第3节 光的波粒二象性 第4节 德布罗意波 第5节 不确定性关系-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套课件（粤教版2019）

第三节　光的波粒二象性 第四节　德布罗意波 第五节　不确定性关系 　　　　 第四章 波粒二象性 1.了解光的波粒二象性及其对立统一关系。　 2.了解粒子的波动性，知道物质波的概念，了解什么是德布罗意波。　 3.了解不确定性关系。 素养目标 知识点一　光的波粒二象性 1 知识点二　德布罗意波 2 知识点三　不确定性关系 3 课时测评 5 随堂达标演练 4 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 知识点一　光的波粒二象性 返回 自主学习 情境导学　一个光子的能量ε＝hν，爱因斯坦指出光子动量p＝ 。美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现一部分散射出来的X射线波长变长，这个现象后来被称为康普顿效应。若光子可以像电子一样与石墨原子碰撞，其动量如何变化，波长如何变化，与康普顿观察到的现象吻合吗？光到底是波还是粒子？ 提示：动量变小　波长变长　吻合　光具有波粒二象性 教材梳理 (阅读教材P86－P88完成下列填空) 1．光的本性之争 (1)英国物理学家牛顿认为光是一种微粒，而荷兰物理学家惠更斯却认为光是一种波。 (2)1807年，英国科学家托马斯·杨做了著名的光的双缝干涉实验，得到了明暗相间的干涉条纹，并由此测定了光的波长。由于______现象是波的重要特征之一，所以该实验为光的波动性提供了重要的实验依据。 (3)英国科学家__________在建立电磁理论的过程中，于1862年预言了光是一种电磁波。 (4)1888年，德国物理学家______通过实验发现了人们期待已久的电磁波。 干涉 麦克斯韦 赫兹 2．光的波粒二象性的本质 (1)光的______和______实验表明，光是一种电磁波，具有波动性。而__________和____________则表明，光在与物体相互作用时，光子表现出粒子性。 (2)光既有______性，又有______性，人们把这种性质称为光的波粒二象性。 (3)光子的能量和动量表示为ε＝_____和p＝ 。其中，能量ε和动量p是描述光子________的重要物理量，频率ν和波长λ是描述光子________的典型物理量，_____________是联系光子粒子性和波动性的桥梁。 (4)光是概率波：概率大的地方落下的光子多，形成______；概率小的地方落下的光子少，形成______。物理学中把光波看成是一种________，干涉条纹是光子落在感光片上各点的______分布的反映。 干涉 衍射 光电效应 康普顿效应 粒子 波动 hν 粒子性 波动性 普朗克常量h 亮纹 暗纹 概率波 概率 合作探究 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，在不断变化光的强度的情况下，用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示)。 当光子数目较少时，光表现出粒子性还是波动性？当光子数目较多时，光表现出粒子性还是波动性？ 提示：当光子数目较少时，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；当光子数目较多时，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。 角度1　光的波粒二象性的理解 (多选)对光的认识，下列说法中正确的是 A．个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性 B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用引起的 C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了 D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现得明显，在另外的某种场合下光的粒子性表现得明显 √ √ √ 例1 当光子数目较少时，表现出粒子性，当光子数目较多时，表现出波动性，故A正确；波粒二象性是光的根本属性，与光子之间的相互作用无关，故B正确；光具有波粒二象性，即光既具有波动性又具有粒子性，在某种场合下光的波动性表现得明显，在另外的某种场合下光的粒子性表现得明显，故D正确，C错误。 