第四章 5.粒子的波动性和量子力学的建立 -【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用课件（人教版）

该高中物理课件围绕“粒子的波动性和量子力学的建立”展开，涵盖德布罗意波、物质波实验验证及量子力学建立与应用等核心知识点。课堂导入通过“情景思辨”分析电子衍射图样，结合“判断正误”巩固认知，衔接光的波粒二象性，搭建前后知识支架。 其亮点在于分层设计教学环节，通过“基础知识梳理-核心要点探究-效果检测-课时训练”落实新课标要求。以戴维森实验验证物质波、典例计算德布罗意波长等，培养学生物理观念和科学思维，助力学生深化对微观世界的理解，也为教师提供系统教学方案，提升教学效率。

5.粒子的波动性和量子力学的建立 课标要求 素养目标 1.知道实物粒子具有波 动性。 2.了解微观世界的量子 化特征。 3.体会量子论的建立对 人们认识物质世界的影 响 1.知道德布罗意波，光有波动性和粒子 性、量子力学等基本观点和相关实验证 据。（物理观念） 2.掌握光的波粒二象性，理解其对立统一 关系；并能应用波粒二象性解释有关现 象，提高分析、推理能力。（科学思维） 目 录 01. 基础知识·准落实 02. 核心要点·快突破 03. 教学效果·勤检测 04. 课时训练·提素能 基础知识·准落实 梳理归纳 自主学习 01 目录 知识点一　粒子的波动性　物质波的实验验证 1. 粒子的波动性 （1）德布罗意波：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被称为德布罗意波，也叫 作 波。 （2）粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的 关系：ν＝ 　　，λ＝ 　　。 运动　 物质　 　 　 目录 物理·选择性必修第三册 2. 物质波的实验验证 （1）实验探究思路：干涉、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。 目录 物理·选择性必修第三册 （2）实验验证 1927年戴维森和G. P. 汤姆孙分别利用单晶和多晶晶体做 了 衍射的实验，得到了类似图甲的衍射图样，从 而证实了电子的 性。在后来的实验中，人们还进一 步观测到了电子德布罗意波的 现象（图乙）。 电子束　 波动　 干涉　 目录 物理·选择性必修第三册 （3）微观粒子的波动性 除了电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分 子的 性。对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝和λ＝ 的关系同样正确。 （4）宏观物体的波动性 宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的 ⁠ 很大，根据λ＝可知，对应的德布罗意波的波长很 ⁠， 比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到波动性。 波动　 动量　 短　 目录 物理·选择性必修第三册 知识点二　量子力学的建立　量子力学的应用 1. 量子力学建立的基础：普朗克黑体辐射理论，爱因斯坦 ⁠ 理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意 ⁠ 假说。其中 扮演了关键性的角色。 光电效 应　 物质 波　 普朗克常量　 目录 物理·选择性必修第三册 （1）1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人建立 ⁠ ⁠。 （2）1926年，奥地利物理学家薛定谔提出物质波满足的方程—— ⁠。 （3）在以玻恩、海森保、薛定谔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 ⁠行 为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子 力学。 矩阵力学 薛定谔方程　 微观世界　 2. 量子力学的建立 目录 物理·选择性必修第三册 3. 量子力学的应用 （1）推动了核物理和粒子物理的发展。 （2）推动了原子、分子物理和光学的发展。 （3）推动了固体物理的发展，以及其他很多应用。 目录 物理·选择性必修第三册 【情景思辨】 1. 如图所示，电子束穿过铝箔后的衍射图样说明了什么？ 提示：说明实物粒子具有波动性。 目录 物理·选择性必修第三册 2. 判断正误。 （1）一切宏观物体都具有波动性，即物质波。 （　√　） （2）电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。 （　√　） （3）宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，是因为宏观 物体的波长太长。 （　×　） （4）量子力学的建立，使人们深入认识了微观世界的组成、结构 和属性。 （　√　） √ √ × √ 目录 物理·选择性必修第三册 核心要点·快突破 互动探究 深化认知 02 目录 要点一　物质波的理解和德布罗意波波长的计算 【探究】 一个同学绕着操场跑步，怎样估算这个同学跑步时物质波的波长？ 提示：估计该同学质量为50 kg，跑步时速度大约5 m/s，根据λ＝，λ ＝ m≈3×10－36 m。 目录 物理·选择性必修第三册 【归纳】 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，这种波叫物质波，其波长λ＝。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。 （2）德布罗意假说是光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。 目录 物理·选择性必修第三册 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。 