第4章 第三～五节 光的波粒二象性 德布罗意波 不确定性关系（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三～五节　光的波粒二象性　德布罗意波　不确定性关系 核心素养导学 物理观念 (1)了解光的波粒二象性，知道光是一种概率波。 (2)知道实物粒子具有波动性。 (3)了解光和实物粒子的波粒二象性。 (4)了解不确定性关系，知道其物理意义。 科学思维 能通过证据说明实物粒子具有波动性。 科学探究 通过电子衍射实验认识粒子的波动性。 科学态度与责任 体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。 一、光的波粒二象性 1．光的本性之争 (1)英国物理学家牛顿认为光是一种_____。 (2)荷兰物理学家惠更斯认为光是一种____。 2．光的波粒二象性 (1)光既有_______，又有________。 (2)物理学中把光波看成是一种_______。 微粒 波 粒子性 波动性 概率波 德布罗意 波长 衍射现象 位置 动量 1. 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。 求德布罗意波的波长以及能否观察到羽毛球的波动性？ 2．每一个运动的物体都有一个对应的波，为什么观察不到一粒飞行着的子弹的波动性？ 提示：宏观物体在运动时，我们观察不到它们的波动性，但也有一个波与之对应，只是对应飞行的子弹的波的波长太小了，所以观察不到子弹的波动性，但一粒飞行着的子弹的波动性还是存在的。 3．在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，判断以下结论的正误： (1)无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的。 ( ) (2)我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置。 ( ) (3)微观世界中不能准确地把握粒子的运动状态。 ( ) × × √ 新知学习(一)|光的波粒二象性 [任务驱动] 如图所示是对光的本质进行研究的两个实验。 两幅图分别是光什么性质的代表？说明了什么问题？ 提示：甲图是光电效应演示实验示意图，它是光的粒子性的代表；乙图是光的干涉实验示意图，它是光的波动性的代表。两个实验说明光具有波粒二象性。 [重点释解] 1．光的粒子性的含义 爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说。 (1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质。 (2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。 (3)频率高、波长短的光，粒子性特征显著。 2．光的波动性的含义 光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波。 (1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。 (2)频率低、波长长的光，波动性特征显著。 3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性 (1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。 (2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现，光的波动性和粒子性是统一的。 [典例体验] [典例]　关于光的波粒二象性，下列说法正确的是 (　 ) A．光的频率越高，衍射现象越容易看到 B．光的频率越低，粒子性越显著 C．大量光子产生的效果往往显示波动性 D．光的波粒二象性否定了光的电磁说 [解析]　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误。光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故A、B错误。大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C正确。 [答案]　C [针对训练] 1．(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．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性 C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波 D．光具有波粒二象性 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，选项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，选项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从而认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，选项C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，选项D正确。 答案：BCD　 2．(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．光子与电子是同样的一种粒子 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 解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子，虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子，光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，故选项C、D正确，A、B错误。 答案：CD　 新知学习(二)|对德布罗意波的理解及波长计算 [任务驱动] 如图所示为电子穿过铝箔后的衍射图样，这说明了什么？ 提示：说明电子具有波动性。 [重点释解] 1．对德布罗意波的理解 (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小的缘故。 (2)粒子在空间各处出现的概率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。 (3)德布罗意波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。 [典例体验] [典例]　如果一个中子和一个质量为104 kg的火箭都以103 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.67×10－27 kg，h＝6.63×10－34 J·s) 将m1＝1.67×10－27 kg，v＝1×103 m/s， h＝6.63×10－34 J·s，m2＝104 kg 代入上面两式可解得： λ1＝4.0×10－10 m，λ2＝6.63×10－41 m。 [答案]　4.0×10－10 m　6.63×10－41 m [针对训练] 1．以下关于物质波的说法正确的是 (　 ) A．实物粒子具有粒子性，在任何条件下都不可能表现出波动性 B．宏观物体不存在对应的波 C．电子在任何条件下都能表现出波动性 D．微观粒子在一定条件下能表现出波动性 解析：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，故A、B错误；电子有波动性，但在一定的条件下才能表现出来，故C错误，D正确。 答案：D 2．电子经电势差为U＝2 000 V的电场加速，电子的质量m＝0.9×10－30 kg，求此电子的德布罗意波波长，已知普朗克常数h＝6.6×10－34 J·s。 新知学习(三)|对不确定性关系的理解 [任务驱动] 既然位置与动量具有不确定性，为什么宏观物体的位置和动量可以同时测量？ 提示：由于普朗克常量是一个很小的量，对于宏观物体来说，其不确定性小到无法进行观测，因此不确定性关系对宏观物体是不重要的，即宏观物体的位置和动量是可以同时确定的。 