1、-1-3 粒子的波动性-2-3 粒子的波动性 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 学习目标 思维脉络 1.知道光的本性认识史。2.知道光的波粒二象性,理解其对立统一的关系。3.会用光的波粒二象性分析有关现象。4.理解德布罗意波,会解释相关现象。-3-3 粒子的波动性 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 1.光的波粒二象性(1)(2)光子的能量和动量:能量表达式=h,动量表达式 p=。(3)意义:能量 和动量 p
2、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关系。-4-3 粒子的波动性 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 2.粒子的波动性及实验验证(1)粒子的波动性:德布罗意波:任何一种实物粒子都和一个波相对应,这种波被称为德布罗意波,也叫物质波。物质波的波长和频率:波长公式=,频率公式=。(2)物质波的实验验证: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,则在一定条件下,也应该发生干涉或衍射现象。实验验
3、证:1927 年戴维孙和 G.P.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。说明:(a)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。(b)宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,宏观物体运动时的动量很大,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。-5-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究一人类对光的本性的研究问题导引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
4、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?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。-6-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 名师精讲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坦的光子说。直到20
5、 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:-7-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 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
6、具有电磁本性的物质,既有波动性又有粒子性 理论领域 宏观世界 宏观世界 微观世界 微观世界 微观世界 -8-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 2.对光的波粒二象性的理解 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
7、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 -9-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 警示光子是能量为 h 的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率 有关,体现了波动性,所以光子是统一了波粒二象性的微粒。但是它在不同条件下的表现不同,大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性;光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;频率低的光波动性更强,
8、频率高的光粒子性更强。-10-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 例题 1有关光的本性,下列说法正确的是()A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性解析:光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体
9、的两个不同侧面、不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性。只有选项 D 正确。答案:D-11-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 反思要注意,不可用宏观观念中的机械模型来理解光的波粒二象性认为光子像一个个的小球在做机械振动,从而形成了光波。这种粒子不是宏观观念中的粒子,这种波也不是宏观观念中的波。-12-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检
10、测 变式训练 1对光的认识,下列说法中正确的是()A.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B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了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明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显解析: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,因为波动性表现为粒子分布概率,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
11、确选项有 A、B、D。答案:ABD探究一 探究二-13-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究二对德布罗意波的理解问题导引德布罗意认为运动着的物体均有波动性,可是我们观察运动着的汽车,并未感到它的波动性,你如何理解该问题?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,只是宏观物体质量大,动量大,波长短,难以观测,但是微观实物粒子,如质子、电子、中子等的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础。-14-3 粒子的波动性 ZHON
12、GNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 名师精讲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几率受统计规律支配,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。4.对于光,先有波动性(即 和),再在量子理论中引入光子的能量 和动量 p 来
