第4章 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立-【优化指导】2020-2021学年新教材高中物理选择性必修第三册(Word教参)(人教版)

第5节　粒子的波动性和量子力学的建立 课程内容要求 核心素养提炼 1．知道实物粒子具有波粒二象性，掌握物质波的概念． 2．学会通过电子衍射实验观察电子的波动性． 3．了解量子力学的建立和量子力学的应用. 1．物理观念：物质波、电子衍射、量子力学的建立 2．科学思维：德布罗意波长的计算方法． 3．科学探究：观察电子衍射图样． 4．科学态度与责任：通过了解量子力学认识科学的发展. 一、粒子的波动性　物质波的实验验证 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，也叫作物质波. (2)物质波的波长、频率关系式 波长：λ＝，频率：ν＝. 2．物质波的实验验证 (1)实验探究思路 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，也应该能发生干涉和衍射现象． (2)实验验证 1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性． [判断] (1)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波．(　×　) (2)湖面上的水波就是物质波．(　×　) (3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性．(　√　) 二、量子力学的建立　量子力学的应用 1．量子力学建立的基础：普朗克黑体辐射理论，爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说．其中普朗克常量扮演了关健性的角色． 2．量子力学的建立 (1)1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人建立矩阵力学. (2)1926年，奥地利物理学家薛定谔提出物质波满足的方程——薛定谔方程. (3)在以玻恩、海森保、薛定谔及美国的狄拉克和奥地利的泡利等众多物理学家的共同努力下建立起量子力学．量子力学是描述微观世界物理规律的普遍理论． 3．量子力学的应用 (1)推动了核物理和粒子物理的发展． (2)推动了原子、分子物理和光学的发展． (3)推动了固体物理的发展． 探究点一　物质波的理解和德布罗意波波长的计算 一个同学绕着操场跑步，怎样估算这个同学跑步时物质波的波长？ 提示　估计该同学质量为50 kg，跑步时速度大约5 m/s，根据λ＝ λ＝m≈3×10－36m. 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． 2．有关德布罗意波计算的一般方法 (1)计算物体的速度，再计算其动量．如果知道物体动能也可以直接用p＝计算其动量． (2)根据λ＝计算德布罗意波长． (3)需要注意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理． (4)宏观物体的波长小到可以忽略，其波动性很不明显． 如果一个中子和一个质量为10 g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大？(中子的质量为1.67×10－27kg) [思路点拨]　(1)子弹的动量p可用p＝mv求解． (2)德布罗意波长λ与物体的动量p的关系：λ＝. 解析　中子的动量为：p1＝m1v，子弹的动量为：p2＝m2v， 根据λ＝知中子和子弹的德布罗意波长分别为： λ1＝，λ2＝ 联立以上各式解得：λ1＝，λ2＝ 将m1＝1.67×10－27kg， v＝1×103m/s，h＝6.63×10－34 J·s， m2＝1.0×10－2kg 代入上面两式可解得： λ1＝3.97×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m. 答案　3.97×10－10 m　6.63×10－35 m [训练1]　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＝，式中p是运动物体的动量，h是普朗克常量，人们把这种波叫德布罗意波，现有一个德布罗意波长为λ1的物体1和一个德布罗意波长为λ2的物体2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(　　) A．　　　 B． C．　　 D． D　[由动量守恒p2－p1＝p知，－＝，所以λ＝，故D正确．] [训练2]　一颗质量为5.0 kg的炮弹， (1)以200 m/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400 nm的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？ 解析　(1)炮弹的德布罗意波长 λ1＝＝＝ m＝6.63×10－37 m. (2)它以光速运动的德布罗意波长 λ2＝＝＝ m＝4.42×10－43 m. (3)由λ＝＝，得 v＝＝ m/s＝3.315×10－28 m/s. 答案　(1)6.63×10－37 m　(2)4.42×10－43 m　 (3)3.315×10－28 m/s 探究点二　物质