人教版选修3-5第17章《波粒二象性》

1、人教版选修 3-5第17章波粒二象性一、程标准内容标准了解 微观世界中的量子化现象。比较 宏观物体和微观粒子的能量变化特点。体会 量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。通过实验 了解 光电效应。 知道 爱因斯坦光电效应方程及其意义。了解 康普顿效应。根据实验 说明 光的波粒二象性。知道光是一种概率波。知道实物粒子具有波动性。知道电子云。初步了解 不确定性关系。通过典型事例了解 人类直接经验的局限性。体会 人类对世界的探究是不断深入的。活动建议阅读有关微观世界的科普读物，写出读书体会。从课程标准中的行为动词可以看出，教学设计中要求我们突出主线、突出思路，而不去究深。要求教学中 重视物理学史、

2、突出研究过程和物理图景的构建、做好实验、组织好分组讨论、指导思辨理清线索、用好比较法、提高学生科学素养。二、课时分配建议第一单元1、能量量子化：物理学的新纪元1学时第二单元2、科学的转折：光的粒子性2学时第三单元3、崭新的一页：粒子的波动性2学时 4、概率波1学时5、不确定性关系1学时三、各节教学设计（一）能量量子化：物理学的新纪元1 学时1、教材分析本节的重点是对黑体辐射能量在不同温度下与波长的关系的研究，得出了辐射能量的不连续性，提出了能量量子化假说。教材着重介绍了研究不同温度下黑体辐射强度与波长关系时，经典理论结果与实验事实之间产生的矛盾：维恩公式在短波区与实验几乎一致，而在长波区则偏离

3、很大；瑞利公式在长波区与实验几乎一致，而在短波区出现了“紫外灾难”。为了解决此矛盾，德国物理学家普朗克 认为黑体辐射的能量是不连续的，是能量子的整数倍关系，即能量量子化。对于这部分内容，教材是按历史的发展展开的，目的是使学生能从前辈大师的工作中体会科学探究。应该看到，前人科学探究的历史是科学方法与科学精神教育的好素材。2、教学建议教学中宜 突出线索， 不在黑体概念上做文章，发挥学生学习的自主性。可以采用问题引导、学生自学、梳理思路、讨论合作的形式组织课堂教学。最后由学生整理出本节内容的线索。（ 1） 问题：a、什么叫热辐射？什么叫黑体？b、热辐射强度跟什么有关？黑体辐射呢？ c、黑体辐射表现出

4、什么规律？d、经典电磁理论解释实验规律遇到了什么困难？e、普朗克提出什么观点？ f、普朗克的惶惑是什么？（ 2）在教学上可以沿这样的线索 展开：冶金工业促进了黑体辐射问题的研究黑体辐射的实验规律（图像及意义）用经典电磁理论解释实验规律难以解决的矛盾(维恩公式在长波区、瑞利公式在短波区)普朗克能量子的假设数学推理 (黑体辐射的强度按波长分布的公式及图像)与实验事实的对照破除了“能量连续变化”的传统观念物理学的新纪元（ 3）注意点：a、热辐射是介绍黑体辐射的基础，也是学生比较熟悉的，但是，学生的认识往往停留在热辐射强度与温度的关系上，即温度越高，热辐射强度越强，而很难想到与电磁波波长的关系。教学中

5、最好设法 展示被加热铁块呈现暗红、赤红、橘红等颜色的照片(如冶炼钢铁等)；用好学生的 直觉 : 低温物体发出的是红外光，炽热物体发出的是可见光，高温物体发出的是紫外光（注意：热辐射与温度有关，激光日光灯发光不是热辐射）；目的使学生会将辐射强度与波长联系起来，定性认识热辐射强度与波长、 温度的关系，即温度越高，热辐射的波长越短强度越强，为引出黑体及黑体辐射规律的教学做好铺垫。b、可以 利用简单实验介绍黑体的概念。如，在纸箱的一侧开一小孔，用玩具激光器把激光从小孔斜射人箱内，让学生观察激光射入后发生的现象，从而引出黑体的概念，同时，也为课本“思考与 讨论”的问题提供比较直观的感性认识。c、在科学探

