高中物理 第17章 波粒二象性 3 粒子的波動性課件 新人教版選修3-5.ppt

3 粒子的波動性,情 景 導(dǎo) 入,如圖,一臺電子顯微鏡,豎直圓筒的上、下兩端分別裝著負(fù)極和正極,電壓可高達(dá)1×106 V。它的分辨本領(lǐng)很高,可以看清大小為0.2 nm的物體。 你知道電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)與哪些因素有關(guān)嗎?,思 維 導(dǎo) 圖,一,二,填一填,練一練,一、光的波粒二象性(見課本第37頁) 1. 2.光子的能量和動量:能量表達(dá)式=h,動量表達(dá)式 。 3.意義:能量和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量;波長和頻率是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量。因此=h和 揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系。,一,二,填一填,練一練,二、粒子的波動性及實驗驗證(見課本第37頁) 1.粒子的波動性 (1)德布羅意波:任何一種實物粒子都和一個波相對應(yīng),這種波被稱為德布羅意波,也叫物質(zhì)波。 (2)物質(zhì)波的波長和頻率: 2.物質(zhì)波的實驗驗證 (1)實驗探究思路:干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象,如果實物粒子具有波動性,則在一定條件下,也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。 (2)實驗驗證:1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實驗,得到了電子的衍射圖樣,證實了電子的波動性。,一,二,填一填,練一練,(3)說明: 人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性,對于這些粒子,德布羅意給出的 關(guān)系同樣正確。 宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多,宏觀物體運(yùn)動時的動量很大,對應(yīng)的德布羅意波的波長很小,根本無法觀察到它的波動性。,填一填,練一練,下列說法中正確的是( ) A.質(zhì)量大的物體,其德布羅意波長小 B.速度大的物體,其德布羅意波長小 C.動量大的物體,其德布羅意波長小 D.動能大的物體,其德布羅意波長小 解析:由德布羅意假說知德布羅意波長 ,式中h為普朗克常量,p為運(yùn)動物體的動量,可見p越大,越小;p越小,越大。故C正確,A、B、D錯誤。 答案:C,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一人類對光的本性的研究 曾有一位記者向物理學(xué)家諾貝爾獎獲得者布拉格請教:光是波還是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一個波,星期二、四、六它是一個粒子,星期天物理學(xué)家休息?！蹦敲垂獾谋拘缘降资鞘裁茨?你是如何理解的?,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.對光的本性認(rèn)識史 人類對光的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的歷程,從牛頓的光的微粒說到托馬斯·楊和菲涅耳的波動說,從麥克斯韋的光的電磁說到愛因斯坦的光子說。直到20世紀(jì)初,對于光的本性的認(rèn)識才提升到一個更高層次,即光具有波粒二象性。對于光的本性認(rèn)識史,列表如下:,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,2.對光的波粒二象性的理解,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題1】 有關(guān)光的本性,下列說法正確的是( ) A.光既具有波動性,又具有粒子性,兩種性質(zhì)是不相容的 B.光的波動性類似于機(jī)械波,光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn) C.大量光子才具有波動性,個別光子只具有粒子性 D.由于光既具有波動性,又具有粒子性,無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認(rèn)為光具有波粒二象性 解析:光既具有波動性,又具有粒子性,但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子。波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn),是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性,我們無法用其中的一種去說明光的一切行為,只能認(rèn)為光具有波粒二象性。只有選項D正確。 答案:D,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練1 對光的認(rèn)識,下列說法中正確的是( ) A.個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動性 B.光的波動性是光子本身的一種屬性,不是光子之間的相互作用引起的 C.光表現(xiàn)出波動性時,就不具有粒子性了;光表現(xiàn)出粒子性時,就不具有波動性了 D.光的波粒二象性應(yīng)理解為:在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯,在另外某種場合下,光的粒子性表現(xiàn)明顯,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動性;光與物質(zhì)相互作用,表現(xiàn)為粒子性,光的傳播表現(xiàn)為波動性;光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性,因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率,光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性,因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律,故正確選項有A、B、D。 答案:ABD,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究二對物質(zhì)波的理解 德布羅意認(rèn)為任何運(yùn)動著的物體均有波動性,可是我們觀察運(yùn)動著的汽車,并未感覺到它的波動性。你如何理解該問題,談?wù)勛约旱恼J(rèn)識。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.任何物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽都存在波動性,我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性,是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的緣故。 