统编人教版高中选修第三册物理《5粒子的波动性和量子力学的建立》集体备课教案教学设计x-高中物理教案

第3节粒子的波动性一、内容及解析：（一）内容：粒子的波动性（3课时）（二）解析：本节课通过对光的本性认识的历史过程的简单回顾，引入光的波粒二象性理论，并介绍了1924年德布罗意如何受到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的启发，以类比的方法大胆提出实物粒子夜具有波粒二象性的假设，并提出德布罗意波的概念。实物粒子具有粒子性已是不争的事实，实物粒子的波动性还待于实验验证。1927年，戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，成功地观察到了电子束的衍射图样，从而证实了实物粒子夜具有波动性。二、目标及解析１、目标①了解光的波粒二象性②知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性③知道德布罗意波的波长和粒子动量关系2、解析①了解光既具有波动性，又具有粒子性②知道实物粒子具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系③知道德布罗意波的波长和粒子动量关系：，三、问题诊断分析因此内容对于学生来讲很新颖，学生接受起来有困难。本节教学与前两节的教学思路基本相同，目的仍然是使学生能从科学家的工作中感悟科学探究。特别是科学家如何向固有的观念、认识挑战，提出大胆的猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证。在教学上建议沿这样的线索展开：光具有波粒二象性→德布罗意提出实物粒子具有波动性的假设→教学推理（与实物粒子相联系的波）→设计实验（物质波的实验验证）→实验技术问题的解读（X射线的晶格衍射）→电子衍射实验（质子、中子、原子、分子）。四、教学支持条件分析传统教学五、教学过程设计第一部分自学（约20%）阅读教材P37—39完成下列填空1、光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性，而光电效应、康普顿效应又表明光具有粒子性，因此光具有波粒二象性。2、光子的能量和动量光子的能量：ε=光子的动量：p=。3、意义：ε和p描述物质的粒子性的物理量；频率v和波长λ描述光的波动性的典型物理量。因此ε=hv和p=h/λ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。h架起了粒子性与波动性的桥梁。二、粒子的波动性1、德布罗意波任何一个运动着的物体，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。2、物质的波长、频率的关系：，。第二部分新课教学（互学约30%、导学约40%）问题一：如何理解光的波粒二象性？设计意图：通过这组问题串，让学生明确光具有粒子性和波动性师生活动：通过案例，教师提出问题，学生分析讨论回答问题。问题1：光的粒子性和波动性是相互矛盾的吗？不矛盾．大量光子在传播过程中显示出波动性，比如干涉和衍射．当光与物质发生作用时，显示出粒子性，如光电效应．光具有波粒二象性问题2：光在什么情况下表现为粒子性？在什么情况下表现为波动性？单缝衍射、双孔干涉、薄膜干涉体现了光的波动性．光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性问题3：对光的本性认识史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公认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性又有粒子性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问题4：对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，表现出波动的性质①光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用产生的②光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应和康普顿效应①当光同物质发生作用时，这种作用的“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1.2．光子的能量和动量(1)能量：ε＝hν.(2)动量：p＝eq\f(h,λ).3．意义：能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．因此ε＝hν和p＝eq\f(h,λ)揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系【例1】下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（C）A.有的光是波，有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性【变式1】（多选）关于光的波动性与粒子性一下说法正确的是（BC）A．爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说B．光电效应现象说明了光的粒子性C．光波不同于机械波，它是一种概率波D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的，无法统一问题二：粒子的波动性及其实验验证设计意图：通过这组问题串，让学生明确物质波。师生活动：通过案例，教师提出问题，学生分析讨论回答问题。问题1：我们平常所见的运动的宏观物体，为什么观察不到它的波动性？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，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测．问题2：什么是德布罗意波？任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，又叫德布罗意波．问题3：对物质波的理解？(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(2)德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配,不要以宏观观点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.问题4：物质波的实验验证？(1)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．(2)实验验证：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．(3)说明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ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)关系同样正确．【例2】（多选）关于物质波，下列说法中错误的是（BD）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做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象。【变式2】（多选）下列说法正确的是（AD）A.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性B.光的频率越大，波长越长C.光的波长越大，光子的能量越大D.光在真空中的传播速度为3.0×108m/s六、课堂小结：1、光的波粒二象性2、粒子的波动性及其实验验证第三部分检学（约10%）七、目标检测：1、（多选）光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹，衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应，这一现象说明(BC)A．