高中物理 17.3 粒子的波动性课件 新人教版选修35.ppt

3粒子的波动性 1 知道光的本性认识史 2 知道光的波粒二象性 理解其对立统一的关系 3 会用光的波粒二象性分析有关现象 4 理解德布罗意波 会解释相关现象 重点 1 理解光的波粒二象性 2 对物质波的理解及物质波波长公式的应用 难点 1 区分光的波动性和粒子性 2 德布罗意波波长公式的理解及熟练应用 一 光的波粒二象性1 光的本性 大量光子产生的效果显示出波动性 如干涉 衍射 偏振现象 个别光子产生的效果显示出粒子性 如光电效应 康普顿效应 光既有波动性又具有粒子性 即光具有波粒二象性 2 光子的能量和动量 1 能量 2 动量 p h 3 意义 能量 和动量p是描述物质的 性的重要物理量 波长 和频率 是描述物质的 性的典型物理量 因此 和p 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系 粒子 波动 h 想一想 曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教 光是波还是粒子 你是如何理解的 你想知道布拉格是如何回答的吗 同学们可以上网查找相关资料 提示 光既不同于宏观观念的粒子 也不同于宏观观念的波 但光既具有粒子性又具有波动性 粒子性和波动性都是光本身的属性 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 每一个 的粒子都与一个对应的波相联系 这种与 相联系的波称为德布罗意波 也叫 2 物质波的波长 频率关系式波长 频率 运动 实物粒子 物质波 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 衍射的实验 得到了 的衍射图样 证实了 的波动性 干涉 电子束 电子 电子 3 说明 人们陆续证实了质子 中子以及原子 分子的 对于这些粒子 德布罗意给出的关系同样正确 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 很大 对应的德布罗意波的波长 根本无法观察到它的波动性 波动性 动量 很小 判一判 1 一切宏观物体都伴随一种波 即物质波 2 湖面上的水波就是物质波 3 电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性 提示 1 根据德布罗意物质波理论 任何一个运动的物体都有一种波与之相对应 这种波就是物质波 并不是一切物体都具有物质波 1 错 2 湖面上的水波是机械波 机械波不是物质波 2 错 3 电子是实物粒子 衍射现象是波特有的现象 故电子的衍射现象能够证实实物粒子具有波动性 3 对 人类对光的本性的研究 探究导引 如图所示 甲是光通过双缝产生的干涉图样 乙是光照射到锌板时所发生的光电效应现象 比较这两种现象 思考以下问题 1 如何认识光的波粒二象性及其对立统一的关系 2 什么情况下表现出光的波动性 什么情况下表现出光的粒子性 要点整合 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 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 直到二十世纪初 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 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 光的直线传播 光的反射 光的干涉 衍射 能在真空中传播 是横波 光速等于电磁波的速度 光电效应 康普顿效应 光既有波动现象 又有粒子特征 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 宏观世界 宏观世界 微观世界 微观世界 微观世界 2 对光的波粒二象性的理解 干涉和衍射 1 光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述 2 足够能量的光在传播时 表现出波的性质 1 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 2 光的波动性不同于宏观观念的波 光电效应 康普顿效应 1 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 2 少量或个别光子容易显示出光的粒子性 1 粒子的含义是 不连续 一份一份 的 2 光子不同于宏观观念的粒子 特别提醒 1 光既表现出波动性又表现出粒子性 要从微观的角度建立光的行为图案 认识光的波粒二象性 2 要明确光的波动性和粒子性在不同现象中的分析方法 典例1 2012 深圳高二检测 下列说法正确的是 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 光的干涉 衍射现象说明光具有波动性 光电效应说明光具有粒子性 思路点拨 解答本题应注意以下三点 关键点 1 理解光的波粒二象性是光的本性 2 区别光波和实物粒子 3 知道哪些现象体现出的是光的哪种性质 规范解答 选c d 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 a错误 虽然光子和电子都是微观粒子 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 所以不能说光子和电子是同样的一种粒子 b错误 波长长 容易发生干涉 衍射 波动性强 反之 波长短 光子能量大 粒子性强 c正确 干涉 衍射是波特有的现象 光电效应说明光具有粒子性 d正确 变式训练 2012 海南高考 产生光电效应时 关于逸出光电子的最大初动能ek 下列说法正确的是 a 对于同种金属 ek与照射光的强度无关b 对于同种金属 ek与照射光的波长成反比c 对于同种金属 