高中5 粒子的波动性和量子力学的建立教案

这是一份高中5 粒子的波动性和量子力学的建立教案，共8页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练，教学反思等内容，欢迎下载使用。

物理观念∶形成实物粒子也具有波粒二象性的观念，了解量子力学在生活中的应用。
科学思维∶能够利用波粒二象性关系式解释实物粒子的波动性，能在生活中发现量子力学的具体应用情形，并作出解释。
科学探究：通过物质波的验证，掌握验证物理理论的基本方法——实验。
科学态度与责任∶量子力学不是一天建成的，也不是一个人就能建立，告诫学生做事要懂得合作，要持之以恒。
教学重难点
教学重点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波，量子力学的建立。
教学难点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波。
教学过程
【新课引入】
曾有记者问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：光是波还是粒子？
布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”
那么光的本性到底是什么？
【新知探究】
(一)光的波粒二象性
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。
普朗克常量h是架起了粒子性与波动性之间的桥梁
波长λ越大，动量P越小——波动性越强，粒子性越弱
波长λ越小，动量P越大——波动性越弱，粒子性越强
（二）德布罗意的物质波
1．粒子的波动性
法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。
他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢？”
2．物质波
实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。
一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量ε和动量p所描述的粒子性，同时也具有以频率v和波长λ所描述的波动性。而且v=εh，λ=hp。
后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。
结论：一切实物粒子都具有波动性。
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。
这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波（物质波或概率波），其波长称为德布罗意波长。
德布罗意波长
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它相对应，该波的波
〖例1〗质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？
解析：
由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？
如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？
3.物质波的实验验证
(1)电子衍射实验1
1927年，C.J.戴维森与雷斯特·革末做电子衍射实验，验证电子具有波动性。
戴维森和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。
(2)电子衍射实验2
1927年，G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）也独立完成了电子衍射实验。与C.J.戴维森共获1937年诺贝尔物理学奖。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也像X射线一样产生衍射现象。
此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。
(3)电子双缝实验
1961年克劳斯·约恩松（Claus Jönssn）将一束电子加速到50keV，让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m，间隔为d=2.0×10-6m的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。
〖例2〗下列关于德布罗意波的认识正确的是( )
A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性
解析：运动的物体才具有波动性,A项错;宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有C项正确。
答案：C
4．物质波的应用
物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明。第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。
从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2μm，最大放大倍数也只有1000倍左右。
自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。
教师展示电子显微镜下的照片。

电子显微镜下的薰衣草叶子 电子显微镜下的纳米纤维

电子显微镜下的红细胞 电子显微镜下的蓼属植物花粉
（三）量子力学的建立
19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。这些现象不是孤立的，而是在各类系统中普遍存在的，且都和原子、分子等微观粒子的行为紧密相关。在这些问题中经典物理学往往连实验结果的定性行为都无法解释。这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。
德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。他们建立的理论被称为矩阵力学。
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程，使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。
（四）量子力学的应用
量子力学被应用到众多具体物理系统中，得到了与实验符合得很好的结果，获得了极大的成功。
量子力学推动了核物理和粒子物理的发展,核物理的发展，还让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能。爱因斯坦说：“这是人们第一次利用太阳以外的能量。”
量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。
激光、核磁共振、原子钟，等等。
量子力学推动了固体物理的发展。
利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”。靠它们，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备，真正走进了信息时代。此外，固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。
〖例3〗“4G改变生活，5G改变社会”，中国已正式进入5G时代．4G所使用的电磁波频率一般都低于6GHz（1G=109）， 而5G所用的电磁波频率一般在24GHz到100GHz之间，与4G使用的电磁波相比，5G使用的电磁波( )
A．光子能量较小 B．光子动量较大
C．在真空中传播速度更大 D．遇到障碍物更容易发生衍射现象
解析：
答案：B
【课堂小结】
【随堂演练】
1．判一判
（1）德布罗意认为实数粒子也具有波动性。（ √ ）
（2）光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论。（ × ）
（3）波长较长的光只有波动性，没有粒子性。（ × ）
（4）向前飞行的子弹具有波动性。（ √ ）
2．下列说法中正确的（ ）
A．质量大的物体，其德布罗意波长短
B．速度大的物体，其德布罗意波长短
C．动量大的物体，其德布罗意波长短
D．动能大的物体，其德布罗意波长短
答案：C
3．根据物质波理论，以下说法中正确的是（ ）
A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性
B．宏观物体和微观粒子都具有波动性
C．宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长
D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显
答案：BD
4．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源。X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则（ ）
A．E＝hλ/c，p＝0B．E＝hλ/c，p＝hλ/c2
C．E＝hc/λ，p＝0 D．E＝hc/λ，p＝h/λ
答案：D
5．如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？（中子的质量为1.67×10-27kg）
答案：4.0×10-10m6.63×10-35m
【教学反思】
量子力学的诞生是上世纪的物理界的一件大事，它并不是一个人努力的结果，而是群英荟萃的结果。在学习量子力学时，可能学生会感到困惑，为什么不像牛顿力学一样就有具体的公式呢？其实量子力学也有公式的，只是比较多，也不是一个人的，如本节的物质波的两个关系式。那么在讲量子力学时就有必要讲重新梳理本章书例出现过的科学家，已经他们的理论。让学生有一个清晰的脉络。最后介绍量子力学在生活中的应用。