高中物理 第十七章 波粒二象性 3 粒子的波动性学案 新人教版选修3-5.doc

3粒子的波动性1光的波粒二象性(1)光子既有能量h，也有动量ph/，物理量、p描述光的粒子性；物理量、描述光的波动性。普朗克常量h架起了粒子性和波动性之间的桥梁。(2)光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性。光既有波动性又有粒子性，单独使用任何一种都无法完整地描述光的所有性质，把这种性质叫做光的波粒二象性。(3)光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。(4)光的波粒二象性的理解项目内容说明光的粒子性当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质粒子的含义是“不连续”“一份一份”的。光的粒子性中的粒子是不同于宏观观念的粒子光的波动性足够能量的光在传播时，表现出波的性质；光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。光的波动性不同于宏观概念的波波动性和粒子性的对立、统一宏观世界：波和粒子是相互对立的概念。微观世界：波和粒子是统一的光子说并未否定波动性，ehc/中，c和就是波动的概念【例1】 有关光的波粒二象性的下列说法中，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，其波动性越显著；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：选项剖析结论a同一种光在不同条件下，有时表现出波动性，有时表现出粒子性b电子是实物粒子，有静止质量；光子无静止质量，以场的形式存在c光的波长越长(频率越低)，其波动性越显著，反之，粒子性越显著d大量光子的行为往往表现出波动性答案：c2粒子的波动性(1)德布罗意假设：实物粒子也具有波动性。(2)粒子的频率和波长/h，h/p。(3)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。【例2】 关于德布罗意波，下列说法正确的是()a所有物体不论其是否运动，都有对应的德布罗意波b任何一个运动着的物体都有一种波和它对应，这就是德布罗意波c运动着的电场、磁场没有相对应的德布罗意波d只有运动着的微观粒子才有德布罗意波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的德布罗意波解析：任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，即物质波，物质有两类：实物和场，所以b正确。答案：b3物质波的实验验证(1)验证方法：实物粒子(如电子、质子等)能发生干涉和衍射。(2)电子束衍射实验成功。电子束衍射图样，如图所示。【例3】 在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m1.671027kg，普朗克常量h6.631034 js，可以估算德布罗意波长1.821010 m的热中子动能的数量级为()a1017 j b1019 jc1021 j d1024 j解析：根据德布罗意波长公式h/p可算出中子动量大小，再由p22mek即可算出热中子的动能。由h/p，p22mek，得ek，代入数据，有ek3.971021 j，数量级为1021 j，故选c项。答案：c4对物质波的理解实物粒子和光一样，也具有波粒二象性，微观粒子的波动性通过电子的衍射得到证实，而宏观物体同样也有波动性，只是由于宏观物体运动时的动量大，德布罗意波长很小，难以观测，但不能因此就认为宏观物体没有波动性。5计算德布罗意波长的方法根据德布罗意波波长的计算公式h/p，普朗克常量h已知，只要计算出粒子的动量p，即可求得德布罗意波的波长。【例4】 关于物质波，下列认识中错误的是()a任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波bx射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的c电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的d宏观物体尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象答案：bd【例5】 电子经电势差为u220 v的电场加速，在vc的情况下，求此电子的德布罗意波长。(已知：电子质量为9.111031 kg，电子电荷量为1.61019 c)解析：在电场作用下mv2eu，得v，根据德布罗意波长得 nm，由于电压u220 v，代入上式得 nm8.29102 nm8.291011m。答案：8.291011m6光本性学说的发展简史学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认实验依据光的直进光的反射光的干涉衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速光电效应康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性惠更斯的波动说认为光是一种机械波，是一种纯机械运动的形式，没有物质性，因此不能解释光在真空中的传播。麦克斯韦的光的电磁说认为光是一种电磁波，是物质的一种特殊形态，从而揭示了光的电磁本质，能圆满地解释光在真空中的传播以及光的反射、折射、干涉和衍射等现象。牛顿主张的微粒说，认为光是一种“弹性粒子流”，是一种实物粒子，没有波动性；爱因斯坦的光子说认为光是由光子构成的不连续的特殊物质，光的能量h，其中是光的频率，属于波的特征物理量之一，因此光子学本身没有否定光的波动性。惠更斯的波动说与牛顿的微粒说由于受传统宏观观念的影响，都试图用一种观点去说明光的本性，因而它们是相互排斥、对立的两种不同的学说。麦克斯韦的光的电磁说与爱因斯坦的光子说是对立的统一体，揭示了光的行为的二重性：既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。7显微镜的分辨本领最好的光学显微镜能够分辨200 nm大小的物体。衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领。波长越长，衍射现象越明显。可见光波长为400700 nm，日常生活中的物体大小比可见光波长大得多，光的衍射不明显，所以我们才说光沿直线传播。当被观察物太小时，衍射现象不能忽略，这样物体的像就模糊了，影响了显微镜的分辨本领。电子显微镜是使用电子束工作的。电子束也是一种波，如果把它加速，电子动量很大，它的德布罗意波长就很短，衍射现象的影响就很小。现代电子显微镜的分辨本领可以达到0.2 nm。由于加速电压越高电子获得的动量越大，它的波长就越短，分辨本领也就越强，所以电子显微镜的分辨本领大小常用它的加速电压来表示。【例61】 人类对光本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光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：光的衍射和干涉是波的特有现象，爱因斯坦的光子和牛顿的微粒除了都是粒子之外，并无任何相同之处。光子不是牛顿所描绘的那种遵循经典力学运动定律的微粒。答案：bcd【例62】 电子和光一样具有波粒二象性，它表现出波动性，就像x射线穿过晶体时会产生衍射一样，这一类实物粒子的波动叫德布罗意波。质量为m的电子以速度v运动时，这种德布罗意波的波长可表示为。已知电子质量m9.11031 kg，电子电荷量e1.61019 c，普朗克常量h6.631034 js。(1)计算具有100 ev动能的电子的动量p和波长；(2)若一个静止的电子经2 500 v电压加速，求能量和这个电子动能相同的光子的波长，求该光子的波长和这个电子的波长之比。解析：(1)电子的动量：pkgm/s5.41024 kgm/s德布罗意波长 m1.21010m。(2)由电子的能量2 500 ev4.01016 j根据，得光子波长m5.01010 m电子的动量pmv kgm/s2.71023 kgm/s电子波长 m2.51011 m则20。答案：(1)5.41024 kgm/s1.21010 m(2)2.51011 m20【例7】 影响显微镜分辨率本领的一个因素是衍射，衍射现象越明显，分辨本领越低。使用电子束工作的电子显微镜有较高的分辨本领，它利用高压对电子束加速，最后打在感光胶片上来观察显微图像。以下说法正确的是()a加速电压越高，电子的波长越长，分辨本领越强b加速电压越高，电子的波长越短，衍射现象越明显c如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领