目录 物理·选择性必修第三册 【典例1】　如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s 的速 度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？（中子的质量为 1.67×10－27 kg，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s） 答案：3.97×10－10 m　6.63×10－35 m 目录 物理·选择性必修第三册 解析：中子的动量为p1＝m1v， 子弹的动量为p2＝m2v， 根据λ＝知中子和子弹的德布罗意波长分别为 λ1＝，λ2＝ 联立以上各式解得λ1＝，λ2＝ 将m1＝1.67×10－27 kg，v＝1×103 m/s，h＝6.63×10－34 J·s，m2＝ 1.0×10－2 kg 代入上面两式可解得 λ1≈3.97×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m。 目录 物理·选择性必修第三册 1. （多选）关于物质波，下列认识中正确的是（　　） A. 任何运动的物体（质点）都伴随一种波，这种波叫物质波 B. X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 C. 电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 D. 宏观物体尽管可以看作物质波，但它们不能发生干涉、衍射等现象 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　根据德布罗意物质波理论知，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，选项A正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象并不能证实物质波理论的正确性，选项B错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，选项C正确；只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故选项D错误。 目录 物理·选择性必修第三册 2. 某电子的质量为me、德布罗意波长为λ，一质量为m的油滴与该电 子具有相同的动能，则该油滴的德布罗意波长为（　　） A. λ B. λ C. λ D. λ 解析：　由题意可得me＝mv2 ，λ＝ ，p＝mv，联立可得该 油滴的德布罗意波长为λ'＝λ ，故选A。 目录 物理·选择性必修第三册 要点二　物质波的实验验证 【探究】 利用金属晶格（大小约10－10m）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。该实验说明了什么？ 提示：该实验说明了电子具有波动性。 目录 物理·选择性必修第三册 【归纳】 　干涉、衍射现象是波动性的特有表现。如果实物具有波动性， 在一定条件下，也该发生干涉、衍射现象。我们先估计一下实物 对应的波的波长的数量级，判断它实现衍射所需要的条件。对质 量为1 g、速度为1 cm/s的物体来说，它对应的波的波长为λ＝＝ m＝6.63×10－29 m。这么小的波长，比宏观物体的尺度 小得多，根本无法观察到它的波动性。而一个原来静止的电子， 在经过100 V 电压加速后，德布罗意波长约为0.12 nm，因此有可 能观察到电子的波动性。 目录 物理·选择性必修第三册 【典例2】　用很弱的光做双缝干涉实验，图甲是不同数量的光子照 射到感光胶片上得到的照片。图乙是1927年戴维森和G. P. 汤姆孙分 别完成的电子衍射实验的简化图，该实验是荣获诺贝尔奖的近代重大 物理实验之一。关于这两个图，下列说法中正确的是（　　） A. 图甲这些照片说明光只有粒子性而没有波动性 B. 图甲这些照片说明光只有波动性而没有粒子性 C. 图乙说明光子具有波动性 D. 图乙说明实物粒子具有波动性 目录 物理·选择性必修第三册 解析：光具有波粒二象性，图甲这些照片说明少量光子的运动显示粒 子性，大量光子的运动显示波动性，选项A、B错误；图乙中亮条纹 部分是电子到达概率大的地方，该实验说明物质波理论是正确的，说 明实物粒子具有波动性，但该实验不能说明光子具有波动性，选项C 错误，D正确。 目录 物理·选择性必修第三册 1. 1927年戴维孙和G. P. 汤姆孙分别用电子束射向晶体得到如图所示的图样，从而证实了（　　） A. 电子的波动性 B. 电子的粒子性 C. 光的波动性 D. 光的粒子性 解析：　戴维孙和G. P. 汤姆孙分别用电子束射向晶体得到电子 的衍射图样，说明电子具有波动性，选项A正确。 目录 物理·选择性必修第三册 2. 物理学家利用“托马斯·杨”双缝干涉实验装置进行电子干涉的实 验，从辐射源辐射出的电子束经两靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏 上出现干涉条纹，该实验说明（　　） A. 光具有波动性 B. 光具有波粒二象性 C. 微观粒子也具有波动性 D. 微观粒子也是一种电磁波 解析：　电子是实物粒子，利用电子束经过双缝产生干涉条纹， 说明微观粒子具有波动性。故C正确。 目录 物理·选择性必修第三册 教学效果·勤检测 强化技能 查缺补漏 03 目录 1. 在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是（　　） A. 弱光衍射实 B. 电子束在晶体上的衍射实验 C. 弱光干涉实验 D. 以上都不正确 解析：　1927年，戴维森和G. P. 汤姆孙通过实验首次发现 了电子在晶体上能发生衍射现象，这个实验说明电子具有波动 性，B正确。 目录 物理·选择性必修第三册 2. 下列说法中正确的是（　　） A. 质量大的物体，其德布罗意波长小 B. 速度大的物体，其德布罗意波长小 C. 动量大的物体，其德布罗意波长小 D. 