资源简介

6.3　波粒二象性
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道光具有波动性和粒子性,体会两种属性的对立统一。(物理观念、科学态度与责任)
2.通过任务2及其活动,知道物质波的概念及相关公式,了解德布罗意的猜想依据。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道物质波实验验证的思路,体会物质波观念被实验证实带来的重要意义。(科学探究、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:曾有一位记者向物理学家布拉格请教:“光是波还是粒子 ”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。”那么光的本质到底是什么呢 你是如何理解的

思考2:怎样理解物质波 是不是所有运动的物体都有物质波


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)有的光是波,有的光是粒子。 (　　)
(2)光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著。 (　　)
(3)实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性。 (　　)
(4)湖面上的水波就是物质波。 (　　)
(5)电子束也可以像光波一样产生衍射与干涉现象。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　光的波粒二象性
　　从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说,到麦克斯韦的光的电磁理论,再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学,人类对光的认识构成了一部科学史诗。阅读课本中“光的波粒二象性”的内容,思考并回答下列问题。
1.证明光具有波动性和光具有粒子性的实验或理论依据有哪些


2.有的光是波,有的光是粒子,这句话正确吗


　　光的波粒二象性
光的干涉和衍射说明光具有①　　,光电效应和康普顿效应说明光具有②　　,即光具有波粒二象性。
应用1　光的本性的认识
有关光的本性,下列说法正确的是(　　)
A.光既有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
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
应用2　正确认识光的波粒二象性
关于光的波粒二象性,下列说法正确的是 (　　)
A.光子说完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光与经典的波与粒子很相似
C.波粒二象性是指光要么具有波动性,要么具有粒子性,而不是同时具有波动性和粒子性
D.光的波动说和光子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有不能解释的实验现象
归纳总结 1.对波动性和粒子性的理解 从数量 上看个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性 从频率 上看频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强 从传播与 作用上看光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现出粒子性
2.光的波动性和粒子性的表现及波动性和粒子性的对立统一 现象表现说明光的波动性干涉和衍射光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述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概念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的 ②光子不同于宏观概念的粒子波动性和粒子性的对立统一①大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性 ②波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强 ③光的波动性和粒子性是同时存在的①光子说并未否定光的波动性,E=hν=中,ν和λ就是波动性的体现 ②波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的
任务2　德布罗意物质波假说
　　前面说到光具有波粒二象性,受此启发,德布罗意在他的博士论文中提出了一个大胆的假设:如同光波具有粒子性一样,实物粒子也可能具有波动性,每一个运动的粒子都和一个波相对应,这种波后来称为德布罗意波,也叫作物质波。
1.物质波的频率怎么计算

2.光的波长跟什么有关 物质波的波长跟什么有关


　　粒子的波动性
(1)德布罗意波:任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫③　　。
(2)物质波的频率:ν=④　　　　;物质波的波长:λ=⑤　　　　。
应用1　估算微观粒子动能的数量级
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=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10 m的热中子动能的数量级为 (　　)
A.10-17 J B.10-19 J
C.10-21 J D.10-24 J
应用2　动量、能量与物质波相结合问题
英国物理学家G.P.汤姆孙在实验中让静止的电子束通过电场加速后,通过多晶薄膜得到了如图所示的衍射图样,该实验说明了实物粒子也具有波动性,运动的实物粒子对应的波称为物质波。已知电子的比荷为k,普朗克常量为h,若加速电压为U,被加速后电子的物质波波长为λ,则电子的质量为(　　)
A. B. C. D.
任务3　实物粒子波动性的实验证实
　　之所以在日常生活中我们观察不到物体的波动性,是因为他们的质量太大,德布罗意波长比可观察的极限尺寸要小很多,他们可能发生波动性质的尺寸在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之,对于基本粒子来说,它们的质量和尺寸局限于量子力学所描述的范围之内,而与我们所习惯的图景相差甚远。
1.为什么很难观察到实物粒子的波动性


