2019高中物理第十七章波立二象性第3節(jié)粒子的波動性學案新人教版選修3-

第3節(jié)粒子的波動性，，知道物質(zhì)波的概念．3．了解什么是德布羅意波，會解釋有關(guān)現(xiàn)象．一、光的波粒二象性1．波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性．2．光子的能量和動量：光子的能量ε和動量p可分別表示為：ε＝hν，p＝eq\f(h,λ).能量ε和動量p是描述物質(zhì)粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質(zhì)波動性的典型物理量．普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁．二、粒子的波動性及物質(zhì)波的實驗驗證1．粒子的波動性(1)德布羅意波：每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)系，這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波．(2)物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式：波長：λ＝eq\f(h,p)頻率：ν＝eq\f(ε,h).2．物質(zhì)波的實驗驗證(1)實驗探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象．(2)實驗驗證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性．(3)說明①人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性，對于這些粒子，德布羅意給出的ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)關(guān)系同樣正確．②宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很小，根本無法觀察到它的波動性．判一判(1)光的干涉、洐射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性．()(2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯．()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子．()(4)湖面上的水波就是物質(zhì)波．()(5)電子的衍射現(xiàn)象證實了實物粒子具有波動性．()提示：(1)√(2)×(3)√(4)×(5)√做一做(多選)對光的認識，下列說法中正確的是()A．個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C．光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了D．光的波粒二象性應理解為：在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯提示：選ABD．個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律，故正確選項有A、B、D．對光的波粒二象性的理解實驗基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述；(2)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)；(3)波長長的光容易表現(xiàn)出波動性(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的；(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應、康普頓效應(1)當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性；(3)波長短的光，粒子性顯著(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的；(2)光子不同于宏觀觀念的粒子(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應表明光具有粒子性[思路點撥]求解此類題關(guān)鍵是抓住光的本性即波粒二象性，應從波粒二象性的特征分析．另外光不同于實物粒子，它沒有靜止的質(zhì)量．[解析]一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應、康普頓效應)表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子．雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，故選項C、D正確，A、B錯誤．[答案]CD(多選)下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是()A．光電效應現(xiàn)象說明光具有波粒二象性B．頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著C．光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性D．光不可能同時既具有波動性，又具有粒子性解析：選BC．光電效應現(xiàn)象說明光具有粒子性，選項A錯誤；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，選項B正確；光在傳播時往往表現(xiàn)出波動性，光在跟物質(zhì)相互作用時往往表現(xiàn)出粒子性，選項C正確；光的波粒二象性是指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，選項D錯誤．對物質(zhì)波的理解和波長計算1．對物質(zhì)波的理解(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故．(2)粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波．(3)德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是物質(zhì)波．2．計算物質(zhì)波波長的方法(1)根據(jù)已知條件，寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達式p＝mv.(2)根據(jù)波長公式λ＝eq\f(h,p)求解．(3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動量的不同表達式．如光子的能量：ε＝hν，動量p＝eq\f(h,λ)；微觀粒子的動能：Ek＝eq\f(1,2)mv2，動量p＝mv.命題視角1對物質(zhì)波的理解下列關(guān)于德布羅意波的認識，正確的解釋是()A．任何一個物體都有一種波和它對應，這就是物質(zhì)波B．X光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C．電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性[解析]運動的物體才具有波動性，A項錯；宏觀物體由于動量太大，德布羅意波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動性，D項錯；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實物質(zhì)波的存在，B項錯．[答案]C命題視角2物質(zhì)波波長的計算一顆質(zhì)量為5.0kg的炮彈：(1)以200m/s的速度運動時，它的德布羅意波長多大？(2)假設(shè)它以光速運動，它的德布羅意波長多大？(3)若要使它的德布羅意波長與波長是400nm的紫光波長相等，則它必須以多大的速度運動？[解析]直接利用德布羅意關(guān)系式進行計算．(1)炮彈的德布羅意波長λ1＝eq\f(h,p1)＝eq\f(h,mv1)＝eq\f(6.63×10－34,5×200)m＝6.63×10－37m.(2)它以光速運動時的德布羅意波長λ2＝eq\f(h,p2)＝eq\f(h,mv2)＝eq\f(6.63×10－34,5×3×108)m＝4.42×10－43m.(3)由λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)，得v＝eq\f(h,mλ)＝eq\f(6.63×10－34,5×400×10－9)m/s≈×10－28m/s.[答案](1)6.63×10－37m(2)4.42×10－43m(3)3.32×10－28m/seq\a\vs4\al()如何計算物質(zhì)波的波長每一個運動的粒子都與一個對應的波(物質(zhì)波或德布羅意波)相聯(lián)系，其波長λ＝eq\f(h,p)，其中p為粒子的動量，h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s.所以，計算德布羅意波長時要熟記公式λ＝eq\f(h,p)，有時還要結(jié)合粒子的能量ε與頻率ν的關(guān)系ε＝hν進行求解．【通關(guān)練習】1．(多選)根據(jù)物質(zhì)波的理論，下列說法正確的是()A微觀粒子有波動性，宏觀物體沒有波動性B．微觀粒子和宏觀物體都具有波動性C．宏觀物體的波動性不易被察覺，因為它的波長太長D．速度相同的質(zhì)子和電子，電子的波動性更為明顯解析：選BD．一切運動物體都有一種波與它相對應，所以宏觀物體也具有波動性，選項A錯誤，選項B正確；物質(zhì)波的波長與其動量成反比，因宏觀物體的動量較大，所以其德布羅意波長非常短，不易觀察到其衍射現(xiàn)象，選項C錯誤；速度相同的質(zhì)子和電子，電子的質(zhì)量較小，動量較小，物質(zhì)波的波長較長，故波動性明顯，選項D正確．2．如果一個中子和一個質(zhì)量為10g的子彈都以103m/s的速度運動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質(zhì)量為1.67×10－27kg)解析：中子的動量為p1＝m1v，子彈的動量為p2＝m2v，據(jù)λ＝eq\f(h,p)知中子和子彈的德布羅意波的波長分別為λ1＝eq\f(h,p1)，λ2＝eq\f(h,p2)聯(lián)立以上各式解得：λ1＝eq\f(h,m1v)，λ2＝eq\f(h,m2v)將m1＝1.67×10－27kg，v＝1×103m/s，h＝6.63×10－34J·s，m2＝1.0×10－2kg代入上面兩式可解得λ1＝4.0×10－10m，λ2＝6.63×10－35m.答案：4.0×10－10m6.63×10－35m對光的本性的認識歷程從牛頓的光的微粒說，到托馬斯·楊和菲涅耳的光的波動說，從麥克斯韋的光的電磁說，到愛因斯坦的光子說，人類對光的認識構(gòu)成了一部科學史詩．微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性年代17世紀17世紀19世紀中期20世紀中期20世紀初代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦公認實驗依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波速光電效應、康普頓效應光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是一種機械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是()A．關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性D．光的波粒二象性是將牛頓的粒子說和惠更斯的波動說真正有機地統(tǒng)一起來[解析]光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒．某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象；某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個現(xiàn)象．要區(qū)分說法和物理史實與波粒二象性之間的關(guān)系．選項C正確，選項A、B、D錯誤．[答案]C(多選)人類對光的本性的認識經(jīng)歷了曲折的過程．下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學規(guī)律或歷史事實的是()A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”