高二物理选修35同步课件第17章第3节粒子的波动性共45.ppt

第三节粒子的波动性,情景设置光具有粒子性,光子像其它粒子一样,有一定的动量和能量,光的干涉衍射和偏振现象,又表明:光具有波动性.光究竟是什么?实物粒子的运动与光是否具有类似之处?,知识梳理图【知识点】1.光的波粒二象性;2.物质波.,1.光学的发展史,2.光的波粒二象性光既有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性(1)光的波动性与粒子性的统一大量光子产生的效果显示其波动性,比如干涉衍射现象中,如果用强光照射,在光屏上立刻出现了干涉衍射条纹波动性体现了出来;个别光子产生的效果显示出粒子性.如果用微弱的光照射时间延长的情况下,在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性,倾向于干涉衍射的分布规律.这些实验,为人们认识光的波粒二象性提供了很好的依据.,光子的能量=h,动量能量和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量,波长和频率是描述物质波动性的共性物理量.两式左侧的物理量和p描述光的粒子性,右侧的物理量和描述光的波动性.它们通过普朗克常量h联系在一起,h架起了粒子性和波动性之间的桥梁.对不同频率的光,频率低波长长的光,波动性特征显著;而频率高波长短的光,粒子性特征显著.光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。,二粒子的波动性1.物质波波,德布罗意(duedeBroglie,1892-1960),德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文关于量子理论的研究中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。,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,德布罗意推想:自然界在许多方面是对称的,“波粒共存的观念可以推广到所有粒子”.既然光具有波粒二象性,则实物粒子或许也有这种二象性,在这样的推想下,德布罗意提出假设;实物粒子和光一样,也具有波粒二象性.如果用能量和动量p来表示实物粒子的粒子性.用频率和波长来表征实物粒子的波动性,那么,对光适用的关系式也适用于实物粒子,即:,德布罗意的思维逻辑,实物粒子也具有波动性利用类比的想法，提出物质波概念与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，或叫物质波。预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。,电子有质量,根据相对论：,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，并都满足德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？质量m=0.01kg，速度v=300m/s的子弹的德布洛意波长为计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。,一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率n和波长l所描述的波动性。,德布罗意关系,这种与实物粒子相联系的波,后来被称为德布罗意波,也叫物质波.3.对德布罗意物质波的理解(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.（一切实物粒子都有波动性）(2)德布罗意是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受到波动规律的支配,不要以宏观观点中的波（机械波）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,即光子和实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波.,2.物质波的实验验证干涉和衍射是波动物质的特有表现,如果实物粒子具有波动性的话,在一定条件下,也该发生干涉和衍射现象.实物粒子运动时其波长很小,根本无法观察到它的波动性.1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束的衍射实验.得到了类似右图的衍射图样,从而证明了电子的波动性.,2、戴维逊革末实验,1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射实验。（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）,电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，在散射方向上探测到一个强度极大。（可用晶体对X射线的衍射方法来分析）,1937诺贝尔物理学奖,1927年，美国贝尔实验室的戴维森（ClintonJosephDavisson，18811958）、革未（LesterHalbertGermer，18961971）通过实验发现晶体对电子的衍射,1927年英国的汤姆逊（GeorgePagetThomson，18921975）通过电子在多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似,电子衍射,X光衍射,1927年戴维孙革末通过电子在晶体表面的散射实验得到了与X射线衍射相似的电子衍射,1927年英国的汤姆逊通过电子在金的多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似,电子衍射花样,电子显微镜,在电子显微镜下放大30000倍的细菌图像,电子显微镜下的头发分叉照片,电子显微镜下的血液中红细胞的照片,用电子显微镜放大115倍之后的室内灰尘,造成伊波拉出血热的丝状病毒样貌,人类对于光的认识历程,德布罗意：粒子和波这两种观点应该以某种方式统一,父子诺贝尔奖汤姆逊,C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊利用晶体做了电子束衍射实验为此获得了1937年诺贝尔物理学奖。