2020-2021高二物理3-5学案：第十七章 3粒子的波动性含解析

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精2020-2021学年高二人教版物理选修3-5学案：第十七章3粒子的波动性含解析3粒子的波动性一、光的波粒二象性1．光的本性光能够发生干涉、衍射现象，说明光具有波动性；光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性．即光具有波粒二象性．2．光子的能量和动量能量表达式:ε＝hν，动量表达式：p＝eq\f(h,λ)。3．h的意义能量和动量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的波动性的典型物理量，表达式中左边是粒子性、右边是波动性，是h起了重要作用，架起了波动性和粒子性的桥梁．光具有波动性是否说明光就是我们宏观意义上的波？提示：不是．光具有粒子性，也具有波动性，所以我们说光具有波粒二象性，这里的粒子不是我们平时所说的粒子，同样这里的波也不是我们宏观意义上的波．二、粒子的波动性1．物质的分类物理学中把物质分为两类，一类是分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质；另一类是场，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质．2．德布罗意波任何一种实物粒子都和一个波相对应，这种波被称为德布罗意波，也叫物质波．3．物质波的波长和频率波长公式:λ＝eq\f（h,p)，频率公式：ν＝eq\f(ε,h).三、物质波的实验验证宏观物体的德布罗意波波长太小，很难观察到它们的波动性．微观粒子则不同，可找到与其波长差不多的障碍物或孔．如1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束演示实验，得到了明显的衍射图样,从而证实了电子的波动性．德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性，可是我们观察运动着的汽车(如图所示)，并未感到它的波动性．你如何理解该问题？请与同学交流自己的看法．提示：一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量大、动量大、波长短,难以观测．考点一光的波粒二象性1．对光的本性认识的几个阶段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，光速等于电磁波速度光电效应、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理论领域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光的波动性光的粒子性实验基础干涉、衍射光电效应、康普顿效应含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率）可用波动规律描述：(1）足够能量的光(大量光子）在传播时,表现出波的性质．(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著。粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子,不同于宏观概念的粒子,但也具有动量和能量．(1）当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．(2）少量或个别光子易显示出光的粒子性．（3）频率高，波长短的光，粒子性特征显著．二象性（1）光子说并没有否定波动性,E＝hν中，ν表示光的频率，表示了波的特征．光既具有波动性，又具有粒子性，波动性和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)只有用波粒二象性，才能统一说明光的各种行为.【例1】关于光的波粒二象性,下列说法中不正确的是()A．波粒二象性指光有时表现为波动性较明显，有时表现为粒子性较明显B．光波频率越高,粒子性越明显C．能量越大的光子，其波动性越显著D．个别光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性结合波粒二象性的相关理论进行判断即可．【答案】C【解析】波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D说法正确．光的频率越高，能量越高,粒子性相对波动性越明显，B说法正确，C说法错误．总结提能本题主要考查对波粒二象性的相关概念的理解，属于较简单的题目，我们通过对教材的熟悉就可以掌握相关概念．有关光的本性，下列说法正确的是（D)A．光既具有波动性，又具有粒子性,两种性质是不相容的B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C．大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性D．由于光既具有波动性，又有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性解析：光既具有波动性,又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子．波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性．考点二物质波的理解和有关计算1．物质的分类：物理学中把物质分为两类，一类是分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质；另一类是场，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质．2．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．3．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．4．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．5．对于光,先有波动性(即ν和λ），再在量子理论中引入光子的能量ε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ε和p）,再引入德布罗意波（即ν和λ）的概念来补充它的波动性．