2.科学家最终是怎样观察到电子的波动性的


　　物质波的实验验证
(1)实验探究思路
干涉、衍射是波动性质的特有表现,如果实物粒子具有波动性的话,在一定条件下,也会发生衍射现象。
(2)实验验证
1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了⑥　　的实验,得到了电子⑦　　,证实了电子的波动性。
应用　如何观察实物粒子的波动性
大量电子经过同一电场加速后通过两个相互平行的狭缝,在接收屏上得到的干涉条纹如图所示,要使条纹间距增加,下列方法可行的是 (　　)
A.减小电场的电压
B.增大电场的电压
C.增大两狭缝中心间的距离
D.减小狭缝到接收屏的距离
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)关于光的性质,下列说法正确的是 (　　)
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,在某些场合下光的波动性表现明显,在某些场合下光的粒子性表现明显
2.(任务1、2)激光冷却中性原子的原理如图所示,质量为m、速度为v0 的原子连续吸收多个迎面射来的频率为ν 的光子后,速度减小。不考虑原子质量的变化,光速为c。下列说法正确的是 (　　)
A.激光冷却利用了光的波动性
B.原子吸收第一个光子后速度的变化量Δv=-
C.原子每吸收一个光子后速度的变化量不相同
D.原子吸收个光子后速度减小到原来的一半
3.(任务2)下列说法正确的是 (　　)
A.微观粒子有波动性,宏观物体没有波动性
B.微观粒子没有波动性,宏观物体有波动性
C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太短
D.速度相同的质子和电子相比,质子的波动性更为明显
4.(任务3)(多选)利用金属晶格(大小约为10-10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样,方法是让电子通过电场加速,然后让电子束照射到金属晶格上,从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m、电荷量为e、初速度为零,加速电压为U,普朗克常量为h,则下列说法正确的是 (　　)
A.该实验说明电子具有波动性
B.实验中电子束的德布罗意波波长λ=
C.加速电压U越大,电子的德布罗意波波长越大
D.若用相同动能的质子代替电子,德布罗意波波长变大
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:光的干涉、衍射现象说明光具有波动性,光电效应和康普顿效应又说明光具有粒子性,大量事实说明,光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性。
思考2:任何一个运动的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与它对应,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也称物质波。
判断　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.光的干涉、衍射、偏振说明光具有波动性,光电效应、康普顿效应证明光具有粒子性。
2.不正确,微观世界波动性和粒子性不是互不相容的,光既具有波动性,又具有粒子性,只是有时表现为波动性,有时表现为粒子性。
知识生成　①波动性　②粒子性
应用探究
例1　D
例2　D
任务2
问题引领
1.和光波类比一下,我们知道光的频率和光子能量有关,所以光波的频率ν=,德布罗意猜测物质波的频率也满足这个式子。
2.光波的波长λ=,德布罗意猜测物质波的波长,也满足这个式子。
知识生成　③物质波　④　⑤
应用探究
例3　C　【解析】由λ=,p2=2mEk,得热中子动能Ek=≈4×10-21 J,C项正确。
例4　A　【解析】电子经过加速后,根据动能定理可得eU=mv2,可得v==;电子的动量p=mv=m,被加速后电子的物质波波长λ=,可得电子的质量m=,A项正确。
任务3
问题引领
1.干涉和衍射是波动性的典型现象,但计算出的实物粒子的波长都很小,要想观察到明显的衍射现象就必须有足够小的狭缝或障碍物,但现实世界中很难找到,所以很难观察到实物粒子的波动性。
2.从观察X射线的衍射实验中得到启发,1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体中排列规则的物质微粒作为衍射光栅,成功地观察到了电子的衍射,从而证实了电子的波动性。
知识生成　⑥电子束衍射　⑦衍射图样
应用探究
例5　A　【解析】电子经过同一电场加速,根据动能定理有eU=mv2,电子的动量p=mv,电子的德布罗意波长λ=,解得λ=,可知,加速电压越大,电子的德布罗意波长越短,加速电压越小,电子的德布罗意波长越长,又根据双缝干涉公式Δx=λ,可知,要使条纹间距增加,可以减小电场的电压,A项正确,B项错误;结合上述可知,增大两狭缝中心间的距离时,条纹间距减小,C项错误;减小狭缝到接收屏的距离时,条纹间距减小,D项错误。
随堂检测·精评价
1.ABD　
2.B　【解析】激光冷却体现了光的粒子性,A项错误;根据德布罗意波长公式有λ=,又λ=,可得一个光子的动量pc=,根据动量守恒定律有mv0-pc=mv1,所以原子吸收第一个光子后速度的变化量Δv=v1-v0=-,B项正确;由动量守恒定律,每个光子的动量相同,所以原子每吸收一个光子后速度改变量相同,C项错误;原子吸收个光子后,根据动量守恒定律有mv0-npc=mv2,即mv0-·=mv2,解得v2=0,D项错误。
3.C　
4.AB　【解析】实验得到了电子的衍射图样,说明电子这种实物粒子发生了衍射,则电子具有波动性,A项正确;由动能定理eU=mv2-0可得电子加速后的速度v=,电子德布罗意波的波长λ===,加速电压U越大,德布罗意波波长越短,B项正确,C项错误;物体动能与动量的关系式为p=,由于质子的质量远大于电子的质量,所以动能相同的质子的动量远大于电子的动量,由λ=可知,相同动能的质子的德布罗意波的波长远小于电子的德布罗意波的波长,D项错误。

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