高中物理人教波粒二象性

高中物理人教波粒二象性第1頁(yè)/共100頁(yè)第十七章

《波粒二象性》第2頁(yè)/共100頁(yè)17.1《能量量子化：

物理學(xué)的新紀(jì)元》第3頁(yè)/共100頁(yè)教學(xué)目標(biāo)

1、知識(shí)與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射（2）了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系（3）了解能量子的概念2、過(guò)程與方法：了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。第4頁(yè)/共100頁(yè)3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn):

能量子的概念2、難點(diǎn):

黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第5頁(yè)/共100頁(yè)17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓惠更斯微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性對(duì)光學(xué)的研究從很早就開(kāi)始了……第6頁(yè)/共100頁(yè)能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元1、黑體與黑體輻射熱輻射

固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K第7頁(yè)/共100頁(yè)

能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。2.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律第8頁(yè)/共100頁(yè)實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管三棱鏡T第9頁(yè)/共100頁(yè)0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)果第10頁(yè)/共100頁(yè)o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線12345678第11頁(yè)/共100頁(yè)3.能量子超越牛頓的發(fā)現(xiàn)ε=hν輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。能量量子經(jīng)典h=6.626*10-34J.s第12頁(yè)/共100頁(yè)λ(μm)123568947普朗克實(shí)驗(yàn)值第13頁(yè)/共100頁(yè)17.2《科學(xué)的轉(zhuǎn)折：

光的粒子性》第14頁(yè)/共100頁(yè)教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能：1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2．知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3．了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量過(guò)程與方法：經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義第15頁(yè)/共100頁(yè)物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后，因?yàn)?897年，J.Thomson才發(fā)現(xiàn)電子，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？第16頁(yè)/共100頁(yè)第1課時(shí)光電效應(yīng)光子第17頁(yè)/共100頁(yè)問(wèn)題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程？第18頁(yè)/共100頁(yè)用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電器張角增大到約為30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電第19頁(yè)/共100頁(yè)定義：在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子第20頁(yè)/共100頁(yè)1.什么是光電效應(yīng)

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。一、光電效應(yīng)第21頁(yè)/共100頁(yè)陽(yáng)極陰極石英窗

光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)第22頁(yè)/共100頁(yè)陽(yáng)極陰極

將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。

當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。遏止電壓第23頁(yè)/共100頁(yè)IUcOU光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓

一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極第24頁(yè)/共100頁(yè)IIsUaOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓飽和電流

一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極第25頁(yè)/共100頁(yè)陽(yáng)極陰極石英窗2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。②.截止頻率c----極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率

>c

時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率

<c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。第26頁(yè)/共100頁(yè)經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。第27頁(yè)/共100頁(yè)

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。

光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。

為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。第28頁(yè)/共100頁(yè)3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容

光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動(dòng)。

在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能Ek

。由能量守恒可得出：2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；

為光電子的最大初動(dòng)能。第29頁(yè)/共100頁(yè)3.從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系

4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：

愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：

1.光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。

2.電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。第30頁(yè)/共100頁(yè)由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。第31頁(yè)/共100頁(yè)愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第32頁(yè)/共100頁(yè)放大器控制機(jī)構(gòu)

可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管第33頁(yè)/共100頁(yè)應(yīng)用光電管光電源電流計(jì)IAK第34頁(yè)/共100頁(yè)第2課時(shí)康普頓效應(yīng)第35頁(yè)/共100頁(yè)1.光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.康普頓效應(yīng)

1923年康普頓在做X射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。第36頁(yè)/共100頁(yè)一.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線管探測(cè)器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)第37頁(yè)/共100頁(yè)康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！第38頁(yè)/共100頁(yè)康普頓散射曲線的特點(diǎn)：1.除原波長(zhǎng)0外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)。2.新波長(zhǎng)隨散射角的增大而增大。

散射中出現(xiàn)≠0的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長(zhǎng).......0第39頁(yè)/共100頁(yè)稱為電子的Compton波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng)0與c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長(zhǎng)0無(wú)關(guān)，c=0.0241?=2.4110-3nm（實(shí)驗(yàn)值）第40頁(yè)/共100頁(yè)遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)2.無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，1.根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通第41頁(yè)/共100頁(yè)光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋

