物理：17.3 粒子的波动性 导学案(人教版选修3-5)

17.3 粒子的波动性

一、光的波粒二象性

1．

2．光子的能量和动量：能量表达式ε=________，动量表达式______________。

3．意义：能量ε和动量p是描述物质的____________性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的________性的典型物理量。因此ε=___________和___________揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。

二、粒子的波动性及实验验证

1．粒子的波动性

（１）德布罗意波：任何一种实物粒子都和一个________相对应，这种波被称为德布罗意波，也叫___________。

（2）物质波的波长和频率：波长公式λ=hp，频率公式 ν=h。

2．物质波的实验验证

（1）实验探究思路：_________、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生_______或衍射现象。

（2）实验验证：1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了________衍射的实验，得到了______的衍射图样，证实了______的波动性。

（3）说明：

①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的_________，对于这些粒子，德布罗意给出的λ=hp和 ν=h关系同样正确。

②宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，宏观物体运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很______，根本无法观察到它的波动性。

波动性 衍射 粒子性 光电效应 波动性 粒子性 波粒二象性 hv hp 粒子

波动 hν hp 波 物质波 干涉 干涉 电子束 电子 电子 波动性 小

一、人类对光的本性的研究

1．对光的本性认识史

人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的光的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直到20世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性。对于光的本性认识史，列表如下：

3 粒子的波动性

4 概率波

5 不确定性关系

[目标定位] 1.知道光的波粒二象性，理解其对立统一的关系，会分析有关现象.2.理解德布罗意波和概率波的统计规律.3.了解经典的粒子和经典的波，会用不确定关系的对应公式分析简洁问题．

一、粒子的波动性

1．光的波粒二象性

(1)光既具有波动性又具有粒子性，即光具有波粒二象性．

(2)光子的能量ε＝hν和动量p＝hλ．两式左侧的物理量ε和p描述光的粒子性，右侧的物理量ν和λ描述光的波动性，普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁．

2．粒子的波动性

(1)每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫做物质波．

(2)物质波的波长、频率关系式

波长：λ＝hp，频率：ν＝εh．

3．物质波的试验验证

(1)1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射试验，得到了电子的衍射图样，证明白电子的波动性．

(2)人们间续证明白质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝εh和λ＝hp关系同样正确．

二、概率波

1．经典粒子和经典波

(1)经典粒子：①粒子有确定的空间大小，有确定的质量，遵循牛顿运动定律．

②运动的基本特征：在任意时刻有确定的位置和速度，在空间中有确定的轨道．

(2)经典波：经典波的基本特征是：具有确定的频率和波长，即具有时空的周期性．

2．概率波 (1)光波是一种概率波

光的波动性不是光子之间相互作用的结果而是光子自身固有的性质，光子在空间毁灭的概率可以通过波动规律确定，所以，光波是一种概率波．

(2)物质波也是一种概率波

对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是不确定的，但在某点毁灭的概率的大小可以由波动规律确定，而且对于大量粒子，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．

三、不确定性关系

1．定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的，在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫不确定性关系．

课时作业8 粒子的波动性

1．人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是( )

A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的

B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性

C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波

D．光具有波粒二象性

解析：牛顿的“微粒说”认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播；爱因斯坦的光子说认为光是一种电磁波，在空间传播时是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，故本质是不同的，A错。

答案：B、C、D

2．能说明光具有波粒二象性的实验是( )

A．光的干涉和衍射

B．光的干涉和光电效应

C．光的衍射和康普顿效应

D．光电效应和康普顿效应

解析：光的干涉和光的衍射只说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应只说明光具有粒子性，B、C正确。

答案：B、C

3．关于光的本性，下列说法中正确的是( )

A．光子说并没有否定光的电磁说 B．光电效应现象反映了光的粒子性

C．光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说提出来的

D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性

解析：光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律。光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的。

答案：A、B

4．下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是( )

A．有的光是波，有的光是粒子

B．光子与电子是同样的一种粒子

C．光的波长越长，其波动性越明显；波长越短，其粒子性越显著

D．大量光子的行为往往显示出粒子性

解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起接收装置的反应，所以其粒子性就很显著，故选项C正确。A、B、D错误。

高中物理选修3-5

1 第3节 粒子的波动性

第4节 概率波

第5节 不确定性关系

学习目标

核心提炼

1.知道光具有波粒二象性，区分光的波动性和粒子性。 4个概念——光的波粒二象性

粒子的波动性

物质波

2.知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。

3.掌握λ＝hp的含义及应用。

4.了解经典粒子和波的模型及概率波的内容。

5.初步了解不确定性关系的内容。

不确定关系

一、光的波粒二象性

阅读教材第37页内容，知道光的波粒二象性，初步了解它们对立统一的关系。

1.19世纪初托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象。

2.19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质。

3.光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。

4.

5.光子的能量和动量

(1)能量：ε＝hν。 高中物理选修3-5

2 (2)动量：p＝hλ。

6.意义：能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量。因此ε＝hν和p＝hλ揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。

思考判断

(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。( )

(2)光子数量越大，其粒子性越明显。( )

(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。( )

[答案] (1)√ (2)× (3)√

二、粒子的波动性及实验验证

阅读教材第37～39页内容，了解粒子的波动性，知道物质波概念。

1.粒子的波动性

(1)德布罗意波：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。

(2)物质波的波长：λ＝hp。

(3)物质波的频率：ν＝εh。

2.物质波的实验验证

(1)实验探究思路：干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。

(2)实验验证：1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性。