新教材同步辅导2023年高中物理第四章原子结构和波粒二象性4.5粒子的波动性和量子力学的建立课件新人教版选择性必修第三册

第四章原子结构和波粒二象性学习目标1.

通过对干涉、衍射、光电效应等实验现象的分析,了解光的波粒二象性及实验证据,感受微观粒子运动的复杂性.2.通过对物质波概念的提出和实验验证内容的学习,知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性,领会对称性的研究方法,感受科学家的探究精神.3.通过对量子力学建立过程和量子力学应用的学习,了解量子力学是描述微观粒子运动规律的普遍理论,了解量子力学在生产、生活、科技、军事等方面的应用,感受科学的成就推动了技术的进步.5

粒子的波动性和量子力学的建立知识点一

粒子的波动性1.光的本性:光的

、

、

等现象证明光具有波动性;麦克斯韦从理论上预言光是

,揭示了光的电磁本质;光电效应和康普顿效应证明光具有

.综上所述,光具有

.2.物质波:法国物理学家德布罗意深受光的波粒二象性的启发,提出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,这种波称为物质波.某实物粒子的能量为ε、动量为p,对应的物质波的频率ν、波长λ分别为多少?

干涉衍射偏振电磁波粒子性波粒二象性知识点二物质波的实验验证1.图甲和图乙分别是科学家们通过实验得到的电子的衍射图样和干涉条纹,电子的衍射和干涉现象说明了什么?答案:光的衍射和干涉现象是光具有波动性的有力证据,电子也可以产生干涉和衍射现象,说明实物粒子也具有波动性.甲乙2.德布罗意提出物质波的观念被实验证实,表明电子、质子、原子等粒子不但具有

的性质,而且具有

的性质.换句话说,它们和光一样,也具有

.3.宏观物体是否也有波动性?不借助仪器,我们能观察到宏观物体的波动性吗?

粒子波动波粒二象性知识点三量子力学的建立1.“早期量子论”包括普朗克

、爱因斯坦

、康普顿

、玻尔

、德布罗意

等,这些理论都是针对一个特定的具体问题,都不是统一的普遍性理论.2.量子力学的建立.(1)1925年,德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造,使之可以适用于更普遍的情况.他们建立的理论被称为

.黑体辐射理论光电效应理论散射理论氢原子理论物质波假说矩阵力学(2)1926年,奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——

.把这个方程应用于氢原子,就很容易能得到氢原子光谱的公式.同时,这个方程还可以方便地应用于其他的系统,使玻尔理论的局限得以消除.由于这个理论的关键是物质波,因此被称为

.(3)两种理论的统一:波动力学和矩阵力学在数学上是

,它们是同一种理论的两种表达方式.随后数年,在以玻恩、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利为代表的众多物理学家的共同努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来,它被称为

.薛定谔方程波动力学等价的量子力学知识点四量子力学的应用2.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展.核物理的发展,让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量,即

.核能3.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展.我们今天能在全球范围内实现即时通信,基础之一就是以

为载体的光纤网络.核磁共振技术被广泛地用于化学、生物研究和

.原子钟利用原子为电磁波校准频率,从而实现了对时间的高精度测量;当下被广泛应用的卫星定位技术,其核心部件就是

.4.量子力学推动了固体物理的发展.科学家们利用半导体的独特性质发明了

等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模

,俗称“芯片”.靠这些芯片,制造了体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备,真正走进了信息时代.激光医学诊断原子钟晶体管集成电路小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性.()2.光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论.()3.德布罗意认为实物粒子也具有波动性.()4.电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性.()5.向前飞行的子弹只有粒子性没有波动性.()6.牛顿第二定律适用于宏观物体的运动,量子力学适用于微观粒子的运动.()7.原子钟实现了对时间的高精度测量.()√×√√×√√探究一实物粒子的波动性问题情境光能发生干涉、衍射现象,表明光具有明显的波动特征,光电效应和康普顿效应又表明光具有粒子性.有一位伟大的物理学家大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,有人认为他很大胆,有人认为他很有预见性.1.这位物理学家是谁?他提出了怎样的假设?他运用了怎样的思维方法?

2.德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性,可是我们观察运动着的汽车时,并未感觉到它的波动性.你如何理解该问题?谈谈自己的认识.答案: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,但微观粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础.过程建构

(2)德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率服从波动规律.不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波.电子、实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性,所以与它们相联系的德布罗意波也是概率波.(3)物质波的假说是光的波粒二象性的推广,实物粒子和光子都既具有粒子性,又具有波动性.与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是德布罗意波.【典例1】一颗炮弹的质量为5kg,普朗克常量h=6.63×10-34

J·s.(1)该炮弹以200m/s的速度运动时,它的德布罗意波长多大?(2)假设它以光速运动(不考虑相对论效应),它的德布罗意波长多大?(3)若要使它的德布罗意波长等于400nm,则它必须以多大的速度运动?

答案:(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s计算物质波波长的基本方法

探究二物质波的实验验证问题情境1961年,琼森将一束电子加速到能量为

50keV,让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m,间隔为d=2.0×10-6m的双缝,当电子撞击荧光屏时,发现了类似于双缝干涉的实验结果,示意图如图所示.1.电子是沿直线运动打到荧光屏上的吗?荧光屏上出现的条纹说明了什么问题?本实验有什么意义?答案:电子不是沿直线运动的,如果沿直线运动,那么荧光屏上不会出现明暗条纹;荧光屏上出现的条纹说明电子具有波动性;该实验证实了德布罗意提出的物质波的观念是正确的.2.下列四幅图分别是不同数目的电子一个一个通过双缝后在荧光屏上形成的图案.如何理解电子的波粒二象性?答案:对于电子和其他微观粒子,与它们相联系的物质波是概率波,粒子在空间各处出现的概率服从波动规律,少量的电子显示粒子性,大量的电子显示波动性,所以实物粒子同样具有波粒二象性.7个电子100个电子3000个电子70000个电子过程建构按光子的模型,用统计观点看待单个粒子与粒子总体的联系,并将波的观点与粒子观点结合起来了,这里的波是特殊意义的波,即“概率波”.

这种对物质波干涉和实物粒子的波粒二象性的理解,称作统计解释或概率解释.【典例2】(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是(

)A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样B.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构C.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构D.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强弱无关答案:

ABC解析:干涉是波具有的特性,电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,说明电子具有波动性,选项A正确.利用慢中子衍射来研究晶体的微观结构,说明中子可以产生衍射现象,具有波动性,选项B正确.利用电子显微镜观测物质的微观结构,说明电子可以产生衍射现象,具有波动性,选项C正确.光电效应现象体现的是光的粒子性,选项D错误.课堂评价1.下列说法正确的是(

)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答案:C解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同.宏观物体也具有波动性,只是干涉、衍射现象不明显而已.只有选项C正确.2.如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等,那么它们的下列物理量也相等的是(

)A.速度

B.动能C.动量

D.总能量

答案:C3.(2022·浙江卷)(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验.如图所示,电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23kg·m/s,然后让它们通过双缝打到屏上.已知电子质量取9.1×10-31kg,普朗克常量取6.6×10-34J·s,下列说法正确的是(

)A.发射电子的动能约为8.0×10-15JB.发射电子的物质波波长约为5.5×10-11mC.只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉D.如果电