,1906年,汤姆逊由于发现电子和对气体放电理论和实验做出了重大贡献获得诺贝尔物理学奖。,3.从微观的角度理解光的波动性和粒子性光既表现出波动性又表现出粒子性,很难用宏观世界的观念来认识,必须从微观的角度建立起光的行为图景,认识光的波粒二象性,需要明确的是:爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“微粒”是两个完全不同的概念;同样,麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念,其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别.,典例分析一对光的波粒二象性的理解例1:下列有关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.光和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: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,光的有些行为表现出粒子性(如光电效应),所以,不能说有的光是波,有的光是粒子.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,有静止的质量;光子不是实物粒子,没有静止的质量,电子是以实物粒子存在的物质,而光子是以场的形式存在的物质,所以不能说光子和电子是同样的一种粒子,大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子往往显示出其粒子性,光的波长越长,波动性越显著.光的波长越短,其频率越高,其光子的能量越大,个别或少数光子作用就足以引起光接收装置的反应,所以其粒子性就很显著,故选项C正确.答案:C,巩固练习1: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D.光的波粒二象性是将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机统一起来的,解析:光具有波粒二象性是现代物理学说关于光的本性的认识,光的波粒二象性不同于牛顿的微粒说和惠更斯的波动说,是爱因斯坦的光子说和麦克斯韦的电磁说的统一.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,故ABD选项错误,C选项正确.答案:C,二德布罗意波的理解和计算例2:下列说法中正确的是()A.物质波属于机械波B.只有像电子质子中子这样的微观粒子才具有波动性C.德布罗意认为,任何一个运动的物体,小到电子质子,大到行星太阳都具有一种波和它对应,这种波称为物质波.D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性,解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,宏观物体也具有波动性,只是干涉衍射现象不明显,看不出来,故只有C选项正确.答案:C,巩固练习2: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,则它们德布罗意波的波长分别是多少?(中子的质量为1.6710-27kg),答案:(1)4.010-10m6.6310-35m,1.对光的行为,下列说法正确的是()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.光的波动性是光的一种特性,不是光子之间的相互作用引起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性显著,在另外某种场合下,光的粒子性显著答案:ABD,2.下列说法中正确的是()A.质量大的物体,其德布罗意波长小B.质量小的物体,其德布罗意波长小C.动量大的物体,其德布罗意波长小D.速度大的物体,其德布罗意波长小答案:C,3.下列关于实物粒子的说法中正确的是()A.向前飞行的子弹不具有波动性B.射击运动员很难命中靶子,是因为子弹具有波动性C.飞行的子弹既具有粒子性又具有波动性D.飞行的子弹具有波动性,但波长很长表现不出来答案:C,4.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.麦克斯韦预言光是一种电磁波D.光具有波粒二象性答案:BCD,能力提升5.以下说法正确的是()A.物体都具有波动性B.抖动绳子一端,绳上的波就是物质波C.通常情况下,质子比电子的波长长D.核外电子绕原子核运动时,并没有确定的轨道,A、D,6.(2007上海高考)光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹,衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应,这一现象说明()A.光是电磁波B.光具有波动性C.光可以携带信息D.光具有波粒二象性解析:光能发生衍射,说明光具有波动性,故B正确,衍射图样与障碍物的形状对应,说明了衍射图样中包含了障碍物的信息,故C正确,光是电磁波,也具有波粒二象性,但不是衍射这一现象所说明的,故AD错误.答案:BC,解析:由于粒子源产生的粒子是微观粒子,它的运动受波动性支配,对大量粒子的运动到达屏上的某点的概率,可以用波的特征进行描述,即产生双缝干涉,在屏上将看到干涉条纹,故B正确.答案:B,7.显微镜观看细微结构时,由于受到衍射现象的影响而观察不清,因此观察越细小的结构,就要求波长越短,波动性越弱.在加速电压值相同的情况下,电子显微镜与质子显微镜的分辨本领,下列判定正确的是()A.电子显微镜分辨本领较强B.质子显微镜分辨本领较强C.两种显微镜分辨本领相同D.两种显微镜分辨本领不便比较,解析:带电粒子经过加速电场后,获得一定的动量,从而具有一定物质波波长,显微镜的分辨本领,随着物质波的波长的减小而增大,即波长