2019-2020学年高中物理 第十七章 3 粒子的波动性课件 新人教版选修3-5

3粒子的波动性1.了解光的波粒二象性,并了解其对立统一的关系。2.知道实物粒子具有波动性,了解物质波的概念。一二三一、光的波粒二象性1.光的本性:光能够发生干涉、衍射现象,说明光具有波动性;光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性。即光具有波粒二象性。2.光子的能量和动量。光子的能量表达式:ε=hν。光子的动量表达式:p=ℎ𝜆。3.意义。能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量。因此ε=hν和p=ℎ𝜆揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。一二三二、粒子的波动性1.德布罗意波:任何一种实物粒子都有一种波与它相对应,这种波被称为德布罗意波,也叫物质波。2.物质波的波长和频率。波长公式:λ=ℎ𝑝。频率公式:ν=𝜀ℎ。一二三三、物质波的实验验证1.1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别做了电子束衍射的实验,从而证实了电子的波动性。2.电子束穿过铝箔发生的衍射现象,说明了电子具有波动性,即电子也具有波粒二象性。3.人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于4.宏观物体的质量比微观粒子大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很小,根本无法观察到它的波动性。这些粒子,德布罗意给出的ν=𝜀ℎ和𝜆=ℎ𝑝关系同样正确。一二三湖面上的水波是物质波吗?提示：湖面上的水波是机械波,机械波不是物质波。一二三一、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代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦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一二三二、对光的波粒二象性的理解项目实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)足够能量的光在传播时,表现出波的性质(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的(2)光的波动性不同于宏观观念的波一二三项目实验基础表现说明光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质(2)少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子一二三项目实验基础表现说明波动性和粒子性的对立、统一(1)大量光子易显示波动性,而少量光子易显示出粒子性(2)波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强(1)光子说并未否定波动性,ε=hν=hcλ中,𝜈和𝜆就是波的概念(2)波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的一二三三、对德布罗意波的理解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.德布罗意假说是光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。3.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,不要以宏观观念中的波来理解德布罗意波。类型一类型二类型三对光的波粒二象性的理解【例题1】下列有关光的波粒二象性的说法正确的是()A.有的光是波,有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性类型一类型二类型三解析:一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性,有些行为(如光电效应)表现出粒子性,所以,不能说有的光是波,有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子,都具有波粒二象性,但电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,所以,不能说光子与电子是同样一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明,大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长,衍射性越好,即波动性越显著,光的波长越短,其光子能量越大,个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应,所以其粒子性就很显著。故选项C正确,A、B、D错误。答案:C类型一类型二类型三题后反思(1)光具有波粒二象性,电子是实物粒子。(2)光的波长越长,波动性越强,波长越短,粒子性越强。(3)少量光子易显示出粒子性,大量光子易显示出波动性。类型一类型二类型三对物质波的理解【例题2】(多选)关于物质波,下列认识正确的是()A.任何运动的物体(质点)都伴随一种波,这种波叫物质波B.X射线的衍射实验,证实了物质波假设是正确的C.电子的衍射实验,证实了物质波假设是正确的D.宏观物体尽管可以看成物质波,但它们不具有干涉、衍射等现象类型一类型二类型三解析:根据德布罗意物质波理论知,任何一个运动的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之相对应,这种波就叫物质波,可见,选项A是正确的;由于X射线本身就是一种波,而不是实物粒子,故X射线的衍射现象并不能证实物质波理论的正确性,即选项B错误;电子是一种实物粒子,电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性,故选项C是正确的;由电子穿过铝箔的衍射实验知,少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的,无规律的,但大量电子穿过铝箔后落的位置则呈现出衍射图样,即大量电子的行为表现出电子的波动性,干涉、衍射是波的特有现象,只要是波,都会发生干涉、衍射现象,故选项D错误。答案:AC类型一类型二类型三题后反思(1)物质波理论上是说任何一个运动的物体(如实物粒子等)都具有波动性,即其行为服从波动规律。(2)物质波理论告诉我们,任何微观粒子都既具有粒子性又具有波动性,即与光一样,也具有波粒二象性。波粒二象性是光子、电子、质子等微观粒子都具有的基本属性。类型一类型二类型三物质波的计算【例题3】如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动,则它们的德布罗意波的波长分别是多少?(中子的质量为1.67×10-27kg,h=6.63×10-34J·s)点拨:熟记物质波(或德布罗意波)的波长公式并理解公式中每个符号的确切含义是分析问题的关键。类型一类型二类型三解析:中子的动量为p1=m1v子弹的动量为p2=m2v由公式λ=ℎ𝑝知,中子和子弹的德布罗意波长分别为𝜆中=ℎ𝑝1和𝜆子=ℎ𝑝2因此可得到𝜆中=ℎ𝑚1𝑣,𝜆子=ℎ𝑚2𝑣,代入数据得λ中=4.0×10-10mλ子=6.63×10-35m。答案:4.0×10-10m6.63×10-35m类型一类型二类型三题后反思每一个运动的物体都有对应的一个波(物质波或德布罗意波),其波长为λ=ℎ𝑝,其中p为物体的动量,h为普朗克常量,所以关于计算物质波的问题时要熟记公式λ=ℎ𝑝,有时还要结合粒子的能量ε=hν进行相关计算。触类旁通通过对例题3的计算,你对物质波是怎么理解的?答案:速度相同的物体,质量越大,波长越短,波动性越不明显。