2019-2020学年高中物理 第十七章 波粒二象性 第3节 粒子的波动性课件 新人教版选修3-5

第3节粒子的波动性学习目标1．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性．2．理解光的波粒二象性及其对立统一的关系，会用光的波粒二象性分析有关现象．3．掌握物质波的公式λ＝hp的含义及应用．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、光的波粒二象性1．光的本性(1)大量光子产生的效果显示出1_____________性，比如2_____________、衍射、3_____________现象表明光在传播过程中具有波动性．波动干涉偏振(2)个别光子产生的效果往往显示出4_____________性，比如5_____________效应、6_____________效应等，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7____________性又具有8____________性，光具有9_____________性．粒子光电康普顿波动粒子波粒二象2．光子的能量和动量(1)能量：ε＝10_________.(2)动量：p＝11______.(3)意义能量ε和动量p是描述物质的12______性的重要物理量；波长λ或频率ν是描述物质的13__________性的典型物理量．因此ε＝14_____________和p＝hλ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．hνhλ粒子波动hν二、粒子的波动性及实验验证1．粒子的波动性(1)德布罗意波每一个15_____________的粒子都与一个对应的波相联系，这种与16_____________相联系的波称为德布罗意波，也叫17_____________.(2)物质波的波长、频率关系式波长：λ＝18______，频率：ν＝19________.运动实物粒子物质波hpεh2．物质波的实验验证(1)实验探究思路20_______、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．(2)实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了21________衍射实验，得到了22_____________的衍射图样，证实了23_____________的波动性．干涉电子束电子电子|基础小题·做一做|1．正误判断(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性．()(2)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．()(3)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波．()(4)湖面上的水波就是物质波．()(5)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．()√√××√2．关于光的波粒二象性下列说法正确的是()A．光子说完全否定了波动说B．光波频率越高，波动性越明显C．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性D．光的波粒二象性是指光和经典的波和微粒都很相似解析：选C光子说的确立，没有完全否定了波动说，而是使人们对光的本性认识更完善，光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A错误；光波频率越高，波长越短，粒子性越明显，故B错误；光具有波粒二象性，个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，故C正确；光具有波粒二象性，但与宏观概念中的波相同而与微观概念中的粒子完全不相同，故D错误．3．在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是()A．弱光衍射实验B．电子束在晶体上的衍射实验C．弱光干涉实验D．以上都不正确解析：选B1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子在晶体上能发生衍射现象，这个实验说明电子具有波动性．4．每一个运动的物体都有一个对应的波，为什么观察不到一粒飞行着的子弹的波动性？提示：宏观物体在运动时，我们观察不到它们的波动性，但也有一个波与之对应，只是对应飞行的子弹的波的波长太小了，所以观察不到子弹的波动性，但一粒飞行着的子弹的波动性还是存在的．|核心知识·记一记|1．光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性；即光具有波粒二象性．2．光子的能量ε＝hν和动量p＝hλ是描述物质的粒子性的重要物理量，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．3．德布罗意波又叫物质波，其波长和频率分别为：λ＝hp，ν＝εh.析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一光的波粒二象性|要点归纳|1．人类对光的本性认识史人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的光的微粒说，到托马斯·杨和菲涅耳的光的波动说，从麦克斯韦的光的电磁理论，到爱因斯坦的光子理论．直到二十世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性．对于光的本性认识史，列表如下：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，光速等于电磁波的速度光电效应、康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征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2.对光的波粒二象性的理解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中的波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)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(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联系大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性；频率越高粒子性越显著，频率越低波动性越显著|例题展示|【例1】如图，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器的铝箔有张角，则该实验()A．只能证明光具有波动性B．只能证明光具有粒子性C．只能证明光能够发生衍射D．证明光具有波粒二象性[解析]弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射现象，证明了光具有波动性；验电器的铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，则证明了光具有粒子性，所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．[答案]D【例2】(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是()A．大量光子的行为往往表现出波动性，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[解析]波粒二象性是光的根本属性，光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，B、C错误．[答案]AD[规律方法]解答此类问题时应把握以下三点(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，波长越短粒子性越显著．(3)个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性．|对点训练|1．下列关于波粒二象性的说法正确的是()A．光电效应现象揭示了光的波动性B．使光子一个一个地通过单缝，若时间足够长，底片上不会出现衍射图样C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性解析：选D光电效应现象揭示了光的粒子性，故A错误；根据光的波动性与粒子性的实验可知，使光子一个一个地通过单缝，若时间足够长，底片上仍然会出现衍射图样，故B错误；黑体辐射的实验规律不能使用光的波动性解释，而普朗克借助于能量子假说，完美的解释了黑体辐射规律，破除了“能量连续变化”的传统观念，故C错误；热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性，故D正确．2．(多选)下列有关光的波粒二象性的说法中，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．康普顿效应表明光具有粒子性解析：选CD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，光的有些行为(如光电效应、康普顿效应)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的一种粒子，光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，故选项C、D正确，A、B错误．★要点二物质波的理解和波长计算|要点归纳|1．对物质波的理解(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)粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．(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．2．计算物质波波长的方法(1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv.(2)根据波长公式λ＝hp求解．(3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式，如光子的能量：ε＝hν，动量p＝hλ；微观粒子的动能：Ek＝12mv2，动量p＝mv＝hλ.|例题展示|【例3】(多选)根据物质波的理论，下列说法正确的是()A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性B．微观粒子和宏观物体都具有波动性C．宏观物体的波动性不易被察觉，因为它的波长太长D．速度相同的质子和电子，电子的波动性更为明显[解析]一切运动物体都有一种波与它相对应，所以宏观物体也具有波动性，选项A错误，选项B正确；物质波的波长与其动量成反比，因宏观物体的动量较大，所以其德布罗意波长非常短，不易观察到其衍射现象，选项C错误；速度相同的质子和电子，电子的质量较小，动量较小，物质波的波长较长，故波动性明显，选项D正确．[答案]BD【例4】一颗质量为5.0kg的炮弹，(1)以200m/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400nm的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？[解析]直接利用德布罗意关系式进行计算．(1)炮弹的德布罗意波长λ1＝hp1＝hmv1＝6.63×10－345×200m＝6.63×10－37m.(2)由λ＝hp＝hmv，得v＝hmλ＝6.63×10－345×400×10－9m/s≈3.32×10－28m/s.[答案](1)6.63×10－37m(2)3.32×10－28m/s|对点训练|3．(多选)关于物质波，下列认识中错误的是()A．任何运动的物体都与一个对应的波相联系，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．与宏观物体相联系的物质波不具有干涉、衍射等现象解析：选BD任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有与其本身相联系的波，这就是物质波，故A正确；X射线的本质是电磁波，X射线的衍射实验，证实了X射线的波动性，故B错误；电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的，故C正确；物质波具有干涉、衍射等现象，故D错误．4．在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近．已知中子质量m＝1.67×10－27kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，可以估算德布罗意波长λ＝1.82×10－10m的热中子动能的数量级为()A．10－17JB．10－19JC．10－21JD．10－24J解析：选C由德布罗意波长公式λ＝hp得p＝hλ而p＝mv，则E＝p22m＝h22mλ2≈3.97×10－21J因此热中子的动能的数量级为10－21J．故选C.[课堂小结]