二象性第3節(jié)粒子的波動性學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE6-第3節(jié)粒子的波動性1．了解人類對光的本性的相識史，了解光的波粒二象性及其對立統(tǒng)一關(guān)系。2．了解粒子的波動性，了解什么是德布羅意波，了解物質(zhì)波的試驗驗證，會說明有關(guān)現(xiàn)象。3．學(xué)會用辯證的觀點看待問題，相識到物理學(xué)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(yīng)和康普頓效應(yīng)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(guān)系式(1)關(guān)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(zhì)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(zhì)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))波動性之間的親密關(guān)系。二、粒子的波動性及試驗驗證1．粒子的波動性(1)德布羅意波：每一個eq\o(□,\s\up4(01))運(yùn)動的粒子都與一個對應(yīng)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(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長：λ＝eq\o(□,\s\up4(04))eq\f(h,p)。(3)物質(zhì)波的頻率：ν＝eq\o(□,\s\up4(05))eq\f(ε,h)。2．物質(zhì)波的試驗驗證(1)試驗探究思路：eq\o(□,\s\up4(06))干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，假如實物粒子具有波動性，則在肯定條件下，也應(yīng)當(dāng)發(fā)生eq\o(□,\s\up4(07))干涉或衍射現(xiàn)象。(2)試驗驗證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了eq\o(□,\s\up4(08))電子束衍射的試驗，得到了eq\o(□,\s\up4(09))電子的衍射圖樣，證明白eq\o(□,\s\up4(10))電子的波動性。(3)說明①人們接連證明白質(zhì)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(guān)系同樣正確。②宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，宏觀物體運(yùn)動時的eq\o(□,\s\up4(12))動量很大，對應(yīng)的德布羅意波的波長eq\o(□,\s\up4(13))很小，根本無法視察到它的波動性。判一判(1)光子與實物粒子沒有本質(zhì)區(qū)分。()(2)光的波動性與機(jī)械波有區(qū)分，光可在真空中傳播，機(jī)械波的傳播只能借助介質(zhì)。()(3)我們平常所見的宏觀運(yùn)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(qiáng)？哪種單色光的粒子性最強(qiáng)？提示：可見光中紅光波動性最強(qiáng)，紫光的粒子性最強(qiáng)。(2)光的波動性與粒子性跟它們的波長、頻率有怎樣的關(guān)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(yùn)動的物體都有一個對應(yīng)的波，為什么視察不到一粒飛行著的子彈的波動性？提示：宏觀物體在運(yùn)動時，我們視察不到它們的波動性，但也有一個波與之對應(yīng)，只是對應(yīng)飛行的子彈的波的波長太小了，所以視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(wù)光的波粒二象性1．對光的本性相識史人類對光的相識經(jīng)驗了漫長的歷程，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(jì)初，對于光的本性的相識才提升到一個更高層次，即光具有波粒二象性。對于光的本性相識史，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(zhì)的基本關(guān)系式。能量ε和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長λ或頻率ν是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性，右側(cè)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(cè)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(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)。(3)光在傳播時常表現(xiàn)波動性，與物質(zhì)作用時常表現(xiàn)粒子性。例1(多選)關(guān)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(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)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(yīng)、康普頓效應(yīng)時是不是只具有粒子性而不具有波動性？當(dāng)其發(fā)生干涉、衍射時又只具有波動性，粒子性消逝？提示：不是。其粒子性與波動性是一個有機(jī)的統(tǒng)一體，相互間不是獨(dú)立的，只是有表現(xiàn)明顯與不明顯的區(qū)分。(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(zhì)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。[完備答案]AD光的波粒二象性的解題關(guān)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特性質(zhì)表現(xiàn)比較明顯，另一個不明顯。(2)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象有力地說明白光具有波動性，而光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)表明，光還具有粒子性，即光具有波粒二象性。(3)解此類題關(guān)鍵要抓住光的本性，即光具有波粒二象性，再從產(chǎn)生波粒二象性的緣由動身去分析，這類問題就很簡單解答了。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])關(guān)于對光的相識，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(wù)物質(zhì)波的理解1．任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星都存在波動性，我們之所以視察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的原因。2．德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了全部的物質(zhì)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(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。例2關(guān)于物質(zhì)波，下列說法正確的是()A．速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長大B．動能相等的電子和質(zhì)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(dá)式可知波長跟哪些物理量有關(guān)？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(zhì)子的速度相等時，電子的動量小，波長大，A正確；電子與質(zhì)子動能相等時，由動量與動能的關(guān)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(yīng)相等，C錯誤；假如甲、乙兩電子的速度遠(yuǎn)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(yīng)是乙電子的eq\f(1,3)，D錯誤。[完備答案]A有關(guān)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。假如知道物體動能也可以干脆用p＝eq\r(2mEk)計算其動量。(2)再依據(jù)λ＝eq\f(h,p)計算德布羅意波長。(3)須要留意的是：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，可以依據(jù)結(jié)果的數(shù)量級大致推斷結(jié)果是否合理。(4)宏觀物體的波長小到可以忽視，其波動性很不明顯。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])質(zhì)量為1000kg的小