6.2 实物粒子的波粒二象性（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

物理选择性必修 第三册 第 6 章 波粒二象性 第2节　实物粒子的波粒二象性 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道实物粒子具有波动性。 2. 知道粒子的能量E与相应波的频率ν之间的关系，知道粒子的动量p与相应波长λ之间的关系。 3．初步了解不确定性关系。 1.知道物质波的实验验证。 2．会计算物质波的波长。 通过相关理论的实验验证，逐步形成严谨求实的科学态度，形成用波粒二象性分析自然现象的能力。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [对应学生用书P104] 知识点一 德布罗意假说及其实验探索 必备知识/自主学习 1．德布罗意波：每一个运动的粒子都有一个对应的波➊，人们称这种波为 ➋或德布罗意波。 2．物质波的波长、频率与粒子的能量、动量之间的关系 (1)粒子的能量E与相应的波的频率ν之间的关系为E＝ 。 (2)粒子的动量p与相应波长λ之间的关系为p＝ 。 3．对德布罗意假说的实验探索 (1)1927年，戴维孙和革末通过实验发现了电子的 。 hν 物质波 衍射现象 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 1．在微观世界中，粒子的 和 不能同时确定。 2．不确定性关系： 。式中，Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量。 3．此式表明，不能 精确确定一个微观粒子的位置和动量。 (2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生 ，也证实了电子的 。 (3)1960年，约恩孙直接做了电子 实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片。 衍射现象 波动性 位置 双缝干涉 知识点二 不确定性关系➌ 动量 同时 思考判断 1．电子不但具有粒子性也具有波动性。 ( ) 2．物质波的波长由粒子的大小决定。( ) 3．微观粒子的动量和位置不可同时准确测定。( ) × √ × 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 批注❶：粒子的波动性 在v<<c时(物体的质量为静止时的质量) 对实物粒子，v是指粒子的速度 批注❷：物质波的应用 批注➌：微观粒子的运动遵循不确定性关系，即要准确确定粒子的位置，动量(或速度)的不确定性就更大；反之，要准确确定粒子的动量(或速度)，位置的不确定性就更大，也就是说不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。 电子显微镜下的虫螨 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 关键能力/互动探究 [对应学生用书P105] 探究点一　对物质波的理解　　(物理观念之形成) ▶情境探究 电子束通过铝箔后的衍射图样如图所示。 (1)电子是实物粒子还是电磁波？ (2)电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？ 答案： (1)电子是实物粒子。 (2)说明了运动的电子束具有波动性。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 1．物质波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不能以宏观观点中的波来理解德布罗意波。 2．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。 3．宏观物体的动量比较大，由p＝ 可知，德布罗意波波长很短，所以波动性不明显。微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定环境下可以观察到它们的干涉和衍射等波的现象。 4．计算物质波波长的方法 ▶探究归纳 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 ▶对点例练 【例1】(2022·江苏徐州高二期中)下列关于物质波的说法正确的是(　　) A．宏观物体也具有波动性 B．质子比电子更容易形成晶格衍射图样 C．两个物体的动能不等，物质波的波长一定不等 D．两个物体的动量不等，物质波的波长可能相等 A 解析： 不管是微观粒子还是宏观物体，都具有波动性，A正确；电子质量远小于质子，其物质波波长比质子大，比质子更容易形成晶格衍射图样，B错误；根据物质波的波长公式λ＝ ，两个物体的动能不等，但两个物体的动量可能相等，则物质波的波长可能相等，C错误；根据物质波的波长公式λ＝ ，可知两个物体的动量不等，物质波的波长不可能相等，D错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 方法技巧 有关德布罗意波计算的一般方法 (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 计算其动量。 (2)根据λ＝ 计算德布罗意波的波长。 (3)需要注意的是：德布罗意波的波长一般都很短，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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [练1] (2021·湖南师大附中高二月考)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，则下列说法中不正确的是(　　) 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的波长为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，衍射现象将更不明显 解析： C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [练2] (2022·江苏如东高二期末)让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格(大小约10-10 m)上，可得到电子的衍射图样，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．电子的衍射图样说明了电子具有粒子性 B．加速电压越大，电子的物质波波长越小 C．电子的物质波波长比可见光的波长更长 D．动量相等的质子和电子，对应的物质波波长不相等 解析： B 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [练3] (多选)灯丝发射的电子束经过电场加速后从阳极上的狭缝穿出，通过两条平行狭缝后，在荧光屏上形成明显的双缝干涉图样。已知一个电子从狭缝穿出时动量为p，普朗克常量为h，则(　　) A．经过电场加速后，电子的德布罗意波波长为 B．经过电场加速后，电子的德布罗意波波长为 C．荧光屏上暗条纹的位置是电子不能到达的区域 D．荧光屏上亮条纹的位置是电子到达概率大的区域 解析： BD 由物质波的波长公式可知，电子的德布罗意波波长为 ，A错误，B正确；荧光屏上暗条纹的位置是电子到达概率小的区域，C错误；荧光屏上亮条纹的位置是电子到达概率大的区域，D正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 探究点二　不确定性关系　(科学思维之提升) ▶要点归纳 1．位置和动量的不确定性关系：ΔxΔp≥ 由ΔxΔp≥ 可知，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。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 3．不确定性关系是自然界的一条客观规律 (1)不确定性关系对任何物体都成立，并不是因为测量技术和主观能力而使微观粒子的坐标和动量不能同时测准。(2)对于宏观尺度的物体，其质量m通常不随速度v变化(因为一般情况下，v远小于c)，即Δp＝mΔv，所以ΔxΔv≥ 。由于m远大于h，因此Δx和Δv可以同时达到相当小的地步，远远超出最精良仪器的精度，完全可以忽略。可见，不确定现象仅在微观世界方可观测到。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 ▶对点训练 【例2】(多选)关于不确定性关系ΔxΔp≥ ，有以下几种理解，正确的是(　　) A．微观粒子的动量不可确定 B．微观粒子的位置不可确定 C．微观粒子的动量和位置不可同时确定 D．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体 CD 解析： 由ΔxΔp≥ 可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小，故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错误，C正确；不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽略，故D正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 方法技巧 关于不确定性关系的三点提醒 (1)宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差很多倍。 (2)根据计算的数据可以看出，宏观世界中物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量。 (3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，因此不能准确地把握粒子的运动状态。 [练4]关于不确定性关系ΔxΔp≥ ，下列说法中正确的是(　　) A．不能精确地测定微观粒子的动量 B．不能同时精确地测定微观粒子的位置和动量 C.不能精确地测定宏观物体的动量 D．对于宏观物体若要比较准确地测量其动量，则其位置无法测量 B 解析： 不确定性关系表明，在微观世界，粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式ΔxΔp≥ ，B正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练5] (科学情境)2021年开始实行的“十四五”规划提出，把量子技术与人工智能和半导体一起列为重点研发对象。技术方面，中国量子通信专利数超3 000项，领先美国。在通往量子论的道路上，一大批物理学家作出了卓越的贡献，下列有关说法正确的是(　 ) A．玻尔在1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念 B．德布罗意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 C．弗兰克和赫兹利用电子轰击汞原子，获得了除光谱测量外用其他方法证实原子中分立能级存在的途径，为证明原子能量的量子化现象提供了实验基础 D．