第4章 5.粒子的波动性和量子力学的建立-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步课件(人教版)

第四章　原子结构和波粒二象性 5．粒子的波动性和量子力学的建立 2 学习任务 1．知道实物粒子的波动性假设和实验验证。 2．知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性。 3．体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 关键能力·情境探究达成 01 知识点一　粒子的波动性　物质波的实验验证 知识点二　量子力学的建立及应用 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 4 1．粒子的波动性 (1)德布罗意波 1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有_______，每一个_____的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫_______。 (2)物质波的波长、频率关系式 ν＝_______，λ＝______。 知识点一　粒子的波动性　物质波的实验验证 波动性 运动 物质波 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 2．物质波的实验验证 (1)实验探究思路 _____、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。 干涉 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 (2)实验验证 1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了_____的衍射图样，如图所示，证实了_____的波动性。 (3)说明 ①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的_______。对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝和λ＝关系同样正确。 ②宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的_____很大，对应的德布罗意波的波长_____，根本无法观察到它的波动性。 提醒：所有物体都具有波动性和粒子性。 电子 电子 波动性 动量 很小 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 根据测算，羽毛球离拍时的最大速度可达到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。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 【问题】 (1)求德布罗意波的波长。 (2)能否观察到羽毛球的波动性？ 提示：(1)羽毛球的速度v＝288 km/h＝80 m/s，其德布罗意波的波长λ＝＝＝ m≈1.66×10-33 m。 (2)波长太短，无法观察到羽毛球的波动性。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 1．物质的分类 (1)由分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质。 (2)“场”也是物质，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质。 2．物质波的普遍性：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。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 3．求解物质波波长 (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。 (4)一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象，如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 【典例1】　(2021·浙江6月选考)已知普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，电子的质量为9.11×10-31 kg。一个电子和一滴直径约为4 μm的油滴具有相同动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为(　　) A．10-8　　　B．106　　　C．108　　　D．1016 √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 C　[根据公式λ＝＝，可知动能相同时λ∝。油的密度ρ约为0.8×103 kg/m3，油滴的体积为V＝π，则m油＝ρV≈2.7×10-14 kg，电子和油滴的德布罗意波长之比为＝＝≈1.7×108，即对应的数量级为108，C正确。] 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 [跟进训练] 1．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图所示为不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　) A．光只有粒子性没有波动性 B．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性 C．光只有波动性没有粒子性 D．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性 √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 B　[由于光的传播不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，所以每次通过狭缝只有一个光子，当一个光子到达某一位置时，该位置感光而留下痕迹，由于单个光子表现粒子性，即每一个光子所到达的区域是不确定的，但是大量光子表现出波动性，所以长时间曝光后最终形成了第三个图片中明暗相间的条纹，故该实验说明了光具有波粒二象性，故A、C、D错误，B正确。] 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 1．量子力学的建立 (1)普朗克_________理论、爱因斯坦_________理论、康普顿_____理论、玻尔_______理论以及德布罗意_______假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。 (2)在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为_________。 知识点二　量子力学的建立及应用 黑体辐射 光电效应 散射 氢原子 物质波 量子力学 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 2．量子力学的应用 (1)量子力学推动了核物理和_____物理的发展。 (2)量子力学推动了原子、分子物理和_____的发展。 (3)量子力学推动了_____物理的发展。 粒子 光学 固体 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 1．描述微观世界的需要 (1)经典物理学的困惑 在和原子、分子等微观粒子的行为紧密相关的各类系统中，普遍存在运用经典物理学无法解释的现象。如黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。 (2)旧量子论的提出 普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功，但均只能针对某一个特定问题，没有形成普遍性理论。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 2．量子力学的巨大成功 (1)用矩阵力学对玻尔氢原子理论进行推广和改造，使之可以适用更普遍的情况。 (2)把波动力学应用于氢原子，很容易能得到氢原子光谱的公式，使玻尔理论的局限性得以消除。 (3)理论上证明，矩阵力学和波动力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 3．量子力学的应用 (1)量子力学推动了核物理和粒子物理的发展 (2)量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 (3)量子力学推动了固体物理的发展 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 【典例2】　中国科学技术大学潘建伟团队研发出76个光子的量子计算原型机“九章”。“九章”求解高斯玻色取样的数学难题只需要200秒，而用世界最快的超级计算机“富岳”解决同样的问题，需要6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。下列描述与“量子计算机”的原理相符的是(　　) A．人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式 B．根据量子力学，人们发展了各式各样对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术 C．利用固体的微观结构对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多 D．人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构 √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 C　[科学家们利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”。这些器件利用固体的微观结构对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多。靠它们，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备，C正确。] 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 学习效果·随堂评估自测 02 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 23 1．(多选)关于量子力学的说法正确的是(　　) A．不论是对宏观物体，还是对微观物体，量子力学都是适用的 B．量子力学完全否定了普朗克黑体辐射理论、玻尔氢原子理论等早期量子论 C．玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础 D．激光技术的发展是量子力学的应用在实际生活中的体现 1 2 3 4 √ √ √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 ACD　[不论是对宏观物体，还是微观粒子，量子力学都是适用的，故A正确；普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一，玻尔原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律，故B错误，C正确；激光技术的发展是量子力学的应用在实际生活中的体现，故D正确。] 1 2 3 4 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 2．(2022·河南南阳一中高二下月考)著名物理学家汤姆孙曾在实验中让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。已知电子质量m＝9.1×10-31 kg，加速后电子速度v＝5.0×106 m/s，普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，则(　　) A．该图样说明了电子具有粒子性 B．该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm C．加速电压越大，电子的物质波波长越大 D．使用电子束工作的电子显微镜时，加速电压越大，分辨本领越弱 1 2 3 4 √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 B　[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，所以该图样说明了电子具有波动性，A错误；由德布罗意波长公式可得λ＝，又动量p＝mv，两式联立得λ＝≈0.15 nm，该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm，B正确；由德布罗意波长公式可得λ＝，又动量p＝＝，两式联立可得λ＝，可知加速电压越大，电子的物质波波长越短，衍射现象就越不明显，分辨本领越强，C、D错误。] 1 2 3 4 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 3．1927年戴维孙和G.P.汤姆孙完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。如图所示的是该实验装置的简化图。下列说法不正确的是(　　) 1 2 3 4 A．亮条纹是电子到达概率大的地方 B．该实验说明物质波理论是正确的 C．该实验说明了光子具有波动性 D．该实验说明实物粒子具有波动性 C　[该实验说明物质波理论是正确的，实物粒子也具有波动性，亮条纹是电子到达概率大的地方，不能说明光子具有波动性，故选C。] √ 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 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，普朗克常量为h)，该粒子的德布罗意波长为(　　) A．　　　 B． C． D． C　[加速后粒子的速度设为v，根据动能定理可得qU＝mv2，所以v＝，由德布罗意波的波长公式可得λ＝＝＝，故C正确。] √ 1 2 3 4 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．什么叫德布罗意波？ 提示：与实物粒子相联系的波，也叫物质波。 2．写出物质波的波长、频率关系式。 提示：ν＝；λ＝。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 3．量子力学是在哪些理论的基础上建立起来的？ 提示：量子力学是在普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说的基础上建立起来的。 4．量子力学推动的重要技术有哪些？ 提示：电子显微镜、核磁共振、核反应堆、晶体管、原子钟、激光、发光二极管、基于巨磁阻效应的高性能信息存储技术。 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 点击右图进入… 课 时 分 层 作 业 5．粒子的波动性和量子力学的建立 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 章末综合测评 32 $$