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 新人教版选修3-5

第十七章波粒二象性第三节粒子的波动性素养目标定位※理解光的波粒二象性※了解粒子的波动性※理解物质波的概念，知道物质波的实验验证素养思维脉络1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内课堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．光的本性(1)19世纪初托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的________、________和偏振现象。(2)19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的__________本质。(3)光电效应和康普顿效应揭示了光的__________。知识点1光的波粒二象性干涉衍射电磁波粒子性(4)光的本性大量光子产生的效果显示出_________，如干涉、_______、偏振现象个别光子产生的效果显示出_________，如___________、康普顿效应光既有_________，又具有_________，既光具有_____________。波动性衍射粒子性光电效应粒子性波动性波粒二象性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hνhλ粒子描述物质的________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。波动hνhλ1．德布罗意波任何一种实物粒子都和一个波相联系，这种波被称为德布罗意波，也叫________波。2．物质波的波长和频率波长公式λ＝______，频率公式ν＝______。知识点2粒子的波动性物质hpεh3．物质波的实验验证(1)实验探究思路干涉、衍射是______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________或________现象。(2)实验验证波1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了______________的实验，得到了类似下图的________图样，从而证实了电子的波动性。他们为此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。干涉衍射电子束衍射衍射『判一判』(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)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。()(4)一切宏观物体都具有波动性，即物质波。()(5)湖面上的水波就是物质波。()(6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。()思考辨析√×√√×√『选一选』(多选)(2019·黑龙江省哈尔滨六中高二下学期期中)波粒二象性是微观世界的基本特征，下列说法正确的是()A．光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性B．电子束的晶体衍射实验表明实物粒子具有波动性C．动能相等的质子和电子的德布罗意波长相等D．低频电磁波的粒子性显著而高频电磁波的波动性显著AB解析：光电效应和康普顿效应，能说明光具有粒子性，故A正确；电子束射到晶体上产生的衍射图样说明电子具有波动性，故B正确；动能相等的质子和电子，它们的动量：p＝2m·Ek，质子与电子的质量不同，所以动能相等的电子与质子的动量是不同的，根据德布罗意波波长公式λ＝hp，可知它们的德布罗意波长不相等，故C错误；电磁波的频率越低，则能量值越小，频率越大，则能量值越大，所以低频电磁波的波动性显著而高频电磁波的粒子性显著，故D错误。『想一想』2018年6月30日，中国运动员苏炳添在2018钻石联赛巴黎站比赛中，以9.91s的成绩再次追平了男子100m亚洲记录。设苏炳添的质量约为75kg，请计算他在100m比赛时的德布罗意波长，并说明其波动性是否明显。答案：8.76×10－37m，波动性很不明显解析：苏炳添100m跑时对应的德布罗意波波长为λ＝hp＝hmv＝6.63×10－3475×1009.91m≈8.76×10－37m可见此波长极短，其波动性很难表现出来。课内互动探究探究一对光的本性的认识曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教：光是波还是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？1提示：光具有波粒二象性。光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但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。1．光学发展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年代17世纪17世纪19世纪中20世纪初20世纪初2．对光的波粒二象性的理解光的波动性光的粒子性实验基础干涉、衍射光电效应、康普顿效应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，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述：(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著。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。(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著。二象性(1)光子说并没有否定波动性，E＝hν中，ν表示光的频率，表示了波的特征。光既具有波动性，又具有粒子性，波动性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同。(2)只有用波粒二象性，才能统一说明光的各种行为。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．大量光子的行为往往显示出粒子性解题指导：在宏观现象中，波与粒子是对立的概念，而在微观世界中，波与粒子可以统一。光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同其他物质作用时分别表现出波和粒子的特性。C典例1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，光的有些行为(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的一种粒子。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，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。〔对点训练1〕人类对光的本性认识的过程中先后进行了一系列实验，如图所示的四个示意图所表示的实验说明光具有波动性的是_______，说明光具有粒子性的是_____。ABDC解析：C为光电效应实验，证明了光的粒子性；其余的三个实验均证明了光的波动性。探究二对物质波的理解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。2提示：波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测，而微观粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础。1．德布罗意波频率：ν＝εh波长：λ＝hpε、p分别为实物粒子的能量和动量。这种波称为德布罗意波，也叫物质波。2．对德布罗意物质波的理解(1)任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都具有波动性。由于宏观物体的波长太小，其波动性不易观察到。(2)物质波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率服从波动规律。不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。(3)德布罗意假说是光的波粒二象性的推动，实物粒子和光子都既具有粒子性，又具有波动性。与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的是物质波。质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？典例2解题指导：认为运动物体将做曲线运动是容易出现的错误，以宏观观念的波来理解德布罗意波是错误的根源，德布罗意波是一种概率波，在一般情况下不能用确定的坐标描述粒子的位置，无法用轨迹描述粒子的运动，但是粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不是粒子将做曲线运动，不能将物质波与宏观意义上的机械波相混淆，物质波的实质是指粒子在空间的分布的概率是受波动规律支配的，它与机械波有着本质的区别，更不能将粒子的运动轨迹与波动性联系在一起。解析：根据德布罗意的观点，任何运动着的物体都有一种波和它对应，飞行的子弹必有一种波与之对应，由于子弹的德布罗意波长极短，我们不能观察到其衍射现象，由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。由波长公式可得λ＝hp＝6.63×10－3410×10－3×3×102m＝2.21×10－34m。因为子弹的德布罗意波长太短，无法观察到其波动性。不会看到这种现象，因德布罗意波是一种概率波，粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非宏观的机械波，更不是粒子做曲线运动。〔对点训练2〕下列说法中正确的是()A．物质波属于机械波B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性解析：物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显而已，故只有C对。C核心素养提升易错点：不能正确认识运动物体的波动性一位战士在实战训练时子弹脱靶，在分析脱靶的原因时，突然想起德布罗意波长公式后，确认未击中的原因可能与子弹的波动性有关，这是失误的理由吗？易错分析：只知实物粒子具有波动性，不会具体问题具体分析。对于宏观物体子弹来说，物质波波长仅为10－34m左右，因为波长越长衍射现象越显著，动量大的子弹的波动性忽略不计仍沿确定的轨道运动，所以未沿击中靶的抛物线运动，原因是未瞄准。案例正确解答：德布罗意波长λ＝hp远远小于子弹自身的线度，波长越短，衍射本领越小。对于子弹来说无法观察到它的波动性，子弹具有确定的轨道，宏观物体子弹脱靶的原因与波动性无关，不是产生失误的理由。正确答案：不是