普朗克大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性 C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 解析： 普朗克在1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，A错误；玻尔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，B错误；弗兰克和赫兹利用电子轰击汞原子，获得了除光谱测量外用其他方法证实原子中分立能级存在的途径，为能够证明原子能量的量子化现象提供了实验基础，C正确；德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性，D错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [练6] (科学情境)自然光做光源的光学显微镜的分辨率最高可以达到200 nm，可以看到最小的细菌，大多数的病毒比细菌小，光学显微镜就无能为力了，更别提看到10-10 m大小的原子了，由于光的衍射效应，光学显微镜分辨率难以提升。因为同样的情况下，波长越短衍射效应越不明显，为了提高分辨率，我们可以用波长更短的X射线，甚至用电子束，这是因为λ＝ ，当电子动量较高时，可以有较短的波长，目前透射电子显微镜(TEM)的分辨率可以达到0.2 nm。关于显微镜，下列说法正确的是(　　) A．用激光做光源也可以让光学显微镜的分辨率达到0.2 nm B．透射电子显微镜的分辨率不受本身波长衍射的限制，可以任意提高分辨率 C．透射电子显微镜中电子束虽然可以通过提高动量减小波长来减小衍射效应，但电子显微镜的分辨率也不能无限提高 D．如果显微镜用质子束替代电子束，质子加速到和电子同样速度的情况下，质子显微镜的分辨率比较低 C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 解析： 激光与自然光的波长相同，所以用激光做光源也不能让光学显微镜的分辨率达到0.2 nm，A错误；随着障碍物的减小，当障碍物的大小与电子束的波长相差不多时，发生明显衍射，B错误，C正确；由公式p＝mv可知，速度相同，由于质子的质量大于电子的质量，所以质子的动量比电子的动量更大，质子的波长比电子的波长更小，所以质子显微镜的分辨率比电子显微镜的分辨率更高，D错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 [练7] (科技情境)我国科学家用冷冻电镜捕捉到新冠病毒表面蛋白与人体细胞表面蛋白的结合过程。冷冻电子显微镜比光学显微镜分辨率更高，其原因是电子的物质波波长远小于可见光波长。由此可知电子比可见光____________(选填“更容易”“更不容易”或“一样容易”)发生明显衍射。电子束通过由电场构成的电子透镜实现会聚、发散作用。电子透镜由金属圆环M、N组成，其结构如图甲所示，图乙为其截面图(虚线为等势面)。显微镜工作时，两圆环的电势φN>φM。现有一束电子沿着平行于圆环轴线的方向进入M。则电子在穿越电子透镜的过程中速度不断________(选填“增大”“减小”或“不变化”)。 更不容易 解析： 由于电子的波长较短，则电子比可见光更不容易发生明显衍射；由于φN>φM，电场线从N到M，则从M点向右射入的电子受到向右的静电力而被加速，即电子在穿越电子透镜的过程中速度逐渐增大。 增大 返回导航 物理选择性必修 第三册 第2节　实物粒子的波粒二象性 谢谢观看！ eq \f(h,λ) ΔxΔp≥ eq \f(h,4π) ν＝ eq \f(ε,h)＝ eq \f(m0c2,h)　　λ＝ eq \f(h,p)＝ eq \f(h,m0v) eq \f(h,λ) (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＝ eq \f(h,p)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。光子的能量：E＝hν，动量p＝ eq \f(h,λ)；微观粒子的动能：Ek＝ eq \f(1,2)mv2，动量p＝mv。 eq \f(h,p) eq \f(h,p) p＝ eq \r(2mEk) eq \f(h,p) eq \f(h,\r(2meU)) 能得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性，A正确；由德布罗意波的波长公式λ＝ eq \f(h,p)，及动量p＝ eq \r(2mEk)＝ eq \r(2meU)，可得λ＝ eq \f(h,\r(2meU))，B正确；由λ＝ eq \f(h,\r(2meU))可知，加速电压越大，电子的波长越小，衍射现象就越不明显，C错误；用相同动能的质子替代电子，质子的波长变小，衍射现象与电子相比不明显，D正确。 电子衍射图样说明了电子具有波动性，故A错误；根据eU＝ eq \f(1,2)mv2，λ＝ eq \f(h,mv)，解得λ＝ eq \f(h,\r(2meU))，加速电压越大，电子的物质波波长越小，故B正确；电子是实物粒子，其动量更大，根据λ＝ eq \f(h,p)可知，电子的物质波波长比可见光的波长更短，故C错误；根据λ＝ eq \f(h,p)可知，动量相等的质子和电子，对应的物质波波长也相等，故D错误。 eq \f(p,h) eq \f(h,p) eq \f(h,p) eq \f(h,4π) eq \f(h,4π) eq \f(h,4π) eq \f(h,4πm) eq \f(h,4π) eq \f(h,4π) eq \f(h,4π) eq \f(h,4π) eq \f(h,p) $$