6、究的历史过程中，提出问题、猜想与假设、分析论证的要素是十分突出的，实验所起的作用也十分明显 。教学中要让学生明白， 热辐射和黑体辐射的区别是科学家通过实验得出的， 即热辐射除了与物体的温度有关外，还与材料的种类、表面状况有关，而 黑体辐射强度按波长的分布只与黑体的温度有关 。结合黑体辐射的实验规律，即辐射强度一波长的图象 (课本图 171 2)，引导学生加以分析并得出： 随着温度的升高， 一方面， 各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。d、针对黑体辐射实验规律的解释，建议通过回顾经典物理的相关知识， 进一步认识用经典电磁理论解释黑体辐射实验规律出现的困难，

7、从而为普朗克的能量量子化假说的提出做好知识和思想上的准备。普朗克正是为解决这一困难提出能量子的概念并给出数学推理，在此基础上他要与实验事实进行对照，验证其黑体辐射的规律假说是否成立。 教学中一方面要求学生初步认识近代物理的能量量子化思想，更重要的是使学生在科学探究以及情感、态度与价值观方面得到熏陶。能量经典量子M(T )2hc2eh3/ kT1M 0 (T )实验值灾紫外普难朗克(二)科学的转折：光的粒子性2 学时1、教材分析本节知识是本章的重点内容。光电效应和康普顿效线瑞利 - 金斯线维恩12345678/应是认识光的粒子性的重要依据。教材首先从紫外线灯照射锌板使灵敏验电器带电的现象，引入光

8、电效应的概念。 然后介绍用较复杂的特殊设计的实验装置研究光电效应的规律。为了减轻学生学习负担， 教材在提到光的强度时，没有给出科学定义，只要求学生从一般意义上来了解光的强弱的概念。光电效应的规律用经典的波动理论来解释时遇到了疑难，暴露了光的电磁说的缺陷，在此基础上， 介绍光子说。最后介绍应用光子说成功解释康普顿效应，进一步证实了光的粒子性，说明了光子既具有能量， 还具有动量。教材将密立根实验安排为例题，其意图在于揭示密立根实验验证爱因斯坦光电效应方程正确性的思想方法，应注意发挥它的方法论 价值。2、教学建议对于这部分内容，教材是按历史的发展展开的，目的是使学生能从科学家的工作中感悟科学探究的精

9、髓。与上一节的教学思路基本相同。从光电效应的实验规律出发，为正确解释该现象，提出光量子假说，在此基础上推出理论方程，并得到实验的实证。（ 1）问题：a、 简述人类对光的本性的认识的发展过程b、 什么是光电效应？c、光电效应实验发现那些规律？存在饱和电流、存在遏止电压和截止频率、效应具有瞬时性分别是什么意思？d、 解释光电效应，经典电磁理论遇到什么困难？e、爱因斯坦提出什么观点？光电效应方程的研究对象是谁？光电子是光子么？如何用爱因斯坦光电效应方程解决“困难”？f、 EkhW0给出了光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc。怎样改写此

10、式以得到U c 与 、W0 的关系？ g、 什么是康普顿效应？散射的X 射线中有波长大于0 的成分说明了什么？h、 康普顿效应说明了什么？（ 2）教学上建议沿这样的线索展开：历史上，关于光的本性有两种学说干涉衍射现象证明了波动说麦克斯韦理论使波动说近乎完美波动说无法解释光电效应重新指出光的粒子性（标题中“转折”的含义）光电效应实验规律的研究用经典光的电磁理论解释实验规律(只有部分能解释)难以解决的矛盾爱因斯坦光量子的假设(以普朗克能量子假说为基础)数学推理 (爱因斯坦光电效应方程)与实验事实的对照(密立根实验 )X 射线的散射实验的研究用经典电磁理论解释实验规律难以解决的矛盾（ 0的散射光）康

11、普顿用光量子说解释实验规律数学推理与实验事实的对照（ 3）注意点：a、光电效应和康普顿效应是爱因斯坦的光量子说的重要例证。它们为我们展示了科学家所进行的科学探究的过程。做好演示实验，是教好与学好本节知识的前提。要创造条件做好实验，紫外线的强度应尽可能地强些，验电器的灵敏度尽可能地高些，实验前应用吹风机吹干或烤干验电器。若不成功，可先使验电器带负电，使指针张开一个角度，然后用紫外线灯照射锌板，指针就迅速落下，表示锌板上的电子从表面飞出去了。再使验电器带正电，使它的指针张开大致相同的角度，用紫外线灯照射锌板时，指针并不立刻落下，表示正电荷不能从锌板表面飞出去。根据学校的条件，也可以把锌板换成光电管

