3.波粒二象性-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

3．波粒二象性 【素养目标】　1.知道光具有波粒二象性，能应用波粒二象性解释与光有关的现象。2.学会德布罗意的对称性思维，知道电子衍射实验证实电子的波动性，从而知道实物粒子具有波粒二象性。3.理解物质波的概念，会计算物质波的波长，知道物质波是概率波。 知识点一　光的波粒二象性 [情境导学]　光能发生干涉、衍射，这是波所特有的现象；光电效应是粒子才有的性质，那么，光到底是波还是粒子呢？ 提示：光既有波动性，又有粒子性，光有波粒二象性。 (阅读教材P136－P137完成下列填空) 1．光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性。 2．个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。 3．光波是一种概率波。 4．光子的能量和动量表达式：ε＝hν，p＝。 [问题探究]　为了对光的本性做进一步的考察与分析，物理学家把屏换成感光底片，在不断变化光强的情况下，用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示)。 结合感光底片得到的图像，分析以下问题： (1)光很弱时，感光底片上的图像有什么特点，显示出了光的什么特性？ (2)当光较强时，得到的图像有什么特点，显示出了光的什么特性？ (3)这个实验说明了什么？ 提示：(1)当光很弱时，光是作为一个个粒子落在感光底片上的，显示出了光的粒子性。 (2)当光很强时，光与感光底片量子化的作用积累起来形成明暗相间的条纹，显示出了光的波动性。 (3)单个光子通过狭缝后落在哪一点具有不确定性，但大量光子通过狭缝后落在什么位置却遵守一定的统计规律。 (多选)下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．凡是光的现象，都可用光的波动性去解释，也可用光的粒子性去解释 C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D．康普顿效应表明光具有粒子性 答案：CD 解析：光具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，可以用光的波动性去解释，光的有些行为(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，可以用光的粒子性去解释，但不能说有的光是波，有的光是粒子，故A、B错误，D正确；光的波长越长，波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，故C正确。 光的波粒二象性 实验基础 表现 说明 光的波动性 干涉和衍射 能量足够大的光在传播时，表现出波的性质 ①光的波动性是光子本身的一种属性，不是由于光子之间相互作用产生的 ②光的波动性不同于宏观观念的波 光的粒子性 光电效应和康普顿效应 1. 当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质 ②少量或个别光子容易显示出光的粒子性 1. 粒子的含义是“不连续”“一份一份”的 ②光子不同于宏观观念的粒子 波动性和 粒子性的 对立、统一 ①大量光子易显示波动性， 而少量光子易显示粒子性 ②波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强 ①光子说并未否定波动性，E＝hν中，ν和λ就是波的特征 ②波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的 针对练．(多选)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是(　　) A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的 B．光的双缝干涉显示了光的波动性 C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波 D．光具有波粒二象性 答案：BCD 解析：牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，A错误；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等，认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，即光具有波粒二象性，D正确。 知识点二　德布罗意物质波 [情境导学]　1927年，物理学家G.P.汤姆孙独立发现了电子在晶体上的衍射现象。如图甲为其实验装置示意图，如图乙为某多晶体的电子衍射与X射线衍射图样对比图，结合图样你能得出什么结论？ 提示：电子与X射线一样，也具有波动性。 (阅读教材P137－P140完成下列填空) 1．德布罗意物质波假说 (1)德布罗意波：1924年，法国物理学家德布罗意提出假设：实物粒子像光子一样，也具有波粒二象性。这种与粒子相对应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：ν＝，λ＝。 2．实物粒子波动性的实验证实 (1)实验验证：戴维孙和他的合作者革末用单晶体做了电子束散射的实验，G.P.汤姆孙用多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)结论：电子、原子、分子、质子和中子等微观粒子也具有波粒二象性。 3．概率波与经典波的差异 物质波既不是机械波，也不是电磁波，它是一种概率波。在电子的衍射实验中，有的地方强度增大，是因为电子到达这里的概率大，有的地方强度减小甚至等于零，是因为电子到达这里的概率小。 [问题探究]　根据测算，羽毛球离拍时的速度可达到288 km/h，羽毛球的质量为5.0 g，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。 (1)该羽毛球对应的德布罗意波长为多少？ (2)我们能否观察到羽毛球的波动性？为什么？ 提示：(1)羽毛球的速度v＝288 km/h＝80 m/s，其德布罗意波长λ＝＝＝ m≈1.66×10－33 m。 (2)不能。因为波长太短。 角度1　对物质波的理解 (2024·邯郸市高二期中)关于物质波，下列说法正确的是(　　) A．速度相等的电子和质子，电子的波长长 B．动能相等的电子和质子，电子的波长短 C．动量相等的电子和中子，中子的波长短 D．