光是电磁波B．光具有波动性C．光可以携带信息 D．光具有波粒二象性2、下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是(C)A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射C．泊松亮斑和光电效应 D．光的反射和光电效应3、下列说法中正确的是(C)A．物质波是机械波B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波D.宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性4、关于物质波以下说法正确的是(D)A．实物粒子具有粒子性，在任何条件下都不可能表现出波动性B．宏观物体不存在对应波的波长C．电子在任何条件下都能表现出波动性D．微观粒子在一定条件下能表现出波动性八、配餐作业：A组1．下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是()A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射C．泊松亮斑和光电效应 D．光的反射和光电效应答案：C解析：光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，光的反射和色散不能说明光具有波动性或粒子性，故选项C正确．2．下列说法中正确的是()A．物质波属于机械波B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C．德布罗意认为任何一个运动的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性答案：C解析：任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，所以C项对，B、D项错；物质波不同于宏观意义上的波，故A项错．3．关于物质波，下列说法正确的是()A．速度相等的电子和质子，电子的波长长B．动能相等的电子和质子，电子的波长短C．动量相等的电子和中子，中子的波长短D．甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍答案：A解析：由λ＝eq\f(h,p)可知，动量大的波长短，电子与质子的速度相等时，电子动量小，波长长，A正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系p＝eq\r(2mEk)可知，电子的动量小，波长长，B错误；动量相等的电子和中子，其波长应相等，C错误；如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲的速度是乙的3倍，甲的动量也是乙的3倍，则甲的波长应是乙的eq\f(1,3)，D错误．B组4．(多选)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程．下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性答案：BCD解析：牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A错；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．5．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的()也相等．A．速度B．动能C．动量D．总能量答案：C解析：根据德布罗意波长公式λ＝eq\f(h,p)，选C.6．关于光子和运动着的电子，下列论述正确的是()A．光子和电子一样都是实物粒子B．光子能发生衍射现象，电子不能发生衍射现象C．光子和电子都具有波粒二象性D．光子具有波粒二象性，而电子只具有粒子性答案：C解析：物质可分为两大类：一是质子、电子等实物；二是电场、磁场等，统称场．光是传播着的电磁场．根据物质波理论，一切运动的物体都具有波动性，故光子和电子都具有波粒二象性．综上所述，C选项正确．7．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源．X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以ε和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则()A．ε＝eq\f(hλ,c)，p＝0 B．ε＝eq\f(hλ,c)，p＝eq\f(hλ,c2)C．ε＝eq\f(hc,λ)，p＝0 D．ε＝eq\f(hc,λ)，p＝eq\f(h,λ)答案：D解析：根据ε＝hν，且λ＝eq\f(h,p)，c＝λν可得X射线每个光子的能量为ε＝eq\f(hc,λ)，每个光子的动量为p＝eq\f(h,λ).8．(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1MHz的无线电波的波长，根据表中数据可知()质量/kg速度/(m·s－1)波长/m弹子球2.0×10－21.0×10－23.3×10－30电子(100eV)9.1×10－316.0×1061.2×10－10无线电波(1MHz)3.0×1083.0×102A.要检测弹子球的波动性几乎不可能B．无线电波通常只能表现出波动性C．电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性D．只有可见光才有波粒二象性答案：ABC解析：弹子球的波长相对太小，所以检测其波动性几乎不可能，A正确；无线电波波长较长，所以通常表现为波动性，B正确；电子波长与金属晶体尺度差不多，所以能利用金属晶体观察电子的波动性，C正确；由物质波理论知，D错误．9．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＝1.67×10－27kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，可以估算出德布罗意波长λ＝1.82×10－10m的热中子的动量的数量级可能是()A．10－17kg·m/s B．10－18kg·m/sC．10－20kg·m/s D．10－24kg·m/s答案：D解析：由德布罗意波长公式λ＝eq\f(h,p)得p＝eq\f(h,λ)所以p＝eq\f(h,λ)＝eq\f(6.63×10－34,1.82×10－10)kg·m/s≈3.64×10－24kg·m/s因此热中子的动量的数量级为10－24kg·m/s.C组10．利用金属晶格(大小约10－10m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是使电子通过电场加速后，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0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中不正确的是()A．该实验说明了电子具有波动性B．实验中电子束的德布罗意波长为λ＝eq\f(h,\r(2meU))C．加速电压U越大，电子的衍射现象越不明显D．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显答案：D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，说明电子具有波动性，故A正确；由动能定理可得，eU＝eq\f(1,2)mv2－0，电子加速后的速度v＝eq\r(\f(2eU,m))，电子德布罗意波的波长λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)＝eq\f(h,m\r(\f(2eU,m)))＝eq\f(h,\r(2meU))，故B正确；由电子的德布罗意波的波长公式λ＝eq\f(h,\r(2meU))可知，加速电压U越大，电子德布罗意波的波长越短，衍射现象越不明显，故C正确；物体动能与动量