12、并改用可见光照射。b、“光电效应的实验规律”的教学要突出实验规律的物理意义。首先利用课本图 17 2 2，结合电场力做功的原理、 光电效应的概念说明实验电路的工作原理。 由于受实验器材精度的影响， 该实验不易做成功，可结合课本图 17 23 着重分析说明实验规律和饱和电流、遏止电压、截止频率以及逸出功的概念，为下一段教学打下基础。c、在“光电效应解释中的疑难”的教学中，要充分揭示经典电磁理论遇到的疑难以引起学生的注意。例如，可采用列表的方法将经典电磁理论应该得出的结论与实验现象的矛盾对应地展示出来，便于进行具体分析。d、“爱因斯坦的光电效应方程”的教学既是本节的重点，也是本章的重点。教学中要让

13、学生理解爱因斯坦光量子假说的具体含义，也要明确爱因斯坦光量子假说与普朗克能量子假说的区别。在此基础上， 引导学生对金属中一个电子应用能量守恒定律，从而得出爱因斯坦光电效应方程，并阐述方程中各物理量的意义和单位，指导学生应用光电效应方程解释光电效应的实验规律。爱因斯坦光电效应方程的正确性是密立根实验证明的。e、通过例题的教学，要让学生理解密立根实验的求证的科学方法。P39 第 5 题根据图所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常数？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常数的关系式。（ 由图象求参数的方法：

14、电源电动势和内阻（直接求参数）、用单摆测重力加速度（用图象求平均值）.）f、在康普顿效应和光子的动量的教学中，可先介绍光的散射的概念和康普顿效应及其现象的普遍性 (中国留学生吴有训测试了多种物质对X 射线的散射， 证实了康普顿效应的普遍性)，接着引导学生分析经典理论的解释与实验事实的矛盾，然后介绍康普顿利用光子说成功解释康普顿效应 的思想和光子动量的表达式。1923 年康普顿在做X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比 入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散 射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。只有当入射波长0 与c（称为电子的Compton波长）

15、可比拟时， 康普顿效应才显著，因此要用X 射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。康普顿效应是光子图康普顿效应和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子 ,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。 3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。g、光电效应表明光子具有能量，康普顿效应表明光子既有能量又有动量，光子的能量表达式与动量表达式具有高度对称性。

16、h、光电效应在近代技术中的应用：1.光控继电器-可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。2.光电倍增管 -可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。 3.光电成像 照相机、摄像机、扫描仪等设备中的红外成像部件、CCD元件、 CMOS元件等。4.光电池 应用比较多的是硅光电池。(三) 崭新的一页：粒子的波动性2 学时1、教材分析本节教材通过对光的本性的认识历史过程中一系列事实的简单回顾，顺利引入光的波粒二象性的理论；介绍了1924 年德布罗意如何受到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的启发，以类比的方法大胆提出实物粒子也具有波粒二象性的

17、假设，并提出德布罗意波的概念。实物粒子具有粒子性已是不争的事实，实物粒子的波动性还有待于实验的验证。1927 年，戴维孙(CJDavisson) 和 G P汤姆孙 (G P Thomson) 分别利用晶体做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。本节教材是对学生进行类比思想方法培养的好题材，在教学中应当高度重视。2、教学建议与前两节的教学思路基本相同，目的仍然是使学生能从科学家的工作中感悟科学探究。特别是科学家如何向固有的观念、认识挑战，提出大胆的猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证（ 1）问题a、 为什么说光具有波粒二象性？光子的能量和动量的表达

18、式如何反映出光的波粒二象性？b、 德布罗意提出了什么观点？c、 怎样验证物质波的假设的？d、 为 什 么 难 以 观 察 到 实 物 粒 子 的 波 动 性 ？ 速 度v= 102m/s 飞行的子弹，质量为m=10 -2Kg ，对应的德布罗意波长为多大？动能Ek=100 eV 的电子的波长为多大？e、 分子直径的数量级为10-10m，你知道为什么能用晶体做成功X 射线衍射和电子衍射么？f、为什么电子显微镜的分辨本领能比光学显微镜高？从减轻衍射影响这方面提高显微镜的分辨本领 有哪两个途径？电子显微镜采用了哪个途径？如果显微镜用质子流而不是电子流工作，它们加速后的速度相同，哪种显微镜的分辨本领有可