光的波粒二象性的理解 光的两种性质 实验基础 表现 说明 波动性 干涉和 衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述 (2)大量光子容易显示出波动性 (1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的 (2)光的波动性不同于宏观概念的波 粒子性 光电效应、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粒子性 (1)粒子的含义是“不连续”的“一份一份”的 (2)光子不同于宏观概念的粒子 探究归纳 针对练．(多选)(2023·浙江绍兴高二期末)下列四个实验能证明光具有粒子性的是 √ √ 题图A是光电效应实验，证明了光具有粒子性，A正确；题图B是康普顿效应，表示的是光子和电子一对一的作用规律，证明光子既具有能量，也具有动量，证明了光具有粒子性，B正确；题图C是单色光的衍射现象，证明了光具有波动性，C错误；题图D是光的双缝干涉实验，证明了光具有波动性，D错误。 √ 角度2　光的波粒二象性的综合分析 如图所示，一束复色光AO以一定的入射角从玻璃射向真空时分成a、b两束，关于a、b这两种单色光，下列说法中正确的是 A．此玻璃对a光的折射率小于对b光的折射率 B．用同一双缝干涉装置进行实验，a光的干涉条纹间距比b光的大 C．a光光子能量小于b光光子能量 D．在玻璃中a光的全反射临界角小于b光的全反射临界角 例2 以相同的入射角从玻璃射向真空，a光的折射角大，所以折射率na＞nb，选项A错误；根据单色光的波长、频率以及折射率之间的关系，可知波长λa＜λb，由双缝干涉的条纹间距公式Δx＝ λ可知，a光的波长短，干涉条纹间距小，选项B错误；频率νa＞νb，根据光子能量ε＝hν，可知a光的频率高，能量大，选项C错误；由全反射临界角sin ic＝ 可知，a的折射率大，临界角小，选项D正确。 返回 √ √ 针对练. (多选)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示，则这两种光 A．照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大 B．照射该光电管时b光使其逸出的光电子最大初动能大 C．通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距大 D．通过同一装置发生双缝干涉，b光的相邻条纹间距大 由题图可知，b光的遏止电压大，所以b光照射光电管时使其逸出的光电子最大初动能大，故A错误，B正确；根据光电效应方程hν＝Ek＋W0，易知，a光的频率小，波长长，通过同一装置发生双缝干涉时，由 Δx＝ λ可知，a光的相邻条纹间距大，故C正确，D错误。 知识点二　德布罗意波 返回 自主学习 情境导学　如图是电子束穿过铝箔后的衍射图样，结合图样及教材内容回答下列问题： (1)德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么？ 提示：普朗克能量子和爱因斯坦光子理论。 (2)电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？ 提示：电子具有波动性。 教材梳理 (阅读教材P89－P90完成下列填空) 1．德布罗意波：法国物理学家德布罗意认为实物粒子和光一样具有____________。这种与__________相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫物质波。 3．电子衍射 美国工程师戴维森和英国物理学家G.P.汤姆孙都发现了电子在晶体上的______现象，证明了德布罗意波假说。电子不仅会发生衍射，而且会发生干涉，说明实物粒子具有________。 4．实物粒子的波粒二象性：实物粒子具有与光一样的波粒二象性。波粒二象性是包括光子在内的一切__________的共同特征。 波粒二象性 实物粒子 衍射 波动性 微观粒子 合作探究 问题探究　德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗？为什么？ 提示：不会。因为现实情况下子弹的德布罗意波长远比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性，忽略它的波动性也不会引起大的偏差，所以不会“失准”。 (多选)(2023·广东汕尾高三期末)根据物质波理论，以下说法中正确的是 A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B．宏观物体和微观粒子都具有波动性 C．宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显 例3 √ √ 返回 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，这种波称为物质波，所以宏观物体具有波动性，故A错误，B正确；宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太短，故C错误；质子和电子都有波动性，由λ＝ 可知，相同速度的电子和质子，因为质子的质量较大，则其动量较大，物质波波长较短，所以电子的波动性更为明显，故D正确。 