高中物理第章波粒二象性3粒子的波动性学案新人教版选修.pdf
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1、 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 3 粒子的波动性 学习目标 1.知道光的本性的认识史了解光的波粒二象性及其对立统一关系.2.了解粒子的 波动性,知道物质波的概念.3.了解什么是德布罗意波,会解释有关现象 一、光的波粒二象性 导学探究 人类对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验,比如: 光的单缝衍射实验(图 A) 光的双孔干涉实验(图 B) 光电效应实验(图 C) 光的薄膜干涉实验(图 D) 康普顿效应实验等等 (1)在以上实验中哪些体现了光的波动性?哪些体现了光的粒子性? (2)光的波动性和光的粒子性是否矛盾? 答案(1)单缝衍射、双孔干涉、薄膜干涉体现了光的波动性 光电效应
2、和康普顿效应体现了光的粒子性 (2)不矛盾 大量光子在传播过程中显示出波动性,比如干涉和衍射当光与物质发生作用时, 显示出粒子性,如光电效应、康普顿效应光具有波粒二象性 知识梳理 (一)人类对光的本性的研究 学说微粒说波动说电磁说光子说波粒 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 名称二象性 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
3、 光是具有电 磁本性的物 质,既有波 动性,又有 粒子性 (二)光的波粒二象性 1. 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 h 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系 即学即用 判断下列说法的正误 (1)光的干涉、衍射、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)光在传播过程中,有的光是波,有的光是粒子( ) 二、物质波 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 导学探究 德
4、布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性,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? 答案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 知识梳理 对物质波的认识 1粒子的波动性 (1)德布罗意波:任何运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与它相 对应,这种波叫物质波,又叫德布罗意波 (2)物质波波长、频率的计算公式为 h p, h. (3)我们之所以看不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体的动量太大,德布罗意波长太小的 缘故 2物质波的实验验证 (1)实验探究
5、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的实验,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 h和 h p关系同样正确 物质波也是一种概率波 即学即用 判断下列说法的正误 (1)一切宏观物体都伴随一种波,即物质波( ) (2)湖面上的水波就是物质波( ) (3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性( ) 一、光的波粒二象性的理解 1大量光子产生的效果显示出波动性;个别光子产生
6、的效果显示出粒子性 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 2光子和电子、质子等实物粒子一样,具有能量和动量和其他物质相互作用时,粒子性起 主导作用;在光的传播过程中,光子在空间各点出现的可能性的大小(概率 ),由波动性起主 导作用,因此称光波为概率波 3频率低、波长长的光,波动性特征显著,而频率高、波长短的光,粒子性特征显著 4光子的能量与其对应的频率成正比,而频率是描述波动性特征的物理量,因此h揭示 了光的粒子性和波动性之间的密切联系 例 1(多选 )对光的认识,以下说法中正确的是( ) A个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性 B高频光是粒子,低频光是波 C光表现出波动
7、性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不再具有波动性了 D光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现得明显,在另外某种场合下, 光的粒子性表现得明显 答案AD 解析个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性;光与物质相互作用, 表现为粒子性,光的传播表现为波动性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,频率高的 光粒子性强,频率低的光波动性强,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的 个别行为呈现出波动规律,故正确选项为A、D. 针对训练1 关于光的波粒二象性,下列理解正确的是( ) A当光子静止时有粒子性,光子传播时有波动性 B光是一种宏观粒子,但它按波的方式传
8、播 C光子在空间各点出现的可能性大小(概率 )可以用波动规律来描述 D大量光子出现的时候表现为粒子性,个别光子出现的时候表现为波动性 答案C 解析光子是不会静止的,大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出 粒子性,故A、D 错误;光子不是宏观粒子,光在传播时有时看成粒子有时可看成波,故B 错误;光子在空间各点出现的可能性大小(概率 )可以用波动规律来描述,故C 正确 二、对物质波的理解 例 2质量为 10 g、速度为300 m/s 在空中飞行的子弹,其德布罗意波长是多少?为什么我 们无法观察到其波动性? 答案2.21 10 34 m 由于子弹的德布罗意波长极短,无法观察到其波动
9、性 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 解析由德布罗意波长公式可得 h p 6.631034 10 103300 m2.211034 m. 因子弹的德布罗意波长太短,故无法观察到其波动性 针对训练2 (多选 )下列说法中正确的是( ) A物质波也叫德布罗意波 B物质波也是概率波 C光波是一种概率波 D光波也是物质波 答案ABC 解析物质波,又称德布罗意波,是概率波,指空间中某点某时刻可能出现的几率,其中概 率的大小受波动规律的支配,故A、B 正确光波具有波粒二象性,波动性表明光波是一种 概率波,故C 正确由于光子的特殊性,其静止质量为零,所以光不是物质波,故D 错误 德布罗意波长的计算
10、(1)首先计算物体的速度,再计算其动量如果知道物体动能也可以直接用p2mEk计算其 动量 (2)再根据 h p计算德布罗意波长 (3)需要注意的是:德布罗意波长一般都很短,比一般的光波波长还要短,可以根据结果的数 量级大致判断结果是否合理 1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;光的波长越短,其粒子性越显著 D大量光子的行为往往表现出粒子性 答案C 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 积一时之跬步臻千里之遥程 马鸣风萧萧整理 光电效应 )表现出粒子
11、性,A 错误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B 错误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,其粒子性越显著,故选项C 正确, D 错误 2下列关于德布罗意波的认识,正确的解释是( ) A任何一个物体都有波和它对应,这就是物质波 BX 光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C电子衍射证实了物质波的假设是正确的 D宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以
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