19、能更高？（ 2）教学上建议沿这样的线索展开：光的波粒二象性光子的能量、动量关系式中的波粒二象性（普朗克常量 h 的重要性和关系式的对称美）德布罗意提出实物粒子具有波动性的假设粒子束是一种波，应该产生衍射数学推理 (与实物粒子相联系的波)波长很短，障碍物（孔隙）应该很小，一般物体不行设计实验 (物质波的实验验证)此前已经了解了晶体的结构（用伦琴射线）实验技术问题的解决(X 射线的晶格衍射)1927年得出了电子衍射图样其它粒子衍射实验(质子、中子、原子、分子)（四）概率波1 学时1、教材分析本节内容安排的核心是光子、电子干涉条纹对玻恩的概率波理论的验证。教材分为两部分，第一部分为经典的粒子和经典的

20、波特征概述，第二部分为概率波理论及其验证。教材从实验事实的描述出 发，通过回顾经典的粒子和经典的波的模型来区分概率波。一方面需让学生区分微观单个粒子运动的不确定性， 与之对应的是宏观经典粒子任意时刻确定的位置和速度以及时空中确定的轨道；另一方面， 需让学生区分微观单个粒子本身就具有波动性，与之对应的是宏观经典的波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现。 从而通过概率波的概念来解释微观粒子是如何将波粒二象性集于一身的， 并通过光子、电子的双缝干涉实验予以验证。2、教学建议经典的粒子和经典的波的教学， 一般可采用读书指导法进行教学， 注重物理思想教育。 让学生了解经典的粒子和经典的波的物理

21、模型及其特征： 经典的粒子任意时刻的位置、 速度是确定的， 经典的波的频率、波长是确定的。但在经典物理学中，物质的粒子性和波动性是互不相容的。二者是两种不同的研究对象。概率波的教学， 可利用计算机模拟光的双缝干涉实验，或者讲述科学家实验的设计思想和实验结 果， 结合光的波动理论分析说明：光子的波动性是光子自身固有的属性。然后， 介绍玻恩提出的概率波的概念， 同时用计算机模拟电子双缝干涉实验以加深学生的印象。即，单个微观粒子的运动具有不确定性， 但它在空间某点附近出现的概率却可通过波动规律确定，这样微观粒子就将粒子性和波动性集于一身了。最后点明：光波和物质波都是概率波，微观粒子运动时在空间出现的

22、位置，可根据概率分布来确定。 教学中应注意物理思想方法的渗透，更重要的是让学生初步认识经典物理与近代物理的 区别， 即，经典物理的粒子模型和波动模型在微观世界就变成了波粒二象性模型。微观世界不再遵从经典物理的决定论式的因果律，而是满足大量粒子运动的统计规律。（ 1）问题a、经典物理学中的粒子和波分别有什么样的特征？ b、单个光子具有波动性么？为什么？c、为什么说光波是概率波？为什么说电子遵从概率波的规律？d、如何解释波的干涉和衍射条纹？粒子不一定出现在A1、A 2 的位置（ 2）教学上建议沿这样的线索展开：双缝干涉条纹的解释：波 强度不同；粒子 数目不同是否不同粒子之间相互作用表现为波动性？用

23、极弱的光照，也表现出波动性单个粒子不一定沿直线“运动”？光子的波动性是光子自身固有的属性 不确定性概率波物质波是概率波 电子云（ 3）注意点：指导学生进行物理图景比较（异中求同同中求异）数学上学生已经了解概率的概念。例如，伽尔顿板实验 表明单个小球下落的位置是不确定的 ,但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大再如抛出的硬币回落时的概率等。 生活中， 涉及概率统计的事件很多， 例如： 在研究分子热运动时， 研究单个分子的运动是毫无意义的， 需要研究的是大量分子整体表现出来的规律， 这叫做统计规律但是，在抛掷硬币这类的宏观实验中观察到的概率，与量子理论中的概率之间有重要区别。