提醒：不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准，也不是说微观粒子的动量测不准，更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准，而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。不确定性关系是自然界的一条客观规律，不是测量技术和主观能力的问题。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——光的波粒二象性 1．(选自沪科版新教材课后练习)在生活中我们会拍很多照片，通常我们都认为，这是由人和景物发出或反射的光波经过照相机的镜头聚焦在底片上形成的。实际上照片上的图像也是由光子撞击底片，使上面的感光材料发生化学反应形成的。如图是用不同曝光量洗印的照片，请你根据自己对光的理解做出说明。 提示：光波是一种概率波，在照片中有些地方光子出现的概率大，有些地方光子出现的概率小。光子个数较少时，在照片上出现的是一些随机分布的光点，随着曝光量的增大，图像逐渐呈现出一定的规律性，整体逐渐清晰起来。 科学思维——德布罗意波长的理解及计算 2．(选自人教版新教材课后练习)一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个大？ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(多选)我国研制的世界首颗量子科学试验卫星“墨子号”成功发射和在轨运行，将有助于我国广域量子通信网络的构建，服务于国家信息安全。关于量子和量子化，下列说法正确的是 (　 ) A．玻尔在研究原子结构中引进了量子化的概念 B．普朗克把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念 C．光子的概念是爱因斯坦提出的 D．光电效应实验中的光电子，也就是光子 解析：玻尔在研究原子结构中引进了轨道量子化和能量量子化的观念，故A正确；普朗克引入能量子的观点，破除了“能量连续变化”的传统观念，故B正确；爱因斯坦提出了光子说并建立了光电效应方程，故C正确；光电效应实验中发射出来的电子叫光电子，所以光电效应实验中的光电子，还是电子，不是光子，故D错误。 答案：ABC　 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十三） (单击进入电子文档) 40 二、德布罗意波假说　电子衍射 1．德布罗意波 每一个运动的实物粒子都与一个对应的波相联系，这种波称为_________波，也称为物质波。 2．实物粒子的波长与动量之间的关系：λ＝___，式中λ是德布罗意波的_____，p是相应的实物粒子的动量。 3．电子衍射(物质波的实验验证) 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，发现了电子在晶体上的_________，证实了电子的波动性。 三、不确定性关系 1．在微观世界中，粒子的_____和_____不能同时确定，不能同时测量。 2．关系式ΔxΔp≥中，Δx为位置的不确定量，Δp为动量的不确定量，h为普朗克常量。 提示：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，波长太短，无法观察到羽毛球的波动性。 2．计算德布罗意波波长的方法 (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。 [解析]　中子的动量为：p1＝m1v， 火箭的动量为：p2＝m2v， 据λ＝知中子和火箭的德布罗意波长分别为： λ1＝，λ2＝ 联立以上各式解得：λ1＝，λ2＝。 /方法技巧/ 德布罗意波波长的计算及注意事项 (1)计算物体的速度，再计算其动量。如果知道物体动能也可以直接用p＝计算其动量。 (2)根据λ＝计算德布罗意波波长。 (3)需要注意的是：德布罗意波波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理。 (4)宏观物体的波长小到可以忽略，其波动性很不明显。 解析：根据德布罗意波波长公式：λ＝ 电子在电场中加速，由动能定理有Ek＝Ue 且p2＝2mEk 代入数据解得：λ＝2.75×10－11 m。 答案：2.75×10－11 m [重点释解] 1．位置和动量的不确定性关系：ΔxΔp≥ 由ΔxΔp≥可以知道，在微观领域，要准确地确定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确地确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大。 2．微观粒子的运动没有特定的轨道 由不确定性关系ΔxΔp≥可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动。 [典例体验] [典例]　已知＝5.3×10－35 J·s。试求下列情况中速度测定的不确定量。 (1)一个球的质量m＝1.0 kg，测定其位置的不确定量为10－6 m。 (2)电子的质量me＝9.1×10－31 kg，测定其位置的不确定量为10－10 m(即原子的数量级)。 [解析]　(1)m＝1.0 kg，Δx＝10－6 m， 由ΔxΔp≥，Δp＝mΔv知 Δv1≥＝ m/s＝5.3×10－29 m/s。 (2)me＝9.1×10－31 kg，Δx＝10－10 m Δv2≥＝ m/s ≈5.8×105 m/s。 [答案]　(1)Δv1≥5.3×10－29 m/s (2)Δv2≥5.8×105 m/s /易错警示/ 不确定性关系的两点提醒 (1)不确定性关系ΔxΔp≥是自然界的普遍规律，对微观世界的影响显著，对宏观世界的影响可忽略不计。也就是说，宏观世界中的物体质量较大，位置和速度的不确定性范围较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量。 (2)在微观世界中，粒子质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，也就不能准确地把握粒子的运动状态了。 [针对训练] 1．(多选)关于不确定性关系ΔxΔp≥有以下几种理解，其中正确的是(　 ) A．微观粒子的动量不可能确定 B．微观粒子的位置不可能确定 C．微观粒子的动量和位置不可能同时确定 D．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观粒子 解析：不确定性关系ΔxΔp≥表示位置的准确度与动量的精度互相制约，当粒子位置的不确定性变小时，粒子动量的不确定性变大；当粒子位置的不确定性变大时，粒子动量的不确定性变小，故不能同时准确确定粒子的动量和位置。不确定性关系也适用于宏观粒子，不过这些不确定量微乎其微。故A、B错误，C、D正确。 答案：CD　 2．质量为m的粒子被限制在x＝－到x＝的区域内运动，在它朝x轴正方向运动时，其动量测量值的最小不确定量Δp＝________。 解析：Δx＝l，由ΔxΔp≥知，Δp＝。 答案： 解析：根据德布罗意波长计算公式λ＝ 再根据Ek＝mv2，p＝mv 得p＝即λ＝ 质子的质量远大于电子的质量，故电子的德布罗意波长大。 答案：电子 2．(多选)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，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，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，则下列说法正确的是 (　 ) A．该实验说明了电子具有波动性 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 解析：得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性，A正确；德布罗意波长λ＝，而动量p＝＝，两式联立得λ＝，B正确；由公式λ＝可知，加速电压越大，电子的波长越短，衍射现象就越不明显，C错误；用相同动能的质子替代电子，质子的波长较短，衍射现象相比电子更不明显，故D错误。 答案：AB $$