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第二节 实物粒子的波粒二象性
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第六章 波粒二象性
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
1.知道实物粒子具有波动性, 知道粒子的能量E与相应波的频率ν之间的关系，知道粒子的动量p与相应波长λ之间的关系。
2.初步了解不确定性关系。
素养目标
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、德布罗意假说
电磁波
光 子
光的波动性
光的粒子性
波长
频率
波速
动质量
能量
动量
波的干涉
波的衍射
横波偏振
波动参量
波的行为特性
粒子参量
粒子的行为特性
黑体辐射
光电效应
康普顿效应
光具有波粒二象性。
实物粒子是否也会同时具有波动性呢？
新课讲解
粒子的能量E与相应的波的频率v之间的关系为
粒子的动量p与相应波长λ之间的关系为
德布罗意
德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，即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。
粒子性
波动性
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
实物粒子具有波粒二象性
λ＝
ν＝
新课讲解
二、德布罗意假说的实验探索
1. 实验思路
找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样
物质波验证方法：
波的干涉
波的衍射
波的行为特性
单缝宽 0.8mm
单缝宽 0.4mm
新课讲解
2. 实验材料
比如：电子的质量m=9.1×10-31 kg，用200 V的加速电压给他加速能量就是200 eV。此时它的波长是多少呢？
与X射线的波形长相当
食盐晶体结构
0.1 nm
新课讲解
戴维孙
革末
3. 实验验证——衍射图样
1927年戴维森和汤姆孙分别用单晶和多晶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。
新课讲解
从灯丝K射出的电子经加速电压U加速后，通过狭缝D成为很细的平行电子束，射到单晶体M上，用与探测器B相连的电流计G测量反射的电流。实验时保持θ角不变，研究加速电压U和反射电流I之间的关系。
实验方法
实验结果
电流I不随电压U的增大而单调增大或减小，呈现出的规律与X射线在晶体上反射产生的衍射规律相似。
实验结论
表明电子具有波动性。
新课讲解
1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性。
汤姆孙
（G．Thomson，1892-1975）
戴维孙和汤姆孙分别独立证实了电子的波动性，并因此共同获得了诺贝尔物理学奖。
将电子束经上万伏高压加速，使其能量为10～40keV，电子可穿过固体薄箔，直接产生衍射图样（图6-15）。
新课讲解
1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片（图6-16）。
这些实验结果都证明了电子具有波动性。
新课讲解
4. 粒子波动性的作用
扫描隧道显微镜（STM）以一根非常细小的针尖和被研究物质的表面为两个导体，形成两个电极。当针尖与样品表面非常接近（一般小于1nm）时，由于电子存在波动性，电子就会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一极，这种电流称为隧道电流。隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离密切相关。测量时让针尖在样品表面扫描，控制隧道电流不变，针尖随样品表面高低起伏。针尖的三维运动信号可通过计算机系统在屏幕上直接显示，或者在记录纸上打印下来，获得样品表面的三维立体信息。
在低温下，利用STM可对原子进行直接操纵和排布；在常温下，也可对单个原子进行拾取和填充，实现了按人类意愿重新排布单个原子的梦想。
新课讲解
三、不确定关系
海森堡
（W．Heisenberg，1901-1976）
在宏观世界中，一个物体的位置和动量是可以同时确定的。但在微观世界中，粒子的位置和动量不能同时确定。
德国物理学家海森堡研究发现，这种不确定性存在如下关系：
这个关系通常称为不确定性关系，也称为海森堡不确定性关系。
式中,Δx为位置的不确定范围,Δp为动量的不确定范围,h为普朗克常量。
新课讲解
不确定性关系表明:
不能同时精确确定一个微观粒子的位置和动量，位置不确定范围与动量不确定范围的乘积大于或等于 也就是说，我们不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。
不确定性关系也适用于宏观物体。对于宏观尺度的物体,其质量m通常不随速度v变化(因为一般情况下,v远小于c),即Δp=mΔv,所以ΔxΔv≥。
由于m远大于h,因此Δx和Δv可以同时达到相当小的地步,远远超出最精良仪器的精度,完全可以忽略。可见,不确定现象仅在微观世界方可观测到。
新课讲解
能量和时间的不确定性关系
有不确定性关系的另一对物理量是能量和时间，能量E和时间t的不确定性关系为：
原子物理中，电子的能级实际上不是单一的能量值，能量有分布范围。电子停留在同一能级上的时间是不同的，有的停留时间短，有的停留时间长。根据能量和时间的不确定性关系，能量不确定范围越小的能级，电子停留的时间越长。
经典例题
Classic Example
经典例题
1.如图所示,电子在电场或磁场中运动的初速度v有下列四种情况,则电子的德布罗意波波长变小的是
√
经典例题
2.如图所示,碳60是由60个碳原子组成的足球状分子,科研人员把一束碳60分子以2.0×102 m/s的速度射向光栅,结果在后面的屏上观察到条纹。已知一个碳原子质量为1.99×10-26 kg,普朗克常量为6.63×10-34 J·s,则该碳60分子的物质波波长约
A.1.7×10-10 m
B.3.6×10-11 m
C.2.8×10-12 m
D.1.9×10-18 m
√
经典例题
3.让电子束通过电场加速后,照射到金属晶格(大小约为10-10 m)上,可得到电子的衍射图样,如图所示。下列说法正确的是
A.电子衍射图样说明了电子具有粒子性
B.加速电压越大,电子的物质波波长越短
C.增大晶格尺寸,更容易发生衍射
D.动量相等的质子和电子,通过相同的晶格,质子更容易衍射
√
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂练习
课堂小结
Class Summary
课堂小结
实物粒子的波粒二象性
目标一
德布罗意假说
目标二　
对德布罗意假说的实验探索
目标三
不确定关系
1．德布罗意波
2.公式：
1．实验思路：实物粒子也应该发生干涉或衍射现象
2．实验材料：以200eV的电子为例，观察电子衍射
3．实验验证：视频材料
1.内容：微观粒子的 位置x和动量p不能同时确定
2.公式：ΔxΔp≥
4．粒子波动性的作用：提高显微镜的精度
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