如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的3倍，则甲电子的波长也是乙电子的3倍 答案：A 解析：由λ＝可知，动量大的波长短，电子与质子的速度相等时，电子质量小，动量小，波长长，故A正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系p＝可知，电子的动量小，波长长，故B错误；动量相等的电子和中子，其波长相等，故C错误；甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的动量也是乙电子的3倍，则甲电子的波长应是乙电子的，故D错误。 角度2　物质波波长的计算 (2024·石家庄市高二月考)利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是(　　) A．该实验说明了电子具有粒子性 B．实验中电子束的德布罗意波长为λ＝ C．加速电压U越大，电子的衍射现象越明显 D．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显 答案：B 解析：实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，即电子具有波动性，故A错误；由动能定理可知，eU＝mv2－0，经过电场加速后电子的速度v＝，电子的德布罗意波长λ＝＝＝＝，故B正确；由电子的德布罗意波长λ＝可知，加速电压越大，电子的德布罗意波长越短，衍射现象越不明显，故C错误；质子与电子带电荷量相同，但是质子质量大于电子质量，动量与动能间存在关系p＝，所以由λ＝＝可知质子的德布罗意波长小于电子的德布罗意波长，波长越短则衍射现象越不明显，故D错误。 1.对物质波的理解 (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短。 (2)物质波波长的计算公式为λ＝，频率公式为 ν＝。 (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。 2．计算物质波波长的方法 (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。 (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。 针对练1.下列说法中正确的是(　　) A．物质波属于机械波 B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性 C．德布罗意认为任何一个运动的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫作物质波 D．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性 答案：C 解析：任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的物质波波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，故C正确，B、D错误；物质波不同于宏观意义上的波，故A错误。 针对练2.一支国际团队“拍摄”到了基于冷冻镜断层成像技术的病毒的3D影像，测得病毒的平均尺度是100 nm。波长为100 nm的光，其光子动量大小数量级为(普朗克常量为6.63×10－34 J·s)(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．10－25 kg·m/s　　B．10－27 kg·m/s C．10－29 kg·m/s　　D．10－31 kg·m/s 答案：B 解析：根据德布罗意波长公式λ＝，解得p＝＝ kg·m/s＝6.63×10－27 kg·m/s。所以B正确，A、C、D错误。 1．(2023·海南琼海市嘉积中学期末)关于光的本质，下列说法正确的是(　　 ) A．康普顿效应说明光具有波动性 B．光的干涉、衍射现象说明光具有粒子性 C．在任何情况下，光都既具有波动性，同时又具有粒子性 D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的 答案：C 解析：康普顿效应说明光具有粒子性，而且光子不但具有能量，还有动量，故A错误；在光的干涉、衍射现象中，光体现出波动性，同时也具有粒子性，故B错误；由于光具有波粒二象性，则在任何情况下，光都既具有波动性，同时又具有粒子性，故C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，故D错误。 2．(多选)波粒二象性是微观世界的基本特征。下列说法正确的是(　　) A．光电效应现象揭示了光的粒子性 B．中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C．电子在穿过金属片后的衍射现象，证实了电子的粒子性 D．动能相等的质子和电子，它们的物质波波长也相等 答案：AB 解析：光电效应现象揭示了光的粒子性，A正确；中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性，电子在穿过金属片后的衍射现象，证实了电子的波动性，故B正确，C错误；由λ＝，p＝可得λ＝，因质子和电子动能相等，质子质量较大，可知，质子的物质波波长较短，D错误。 3．1924年德布罗意提出实物粒子(例如电子)也具有波动性。以下不能支持这一观点的物理事实是(　　) A．利用晶体可以观测到电子束的衍射图样 B．电子束通过双缝后可以形成干涉图样 C．用紫外线照射某金属板时有电子逸出 D．电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领 答案：C 解析：利用晶体做电子衍射实验，得到了电子衍射图样，证明了电子的波动性；电子束通过双缝后可以形成干涉图样，证明了电子的波动性；用紫外线照射某金属板时有电子逸出，发生光电效应现象，说明光子具有粒子性；电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领，利用了电子的衍射特性，证明了电子的波动性。综上所述可知选项C符合题意。 4．一个质量为m、电荷量为q的带电粒子，由静止开始经加速电场加速后(加速电压为U)，该粒子的德布罗意波长为(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A.　　B.　　C.　　D. 答案：C 解析：加速后粒子的速度设为v，根据动能定理可得qU＝mv2，所以v＝，由德布罗意波长公式可得λ＝＝＝，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$