2.粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率受統(tǒng)計規(guī)律支配,不要以宏觀觀念中的波來理解德布羅意波。 3.德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣,使之包括了所有的物質(zhì)粒子,即光子與實物粒子都具有粒子性,又都具有波動性,與光子對應(yīng)的波是電磁波,與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,4.求解物質(zhì)波波長的方法 (1)根據(jù)已知條件,寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達(dá)式p=mv。 (2)根據(jù)波長公式 求解。 (3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動量的不同表達(dá)式。如光子的能量=h,動量 ;微觀粒子的動能 ,動量p=mv。 (4)一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短,波動性很不明顯,難以觀察到其衍射現(xiàn)象,如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】如果一個中子和一個質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動,則它們的德布羅意波的波長分別是多少?(中子的質(zhì)量為1.67×10-27 kg,h=6.63×10-34 J·s) 解析:中子的動量為p1=m1v 子彈的動量為p2=m2v 中=4.0×10-10 m 子=6.63×10-35 m。 答案:4.0×10-10 m 6.63×10-35 m,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2 一質(zhì)量為450 g的足球以10 m/s的速度在空中飛行;一個初速度為零的電子,通過電壓為100 V的加速電場。試分別計算它們的德布羅意波長。其中,電子質(zhì)量為9.1×10-31 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1,2,3,4,5,1.關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是( ) A.大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B.光在傳播時是波,而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子 C.高頻光是粒子,低頻光是波 D.波粒二象性是光的根本屬性,有時它的波動性顯著,有時它的粒子性顯著 解析:光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯,有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯,選項D正確;大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性,選項A正確;光在傳播時波動性顯著,光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著,選項B錯誤;頻率高的光粒子性顯著,頻率低的光波動性顯著,選項C錯誤。 答案:AD,1,2,3,4,5,2.關(guān)于物質(zhì)波,下列說法錯誤的是( ) A.任何運(yùn)動的物體(質(zhì)點(diǎn))都伴隨一種波,這種波叫物質(zhì)波 B.X射線的衍射實驗,證實了物質(zhì)波假設(shè)是正確的 C.電子的衍射實驗,證實了物質(zhì)波假設(shè)是正確的 D.宏觀物體盡管可以看作物質(zhì)波,但它們不具有干涉、衍射等現(xiàn)象,1,2,3,4,5,解析:據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論知,任何一個運(yùn)動的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽,都有一種波與之相對應(yīng),這種波就叫物質(zhì)波,可見,選項A正確;由于X射線本身就是一種波,而不是實物粒子,故X射線的衍射現(xiàn)象,并不能證實物質(zhì)波理論的正確性,即選項B錯誤;電子是一種實物粒子,電子的衍射現(xiàn)象表明運(yùn)動著的實物粒子具有波動性,故選項C正確;由電子穿過鋁箔的衍射實驗知,少量電子穿過鋁箔后所落位置是散亂的,無規(guī)律的,但大量電子穿過鋁箔后落的位置則呈現(xiàn)出衍射圖樣,即大量電子的行為表現(xiàn)出電子的波動性,干涉、衍射是波的特有現(xiàn)象,只要是波,都會發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,故選項D錯誤。 答案:BD,1,2,3,4,5,3.下列說法正確的是( ) A.物質(zhì)波屬于機(jī)械波 B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性 C.德布羅意認(rèn)為,任何一個運(yùn)動著的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽都具有一種波和它對應(yīng),這種波叫做物質(zhì)波 D.宏觀物體運(yùn)動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運(yùn)動時不具有波動性 解析:物質(zhì)波是一切運(yùn)動著的物體所具有的波,與機(jī)械波性質(zhì)不同,宏觀物體也具有波動性,只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯,故只有選項C正確。 答案:C,1,2,3,4,5,4.在中子衍射技術(shù)中,常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu),因為熱中子的德布羅意波長與晶體中原子間距相近,已知中子質(zhì)量m=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算出德布羅意波長=1.82×10-10 m的熱中子的動量的數(shù)量級可能是( ) A.10-17 kg·m/s B.10-18 kg·m/s C.10-20 kg·m/s D.10-24 kg·m/s 解析:根據(jù)德布羅意波長公式 可見,熱中子的動量的數(shù)量級是10-24 kg·m/s。 答案:D,1,2,3,4,5,5. (選做題) 如圖,為證實電子波存在的實驗裝置,從F上漂出的熱電子可認(rèn)為初速度為零,所加加速電壓U=104 V,電子質(zhì)量為m=0.91×10-30 kg。電子被加速后通過小孔K1和K2后入射到薄的金膜上,發(fā)生衍射,結(jié)果在照相底片上形成同心圓明暗條紋。試計算電子的德布羅意波長。,1,2,3,4,5,