新教材人教版选择性必修第三册第四章第5节粒子的波动性和量子力学的建立课件（56张）

第四章

原子结构和波粒二象性第5节

粒子的波动性和量子力学的建立课标解读课标要求素养要求1.物理观念：知道德布罗意波、光有波动性和粒子性、量子力学的基本观点和相关实验证据。2.科学思维：掌握光的波粒二象性，理解其对立统一关系；并能应用波粒二象性解释有关现象，提高分析、推理能力。课标解读课标要求素养要求3.了解量子力学的建立及在微观世界中的应用。3.科学探究：通过学习电子衍射与干涉的探究，学会观察与讨论，并能得出实验结论，提高动脑能力。4.科学态度与责任：体会科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响，坚持实事求科态度，激发习科学的兴趣。续表要点德布罗意波

波动性①一位战士在实战训练时子弹脱靶，在分析脱靶的原因时，突然想起德布罗意波长公式后，确认未击中的原因可能与子弹的波动性有关，这是失误的理由吗？

1.物质波的实验验证

2.量子力学的应用（1）量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。（2）量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。（3）量子力学推动了固体物理的发展。探究点一

粒子的波动性如图是电子束通过铝箔后的衍射图样，结合图样及课本内容回答以下问题。（1）德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么？

[答案]光的波粒二象性、玻尔氢原子理论及相对论。（2）电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？

[答案]电子束能发生衍射，说明电子束具有波动性。1.对物质波的理解（1）任何运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都与一个对应的物质波相联系，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的缘故。（2）粒子在空间各处出现的概率受统计规律支配，不能以宏观观点中的波来理解。（3）德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，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。2.粒子波动性的理解（1）一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性，但并不否定其具有波动性。（2）电子、质子等实物粒子，具有能量和动量，当和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用。（3）在宏观世界中，波与粒子是对立的概念；在微观世界中，波与粒子可以统一。例关于物质波，以下观点不正确的是(

)A.只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波B.只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波C.由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性D.电子束照射到晶体上得到电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的

B解题感悟宏观物体波动性的三点提醒（1）一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性，但并不能否定其具有波动性。（2）要注意大量光子、个别光子、宏观物体、微观粒子等相关概念的区别。（3）在宏观世界中，波与粒子是对立的概念；在微观世界中，波与粒子可以统一。

B探究点二

量子力学的建立和应用1.“量子”的理解科学家在研究物理现象的过程中，发现基本粒子的能量不是连续的，而是类似于楼梯一个台阶一个台阶的，也就是说能量只能一份一份地变化。实际上任何能量变化都是量子化的，只不过在宏观现象中表现不明显，在微观现象中就很容易观察到。量子就是一个不可分割的基本个体。2.量子力学建立的背景19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。（1）1900年12月14日，德国物理学家普朗克在柏林德国物理学会一次会议上提出了黑体辐射定律的推导，这一天被认为是量子力学理论的诞辰日。（2）1925年，德国物理学家海森堡和玻恩作出了量子力学理论的第一种表述。利用矩阵力学的理论，求得描述原子内部电子行为的一些可观察量的正确数值。（3）1926年，奥地利物理学家薛定谔发表了波动力学，是量子力学的另一种数学表述。同年，薛定谔和美国物理学家埃卡特又证明，两种表述在数学上是等价的。（4）玻恩首先使用“量子力学”这个名词，1928年，英国的狄拉克等科学家又把上面的理论加以推广，并与狭义相对论结合起来。3.量子力学的发展史4.量子力学与牛顿经典力学的比较

比较内容牛顿经典力学量子力学粒子的特征物质是由粒子组成的，粒子是一个实体粒子是波，波是无边无际的研究对象研究对象分成几部分，可以对每一部分进行研究不能把微观体系看成是由可以分开的几部分组成的，因为两个粒子从波的角度来看，它们是纠缠在一起的轨迹描述可以同时用质点的位置和动量精确地描述它的运动，轨迹可以确定不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，不能用轨迹描述运动运动预言如果知道了加速度，可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量自然界在微观层次上是由随机性和机遇支配的，不能预言粒子的位置和动量自然界的变化自然界的变化是连续的自然界的变化是不连续的续表5.量子力学的应用量子力学在高速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一，在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟团队研发出76个光子的量子计算原型机“九章”。据说，“九章”求解高斯玻色取样的数学难题只需要200秒，而当今世界最快的超级计算机“富岳”解决同样的问题，需要6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。下列描述与“量子计算机”的原理相符的是(

)A.人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式B.根据量子力学，人们发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术C.利用固体的微观结构对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多D.人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构

C

C2.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、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫作物质波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

C

[解析]一切运动着的物体都具有与之对应的波，物质波与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性。3.下列关于量子力学的应用，错误的是(

)A.人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分B.科学家们利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”C.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D.“量子波动速读”——通过量子纠缠，不仅可以速读，还能闭着眼就使书本发生感应

D

[解析]量子力学是描述微观世界的理论，不适于宏观世界的感知。

（1）求撞击前彗星“撞击器”对应物质波的波长；

（2）根据题中相关信息数据估算出彗星的质量。

概率波微观粒子的运动不再遵守牛顿运动定律，不可能用“轨迹”来描述粒子的运动，微观粒子的运动状态只能通过概率做统计性的描述。对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。概率波的主体是光子、实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说概率波将波动性和粒子性统一在一起。

BC1.（多选）波粒二象性是微观世界的基本特征，下列说法正确的是(

)A.光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性B.电子束的晶体衍射实验表明实物粒子具有波动性C.动能相等的质子和电子的德布罗意波长相等D.低频电磁波的粒子性显著，而高频电磁波的波动性显著

AB2.关于量子力学的建立，下列描述错误的是(

)A.普朗克最早提出“量子”的概念B.德国物理学家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学C.薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程D.康普顿为了解释光子的散射提出了“光子说”

D

[解析]光子说是爱因斯坦为了解释光电效应现象提出的。3.2003年全世界物理学家评选出“十大最美物理实验”，排名第一的为1961年物理学家利用“托马斯·杨”双缝干涉实验装置进行的电子干涉实验。如图所示，从辐射源射出的电子束经两个靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上产生干涉条纹，该实验说明(

)A.光具有波动性 B.光具有波粒二象性C.微观粒子也具有波动性 D.微观粒子的波是一种电磁波

C

[解析]干涉现象是波的特征，电子是微观粒子，它能产生干涉现象，表明电子等微观粒子具有波动性。4.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.甲电子速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍

A

AC

A

D

9.（2020湖北荆州一模）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

C10.实物粒子和光都具有波粒二象性，下列事实中突出体现粒子性的是(

)A.电子束通过双缝后可以形成干涉图样B.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，与入射光的强度无关C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构D.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构

B11.（2020河南开封模拟）（多选）下列关于微观粒子的波粒二象性的认识，正确的是(

)A.由概率波的知识可知，因微观粒子落在哪个位置不能确定，所以粒子没有确定的轨迹B.由概率波的知识可