山东省专用2019_2020学年高中物理第十七章波粒二象性第3节粒子的波动性讲义含解析新人教版选修3_5.pdf
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1、第 3 节粒子的波动性第 3 节粒子的波动性 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h和动量p是描述物质的粒子性 h 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 : , h p 。 h 一、光的波粒二象性 1光的波粒二象性 (1)19 世纪初,托马斯杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象。 (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电磁波 本质。 (3)光电效应和康普顿效应揭示了光的粒
2、子性。 (4) 2光子的能量和动量 (1)能量:h。 (2)动量:p。 h (3)意义:能量和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长和频率是描 述物质的波动性的典型物理量。 因此h和p揭示了光的粒子性和波动性之间的密切 h 关系,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 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: 每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意 波,也叫物质波。 (2)物质波的波长、频率关系式: 波长: ;频率:。 h p h 2物质波的实验验证 (1)实验探究思路: 干涉、衍射是波特有的现象,如果实物粒子具有波动性,则
3、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电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证 实了电子的波动性。 (3)说明: 人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于这些粒子,德布罗意给出 的和 关系同样正确。 h h p 宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,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。 1自主思考判一判 (1)德布罗意认为实物粒子也具有波动性。() (2)光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论。() (3)波长较长的光只有波动性,没有粒子性。() (4)向前飞行的子弹具有波动性
4、。() 2合作探究议一议 (1)光的波动性与粒子性跟光波频率高低、波长的长短有怎样的关系? 提示:光波频率越低,波长越长,光的波动性越明显;光波频率越高,波长越短,光的 粒子性越明显。 (2)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。 对光的波粒二象性的理解 1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波动 说,从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯
5、坦的光子说。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 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
6、 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 (1)粒子的含义是“不 连续”“一份一份” 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 的 (2)光子不同于宏观 观念的粒子 典例 多选下列说法正确的是( ) 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
7、著;波长越短,其粒子性越显著 D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 思路点拨 解答本题应注意以下三个方面: (1)光子与实物粒子的区别。 (2)光的波粒二象性是光的本性。 (3)光显示波动性或粒子性是有条件对应的。 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,A 错误;虽然 光子和电子都是微观粒子,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 以不能说光子和电子是同样的一
8、种粒子,B 错误;波长长,容易发生干涉、衍射,波动性强, 反之,波长短,光子能量大,粒子性强,C 正确;干涉、衍射是波特有的现象,光电效应说明 光具有粒子性,D 正确。 答案 CD 1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h中, 频率仍表示的是波的特性 解析:选 D 光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性,当光和物质作用时, 是“一份一份”的,表现出粒子性;单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波
9、 动规律描述, 表现出波动性。 粒子性和波动性是光子本身的一种属性, 光子说并未否定电磁说。 2下面关于光的波粒二象性的说法中,不正确的是( ) 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 解析:选 D 光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子的 粒子性比较明显,故 A 正确;在光的波粒二象性中,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,故 B 正确;光在传播
10、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, 故 C 正确 ; 光的波粒二象性是指光有时表现为波动性, 有时表现为粒子性, 二者是统一的,故 D 错误。 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。 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。 典例 如果一个中子和一个
11、质量为 10 g 的子弹都以 103 m/s 的速度运动, 则它们的德布 罗意波的波长分别是多大?(中子的质量为 1.671027 kg) 思路点拨 (1)子弹的动量p可用pmv求解。 (2)德布罗意波长与物体的动量p的关系: 。 h p 解析 中子的动量为:p1m1v,子弹的动量为:p2m2v, 据 知中子和子弹的德布罗意波长分别为:1,2 h p h p1 h p2 联立以上各式解得:1,2 h m1v h m2v 将m11.671027 kg, v1103 m/s,h6.631034 Js, m21.0102 kg 代入上面两式可解得: 13.971010 m,26.631035 m。
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