动能大的物体，其德布罗意波长小 解析：　由德布罗意假说知，德布罗意波长λ＝，式中 h为普朗 克常量，p为运动物体的动量，可见p越大，λ越小，故C正确，A、 B、D错误。 目录 物理·选择性必修第三册 3. 图甲、图乙分别是电子束穿过铝箔后的衍射图样和泊松亮斑，下列 说法正确的是（　　） A. 图甲是泊松亮斑 B. 图乙是干涉现象 C. 图甲证明了电子的粒子性 D. 图乙证明了光的波动性 解析：　图甲为电子束穿过铝箔后的衍射图样，图乙为泊松亮 斑，属于圆盘衍射现象，A、B错误；图甲、图乙分别证明了电子 和光的波动性，C错误，D正确。 目录 物理·选择性必修第三册 4. （多选）用紫外光照射一种新型材料时，只产生动能和动量单一的 相干电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，观测到相邻明条纹 间距为Δx的干涉现象，普朗克常量为h，双缝到屏的距离为L，下 列说法正确的是（　　） A. 电子束的波长λ＝Δx B. 电子的动量p＝ C. 仅减小照射光的波长，电子束形成的条纹间距将变大 D. 与实物粒子相关的波称为德布罗意波，也叫作物质波 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　根据双缝干涉条纹间距公式可得电子束的波长λ＝Δx，故A错误；电子的动量为p＝＝ ，故B正确；仅减小照射光的波长，电子束形成的干涉条纹间距将变小，故C错误；与实物粒子相联系的波被称为德布罗意波，也叫作物质波，故D正确。 目录 物理·选择性必修第三册 5. 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，波长λ＝，式中p是运动物体的动量，h 是普朗克常量，人们把这种波叫作德布罗意波。现有一个德布 罗意波长为λ1的物体1和一个德布罗意波长为λ2的物体2，二者 相向碰撞后粘在一起，已知｜p1｜＜｜p2｜，则粘在一起的物 体的德布罗意波长为多少？ 答案： 解析：以物体2碰前速度的方向为正方向，由动量守恒定律得｜ p2｜－｜p1｜＝p，又p＝，所以－＝，解得λ＝。 目录 物理·选择性必修第三册 04 课时训练·提素能 分层达标 素养提升 目录 题组一　物质波的理解和德布罗意波波长的计算 1. （多选）波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有 （　　） A. 光电效应现象揭示了光的粒子性 B. 热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C. 黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D. 动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　光电效应揭示了光的粒子性，A正确；热中子束射到 晶体上，产生的衍射图样说明中子具有波动性，B正确；黑体辐射 的实验规律可用光的粒子性解释，C错误；由λ＝和p＝得λ ＝，动能相等的质子和电子质量相差很多，所以德布罗意波 长λ不相等，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 2. （多选）关于物质波，以下观点正确的是（　　） A. 只要是运动着的物体，无论是宏观物体还是微观粒子，都有相应 的波与之对应，这就是物质波 B. 只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，无论其是否 运动，都没有相对应的物质波 C. 由于宏观物体的德布罗意波的波长太小，所以无法观察到它们的 波动性 D. 电子束照射到晶体上得到电子束的衍射图样，从而证实了德布罗 意的假设是正确的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　只要是运动着的物体，无论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波，A正确，B错误；由于宏观物体的德布罗意波的波长太小，所以无法观察到它们的波动性，C正确；电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 3. 质量为m的粒子原来的速度为v，现将粒子的速度增大到2v，则描 写该粒子的物质波的波长将（粒子的质量保持不变）（　　） A. 保持不变 B. 变为原来波长的两倍 C. 变为原来波长的一半 D. 变为原来波长的倍 解析：　根据公式λ＝＝可以判断出选项C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 题组二　物质波的实验验证 4. （多选）电子衍射和双缝干涉实验是证明德布罗意物质波理论的重 要实验，电子束通过铝箔后的衍射图样如图甲所示，不同数目的电 子通过双缝后的干涉图样分别如图乙、图丙和图丁所示。下列说法 正确的是（　　） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 A. 亮条纹是电子到达概率大的地方 B. 这两个实验都说明电子是粒子 C. 这两个实验说明光子具有波动性 D. 这两个实验说明实物粒子具有波动性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　物质波又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的概率，其中概率的大小受波动规律的支配，亮条纹是电子到达概率大的地方，故A正确；电子是实物粒子，这两个实验是以电子是实物粒子为依据的，衍射与干涉是波特有的现象，所以电子束的衍射图样证实了德布罗意物质波的假设是正确的，说明实物粒子具有波动性，故B错误，D正确；由题干可知，图像为电子衍射和双缝干涉图样，不能说明光子具有波动性，故C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 5. （多选）关于下列图像的描述和判断正确的是（　　） A. 