知识点三　不确定性关系 返回 自主学习 情境导学　在光的单缝衍射实验中，a代表入射粒子位置的范围，衍射条纹b比a宽，代表粒子在原运动的垂直方向上有动量。a越窄，入射位置越容易确定，而b相应变宽，说明垂直方向的动量的不确定性如何变化。 提示：变大。 教材梳理 (阅读教材P93－P94完成下列填空) 不确定性关系：微观粒子的位置与动量不可同时被确定，其位置的不确定 量Δx与动量的不确定量Δp遵守不等式：________≥ 。 ΔxΔp 合作探究 问题探究　(1)不确定性关系是说微观粒子的坐标和动量都测不准吗？ 提示：不是。 (2)随着测量技术的不断发展，能否将微观粒子的坐标和动量同时准确测出？ 提示：不能。 从衍射的规律可以知道，狭缝越窄，屏上中央亮条纹就越宽，由不确定性关系ΔxΔp≥ 判断下列说法正确的是 A．入射的粒子有确定的动量，射到屏上的粒子就有准确的位置 B．狭缝的宽度变小了，因此粒子动量的不确定性也变小了 C．更窄的狭缝可以更准确地测得粒子的位置，但粒子动量的不确定性却更大了 D．可以同时确定粒子的位置和动量 例4 √ 微观粒子的位置和动量不可能同时被确定，故A、D错误；由ΔxΔp≥ 可知，狭缝变小了，即Δx减小，Δp将变大，即动量的不确定性变大，故C正确，B错误。 返回 随堂达标演练 返回 √ 牛顿的“微粒说”认为光是一种实物粒子，而爱因斯坦的“光子说”认为光是一种量子化的物质，故A符合；光的双缝干涉实验显示了光具有波动性，故B符合；光既具有粒子性又具有波动性，故D符合；麦克斯韦预言了光是一种电磁波，故C不符合。故选C。 1．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中不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”本质上是不同的 B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性 C．爱因斯坦预言了光是一种电磁波 D．光既具有粒子性又具有波动性 √ 2.如图所示，弧光灯发出的光，经过下列实验后产生了两个重要的实验现象：①经过一狭缝后，在后面的锌板上形成明暗相间的条纹；②与锌板相连的验电器的铝箔张开了一定的角度。则这两个实验现象分别说明 A．①和②都说明光具有波动性 B．①和②都说明光具有粒子性 C．①说明光有粒子性，②说明光具有波动性 D．①说明光有波动性，②说明光具有粒子性 现象①是光的单缝衍射现象，该现象说明了光具有波动性；现象②是光电效应现象，该现象说明了光具有粒子性。故A、B、C错误，D正确。 √ 3．有一颗质量为5.0 kg的炮弹，当其以200 m/s的速度运动时，它的德布罗意波的波长是 A．6.63×10－36 m B．6.63×10－37 m C．3.32×10－36 m D．3.32×10－36 m 由不确定性关系ΔxΔp≥ 可知，缝越宽，位置不确定性越大，则动量的不确定性越小，反之亦然，选项A、C、D正确，B错误。 4．(多选)在单缝衍射实验中，从微观粒子运动的不确定性关系可知 A．不可能准确地知道单个粒子的运动情况 B．缝越窄，粒子位置的不确定性越大 C．缝越宽，粒子位置的不确定性越大 D．缝越窄，粒子动量的不确定性越大 √ √ √ 返回 课 时 测 评 返回 1.下列事例中表明光子不但具有能量，而且像实物粒子一样具有动量的是 A．光的干涉 B．光的偏振 C．光电效应 D．康普顿效应 √ 光的偏振现象和干涉现象都表明光具有波动性，故A、B错误；光电效应表明光子具有能量，不能表明光子具有动量，故C错误；康普顿效应表明光子不但具有能量，而且像实物粒子一样具有动量，故D正确。故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 光子在空间各点出现的概率大小可以用波动规律来描述，但单个光子无法预测轨迹，所以光是一种概率波，A正确；由麦克斯韦电磁理论可知光是一种电磁波，B正确；光的波长越长，频率越小，光子的能量也越小，C错误；只有波才会出现干涉和衍射现象，所以光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，D正确。故选ABD。 2．(多选)关于光的本质，下列说法正确的是 A．光是一种概率波 B．光是一种电磁波 C．光的波长越长，光子的能量越大 D．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 3.某同学在研究光的衍射现象时，用a、b两种单色光照射同一单缝，在光屏上分别观察到如图甲、乙所示的衍射图样。