ek与光照射的时间成正比d 对于同种金属 ek与照射光的频率成线性关系e 对于不同种金属 若照射光频率不变 ek与金属的逸出功成线性关系 解析 选a d e 由爱因斯坦光电效应方程ek h w0可知 ek与照射光的强度无关 选项a正确 ek与照射光的频率 成线性关系 与波长不是成反比的关系 选项b错误 d正确 由于电子一次性吸收光子的全部能量 ek与照射光的时间无关 选项c错误 对于不同金属 若照射光的频率不变 由光电效应方程可知 ek与金属的逸出功成线性关系 选项e正确 变式备选 关于光的本性 下列说法中正确的是 a 关于光的本性 牛顿提出 微粒说 惠更斯提出 波动说 爱因斯坦提出 光子说 它们都说明了光的本性b 光具有波粒二象性是指 既可以把光看成宏观概念上的波 也可以看成微观概念上的粒子c 光在传播时往往表现出波动性 光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性d 光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来 解析 选c 光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述 不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波 光的粒子性是指光的能量是一份一份的 每一份是一个光子 不是牛顿微粒说中的经典微粒 某现象说明光具有波动性 是指波动理论能解释这一现象 某现象说明光具有粒子性 是指能用粒子说解释这个现象 要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系 光在传播时容易表现出波动性 与物质发生作用时易表现出粒子性 c正确 a b d错误 对物质波的理解 探究导引 如图所示是刘翔在110m栏比赛中的画面 观察图片并结合体育课上同学们100m赛跑中的情景 思考以下问题 1 为什么我们观察不到赛跑时运动员的波动性 2 如何理解德布罗意波 3 怎样理解波粒二象性 要点整合 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 粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配 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 4 对于光 先有波动性 即 和 再在量子理论中引入光子的能量 和动量p来补充它的粒子性 反之 对于实物粒子 则先有粒子概念 即 和p 再引入德布罗意波 即 和 的概念来补充它的波动性 不过要注意这里所谓波动和粒子 仍然都是经典物理学的概念 所谓补充仅是形式上的 综上所述 德布罗意的推想基本上是爱因斯坦1905年关于光子的波粒二象性理论 光粒子由波伴随着 的一种推广 使之包括了所有的物质微观粒子 特别提醒 1 一切运动着的物体都具有波动性 宏观物体观察不到其波动性 但并不否定其波动性 2 要注意大量光子 个别光子 宏观物体 微观粒子等相关概念的区别 3 在宏观世界中 波与粒子是对立的概念 在微观世界中 波与粒子可以统一 典例2 2012 吕梁高二检测 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 思路点拨 解答本题应注意以下两点 关键点 1 正确应用德布罗意波波长公式 明确式中各物理量的含义 2 明确宏观物体的波长很短 规范解答 根据德布罗意的观点 任何运动着的物体都有一种波和它对应 飞行的子弹必有一种波与之对应 子弹的动量为 p mv 10 10 3 300kg m s 3kg m s子弹的德布罗意波波长为 由于子弹的德布罗意波波长极短 故无法观察到其波动性 答案 2 21 10 34m由于子弹的德布罗意波波长极短 无法观察到其波动性 总结提升 有关德布罗意波计算的一般方法 1 首先计算物体的速度 再计算其动量 如果知道物体动能也可以直接用计算其动量 2 再根据计算德布罗意波波长 3 需要注意的是 德布罗意波波长一般都很短 比一般的光波波长还要短 可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理 4 宏观物体的波长小到可以忽略 其波动性很不明显 变式训练 频率为 的光子 德布罗意波波长为能量为e 则光的速度为 a e hb pec e pd h2 ep 解析 选a c 根据c e h 即可解得光的速度为故选a c 温馨提示 微观粒子与宏观物体都具有波动性 其波长都可以利用德布罗意波波长公式求解 因此要注意德布罗意波波长公式的应用 典例 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长 中子的质量为1 67 10 27kg 思路点拨 分析此题时应注意以下两点 关键点 1 物体或粒子的动量 2 德布罗意波波长 规范解答 中子的动量为 1 m1v 子弹的动量为 p2 m2v 据知中子和子弹的德布罗意波波长分别为 联立以上各式解得 将m1 1 67 10 27kg v 1 103m s h 6 63 10 34j s m2 1 0 10 2kg代入上面两式可解得 1 4 0 10 10m 2 6 63 10 35m 答案 4 0 10 10m6 63 10 35m 光的波粒二象性的理解光既有波动性 又具有粒子性 对光的波粒二象性的理解应注意以下两点 1 光的波粒二象性是光的波动性和粒子性同时存在的 只是某些情况下光的波动性明显 粒子性不明显 某些情况下光的粒子性明显 波动性不明显 2 光的粒子性是指光是一份一份的 并不是光子间的相互作用 案例展示 对光的认识 以下说法正确的是 a 个别光子的行为表现为粒子性 大量光子的行为表现为波动性b 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的c 光表