《粒子的波动性和量子力学的建立》课件

5.粒子的波动性和量子力学的建立第四章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.知道光和实物粒子都具有波粒二象性。(物理观念)2.了解物质波,知道说明实物粒子具有波动性的实验事实。(物理观念)5.了解量子力学的建立及在微观世界中的应用。(物理观念)思维导图课前篇自主预习必备知识1.粒子的波动性(1)德布罗意波每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫物质波。(2)物质波的波长、频率关系式2.物质波的实验验证(1)验证思路干涉、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①1927年戴维森和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。②在后来的实验中,人们观测到了电子的干涉现象。③人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于这些粒子,④宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很短,根本无法观察到它的波动性。3.量子力学的建立和应用电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(

)答案

√(2)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。(

)答案

√(3)一切宏观物体都伴随一种波,即物质波。(

)答案

×解析

运动的物体才具有波动性。(4)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。(

)答案

√(5)经典力学一般不适用于微观粒子。(

)答案

√2.(多选)经典力学规律适用于下列运动的是(

)A.子弹的飞行 B.飞船绕地球的运行C.列车的运行 D.粒子接近光速的运动答案

ABC解析

经典力学的适用范围是宏观、低速情形,子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动,经典力学可以适用,故A、B、C正确;对于微观、高速的情形经典力学不适用,只能用量子力学来研究,故D错误。3.电子经电势差为U=200V的电场加速,电子质量me=0.91×10-30kg,求此电子的德布罗意波长。

答案

8.69×10-2

nm课堂篇探究学习探究一粒子的波动性情境探究根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288km/h,羽毛球的质量为5.0g,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?知识归纳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。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。闪光语录一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。实例引导例1

下列关于德布罗意波的认识正确的是(

)A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性答案

C解析

运动的物体才具有波动性,A项错;宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有C项正确。规律方法

求解物质波波长的方法(1)根据已知条件,写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p=mv。

变式训练1现有一颗质量为5.0kg的炮弹。(1)以200m/s的速度运动时,它的德布罗意波长为多大?(2)假设它以光速运动,它的德布罗意波长为多大?(3)若要使它的德布罗意波长与波长是400nm的紫光波长相等,则它必须以多大的速度运动?答案

(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s探究二量子力学的建立和应用情境探究如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律?如何研究中子星表面的物理规律?要点提示

(1)经典力学不适用微观粒子的研究,而量子理论较好地适用于微观世界。(2)经典力学对中子星表面的物理规律并不适用,而相对论对中子星表面的物理规律适用。知识归纳1.在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来,它被称为量子力学。2.量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。3.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。4.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。人们认识了原子的结构,以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。5.量子力学推动了固体物理的发展。人们了解了固体中电子运行的规律,并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路,俗称“芯片”。实例引导例2(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是(

)A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D.万有引力定律也适用于强相互作用力答案

AC解析

经典力学只适用于低速宏观的物体,故A正确;相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性,故C正确;万有引力定律对于强相互作用力是不适用的,故D错误。规律方法

当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。变式训练2关于经典力学和量子力学,下列说法中正确的是(

)A.不论是对宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的B.量子力学适用于宏观物体的运动;经典力学适用于微观粒子的运动C.经典力学适用于宏观物体的运动;量子力学适用于微观粒子的运动D.上述说法都是错误的答案

C解析

经典力学适用于低速运动、宏观物体,不适用于高速运动、微观粒子。量子力学适用于微观粒子,故选项C正确。1．(多选)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．射击运动员之所以很难射中靶子，是因为子弹具有波动性C．子弹既具有粒子性，又具有波动性D．子弹具有波动性，但波长很短表现不出来【答案】CD【解析】运动的实物粒子具有波粒二象性，对子弹来说，其德布罗意波长很短，很难表现出波动性，子弹的波动性对射击的准确性没有任何影响，故C、D正确，A、B错误．2．如果一个电子和一个中子的德布罗意波长相等，则下列与此相关的物理量也相等的是

(

)A．速度 B．动能C．动量 D．总能量【答案】C3．为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜，下列说法中正确的是 (

)A．电子显微镜所利用的电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射B．电子显微镜所利用的电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射C．电子显微镜所利用的电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射D．电子显微镜所利用的电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射【答案】A【解析】为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的，因为可见光的波长数量级是10－7m，远大于纳米，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦，如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了，故A正确．4．(多选)对于物质波，下列认识正确的是 (

)A．任何运动的物体(质点)都对应一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验证实了物质波假说是正确的C．电子的衍射实验证实了物质波假说是正确的D．宏观物体尽管可以看成物质波，但无法观察到其干涉、衍射等现象【答案】ACD【解析】由德布罗意假说可判断A正确；X射线的衍射实验证实了X射线是波长很短的电磁波，故B错误；电子的衍射实验证实了电子具有波动性，故C正确；宏观物体对应的物质波的波长极短，实验室无法进行实验，D