不过要注意这里所谓波动性和粒子性，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．【例2】武汉综合新闻网2010年8月21日报道：近日,一种发源于南亚没有抗生素可以抵御的“超级细菌"成为社会关注的热点．假若一个细菌在培养器皿中的移动速度为3.5μm/s，其德布罗意波长为1。9×10－19m【答案】1.0×10－9【解析】由公式λ＝eq\f(h,p）得该细菌的质量为m＝eq\f(p,v）＝eq\f（h，vλ）＝eq\f(6.626×10－34,3。5×10－6×1.9×10－19）kg＝1.0×10－9kg德布罗意认为，任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应,波长是λ＝eq\f(h,p），式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量．已知某种紫光的波长是440nm，若将电子加速,使它的德布罗意波长是这种紫光波长的eq\f（1，104）.求:（1)电子的动量大小；(2）试推导加速电压跟德布罗意波长的关系，并计算加速电压的大小（电子质量m＝9.1×10－31kg，电子电荷量e＝1。6×10－19C，普朗克常量h＝6.6×10答案：（1）1。5×10－23kg(2）U＝eq\f（h2，2emλ2）8×102V解析：(1)由λ＝eq\f（h，p)得电子的动量大小p＝eq\f(h,λ）＝eq\f(6。6×10－34,440×10－9×10－4)kg·m/s＝1.5×10－23kg（2）设加速电压为U,由动能定理得eU＝eq\f（1,2)mv2而eq\f(1，2)mv2＝eq\f(p2，2m），所以U＝eq\f(p2,2em)＝eq\f（h2，2emλ2）代入数据得加速电压的大小U＝8×102V重难疑点辨析对牛顿“微粒说”与爱因斯坦“光子说"的区分光的本性的探究过程是人类对物理现象及物理规律不断认识、提高、再认识、再提高的反复过程，经历了肯定、否定、否定之否定的循环，科学家们利用他们的聪明智慧和不断探究，经历了激烈的大论战,历时数千年，终于形成今天对光的比较深刻的认识．我们在学习过程中既要熟记重要的物理学史，又要学习科学家们勇于探索、追求真理的精神．【典例】(多选)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．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性【解析】牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量,显然A错．干涉、衍射是波的特性,光能发生干涉说明光具有波动性,B正确．麦克斯韦根据光的传播不需要介质,以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确．光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确．【答案】BCD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．1．下列说法中正确的是（C）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、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应,这种波叫物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性解析：任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象,所以C项对,B、D项错．物质波不同于宏观意义上的波，故A项错．2．(多选）表中列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1MHz的无线电波的波长,根据表中数据可知(ABC)质量/kg速度/m·s－1波长/m弹子球2。0×10－21。0×10－23.3×10－30电子（100eV)9.1×10－315。0×1061。2×10－10无线电波（1MHz)—3。0×1083.0×102A．要检测弹子球的波动性几乎不可能B．无线电波通常只能表现出波动性C．电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性D．只有可见光才有波粒二象性解析:弹子球的波长太小，所以检测其波动性几乎不可能，A正确；无线电波波长较长，所以通常表现为波动性,B正确；电子波长与金属晶体尺度相近，所以能利用金属晶体观察电子的波动性,C正确;由物质波理论知,D错误．3．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源．X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则（D)A．E＝eq\f（hλ,c)，p＝0 B．E＝eq\f(hλ,c)，p＝eq\f（hλ，c2)C．E＝eq\f(hc,λ）,p＝0 D．E＝eq\f(hc，λ),p＝eq\f（h，λ）解析：根据E＝hν,且λ＝eq\f（h，p），c＝λν可得X射线每个光子的能量为E＝eq\f(hc，λ）,每个光子的动量为p＝eq\f(h,λ)。4．紫外线光子的动量为eq\f(hν，c).一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后（B）A．仍然静止B．沿着光子原来运动的方向运动C．沿与光子运动方向相反的方向运动D．可能向任何方向运动解析：由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同．故正确选项为B.5．（多选)利用金属晶格（大小约10－10m）作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样，如图所示．已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为hA．该实验说明了电子具有波动性B．实验中电子束的德布罗意波的波长为λ＝eq\f（h，\r(2meU）)C．加速电压U越大,电子的衍射现象越明显D．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显解析:得到电子的衍射图样,说明电子具有