人教版高中物理選擇性必修第三冊第四章5粒子的波動性和量子力學的建立課件

5．粒子的波動性和量子力學的建立第四章

原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性整體感知·自我新知初探[學習任務]

任務1．知道實物粒子的波動性假設和實驗驗證。任務2．知道實物粒子和光一樣也具有波粒二象性。任務3．體會量子力學的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響。[問題初探]

問題1．所有運動物體都有波動性嗎？問題2．怎樣驗證電子的波動性？問題3．最微觀層次和最宏觀層次的聯(lián)系紐帶是什么？問題4．固體的分類是按什么進行區(qū)分的？[思維導圖]探究重構(gòu)·關鍵能力達成1．粒子的波動性(1)德布羅意波1924年法國巴黎大學的德布羅意提出假設：實物粒子也具有______，每一個____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______。知識點一粒子的波動性物質(zhì)波的實驗驗證波動性運動物質(zhì)波

干涉電子電子

[微提醒]

所有物體都具有波動性和粒子性。波動性動量很小如圖所示是電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣，結(jié)合圖樣及課本內(nèi)容回答以下問題。問題1．德布羅意提出“實物粒子也具有波動性”假設的理論基礎是什么？問題2．電子束穿過鋁箔的衍射圖樣說明了什么？提示：1．光的波粒二象性、玻爾氫原子理論及相對論。2．電子束能發(fā)生衍射，說明電子束具有波動性。

√√

【典例2】

(物質(zhì)波的實驗驗證)(多選)電子衍射和雙縫干涉實驗是證明德布羅意物質(zhì)波理論的重要實驗，電子束通過鋁箔后的衍射圖樣如圖甲所示，不同數(shù)目的電子通過雙縫后的干涉圖樣分別如圖乙、圖丙和圖丁所示。下列說法正確的是(

)A．亮條紋是電子到達概率大的地方B．這兩個實驗都說明電子是粒子C．這兩個實驗說明光子具有波動性D．這兩個實驗說明實物粒子具有波動性√√AD

[物質(zhì)波，又稱德布羅意波，是概率波，指空間中某點某時刻可能出現(xiàn)的概率，其中概率的大小受波動規(guī)律的支配，亮條紋是電子到達概率大的地方，故A正確；電子是實物粒子，這兩個實驗是以電子是實物粒子為依據(jù)的，衍射與干涉是波特有的現(xiàn)象，所以電子束的衍射圖樣證實了德布羅意物質(zhì)波的假說是正確的，說明實物粒子具有波動性，故B錯誤，D正確；題圖圖樣為電子衍射和雙縫干涉圖樣，不能說明光子具有波動性，故C錯誤。]【教用·備選例題】愛因斯坦的相對論提出，物體的能量和質(zhì)量之間存在一個定量關系：E＝mc2，其中c為光在真空中的速度。(1)計算頻率為ν＝5×1014Hz的光子具有的動量是多少？(2)若一電子的動量與該光子相同，該電子的運動速度是多少？該電子物質(zhì)波的波長λe是多少？(電子質(zhì)量取9.1×10-31kg，普朗克常量h取6.63×10-34J·s，結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

[答案]

