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

3粒子的波动性学习目标素养提炼1.了解光的波粒二象性及其对立统一关系．2.知道实物粒子具有波动性和粒子性，会计算物质波的波长.3.知道物质波的实验验证方法.物理观念：光的波粒二象性、物质波．科学思维：利用ε＝hν与p＝hλ对光进行分析．科学探究：用类比法把光的波粒二象性推广到实物粒子.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、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，比如、、现象表明光在传播过程中具有波动性．(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．波动性干涉衍射偏振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＝.3．意义能量ε和动量p是描述物质的性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的性的典型物理量．因此ε＝和p＝揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．hνhλ粒子波动hνhλ[思考]有一位记者曾向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子．”能看出光的本性到底是什么吗？提示：光既有粒子性又有波动性，即光具有波粒二象性．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)物质波的波长、频率关系式波长λ＝hp，频率ν＝.运动实物粒子物质波εh2．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．(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．干涉电子束电子电子(3)说明①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的，对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝εh和λ＝hp关系同样正确．②宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，它们运动时的很大，对应的德布罗意波的波长，根本无法观察到它的波动性．波动性动量很小[判断辨析](1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性．()(2)光子数量越大，其粒子性越明显．()(3)物质波与机械波没有本质区别．()(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．()√×××√要点一对光的波粒二象性的理解[探究导入](1)认识光的波粒二象性应从微观角度还是宏观角度？(2)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子，这句话正确吗？提示：(1)应从微观角度认识光的波粒二象性．(2)不正确，光既具有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性．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[特别提醒](1)光既表现出波动性又表现出粒子性，要从微观的角度建立光的行为图案，认识光的波粒二象性．(2)要明确光的波动性和粒子性在不同现象中的分析方法．[典例1](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．个别光子的行为往往显示为粒子性[思路点拨]解答本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，粒子性越强．(3)个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性．[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、D正确，A、B错误．[答案]CD[总结提升]解此类题关键要抓住光的本性，即光具有波粒二象性，再从产生波粒二象性的原因出发去分析，就能较为容易地解答该类问题．1．下列哪组现象能说明光具有波粒二象性()A．光的色散和光的干涉B．光的干涉和光的衍射C．光的反射和光电效应D．光的干涉和光电效应解析：光的色散、光的反射可以从波动性和粒子性两方面分别予以理解，故A、C选项不能说明．光的干涉、衍射现象只说明了光的波动性，光电效应说明光具有粒子性，故D选项能说明，B选项不能说明．答案：D2．近年来，数码相机几乎家喻户晓，用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素，像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点，现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解为()A．光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份的B．光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的C．大量光子表现光具有粒子性D．光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性解析：由题意知像素越高形成照片的光子数越多，表现的波动性越强，照片越清晰，D项正确．答案：D要点二对物质波的理解[探究导入]德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性，可是我们观察运动着的汽车，并未感觉到它的波动性．你如何理解该问题，谈谈自己的认识．提示：宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，它们运动时的动量很大，根据λ＝hp可知，它们运动时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．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概率受统计规律支配，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．4．求解物质波波长的方法(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.(4)一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象，如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样．[特别提醒](1)一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性并不否定其波动性．(2)要注意大量光子、个别光子、宏观物体、微观粒子、概率波等相关概念的区别．[典例2]一质量为450g的足球以10m/s的速度在空中飞行；一个初速度为零的电子，通过电压为100V的加速电场．试分别计算它们的德布罗意波长．(其中，电子质量为9.1×10－31kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s)[解析]物体的动量p＝mv，其德布罗意波长λ＝hp＝hmv.足球的德布罗意波长λ1＝hm1v1＝6.63×10－34450×10－3×10m≈1.47×10－34m.电子经电场加速后，速度增加为v2，根据动能定理有12m2v22＝eU，p2＝m2v2＝2m2eU，该电子的德布罗意波长λ2＝hp2＝h2m2eU＝6.63×10－342×9.1×10－31×1.6×10－19×100m≈1.2×10－10m.[答案]1.47×10－34m1.2×10－10m[总结提升]对德布罗意波的理解(1)实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波．(2)物质波波长λ＝hp＝hmv＝εpν，公式中λ为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量．对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解．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．X射线的衍射实验解析：选项A、C证明了光的波动性，但最早证明了德布罗意波存在的实验是电子束在晶体上的衍射实验，选项B正确．由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射实验不能证明德布罗意波的存在，D错误．答案：B4．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．10－18JC．10－21JD．10－24J解析：据λ＝hp，Ek＝12mv2＝12m(pm)2，得Ek＝12m·(hλ)2，代入数据可得动能的数量级为10－21J，故C选项正确．答案：C对光的本性的认识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说，到爱因斯坦的光子说，人类对光的认识构成了一部科学史诗．微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性年代17世纪17世纪19世纪中期20世纪中期20世纪初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5．关于光的本性，下列说法中正确的是()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．故选项C正确，选项A、B、D错误．答案：C1．(对光的波粒二象性的认识)对于光的波粒二象性的说法，正确的是()A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子B．光波与机械波是同样的一种波C．光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝hν中，频率ν仍表示的是波的特性答案：D2．(对光的本性的认识)(多选)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程．下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性解析：牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，A错误；干涉是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．答案：BCD3．(对物质波的认识)(多选)关于物质