24、原则上， 只要我们对抛硬币时手指用力的大小、方向、抛出的时机，以及硬币的高度、桌面和硬币的弹性等有足够多的信息，就有可能用牛顿物理学预言出具体的一次抛掷的结果。但是， 对于个别的量子事件，甚至原则上就是不可预言的：“大自然自己也不知道她下一步要做什么。”微观粒子不是经典粒子：子弹可以看作是经典粒子，假想用机关枪扫射双缝A 和 B ，屏幕 C 收集子弹数目。 a、将狭缝 B 挡住，子弹通过A 在屏幕 C 上有一定的分布，类似于单缝衍射的中央主极大， P1 子弹落在中央主极大范围的概率分布；b、将狭缝A 挡住，子弹通过狭缝B 在屏幕C 上有一定的分布，类似于单缝衍射的中央主极大，P2子弹落在中央主

25、极大范围的概率分布；c、A和 B 狭缝同时打开，子弹是经典粒子，原来通过A 狭缝的子弹还是通过A ，原来通过B 狭缝的子弹还是通过 B，不因两个狭缝同时打开每颗子弹会有新的选择！屏幕C 上子弹的概率分布P=P1+P2电子双缝衍射：电子枪发射出的电子，在屏幕P 上观察电子数目。a、将狭缝B 挡住，电子通过狭缝 A 在屏幕C 有一定分布，类似于单缝衍射的中央主极大；b、将狭缝A 挡住，电子通过狭缝B 在屏幕 C 上有一定的分布类似于单缝衍射的中央主极大；c、A 和 B 狭缝同时打开，如果电子是经典粒子，原来通过A 狭缝的电子还是通过 A ，原来通过B 狭缝的电子还是通过 B，屏幕上电子的概率分布P

26、=P1+P2；屏幕C 实际观察到类似光的双缝干涉条纹，屏幕C 上电子的概率分布PP1+P2，只开一个狭缝和同时开两个狭缝电子运动的方向具有随机性（A 和 B 狭缝同时开时，电子似乎 “知道 ”两个狭缝都打开！ ），双缝和屏幕之间到底发生了什么？ 屏幕上电子的分布有了新的概率分布，电子不是经典粒子。当原子处于不同的能级时， 电子在各处出现的概率是不一样 的，如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率， 画出图来，就像云雾一样， 可以形象的称做电子 云。（五）不确定性关系1 学时1、教材分析本节内容是在上一节基础上进一步深化的，学生已经知道单个微观粒子的运动具有不确定性，但它在空间某点出现的

27、概率却可通过波动规律确定。本节通过光的单缝衍射实验，具体分析了这种不确定性的数量关系，给出量子力学中一个著名的数学关系式不确定性关系：xp xh。通过介4绍经典物理学和微观物理学中物理模型与物理现象的巨大差异、量子力学对社会进步的重要作用以及量子理论的论争，为学生摆脱经典物理学因果律的束缚，用新的观点来认识微观物理世界提供了有效的空间。同时也为他们今后学习量子力学搭建过渡之桥。2、教学建议不确定性关系描述的是微观现象，教学内容抽象、难懂，可利用计算机模拟光的单缝衍射实验， 结合课本图17 5 2 制作动画课件展示微观粒子在狭缝处位置不确定的情景，以增强抽象情景的直观性。为了降低难度，不必进行不

28、确定性关系的定量推导，应当强调关系式中各物理量的意义，使学生明白在微观物理学中位置和动量不可能同时准确地确定的道理。通过物理模型与物理现象的教学要让学生明确：第一， 在经典物理学中，物理模型与直接经验一致，物理现象直观可感；在微观物理学中，物理现象不能直感。为了研究新问题、建立新理论，必须假设一些物理模型。第二，量子力学在社会各个领域成功应用，但量子理论存在争论，还需完善。通过教学要注意激发学生探索科学奥秘的热情，为今后学习量子力学奠定初步基础。（ 1）问题a、从光的单缝衍射现象看，微观粒子的运动还遵守牛顿运动定律么？ b、屏上各点的亮度实际上反映了什么？c、从衍射现象看，为什么说若减小缝宽使粒子位置的不确定范围减小，但方向动量的不确定量却变大？d、什么叫不确定性关系？e、能用“轨迹”来描述微观粒子的运动么？如何描述？（ 2）教学上建议沿这样的线索展开：单缝衍射（粒子束会发生衍射）微观粒子不再遵守牛顿运动定律粒子的位置和动量不能同时确定屏上各点亮度反映了粒子到达这点的概率狭缝的宽度决定了粒子位置的不确定范围中央亮条的宽度决定了粒子动量的不确定范围不确定性关系不确定性关系是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然