人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：4 5 粒子的波動性和量子力學(xué)的建立

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第5節(jié)粒子的波動性和量子力學(xué)的建立〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性。2.理解物質(zhì)波的概念，并掌握λ＝eq\f(h,p)的含義及應(yīng)用。3.了解量子力學(xué)的建立過程和量子力學(xué)的應(yīng)用。一、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(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實物粒子相聯(lián)系的波后來被稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長：λ＝eq\f(h,p)。(3)物質(zhì)波的頻率：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(yīng)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的實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性。(3)說明：人們陸續(xù)證實了中子、質(zhì)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)的關(guān)系同樣正確。〖判一判〗(1)一切宏觀物體的運動都伴隨一種波，即物質(zhì)波。(√)(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波。(×)(3)電子的衍射現(xiàn)象證實了實物粒子具有波動性。(√)二、量子力學(xué)的建立及應(yīng)用1.早期量子論的創(chuàng)立(1)普朗克黑體輻射理論，能量子ε＝hν。(2)愛因斯坦光電效應(yīng)理論，光子ε＝hν。(3)康普頓散射理論：光子動量p＝eq\f(h,λ)。(4)玻爾氫原子理論：氫原子發(fā)光hν＝En－Em。(5)德布羅意物質(zhì)波假說，頻率：ν＝eq\f(ε,h)，波長λ＝eq\f(h,p)。2.現(xiàn)代量子論的創(chuàng)立20世紀(jì)中期，在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來，它被稱為量子力學(xué)。3.量子力學(xué)的應(yīng)用(1)量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。人們認(rèn)識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。而粒子物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。(2)量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。人們認(rèn)識了原子的結(jié)構(gòu)，以及原子、分子和電磁場相互作用的方式。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了各式各樣的對原子和電磁場進(jìn)行精確操控和測量的技術(shù)，如激光、核磁共振、原子鐘，等等。(3)量子力學(xué)推動了固體物理的發(fā)展。人們了解了固體中電子運行的規(guī)律，并弄清了為什么固體有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之分。探究1實物粒子的波粒二象性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(yīng)的波長太小的緣故。2.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(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是德布羅意波?！祭?〗1924年德布羅意提出實物粒子(例如電子)也具有波動性。以下不能支持這一觀點的物理事實是()A.利用晶體可以觀測到電子束的衍射圖樣B.電子束通過雙縫后可以形成干涉圖樣C.用紫外線照射某金屬板時有電子逸出D.電子顯微鏡因減小衍射現(xiàn)象的影響而具有更高的分辨本領(lǐng)〖答案〗C〖解析〗利用晶體做電子衍射實驗，得到了電子衍射圖樣，證明了電子的波動性，故A正確；電子束通過雙縫后可以形成干涉圖樣，證明了電子的波動性，故B正確；用紫外線照射某金屬板時有電子逸出，發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，說明光子具有粒子性，故C錯誤；電子顯微鏡因減小衍射現(xiàn)象的影響而具有更高的分辨本領(lǐng)，利用了電子的衍射特性，證明了電子的波動性，故D正確。〖針對訓(xùn)練1〗從光的波粒二象性出發(fā)，下列說法中正確的是()A.光是高速運動的微觀粒子，單個光子表現(xiàn)出波動性B.光的波長越大，光子的能量越大C.在光的干涉中，暗條紋的地方是光子不會到達(dá)的地方D.在光的干涉中，亮條紋的地方是光子到達(dá)概率大的地方〖答案〗D〖解析〗光具有波粒二象性，單個光子既有粒子性，也有波動性，由ε＝eq\f(hc,λ)知，光的波長越大，光子能量越小，故A、B錯誤；在干涉條紋中亮紋是光子到達(dá)概率大的地方，暗紋是光子到達(dá)概率小的地方，故C錯誤，D正確。探究2物質(zhì)波的理解和計算求解物質(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(dá)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(dá)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。(4)一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短，波動性很不明顯，難以觀察到其衍射現(xiàn)象，如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣?！祭?〗任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與之對應(yīng)，波長是λ＝eq\f(h,p)，式中p是運動物體的動量，h是普朗克常量，人們把這種波叫作德布羅意波?，F(xiàn)有一個德布羅意波長為λ1的物體1和一個德布羅意波長為λ2的物體2，二者相向碰撞后粘在一起，已知|p1|＜|p2|，則粘在一起的物體的德布羅意波長為多少？〖答案〗eq\f(λ1λ2,λ1－λ2)〖解析〗由動量守恒定律得p2－p1＝(m1＋m2)v，又p＝eq\f(h,λ)，得eq\f(h,λ2)－eq\f(h,λ1)＝eq\f(h,λ)，所以λ＝eq\f(λ1λ2,λ1－λ2)。〖針對訓(xùn)練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)?〖答案〗4.0×10－10m6.63×10－35m〖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。1.(實物粒子的波粒二象性)(多選)下列說法正確的是()A.概率波就是機(jī)械波B.物質(zhì)波是一種概率波C.概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D.在光的雙縫干涉實驗中，若有一個光子，則無法確定這個光子落在哪個點上〖答案〗BD〖解析〗機(jī)械波是振動在介質(zhì)中的傳播，而概率波是粒子所到達(dá)區(qū)域的概率大小可以通過波動的規(guī)律來確定，故其本質(zhì)不同，故A、C錯誤，B正確；由于光是一種概率波，光子落在哪個點上不能確定，故D正確。2.(實物粒子的波粒二象性)下列哪組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性()A.光的色散和光的干涉 B.光的干涉和光的衍射C.光的反射和光電效應(yīng) D.光的干涉和光電效應(yīng)〖答案〗D〖解析〗光的色散表明不同顏色的光在同一介質(zhì)中折射率不同，光的干涉、衍射現(xiàn)象只說明了光的波動性，光的反射說明光具有類似于實物粒子的特性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性。故D正確。3.(物質(zhì)波的理解和計算)在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因為熱中子的德布羅意波長與晶體中原子間距相近，已知中子質(zhì)量m＝1.67×10－27kg，普朗克常量h＝6.63×10－