第6章 第2节 实物粒子的波粒二象性-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019）

第2节　实物粒子的波粒二象性 【核心素养目标】 物理观念 了解光和实物粒子的波粒二象性。具有与波粒二象性相关的物质观念、相互作用观念和能量观念。 科学思维 能通过证据说明实物粒子具有波动性。 一、德布罗意假说及其实验探索 1．德布罗意波：德布罗意提出实物粒子也具有波动性，人们称这种波为物质波或德布罗意波。 2．粒子能量与相应的波的频率之间的关系：E＝hν。 3．物质波的动量与波长之间的关系：p＝。 4．物质波的实验验证 (1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的衍射现象。 (2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性。 (3)1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片。 二、不确定性关系 1．在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量。 2．不确定性关系：ΔxΔp≥，式中Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量。 3．此式表明，不能同时精确确定一个微观粒子的位置和动量。 1．判断正误 (1)实物粒子具有波动性。(　√　) (2)湖中的水波就是物质波。(　×　) (3)电子不但具有粒子性也具有波动性。(　√　) (4)物质波的波长与粒子运动的动量无关。(　×　) (5)微观粒子可以同时确定位置和动量。(　×　) (6)经典的粒子可以同时确定位置和动量。(　√　) 学生用书第108页 (7)微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置。(　√　) 2．链接实景 美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光的运动方向也会发生相应的改变。如图是X射线的散射示意图。X光散射后与散射前相比： (1)光的波长怎么变？ (2)频率怎么变？ (3)该散射实验证明了光的什么性质？ 提示：　(1)出射的X光中除了有原波长的X光外，还有波长比原波长要长的光。 (2)根据λ＝，可知频率ν变小。 (3)证明了光的粒子性。 知识点一　计算相关的德布罗意波 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．粒子在空间各处出现的机率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。 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。 4．求解德布罗意波波长的方法 (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。 (2)根据波长公式λ＝求解。 (3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式。如光子的能量：ε＝hν，动量p＝；微观粒子的动能：Ek＝mv2，动量p＝mv。 如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/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1.67×10－27 kg) 解析：　中子的动量为p1＝m1v 子弹的动量为p2＝m2v 据λ＝知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为λ1＝，λ2＝ 联立各式解得λ1＝，λ2＝ 将m1＝1.67×10－27 kg，v＝1×103 m/s，h＝6.63×10－34 J·s，m2＝1.0×10－2 kg代入两式可解得 λ1≈4.0×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m。 答案：　4.0×10－10 m　6.63×10－35 m 学生用书第109页 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＝计算德布罗意波波长。 3．需要注意的是：德布罗意波波长一般都很短，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。　　 针对练1.(多选)下列说法正确的是(　　) A．宏观粒子也具有波动性 B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波 C．物质波也是一种概率波 D．物质波就是光波 AC　[任何物体都具有波动性，故A正确；对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳波是机械波，不是物质波，故B错误；物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C正确，D错误。] 针对练2.估算运动员跑步时的德布罗意波长。为什么我们观察不到运动员的波动性？ 解析：　设运动员的质量m＝60 kg，运动员跑步时速度约为v＝10 m/s，则其德布罗意波长为 λ＝＝＝ m＝1.105×10－36 m。 这个波长极短，因而观察不到运动员的波动性。 答案：　见解析 知识点二　理解不确定性关系