《粒子的波动性和量子力学的建立》教案

《粒子的波动性和量子力学的建立》教案一、教材分析本课题为普通高中物理选择性必修第三册，第四章《粒子的波动性和量子力学的建立》的内容。课程内容方面，粒子的波动性是培养学生进行类比思想的好素材，同时其研究和发展过程充分体现了物理学理论建立中大胆假设，小心验证的科学探究过程，培养学生的物理思维；量子力学的建立是对本章整体内容的一个总结，让学生体会不同理论之间紧密的内在联系，加深对量子力学的了解，培养核心素养。二、教学目标分析了解实物粒子的波动性，了解德布罗意波遵循的规律；了解物质波的实验验证过程，会类比光的波动性实验；能计算物质波波长，体会宏观物体的波动性并不显著；体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响；认识量子力学推动多个领域的发展。三、教材处理1、关注验证物质波的科学历程和科学方法光具有波粒二象性（回顾）德布罗意提出实物粒子也应具有波动性（问题）类比光的波动性实验（推理）设计物质波的验证实验（设计实验）实验技术问题的解决（X射线晶格衍射）电子衍射和双缝干涉（实验结果分析）质子、中子、原子、分子也具有波动性（推广）通过德布罗意提出物质波假设、戴维森、G.P.汤姆孙的电子衍射实验和琼森的电子双缝实验，我们逐步认识到科学家如何向固有的观念和认识挑战，提出大胆的猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证，使学生从科学家的工作中感悟科学探究过程。2、在设计物质波的验证实验中着重强调类比思想高中物理学习渗透了多种物理思想，本节内容着重培养学生的类比思想方法。德布罗意提出实物粒子的波粒二象性，以及电子衍射和干涉的验证实验中，都类比了光的波粒二象性。要让学生深刻认识到类比思想在物理学中的重要性，以及在解决问题中的有效性。四、教学设计回顾光的波粒二象性，复习光的能量ɛ和动量p跟所对应的频率ν和波长λ之间的关系，说明普朗克常量h是联系粒子性和波动性的桥梁。引出粒子也具有波动性，称为德布罗意波，指出其波长λ和频率ν所遵从的关系。通过提问让学生回答，如何验证德布罗意波。引导学生通过类比思想，光的波动性是如何验证的，用类似的方法来验证实物粒子的波动性。从而介绍1927年戴维森和G.P.汤姆孙的电子衍射实验和1961年琼森的电子双缝实验来证实实物粒子的波粒二象性。让学生计算并比较具有相同动能的电子和质子的德布罗意波长，进一步地计算宏观物体的德布罗意波长，在加深计算德布罗意波长中体会宏观物理的波动性并不显著。通过对本章内容的梳理，揭示一系列理论和普朗克常量的紧密关系，提出描述微观世界行为的普遍性规律——量子力学。量子力学的建立推动了多领域的发展，深化和丰富了人们对自然界的认识，通过带领学生认识量子力学的多领域应用来了解它对物理学的重大影响。对本节课内容进行小结，树状图让学生对本节课内容和结构有更清晰的认识。五、教学反思整节课该有的内容都有了，但是觉得深度还不够，学生对于物质波的实验验证过程的认识不够细致；其次是对物理学史的发展脉络补充得不够，特别是对索尔维会议的介绍。课后篇素养形成必备知识基础练1.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答案B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。2.1927年戴维森和汤姆孙完成了电子衍射实验,该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。下图所示的是该实验装置的简化图。下列说法不正确的是()A.亮条纹是电子到达概率大的地方B.该实验说明物质波理论是正确的C.该实验说明了光子具有波动性D.该实验说明实物粒子具有波动性答案C解析该实验说明物质波理论是正确的,实物粒子也具有波动性,亮条纹是电子到达概率大的地方,不能说明光子具有波动性,故选C。3.质量为m的粒子原来的速度为v,现将粒子的速度增大为2v,则该粒子的物质波的波长将(粒子的质量保持不变)()A.保持不变 B.变为原来波长的两倍C.变为原来波长的一半 D.变为原来波长的2倍答案C解析由题可知,粒子速度为v时,λ1=ℎmv;粒子速度为2v时,λ2=ℎ2mv,λ2=12λ1。可知C正确,A、4.现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是()A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多B.质量为10-3kg、速度为10-2m/s的小球,其德布罗意波长约为10-28m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹C.人们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大致相同D.以上说法均不能体现波动性答案C解析光电效应现象证明光的粒子性。宏观物体小球的波长极小,能清晰观察到轨迹,说明宏观物体的粒子性。利用热中子研究晶体的结构正体现了实物粒子的波动性。5.已知氢原子基态能量为-13.6eV,电子质量m=9.1×10-31kg,电子的动能和势能的关系为Ek=-12Ep答案3.33×10-10m解析低能时可忽略相对论效应,由于氢原子基态的能量为E1=Ek+Ep=-13.6eV,Ek=-12E所以Ek=13.6eV,由于p=2所以德布罗意波的波长为λ=ℎp=3.33×10-10m关键能力提升练6.(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。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h,则下列说法中正确的是()A.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长为λ=ℎC.加速电压U越小,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答案ABC解析得到电子的衍射图样,说明电子具有波动性,A正确;由德布罗意波波长公式λ=ℎp,而动量p=2mEk=2meU,两式联立得λ=ℎ2meU,B正确;从公式λ=ℎ2meU可知,加速电压越小,电子的波长越大,衍射现象就越明显,C7.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m=1.67×10-27kg,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10m的热中子动能的数量级为()A.10-17J B.10-19JC.10-21J D.10-24J答案C解析根据德布罗意波理论中子动量p=ℎλ,中子动能Ek=p22m=ℎ22mλ8.任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之对应,波长是λ=ℎp,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量,人们把这种波叫作德布罗意波。现有一德布罗意波长为λ1的物体1和一德布罗意波长为λ2的物体2,二者相向正碰后粘在一起,已知|p1|<|p2|,则粘在一起的物体的德布罗意波长为答案λ解析由动量守恒定律有p2-p1=(m1+m2)v,由p=ℎ得ℎλ2−ℎλ19.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)答案4.0×10-10m6.63×10-3