(1)1.1×10-27

kg·m/s

(2)1.2×103m/s

6.0×10-7m1．量子力學的建立(1)普朗克________理論、愛因斯坦________理論、康普頓____理論、玻爾______理論以及德布羅意______假說等一系列理論在解釋實驗方面都取得了成功。(2)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________。知識點二量子力學的建立和應用黑體輻射光電效應散射氫原子物質(zhì)波量子力學2．量子力學的應用(1)量子力學推動了核物理和____物理的發(fā)展。(2)量子力學推動了原子、分子物理和____的發(fā)展。(3)量子力學推動了____物理的發(fā)展。粒子光學固體如圖甲所示，質(zhì)子束被加速到接近光速；如圖乙所示，中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。請思考：問題1．經(jīng)典力學是否適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律？如何研究質(zhì)子束的運動規(guī)律？問題2．經(jīng)典力學是否適用于中子星表面的物理規(guī)律？如何研究中子星表面的物理規(guī)律？提示：1．經(jīng)典力學不適用于質(zhì)子束等微觀粒子的研究，量子理論較好地適用于微觀世界。2．經(jīng)典力學對中子星表面的物理規(guī)律并不適用，相對論對中子星表面的物理規(guī)律適用。1．量子力學的建立(1)經(jīng)典物理學的困惑在和原子、分子等微觀粒子的行為緊密相關的各類系統(tǒng)中，普遍存在運用經(jīng)典物理學無法解釋的現(xiàn)象。如黑體輻射、光電效應、氫原子光譜等，這表明人們需要建立描述微觀世界的物理理論。(2)描述微觀世界的早期理論普朗克黑體輻射理論、愛因斯坦光電效應理論、康普頓散射理論、玻爾氫原子理論及德布羅意物質(zhì)波假說等，都僅是針對某一個特定的具體問題，都不是統(tǒng)一的普遍性理論。(3)量子力學的建立①用矩陣力學對玻爾氫原子理論進行推廣和改造，使之可以適用于更普遍的情況。②把波動力學應用于氫原子，很容易能得到氫原子光譜的公式，使玻爾理論的局限性得以消除。③理論上證明，矩陣力學和波動力學在數(shù)學上是等價的，它們是同一種理論的兩種表達方式。2．量子力學的應用(1)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。(2)促進了天文學和宇宙學的研究。(3)使人們成功認識并利用了核能。(4)發(fā)展了精確操控和測量技術(shù)。(5)推動了固體物理的發(fā)展。【典例3】

(量子力學的建立)(多選)關于經(jīng)典力學和量子力學，下列說法正確的是(

)A．不論是對宏觀物體，還是微觀粒子，經(jīng)典力學和量子力學都是適用的B．量子力學適用于宏觀物體的運動；經(jīng)典力學適用于微觀粒子的運動C．經(jīng)典力學適用于宏觀物體的運動；量子力學適用于微觀粒子的運動D．普朗克量子力學的提出，使人類對客觀世界的認識開始從宏觀世界深入到微觀世界√√CD

[經(jīng)典力學適用于宏觀、低速運動的物體，對于微觀、高速運動的物體不再適用；量子力學適用于微觀粒子的運動，故A、B錯誤，C正確；普朗克量子力學的提出使人類對客觀世界的認識開始從宏觀世界深入到微觀世界，D正確。]【典例4】

(量子力學的應用)下列描述與“量子計算機”的原理相符的是(

)A．人們認識了原子的結(jié)構(gòu)，以及原子、分子和電磁場相互作用的方式B．根據(jù)量子力學，人們發(fā)展了各式各樣的對原子和電磁場進行精確操控和測量的技術(shù)C．利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多D．人們認識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)√C

[

科學家們利用半導體的獨特性質(zhì)發(fā)明了晶體管等各類固態(tài)電子器件，并結(jié)合激光光刻技術(shù)制造了大規(guī)模集成電路，俗稱“芯片”。這些器件利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多?？克鼈儯藗儾趴梢灾圃祗w積小且功能強大的電子計算機、智能手機等信息處理設備，C項正確。]應用遷移·隨堂評估自測1．科研人員使用冷凍鏡斷層成像技術(shù)可以“拍攝”到某病毒的3D影像，若該病毒的平均尺度是100nm。已知普朗克常量為6.63×10-34J·s，電子電荷量e＝1.6×10-19C，下列說法正確的是(

)A．100nm相當于10-4mB．想要“看清”該病毒，所用“光波”的波長應該大于100nmC．用能量為2.55eV的可見光照射，在顯微鏡下病毒清晰可見D．波長為100nm的光子的動量的數(shù)量級為10-27

kg·m/s√

2．(2022·浙江1月選考)(多選)電子雙縫干涉實驗是近代證實物質(zhì)波存在的實驗。如圖所示，電子槍持續(xù)發(fā)射的電子動量為1.2×10-23

kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上。已知電子質(zhì)量取9.1×10-31kg，普朗克常量取6.6×10-34J·s，下列說法正確的是(

)A．發(fā)射電子的動能約為8.0×10-15JB．發(fā)射電子的物質(zhì)波波長約為5.5×10-11mC．只有成對電子分別同時通過雙縫才能發(fā)生干涉D．如果電子是一個一個發(fā)射的，仍能得到干涉圖樣√√

回歸本節(jié)知識，完成以下問題：1．什么叫德布羅意波？提示：與實物粒子相聯(lián)系的波，也叫物質(zhì)