关于a、b两种单色光，下列说法正确的是 A．在水中传播时，b光波长较大 B．在水中传播时，b光的传播速度较大 C．经同一双缝干涉装置发生干涉，a光的 干涉条纹间距较小 D．若用a光照射钾金属能发生光电效应，则用b光照射也能发生光电效应 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长 更小的情况下，会发生明显的衍射现象，由题图 可知甲图衍射现象更明显，故在空气中a光的波 长更长，即λa>λb，在空气中有c＝λν，所以频率 νa<νb，折射率na<nb，由n＝ 可知，在水中的传 播速度va>vb，光从空气射入水中，频率不变，在水中有v＝λ′ν，即λ′＝ ，可知λa′>λb′，A、B错误；由λa>λb，Δx＝ λ可知经同一双缝干涉装置后，a光的干涉条纹间距较大，C错误；因为λa>λb，则νa<νb，若用a光照射钾金属能发生光电效应，则用b光照射也能发生光电效应，D正确。故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 4．现用两种单色光a、b分别照射同一个光电管，如图甲所示，移动滑动变阻器的滑片调节光电管两端电压，分别得到两种光照射时光电流与光电管两端电压的关系，如图乙所示，则对于a、b两种光 A．b光的饱和光电流更大 B．从同一种介质射向真空中，b光更容易发生全反射 C．若用b光照射另外某种金属能发生光电效应，则用a光照射也一定能发生光电效应 D．通过同一个双缝装置进行双缝干涉实验，b光的条纹间距更宽 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 由题图可知，a光的饱和电流更大，A错误； 由题图可知，b光的遏止电压较大，则根据 eU＝Ek＝hν－W0可知，b光的频率较大，则 b光的折射率较大，根据sin ic＝ 可知，b光 的临界角较小，则从同一种介质射向真空中，b光更容易发生全反射，B正确；因为b光的频率较大，若用b光照射另外某种金属能发生光电效应，则用a光照射不一定能发生光电效应，C错误；b光的频率较大，则波长较短，根据Δx＝ λ可知，通过同一个双缝装置进行双缝干涉实验，b光的条纹间距更窄，D错误。故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 根据德布罗意波的波长公式变形有h＝pλ，因为动量p的单位为kg·m·s－1，波长λ的单位为m，所以普朗克常量h的单位为kg·m2·s－1。故选C。 5．于2019年5月20日起正式生效的新国际单位体系中，质量的单位千克是使用普朗克常量(h)进行定义的。用国际单位制中的基本单位表示，普朗克常量的单位应为 A．kg·m3·s－2 B．kg－1·m2·s－1 C．kg·m2·s－1 D．J·s 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 6．以下关于物质波的说法正确的是 A．实物粒子与光子都具有波粒二象性，故实物粒子与光子是本质相同的物体 B．一切运动着的物体都与一个对应的波相联系 C．机械波、物质波都不是概率波 D．实物粒子的动量越大，其波动性越明显，越容易观察 实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，但实物粒子与光子不是本质相同的物体，故A错误；无论是大到太阳、地球，还是小到电子、质子，都与一种波相对应，这就是物质波，故B正确；根据德布罗意的物质波理论可知，物质波是概率波，故C错误；根据德布罗意的物质波公式λ＝ 可知，粒子的动量越小，波长越长，则其波动性越明显，越容易观察，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 7．关于德布罗意波的波长，下列说法正确的是 A．动量相同的不同物体(包括宏观物体和微观粒子)，它们具有相同的德布罗意波的波长 B．动能相同的不同物体，它们具有相同的德布罗意波的波长 C．速率相同的不同物体，它们具有相同的德布罗意波的波长 D．只有动量相同的不同微观粒子，它们才具有相同的德布罗意波的波长 由德布罗意波的波长公式λ＝ 可知，只要物体的动量p相同，则它们的德布罗意波的波长就相同，故A正确，B、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ √ 8．(多选)关于不确定性关系ΔxΔp≥ 有以下几种理解，其中错误的是 A．微观粒子的动量不可能确定 B．微观粒子的坐标不可能确定 C．微观粒子的动量和坐标不可能同时确定 D．h是普朗克常量 位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式ΔxΔp≥ ，其中h是普朗克常量，不确定性原理表明，粒子的位置与动量不可能同时确定，故A、B符合题意，C、D不符合题意。