2019-2020学年高中物理第17章波粒二象性第3节粒子的波动性课件 人教版选修3-5 45页

第 3 节　粒子的波动性 [ 学习目标 ] 1. 知道光的本性的认识史，了解光的波粒二象性及其对立统一关系．　 2. 了解粒子的波动性，知道物质波的概念．　 3. 了解什么是德布罗意波，会解释有关现象．　 1 ． 光的本性 (1) 大量光子产生的效果显示出 __________ ，比如 ________ 、 ________ 、 ________ 现象表明光在传播过程中具有波动性． 要点一　光的波粒二象性 波动性　 课前教材预案 干涉　 衍射　 偏振　 (2) 个别光子产生的效果往往显示出 __________ ，比如 ____________ 、 ______________ 等，光子与电子的作用是一份一份进行的，这些都体现了光的粒子性． (3) 光既具有 __________ 又具有 __________ ，光具有 ______________ ． 粒子性　 光电效应　 康普顿效应　 波动性　 粒子性　 波粒二象性　 2 ． 光子的能量和动量 (1) 能量： ε ＝ __ __ __ ． (2) 动量： p ＝ __ __ __ ． 粒子　 波动　 hν 　 1 ． 粒子的波动性 (1) 德布罗意波：每一个 ________ 的粒子都与一个对应的波相联系，这种与 ____________ 相联系的波称为德布罗意波，也叫 __________ ． (2) 物质的波长、频率关系式： 波长 λ ＝ __ __ __ ，频率 ν ＝ __ __ __ ． 运动　 要点二　物质波 实物粒子　 物质波　 2 ． 物质波的实验验证 (1) 实验探究思路 ________ 、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象． 干涉　 (2) 实验验证 1927 年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了 __________ 衍射实验，得到了 ________ 的衍射图样，证实了 ________ 的波动性． 电子束　 电子　 电子　 波动性　 ② 宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，运动时的 ________ 很大，对应的德布罗意波的波长 ________ ，根本无法观察到它的波动性． 动量　 很小　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 一切宏观物体都伴随一种波，即物质波 ( 　　 ) (2) 湖面上的水波就是物质波 ( 　　 ) (3) 电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性 ( 　　 ) 答案　 (1) 根据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体都有一种波与之相对应，这种波就是物质波，并不是一切物体都具有物质波， (1) 错误． (2) 湖面上的水波是机械波，机械波不是物质波， (2) 错误． (3) 电子是实物粒子，衍射现象是波特有的现象，故电子的衍射现象能够证实实物粒子具有波动性， (3) 正确． 2 ．曾有一位记者向诺贝尔物理学奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？你是如何理解的？你想知道布拉格是如何回答的吗？同学们可以上网查找相关资料． 答案　 光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性． 课堂深度拓展 考点一　光的波粒二象性的理解 1 ． 光本性学说的发展简史 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 公认 实验 依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速 光电效应、康普顿效应 光既有波动现象，又有粒子特征 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 内容 要点 光是一群弹性粒子 光是一 种机械 波 光是一种电磁波 光是由 一份一 份光子 组成的 光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性 理论 领域 宏观 世界 宏观 世界 微观 世界 微观 世界 微观 世界 2 ． 对光的波粒二象性的理解 (1) 光的波动性 ① 实验基础：干涉和衍射． ② 含义：光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律描述． a ．足够能量的光 ( 大量光子 ) 在传播时，表现出波的性质． b ．频率低、波长长的光，波动性特征显著． (2) 光的粒子性 ① 实验基础：光电效应、康普顿效应． ② 含义：粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量． 波粒二象性的理解关键点 光子是能量为 hν 的微粒，表现出粒子性，而光子的能量与频率 ν 有关，又体现了波动性，所以光具有波粒二象性．但是它在不同的条件下的表现不同，大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性．光在传播时表现出波动性，光和其他物质相互作用时表现出粒子性；频率低的光波动性较强，频率高的光粒子性较强． 【例题 1 】　 关于光的本性，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性 B ．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C ．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性 D ．光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来 答案　 C 　 解析　 光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒；某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象，要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系，选项 C 正确， A 、 B 、 D 错误． 【变式 1 】　 下列关于光的波粒二象性的说法错误的是 ( 　　 ) A ．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性 B ．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著 C ．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性 D ．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性 答案　 D 　 解析　 光同时具有波动性和粒子性，选项 D 错误， A 、 B 、 C 正确． 1 ．任何物体，小到电子、质子，大到行星、 太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故． 2 ．德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波． 考点二　物质波 3 ．德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波． 【例题 2 】 一颗质量为 5.0 kg 的炮弹， (1) 以 200 m/s 的速度运动时，它的德布罗意波长多大？ (2) 若要使它的德布罗意波长与波长是 400 nm 的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？ ( 已知普朗克常量 h ＝ 6.63×10 － 34 J · s) 答案　 (1)6.63×10 － 37 m 　 (2)3.31×10 － 28 m/s 【变式 2 】 对于物质波的理解，下列说法错误的是 ( 　　 ) A ．任何运动的物体 ( 质点 ) 都伴随一种波，这种波叫物质波 B ．我们平时见到的机械波比如湖面上形成的水波就是物质波 C ．通常情况下，电子比质子的波长长 D ．核外电子绕核运动时，并没有确定的轨道 答案　 B 　 解析　 物质波不能理解成宏观中的机械波，选项 B 错误． 1 ． ( 多选 ) 关于光的波粒二象性的理解正确的是 ( 　　 ) A ．大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性 B ．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子 课末随堂演练 C ．高频光是粒子，低频光是波 D ．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 答案　 AD 　 解析　 根据光的波粒二象性知，选项 A 、 D 正确， B 、 C 错误． 2 ． ( 多选 ) 在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样 B ．单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样 C ．光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏 D ．单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性 答案　 AD 　 解析　 根据光的波粒二象性结合有关实验知，选项 A 、 D 正确， B 、 C 错误． 3 ．如图所示为物理学家利用“托马斯 · 杨”双缝干涉实验装置进行电子干涉的实验示意图．从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹，该实验说明 ( 　　 ) 　　　　　　　　　　　　　　　　　 A ．光具有波动性 B ．光具有波粒二象性 C ．微观粒子也具有波动性 D ．微观粒子也是一种电磁波 答案　 C 　 解析　 本题考查电子能产生干涉现象，表明电子具有波动性．干涉现象是波的特征，电子是微观粒子，它能产生干涉现象，表明电子等微观粒子具有波动性，但此实验不能说明电子等微观粒子的波就是电磁波． 答案　 AC 　 5 ．为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜．下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射 B ．电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射 C ．电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射 D ．电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射 答案　 A 　 解析　 为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的，因为可见光的波长数量级是 10 － 7 m ，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦；如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了，选项 A 正确．