13、补充它的粒子性。反之,对于实物粒子,则先有粒子概念(即 和 p),再引入德布罗意波(即 和)的概念来补充它的波动性。不过要注意这里所谓波动和粒子,仍然都是经典物理学的概念,所谓补充仅是形式上的。综上所述,德布罗意的推想基本上是爱因斯坦 1905 年关于光子的波粒二象性理论(光粒子由波伴随着)的一种推广,使之包括了所有的物质微观粒子。-15-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 警示(1)物质波理论上是说任何一个运动的物体(如实物粒子等)都具有波动性,即其行为服从波动规律。(2
14、)物质波理论告诉我们,任何微观粒子都既具有粒子性又具有波动性,即与光一样,也具有波粒二象性。波粒二象性是光子、电子、质子等微观粒子都具有的基本属性。-16-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 例题 2如果一个中子和一个质量为 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少?(中子的质量为 1.6710-27kg,h=6.6310-34 Js)解析:中子的动量为 p1=m1v子弹的动量为 p2=m2v由公式=知,中子和子弹的德布罗意波长分别为 中=1和
15、子=2因此可得到 中=1,子=2,代入数据得 中=4.010-10 m 子=6.6310-35 m。答案:4.010-10 m 6.6310-35 m反思任何一个运动的物体,都有一种波与之对应,其波长为=。探究一 探究二-17-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 变式训练 2一质量为 450 g 的足球以 10 m/s 的速度在空中飞行;一个初速度为零的电子,通过电压为 100 V 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 9.110-31 kg,普朗克常
16、量 h=6.6310-34 Js。-18-3 粒子的波动性 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 解析:物体的动量 p=mv,其德布罗意波长=。足球的德布罗意波长1=11=6.6310-3445010-310 m1.4710-34 m电子经电场加速后,速度增加为 v2,根据动能定理有12m222=eUp2=m2v2=22该电子的德布罗意波长2=2=22=6.6310-34 29.110-311.610-19100m1.210-10 m。答案:1.4710-34 m 1.210-10 m-19-
17、3 粒子的波动性 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 51.关于光的波粒二象性的理解正确的是()A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子,低频光是波D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著解析:光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,选项 D 正确;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,选项 A 正确;光在传播时波
18、动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,选项 B 错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,选项 C 错误。答案:AD-20-3 粒子的波动性 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 52.关于物质波,下列说法错误的是()A.任何运动的物体(质点)都伴随一种波,这种波叫物质波B.X 射线的衍射实验,证实了物质波假设是正确的C.电子的衍射实验,证实了物质波假设是正确的D.宏观物体尽管可以看作物质波,但它们不具有干涉、衍射等现象解析:据德布罗意物质波理论知,任何一个运动的物体,小到电子、质子
19、,大到行星、太阳,都有一种波与之相对应,这种波就叫物质波,可见,选项 A 正确;由于 X射线本身就是一种波,而不是实物粒子,故 X 射线的衍射现象,并不能证实物质波理论的正确性,即选项 B 错误;电子是一种实物粒子,电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性,故选项 C 正确;由电子穿过铝箔的衍射实验知,少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的,无规律的,但大量电子穿过铝箔后落的位置则呈现出衍射图样,即大量电子的行为表现出电子的波动性,干涉、衍射是波的特有现象,只要是波,都会发生干涉、衍射现象,故选项 D 错误。答案:BD-21-3 粒子的波动性 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 X
20、INZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 53.现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是()A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多B.肥皂液是无色的,吹出的肥皂泡却是彩色的C.质量为 10-3 kg、速度为 10-2 m/s 的小球,其德布罗意波长为 10-28 m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹D.人们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大致相同解析:光电效应体现光的粒子性,选项 A 错误;肥皂泡看起来是彩色的,这是薄膜干涉现象,体现
21、光的波动性,选项 B 正确;由于小球的德布罗意波长太短很难观察到其波动性,选项 C 错误;人们利用热中子的衍射现象研究晶体结构,所以能够体现波动性,选项 D 正确。答案:BD-22-3 粒子的波动性 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 54.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=1.6710-27 kg,普朗克常量h=6.6310-34 Js,可以估算出德布罗意波长=1.8210-10 m 的热中子的动量的数量级可能是(
22、)A.10-17 kgm/sB.10-18 kgm/sC.10-20 kgm/sD.10-24 kgm/s解析:根据德布罗意波长公式=得 p=6.6310-341.8210-10 kgm/s=3.610-24 kgm/s 可见,热中子的动量的数量级是 10-24 kgm/s。答案:D-23-3 粒子的波动性 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 55.一颗质量为 5.0 kg 的炮弹以 200 m/s 的速度运动时,它的德布罗意波的波长多大?假设它以光速运动,它的德布罗意波的波长多大?若要使它的德布罗意波的波长与波长是 400 nm 的紫光波长相等,则它必须以多大的速度运动?解析:炮弹的德布罗意波的波长为=6.6310-345.0200m=6.6310-37 m它以光速运动时的德布罗意波的波长为 2=6.6310-345.03108m=4.4210-43 m由=得 v=6.6310-345.040010-9 m/s=3.310-28 m/s。答案:6.6310-37 m 4.4210-43 m 3.310-28 m/s
