1、崭新的一页：粒子的波动性教案设计与分析福建石狮市永宁中学 陈忠煜一、教学内容分析1、教材的内容与地位本节内容为新课程人教版选修模块3-5第3节 。旧教材对这部分内容要求很低，教师往往很难把握，本节课的主要围绕光的波粒二象性，德布罗意波（物质波）等内容展开，新课标内容要求知道光具有波粒二象性，知道波与粒子的理论联系；通过对物质波的学习，知道德布罗意波（物质波）及德布罗意波长计算，了解德布罗意波物质波验证实验；通过对物理学史的学习还了解到人类直接经验的局限性，人类对世界的探究是不断深入的，渗透了辩证的思想，本课始终洋溢着大胆创新、勇于探索、实事求是科学的态度和科学精神以及类比法和实践法等科学方法。
2、本节内容有利于学生的终身发展。既于光的波动性、粒子性已学过但比较零散，所以本课按照光的认识发展史回顾整理，由光到粒子再到实物都具有二波粒象性为线索进行展开，通过科学家的研究历程的学习来增加学生的学习物理的兴趣，进行知识有价的教育，同时由于本节内容较为抽象，无法利用实验直接进行探究，所以教学过程选择了自主教学与理论探究相结合的方法，同时借助网络借鉴物理学史进行教学。2、教学目的1、知道实物粒子和光子一样都具有波粒二象性2、会从能量、动量、波长、频率的角度分析波和粒子之间的联系3、知道德布罗意波，会计算德布罗意波波长4、通过学习增加学生的学习物理的兴趣，激发学生热爱科学、探索真理的热情，拓展学生的
3、知识面，促进学生的自主学习。5、通过对物理学史的学习还了解到人类直接经验的局限性，人类对世界的探究是不断深入的，渗透辩证的思想、科学的精神和科学的方法，促进了科学世界观和价值观的形成。3、教学重点、难点重点：知道德布罗意波及德布罗意波波长计算粒子同样具有波动性。难点：理解德布罗意波（物质波）及表现规律。二、教学案例设计（一）回顾科学家对光本质的认识历程，引入新课。（采取学生自由发言，教师引导归纳的方法，同时多媒体辅助）光的发展史(光的本性)1、十七世纪初笛卡儿两种假说：光是类似于微粒的一种物质光是一种以“以太”为媒质的压力2、十七世纪光的微粒说(代表人物-牛顿)：光是从光源发出的一种物质微粒，
4、在均匀介质中以一定的速度传播，能解释光的反射现象、析射现象。3、同时期光的波动说(代表人物-惠更斯) ：认为光是一种波，在实验中观察到了光的干涉和衍射现象，这是波动的特征，微粒说无法解释。4、光的电磁说(十九世纪：代表人物-麦克斯韦) 麦克斯韦认为光是一种电磁波,赫兹用实验证实了光的电磁本性.光是电磁波的主要依据：传播都不需介质.都是横波.在真空中传播速度相同。5、19世纪末赫兹等又发现了-光电效应现象，用波动说无法解释。6、爱因斯坦于20世纪初提出了光子说，认为光具有粒子性，从而解释了光电效应。从笛卡儿两种假说到牛顿与胡克、牛顿与惠更斯粒子说与波动说之争，再到麦克斯韦、赫兹、普朗克和爱因斯坦
5、的对光的进一步认识。在新的事实与理论面前，终于以光即具有波动性，又有粒子性即光具有波粒二象性而画一下圆满的句号。（多媒体展示）原来相互矛盾的两种学术，后来发现只是一个事的两个表现形式，并非有此无彼，而是彼中有我，我中有你，最后以爱因斯坦提出的“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。为此爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。（二）从理论说明波和粒子是不可分的1、回顾分析：（由同学们在回顾上节内容的前提下猜想回答，进入理论探究）实际上，上一节虽然讲的是光的粒子性却也含着光的波动性的内容，请同学们想一想是什么内容呢？光子能量公式：=h 光子动量公式：p=h/（教师提示多媒体辅助）以上两个公式中和p是物质所具有的粒
6、子性的重要物理量，而是波长与频率是波动性的典型物理量，所以两式左侧是粒子性，而右侧却是波动性，它们通过普朗克常量h联系，可见光的波动性与粒子性并不矛盾。光的波动性和粒子性是一对矛盾的两个方面，彼此含有对方的成份，共存于光的统一体中。（2）对光的进一步讨论，帮助理解粒子波动性：光在传播过程中波动性显著，光在与物质作用时粒子性表现显著。大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果则显示出粒子性。频率越低的光，波动性越显著，频率越高的光，粒子性越显著。（三）对物质波动的深入探究（重点内容）1、问题的提出法国巴黎大学的学生德布罗意并不满足人们对光具有波粒二象性的认识，在独立思考的基础上他采用纯类
