高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立获奖教案及反思

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立获奖教案及反思，共9页。教案主要包含了粒子的波动性，物质波的实验验证，量子力学的建立，量子力学的应用等内容，欢迎下载使用。
备课人
学科
物理
课题
4.5粒子的波动性和量子力学的建立
教学内容分析
本节内容由粒子的波动性、物质波的实验验证、 量子力学的建立和量子力学的应用四部分组成。第一部分介绍了德布罗意提出实物粒子也具有波动性，提出物质波的假设。实物粒子的波动性还有待于实验的检验。第二部分介绍了电子束衍射的实验，成功地观察到了电子束的衍射图样，从而证实了实物粒子也具有波动性。它使我们对自然界的认识又上升了一个层次，更加丰富了学生的世界观，后两部分简单介绍了量子力学的建立过程，并介绍了一些量子力学推动的重要技术，以及这些技术的应用。量子力学与我们的生活息息相关，只是大家不知道这就是量子力学罢了。
学情分析
学生已经掌握了光既有波动性，又有粒子性，而且通过本章前四节的学习，知道了经典力学的局限性，需要建立新的理论解释来微观世界的现象；另外，无论从研究方法还是思维能力方面也已具备学习本节课的能力，理解实物粒子的波动性仍有较大的难度。
教学目标
物理观念：知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。
科学思维：掌握光的波粒二象性，理解其对立统一关系；并能应用波粒二象性解释有关现象，提高分析、推理能力。
科学探究：通过学习电子衍射、与干涉的探究，学会观察与讨论，并能得出实验结论，提高动脑能力。
科学态度与责任：学习科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。
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
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
1.通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？

2.光的波粒二象性的统计观点解释
入射光极弱，光子数目极少，确切位置无法预测。
延长曝光时间，理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大；
继续延长曝光时间，得到明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。
光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。
3.光的衍射实验
在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。
光的双缝干涉、单缝衍射表明——光具有波动性
学生观看课件并思考
引入新课内容，激发学生好奇心
新课教学
一、粒子的波动性
1.德布罗意波
德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。
1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。
他提出假设:实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系：

这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长λ称为德布罗意波长。
实物粒子具有波粒二象性

普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
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。一切实物粒子都有波动性
做一做
试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。
解：估计一个中学生的质量 m ≈ 50 kg ，百米跑时速度 v ≈ 7 m/s ，则
由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。
光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。如果电子、质子等实物粒子真的具有波动性，那么它们也应该能像光一样发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。
德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。
（1）速度υ = 5.0102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为多少？
太小测不到！
（2）电子m=9.110-31Kg，速度υ = 5.0107m/s， 对应的德布罗意波长为：
X射线波段
所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
小试牛刀
【例题】关于物质波，下列说法正确的是( A )
A．速度相等的电子和质子，电子的波长大
B．动能相等的电子和质子，电子的波长小
C．动量相等的电子和中子，中子的波长小
D．甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍
了解德步罗意波好实物粒子的波粒二象性。
体会物理观念的形成过程。
加深学生对新知识点的理解，强化记忆。
二、物质波的实验验证
1.实验思路
物质波验证方法：
找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样
2.伦琴射线衍射实验 ：
1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。
实验验证
⑴实物粒子的衍射图样
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。
（2）实物粒子的干涉图样
在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。
1961年琼森（Claus Jönssn）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 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。
4.琼森（Claus Jönssn ）
电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象
5.对德布罗意波的理解
（1）任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。
（2）德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。
（3）德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。
6.光的波动性、粒子性是统一的
(1)光的粒子性并不否定光的波动性,光既具有波动性,又具有粒子性,波动性粒子性都是光的本身属性,只是在不同条件下的表现不同；
(2)只有从波粒二象性的角度出发,才能统一说明光的各种行为。
说明：光子说并不否认光的电磁说
①按光子说,光子的能量 ε=ℎν, 其中 ν 表示光的频率,即表示了波的特性；
②从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到了一致的结论。
小试牛刀
【例题】(多选)以下说法正确的是( AD )
A．任何物体都具有波动性
B．拉动细绳一端，绳上产生的波就是物质波
C．粒子的动量越大，其波动性越易观察
D．电子衍射实验证明电子有波动性
【例题】下列关于德布罗意波的认识正确的是( C )
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
了解实验思路得出验证方法。
观察图样
总结光的波动性、粒子性是。
通过实验现象让学生更直观的感受分子的运动。培养科学思维和科学探究的核心素养。
提高学生的课堂参与度。
总结可以帮助学生更好的理解本节课的重难点。培养科学态度与责任的核心素养。
三、量子力学的建立
经典物理学无法解释的现象，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。
在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。
1.普朗克常量h
在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。
2.
1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。
波动力学
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。
3.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（ quantum mechanics）。
量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。
量子力学:描述微观世界的理论。
小试牛刀
【例题】(多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是( ABC )
A．量子力学完全否定了经典力学
B．量子力学是在早期量子论的基础上创立的
C．量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性
D．晶体管“芯片”等器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是量子力学在固体物理中的应用
观察普朗克常量，总结结论。
了解建立过程。
学生和老师一起总结
更直观的进行了解。培养科学思维和科学探究的核心素养。
培养科学态度与责任的核心素养。
提高学生对问题的分析能力，锻炼学生的科学思维。
四、量子力学的应用
推动了核物理和粒子物理的发展
最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！
2.推动原子、分子物理和光学的发展
发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术，如激光、核磁共振、原子钟等等。
3.推动了固体物理的发展
4.量子力学的创立和索尔维会议，(ppt视频)
小试牛刀
【例题】(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是( AC )
A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了
B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义
C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D.万有引力定律也适用于强相互作用力
巩固知识点，加强理解和记忆。
课堂总结
一、粒子的波动性
1、波粒二象性
2、物质波
二、物质波的实验验证
1、电子干涉现象
2、电子束衍射现象
三、量子力学的建立和应用
学生总结本节课知识点
帮助学生形成知识框架，便于理解记忆。
板书设计
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中基础知识进行检测，二是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
量子力学的诞生是 20 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，由于量子力学是研究微观领域的，学生缺乏感性认识，所以在理解一些现象时，无法利用已有的认知去知识迁移，造成认知上的困难和障碍。同时量子力学还有很多未知的领域去探索，如何让学生清晰的辨析概念，激发学生将来投身探索微观世界的热情，是教学过程中值得不断反思和提高的地方。