4.3-4.4光的波粒二象性和德布罗意波 课件-2023-2024学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第三节 光的波粒二象性& 第四节 德布罗意波 授课人 郭嘉琛 第四章 波粒二象性 复习回顾：光电效应 经典解释的问题： ①不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率； ②光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关； ③如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 爱因斯坦的光电效应理论 爱因斯坦的光电效应方程： 一个电子吸收一个光子的能量hv后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即： 逸出功 光子能量 最大初动能 粒子性 小组讨论 下列哪些现象体现光的粒子性，哪些体现光的波动性？还有没有其他现象可以体现光的性质呢？ 康普顿散射 光的干涉 光的衍射 光沿直线传播 粒子性：空间的排斥性，可碰撞，有确定的轨道。 波动性：空间的叠加性，延伸性。 光沿直线传播 光在同种均匀介质中沿直线传播。 粒子性 光的衍射 光遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播。障碍物和小孔的尺寸和波长相差不大时，衍射效果明显。 波动性 光的干涉 两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 波动性 康普顿散射 光子的能量： 光子的动量： 考虑光的波长： 散射过程中, 光子与电子发生相互作用, 两者发生完全弹性碰撞, 满足动量守恒和能量守恒. 光量子论的解释: 当X射线被较轻物质（石墨、石蜡等）散射后，散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿效应。 粒子性 光的性质不同侧面 波动性：突出表现在传播过程中（干涉与衍射） 粒子性：突出表现在与物质相互作用中（光电效应、康普顿效应） 单纯用 波动 粒子 模型均不能完整地描述光的性质 矛盾与猜想 猜想：光同时具有波动性和粒子性。 实验验证 光的双缝干涉 现象：出现明暗相间的条纹。 结论：光的波动性 思考：如果光是波。当光强减弱后会发生什么？ 分析归纳 结论：干涉图像的变化体现光的粒子性。 现象：当光强减弱，屏幕上的条纹变成不连续的光点。 分析：光强较强时光子数量很多且无法将单个光子进行区分，因此图像是连续的。 分析归纳 现象：记录时间较短，亮点杂乱分布，记录时间越长，干涉条纹越明显。 分析：单个光子的运动轨迹不确定，从大量光子的统计结果看，概率大小与某种波的亮暗条纹相符合。 结论：单个光子也具有波动性。 光既不是经典的粒子，也不是经典的波，它同时具有波动性和粒子性，即波粒二象性。由于干涉条纹是光子落在感光片各点概率分布的反应，因此物理学中把光波看做概率波。 粒子性 波动性 能量ε 动量p 频率ν 波长λ h 辨析：1.光即是粒子又是波。 2.有的光是粒子，有的光是波。 总结 玄武举例 思维拓展 既然光是波粒二象性的，以前被视作粒子的物质只不是同样具有波动性呢？如果是为什么生活中观察不到实物粒子的波动性呢？ 理论推广 德布罗意 德布罗意的工作给我留下深刻印象，一幅巨大帷幕的一角卷起来了。 ---爱因斯坦 猜想：实物粒子和光一样具有波粒二象性。这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波或物质波。 λ=h/p 将德布罗意答辩的故事。别人问他怎么证明，他说电子衍射。郎之万和4个评委拿不准，就问爱因斯坦。 若以电子为例，电子的质量为9.1×10-31 kg，某电子速度大小为4.0×106m/s，请计算该电子对应的德布罗意波长。  =1.8×10－10 m 0.1nm 不同物质分子大小通常是10－10 m的数量级 晶体内部的原子（或离子）在空间呈周期性排列，在每一层晶面上就构成一定形状的网格，每一个网格就相当于一个这样的小孔． 所以，电子束照射到晶体上可能会发生衍射。   实验设计 实验证明 在德布罗意波的概念提出后，戴维森和G.P.汤姆孙分别发现了电子衍射现象。实验证明其他微观粒子也具有波动性。 波粒二象性是所有微观粒子的共同特征。 宏观物体 质量为10 g的子弹，速度为500 m/s，它对应的德布罗意波波长是多少?  =1.3×10－34 m 宏观物体对应的物质波波长很小，很难观察其波动性。 小结 1.光既有粒子性又有波动性，这种性质称为光的波粒二象性。由于干涉条纹是光子落在感光片各点概率分布的反应，因此物理学中把光波看做概率波。 2.实物粒子和光一样具有波粒二象性。这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波或物质波。实物粒子的波长与其动量之间满足关系：。 课堂练习 例1．下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　) A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子。 B．光波与机械波是同样的一种波。 C．光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的。 D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝hν中，频率ν仍表示的是波的特性。 D 课堂练习 例2．对波粒二象性的理解，下列说法错误的是(　　) A．光电效应揭示了光的粒子性，而康普顿效应从动量方面进一步揭示了光的粒子性。 B．德布罗意提出：实物粒子也具有波动性，而且粒子的动量跟它所对应的波的波长之间，遵从λ=h/p的关系。 C．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显。 D．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动能也相等。 D 课后作业 1.课本P92 练习题 2.阅读课本P84、P91资料活页。 3.完成练习册4.2剩余题目。 解析　光电效应揭示了光的粒子性，而康普顿效应从动量方面进一步揭示了光的粒子性，故A正确；德布罗意指出：实物粒子也具有波动性，而且粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从关系ν＝eq \f(ε,h)和λ＝eq \f(h,p)，故B正确；光的波长越短，光的频率越大，根据ε＝hν，知光子的能量越大，波长越短，粒子性越明显，故C正确；如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的德布罗意波长相等，根据p＝eq \f(h,λ)可知，它们的动量相同，又因为中子和电子的质量不同，根据Ek＝eq \f(p2,2m)可知，它们的动能不相等，故D错误。本题选说法错误的，故选D。 $$