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 9.如图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 由爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋W0和动能定理－eU＝0－Ek可得eU＝hν－W0，可知遏止电压大，则光的频率大，即νb＞νc＞νa，由光的色散现象可知，频率越大，折射率越大，光的偏折角越大，选项C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ √ 10.(多选)某实验小组在探究光的性质时，做了以下实验：将一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，则 A．相同介质中a光的波长小于b光的波长 B．a光的折射率小于b光的折射率 C．若用a、b光照射同一光电管，只有一种光 能发生光电效应，则该光是b光 D．光束a、b通过同一装置发生双缝干涉，则b光的条纹间距大 根据折射定律n＝ ，光从空气斜射向玻璃时，入射角相同，光线a对应的折射角较大，故光线a的折射率较小，即na＜nb，所以a光的频率较小，波长较长，b光的频率较大，波长较短，故A错误，B正确； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 因为实验过程中只有一种光能发生光电效应，b光的频率大于a光，所以能发生光电效应的一定是b光，故C正确；由Δx＝ λ可知，波长越长，条纹间距越大，a光的波长较长，则a光的条纹间距大，D错误。故选BC。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 11.如图所示，a、b两束相互平行的单色光，以一定的入射角照射到平行玻璃砖上表面，经平行玻璃砖折射后汇聚成一束复色光c，从平行玻璃砖下表面射出。下列说法中正确的是 A．在真空中，a光的传播速度小于b光的传播速度 B．增大入射角，a光在玻璃砖下表面可发生全反射 C．用同一装置在相同条件下分别做双缝干涉实验， a光的条纹间距小 D．用a光、b光照射某金属表面，若a光能发生光电效应，则b光一定也能发生光电效应 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 在真空中，a光的传播速度等于b光的传播速度， 故A错误；因为玻璃砖上下表面平行，所以光线 在玻璃砖上表面的折射角等于光线在玻璃砖下表 面的入射角，增大入射角，a光在玻璃砖下表面不 可能达到临界角，因此不可能发生全反射，故B错误；两束光的入射角相同，a光的折射角较小，所以a光的折射率较大，则频率大，波长短，根据Δx＝ λ可知，用同一装置在相同条件下分别做双缝干涉实验，a光的条纹间距小，故C正确；a光的频率大，若a光可以发生光电效应，则b光的频率可能小于截止频率，可能不发生光电效应，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 12.英国物理学家G.P.汤姆孙曾在实验中让静止的电子束通过电场加速后，通过多晶薄膜得到了如图所示的衍射图样，则 A．该图样说明了电子具有粒子性 B．电子的位置和动量可以同时被确定 C．加速电压越大，电子的德布罗意波的波长越长 D．让静止的电子束和质子束通过相同的加速电场， 电子的德布罗意波的波长更长 √ 题图为电子束通过多晶薄膜的衍射图样，因为衍射是波所特有的现象，所以说明了电子具有波动性，故A错误；根据不确定性关系，不可能同时准确地知道电子的位置和动量，故B错误； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 13．(12分)如果一中子和一个质量为10 g的子弹都以1×103 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多少？(中子的质量为1.67×10－27 kg，h＝6.63×10－34 J·s，结果保留小数点后2位) 中子的动量为p1＝m1v 子弹的动量为p2＝m2v 答案：3.97×10－10 m　6.63×10－35 m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 返回 将m1＝1.67×10－27 kg，m2＝1.0×10－2 kg，v＝1×103 m/s，h＝6.63 ×10－34 J·s代入上面两式可得λ1≈3.97×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 谢 谢 观 看 ！ 第四章 波粒二象性 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 ＝ $$