4.5 粒子的波动性和量子力学的建立（教学设计）-【上好课】高中物理同步高效课堂（人教版2019选择性必修第三册）

第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 教学设计 备课人 学科 物理 课题 4.5粒子的波动性和量子力学的建立 教学内容分析 本节内容由粒子的波动性、物质波的实验验证、 量子力学的建立和量子力学的应用四部分组成。第一部分介绍了德布罗意提出实物粒子也具有波动性，提出物质波的假设。实物粒子的波动性还有待于实验的检验。第二部分介绍了电子束衍射的实验，成功地观察到了电子束的衍射图样，从而证实了实物粒子也具有波动性。它使我们对自然界的认识又上升了一个层次，更加丰富了学生的世界观，后两部分简单介绍了量子力学的建立过程，并介绍了一些量子力学推动的重要技术，以及这些技术的应用。量子力学与我们的生活息息相关，只是大家不知道这就是量子力学罢了。 学情分析 学生已经掌握了光既有波动性，又有粒子性，而且通过本章前四节的学习，知道了经典力学的局限性，需要建立新的理论解释来微观世界的现象；另外，无论从研究方法还是思维能力方面也已具备学习本节课的能力，理解实物粒子的波动性仍有较大的难度。 教学目标 物理观念：知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。 科学思维：掌握光的波粒二象性，理解其对立统一关系；并能应用波粒二象性解释有关现象，提高分析、推理能力。 科学探究：通过学习电子衍射、与干涉的探究，学会观察与讨论，并能得出实验结论，提高动脑能力。 科学态度与责任：学习科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。 教学重难点 教学重点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波，量子力学的建立。 教学难点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波。 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 新课导入 1.通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？ 2.光的波粒二象性的统计观点解释 入射光极弱，光子数目极少，确切位置无法预测。 延长曝光时间，理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大； 继续延长曝光时间，得到明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。 光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。 3.光的衍射实验 在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。 光的双缝干涉、单缝衍射表明——光具有波动性 学生观看课件并思考 引入新课内容，激发学生好奇心 新课教学 一、粒子的波动性 1.德布罗意波 1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。 他提出假设:实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长λ称为德布罗意波长。 2. 实物粒子具有波粒二象性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性 做一做 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。 解：估计一个中学生的质量 m ≈ 50 kg ，百米跑时速度 v ≈ 7 m/s ，则 由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。 光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。如果电子、质子等实物粒子真的具有波动性，那么它们也应该能像光一样发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。 德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。 （1）速度υ = 5.0102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为多少？ 太小测不到！ （2）电子m=9.110-31Kg，速度υ = 5.0107m/s， 对应的德布罗意波长为： X射线波段 所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。 小试牛刀 【例题】关于物质波，下列说法正确的是(　A　) A．速度相等的电子和质子，电子的波长大 B．动能相等的电子和质子，电子的波长小 C．动量相等的电子和中子，中子的波长小 D．甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍 了解德步罗意波好实物粒子的波粒二象性。 体会物理观念的形成过程。 加深