康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2.若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于1.若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下：第42頁(yè)/共100頁(yè)3.因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋第43頁(yè)/共100頁(yè)三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”

的假設(shè)；（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第44頁(yè)/共100頁(yè)康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家1927第45頁(yè)/共100頁(yè)1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)第46頁(yè)/共100頁(yè)光子的能量和動(dòng)量第47頁(yè)/共100頁(yè)動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的第48頁(yè)/共100頁(yè)17.3《嶄新的一頁(yè)：

粒子的波動(dòng)性》第49頁(yè)/共100頁(yè)教學(xué)目標(biāo)

1、知識(shí)與技能：了解光的波粒二象性；了解粒子的波動(dòng)性．2、過(guò)程與方法：培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確地獲取知識(shí)的方法。【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：粒子波動(dòng)性的理解2、難點(diǎn)：對(duì)德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第50頁(yè)/共100頁(yè)

德布羅意波波粒二象性1、德布羅意波（物質(zhì)波）

De.Broglie1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。

他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖象呢”第51頁(yè)/共100頁(yè)一、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意(duedeBroglie,1892-1960)

德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。

1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕的一角”。法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。第52頁(yè)/共100頁(yè)

能量為E、動(dòng)量為p的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv

這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)稱為德布羅意波長(zhǎng)。第53頁(yè)/共100頁(yè)一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性

后來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒(méi)有波動(dòng)性呢？

質(zhì)量m=0.01kg，速度v=300m/s的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。第54頁(yè)/共100頁(yè)由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)λ=?！纠?】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。

解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m≈50kg，百米跑時(shí)速度v≈7m/s，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。第55頁(yè)/共100頁(yè)例題2

(1)電子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量p=6.63×106kg.m.s-1,求德布羅意波長(zhǎng)。

解

(1)因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。=1.23?h=6.63×10-34=1.0×10-40m

可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。第56頁(yè)/共100頁(yè)

一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量E和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率n和波長(zhǎng)l所描述的波動(dòng)性。德布羅意關(guān)系如速度v=5.0102m/s飛行的子彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：如電子m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s,對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：太小測(cè)不到！X射線波段(2)子彈問(wèn)題第57頁(yè)/共100頁(yè)2、戴維遜－革末實(shí)驗(yàn)1927年，Davisson和Germer

進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。

（該實(shí)驗(yàn)榮獲1937年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜--革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)

電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，在散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大。（可用晶體對(duì)X射線的衍射方法來(lái)分析）第58頁(yè)/共100頁(yè)L.V.德布羅意電子波動(dòng)性的理論研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第59頁(yè)/共100頁(yè)C.J.戴維孫通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第60頁(yè)/共100頁(yè)第61頁(yè)/共100頁(yè)第62頁(yè)/共100頁(yè)第63頁(yè)/共100頁(yè)X射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖第64頁(yè)/共100頁(yè)類似的實(shí)驗(yàn)：

1927年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)

1960年，C.Jonson的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。

德布羅意公式成為揭示微觀粒子波－粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，1929年，DeBroglie因發(fā)現(xiàn)電子波而榮獲Nobel

物理學(xué)獎(jiǎng)。第65頁(yè)/共100頁(yè)電子顯微鏡第66頁(yè)/共100頁(yè)第67頁(yè)/共100頁(yè)17.4《概率波》第68頁(yè)/共100頁(yè)教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與技能1．了解微粒說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題．2．了解波動(dòng)說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題．3．了解事物的連續(xù)性與分立性是相對(duì)的，了解光既有波動(dòng)性，又有粒子性．4．了解光是一種概率波．（二）過(guò)程與方法1．領(lǐng)悟什么是概率波2．了解物理學(xué)中物理模型的特點(diǎn)初步掌握科學(xué)抽象這種研究方法3．通過(guò)數(shù)形結(jié)合的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)工具在物理科學(xué)中的作用第69頁(yè)/共100頁(yè)（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀理解人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程．根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)．人類就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)光的本性的．【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程．2、難點(diǎn)：對(duì)量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解第70頁(yè)/共100頁(yè)

電子雙縫衍射

1)用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射

——

出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性——衍射條紋掩飾了電子的粒子性未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì)