7、比的方法大胆的提出了一个假设，这个假设是怎样呢？主要内容是什么？由学生自主看书回答上问题。教师进行归纳板书：德布罗意认为“波粒二象性不是光才具有，一切实物粒子(电子、质子、中子)均具有波粒二象性。它们的能量和动量与它们对应的频率和波长也遵循如下关系：粒子能量公式=h；粒子动量公式p=h/”。2、创设问题情景，激发学生亢奋心理（说明：实施启发教学，启发的关键在于创设一种问题情景，成功激发学习动机，这里创设以下问题情景：首先提出子弹波问题，通过人们对这一问题的看法的推进激化矛盾，从而产生亢奋心理，进入微焦虑状态）提出子弹波问题：如果实物粒子也具有波动性，那飞行的子弹也跟光子一样具有波粒二象性，不但
8、有能量也象水波等波一样具有波长和频率？对假设的看法：当时提出这个假设以后他自己都认为他的这些思想是“没有科学特征的狂想曲”，但爱因斯坦却说“瞧瞧吧，看似疯狂，不过的确站的住脚！”。学生自主提出看法：既然爱因斯坦都说了的确站的住脚，那德布罗意假设就正确对吗？同学们你们怎么想呢？（学生一定会提出反对意见，但他不一定知道只有通过实验证才能确定对错）3、那么什么实验能验证实物例子具有波动性呢？说明：在学生思考的同时，用类比法引出光的干涉和衍射实验是验证物质波动性的最好方法。（应用刚学过的方法：类比法引导）4、如何来做这个实验呢？用什么实物粒子最适合呢？（采用师生互动的方式讲解分析）1、根据产生明显衍射
9、的条件：小孔或障碍物的大小与光的波长差不多时可产生明显衍射。2、由光子动量公式：=h/p。可知p越小就越大，产生衍射图样就越容易，所以要选小质量的电子等来做实验最适合。德布罗意在博士论文答辩中指出“一束电子穿过非常小的孔，可以产生衍射现象，这是用实验来验证假设的是否正确的方向”。但在德国无人响应。戴维孙和汤姆孙分别利用电子束做实验得到了明显的衍射图样，从而证实了电子的波动性。他们为些获得了1937年的诺贝尔物理学奖。汤姆孙因发现电子也曾获诺贝尔物理学奖，创造了奇迹。1、戴维逊实验X-射线是波长为十分之几纳米的电磁波， 电子束衍射图样与X-射线晶体衍射图样相似。电子束电电子束衍射图样 X-射线晶
10、体衍射图样 电子双缝干涉图样（上）杨氏双缝干涉图样（下）戴维森的发现电子衍射获得了1937年的诺贝尔物理学奖。电子束 2、汤姆逊实验x射线通过晶体产生衍射花纹，电子束通过晶体产生类似衍射花纹，根据衍射花纹结构可算出电子波的波长，理论值与实践值相符。因此汤姆逊获得了1937年的诺贝尔物理学奖。电子束衍射实验 电子束衍射图样与X-射线晶体衍射图样对比5、虽然电子被证实具有波动性，但仍不能保证其它粒子也有波动性？1、经过科学家的陆续研究证实了质子、中子以及原子、分子都具有波动性，德布罗意给出的：=h ；p=h/同样也相符得很好。1929年德布罗意因此得了诺贝尔物理学奖，成为了以学位论文获此殊荣的第一
11、人。2、介绍我国科学家在这方面的贡献：通过一氧化碳分子碰撞实验证明了量子干涉效应对分子碰撞传能的重要影响。参看：6、既然实物粒子也具有波动性，可是并没有看见飞行的子弹等类实物有波动性呢？假如子弹也波动还能打准物体吗？（生生互动，师生互动）1、提出上述问题，学生思考讨论。2、要求同学们估算子弹的德布罗意波长。3、教师下去察看，收集两个算得较准确的上台演板。4、在些基础上教师根据公式估算子弹的德布罗意波长。5、再问学生为什么不见子弹的波动性。（学生思考如下问题）1、然物质都有，声波波动性如此明显而树上掉下的苹果粒子性那么明显，物质波粒二象性的表现有什么规律呢？2、能否认为质量小的粒子波动性强，而质
12、量大粒子的粒子性强呢？3、大量粒子产生的效果显示出波动性强，个别粒子产生的效果则显示出粒子性强？4、频率越低的物质，波动性越显著，频率越高的物质，粒子性越显著？（7）回顾本节内容，学生阅读课本上的科学漫步。三、案例评析：本节课的设计不仅关注知识及知识的形成过程，更注重科学素质的培养，也关注情感态度价值观方面的东西。教师通过对光的本质的认识这一线索，对光的有关知识进行重新复习，对光的粒子性与波动性有一个系统的全面的认识。通过光子能量公式、动量公式，两式左侧是粒子性，而右侧却是波动性，以及联系量普朗克常量h，从理论上光波与粒子之间的联系。再利用实验和物理学史对物质波动性的深入探究，从德布罗意波的提出、验证、物质波理论的形成到诺贝尔物理学奖的获得。不但学到了许多知识，更重要的是让学生明确科学的探究是不断的深入的，理论是在不断发展的，了解到人类直接经验的局限性和曲折历程，渗透辩证的思想特别是培养了敢于创新，勇于实践，实事求是科学的精神和科学态度以及类比法、实践法等科学的方法，同时意识到科学有价，意识到物质世界尽管千差万别，却又有共同的规律波粒二象性，这大大的扩展和深化了人们对物质世界的认识，并为进一步研究微观世界提供了思想武器。整节课力图体现学生主体意识，问题意识，建构意识，保护学生的学习兴趣，采用启发性教学，重视科学探究，注重科学素质的培养。