图甲表示电子束通过铝箔时的衍射图样，证实了运动电子具有粒子性 B. 图甲表示电子束通过铝箔时的衍射图样，证实了运动电子具有波动性 C. 图乙表示随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会减小 D. 图乙表示随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的 方向移动 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　题图甲是电子束通过铝箔时的衍射图样，证实了运动电子具有波动性，选项A错误，B正确；题图乙是黑体辐射实验规 律图像，从图像能够看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增大，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 6. 如图所示为证实电子波存在的实验装置，从F上出来的电子可认为 初速度为零，所加加速电压U＝104 V，电子质量为m＝0.91×10－ 30 kg。电子被加速后通过小孔K1和K2后入射到薄的金膜上，发生衍 射，结果在照相底片上形成同心圆明暗条纹。试计算电子的德布罗 意波长。（普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s） 答案：1.23×10－11 m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 解析：电子加速后的动能Ek＝mv2＝eU， 电子的动量p＝mv＝＝。 由λ＝知λ＝，代入数据得λ≈1.23×10－11 m。 目录 物理·选择性必修第三册 7. 影响显微镜分辨本领的一个因素是波的衍射，衍射现象越明显，分 辨本领越低。利用电子束工作的电子显微镜有较高的分辨本领，它 利用高压对电子束加速，最后打在感光胶片上来观察显微图像。以 下说法正确的是（　　） A. 加速电压越高，电子的波长越长，分辨本领越强 B. 加速电压越高，电子的波长越短，衍射现象越明显 C. 如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的 显微镜分辨本领强 D. 如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的 显微镜分辨本领弱 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 解析：　设加速电压为U，电子电荷量为e，质量为m，则Ek＝ mv2＝eU＝，又p＝，故eU＝，可得 λ＝ 。对电 子来说，加速电压越高，λ越短，衍射现象越不明显，故A、B 错误；电子与质子比较，因质子质量比电子质量大得多，可知 质子加速后的波长要短得多，衍射现象不明显，分辨本领强， 故C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 8. 利用金属晶格（大小约10－10m）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，衍射现象将更加明显 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 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，说明电子具有波动性，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＝，电子德布罗意波的 波长λ＝＝＝＝，故B正确；由电子的德布罗意波波 长公式λ＝可知，加速电压越大，电子德布罗意波波长越短， 衍射现象越不明显，故C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 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 波长小于电子的德布罗意波波长，波长越小，则衍射现象越不明显， 故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 9. 光子的动量p与能量E的关系为p＝。静止的原子核放出一个波 长为λ的光子。已知普朗克常量为h，光在真空中传播的速度为 c，求： （1）质量为M的反冲核的速度。 答案：　 解析：光子的动量为p，由动量守恒定律知反冲核的动 量大小也为p。由E＝hν可得p＝＝Mv 所以v＝。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 （2）反冲核运动时物质波的波长。 答案：λ 解析：反冲核的物质波波长λ'＝＝λ。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 10. 如图所示为研究光电效应的实验装置图，若用能量为50 eV的光子 照射到光电管阴极K后，电流计中有电流；调节滑动变阻器滑 片，当电压表读数为20 V时，电流计示数恰好为零。已知电子的 质量 m＝9.0×10－31 kg、电荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克常量h ＝6.6×10－34 J·s。求： （1）该光电管阴极的逸出功； 答案：30 eV　 解析：由题可知，根据动能定理可知Ue＝Ekm 根据光电效应方程得hν－W0＝Ekm 联立解得逸出功为W0＝30 eV。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 （2）光电子的物质波的最小波长。 答案：2.75×10－10 m 解析：根据λ＝和p＝ 得λ＝ 解得λ＝2.75×10－10 m。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 目录 物理·选择性必修第三册 $