——得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣

第71頁(yè)/共100頁(yè)

物質(zhì)波不是經(jīng)典波

——經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋——實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的

第72頁(yè)/共100頁(yè)

微觀粒子不是經(jīng)典粒子——

經(jīng)典粒子雙縫衍射——

子彈可以看作是經(jīng)典粒子假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和B，屏幕C收集子彈數(shù)目第73頁(yè)/共100頁(yè)1)將狹縫B擋住——子彈通過(guò)A在屏幕C上有一定的分布

——類似于單縫衍射的中央主極大P1——子彈落在中央主極大范圍的概率分布第74頁(yè)/共100頁(yè)2)將狹縫A擋住——子彈通過(guò)狹縫B在屏幕C上有一定的分布

——類似于單縫衍射的中央主極大P2——子彈落在中央主極大范圍的概率分布第75頁(yè)/共100頁(yè)3)A和B狹縫同時(shí)打開(kāi)——

子彈是經(jīng)典粒子原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈——還是通過(guò)A

原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈——還是通過(guò)B屏幕C上子彈的概率分布不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開(kāi)每顆子彈會(huì)有新的選擇！第76頁(yè)/共100頁(yè)——

電子雙縫衍射——

電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目1)將狹縫B擋住——

電子通過(guò)狹縫A

在屏幕C有一定分布——類似于單縫衍射的中央主極大第77頁(yè)/共100頁(yè)3）A和B狹縫同時(shí)打開(kāi)——如果電子是經(jīng)典粒子原來(lái)通過(guò)A狹縫的電子——還是通過(guò)A

原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子——還是通過(guò)B屏幕上電子的概率分布第78頁(yè)/共100頁(yè)屏幕C——

實(shí)際觀察到類似光的雙縫衍射條紋屏幕C上電子的概率分布——

只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性——A和B狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí)電子似乎“知道”兩個(gè)狹縫都打開(kāi)！第79頁(yè)/共100頁(yè)

雙縫和屏幕之間——

到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布——有了新的概率分布電子——不是經(jīng)典粒子

第80頁(yè)/共100頁(yè)光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I大光子出現(xiàn)概率大I小光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于概率波理論單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比第81頁(yè)/共100頁(yè)17.5《不確定的關(guān)系》第82頁(yè)/共100頁(yè)教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與技能1．了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)算．2．了解物理模型與物理現(xiàn)象（二）過(guò)程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：不確定關(guān)系的概念2、難點(diǎn)：對(duì)不確定關(guān)系的定量應(yīng)用第83頁(yè)/共100頁(yè)

玻恩(M.Born.1882-1970)德國(guó)物理

學(xué)家。1926年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波(W.W.GBothe.1891-1957)共享1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

玻恩M.Born.第84頁(yè)/共100頁(yè)

一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋

1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩

(Born,1882--1972)

提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第85頁(yè)/共100頁(yè)

二.經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(物質(zhì)波)的區(qū)別

經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。第86頁(yè)/共100頁(yè)不確定度關(guān)系（uncertaintyrelatoin)

經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。

微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。１、電子衍射中的不確定度

一束電子以速度v沿oy軸射向狹縫。

電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。y第87頁(yè)/共100頁(yè)

在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)行討論。設(shè)有一束電子沿軸射向屏AB上縫寬為的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo)和動(dòng)量來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢?也就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo)為多少?顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。第88頁(yè)/共100頁(yè)對(duì)于第一衍射極小，

式中為電子的德布羅意波長(zhǎng)。

電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在x方向上的不確定量為y

電子的位置和動(dòng)量分別用和

來(lái)表示。第89頁(yè)/共100頁(yè)

同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量Px變化越大。y分析計(jì)算可得:第90頁(yè)/共100頁(yè)①許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn),粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。②用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。

不確定性關(guān)系(1901~1976)德國(guó)物理學(xué)家,量子力學(xué)矩陣形式的創(chuàng)建人,1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第91頁(yè)/共100頁(yè)經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式（約化普朗克常量）第92頁(yè)/共100頁(yè)

能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：

原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。稱為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。第93頁(yè)/共100頁(yè)

我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢?jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。

例1.一顆質(zhì)量為1