第6章 第3节 波粒二象性（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（教科版）

第3节　波粒二象性 [核心素养导学] 物理观念 (1)知道光具有波粒二象性,了解光子的能量和动量。 (2)知道物质波的概念,了解实物粒子的波粒二象性。 (3)知道概率波与经典波的差异。 科学探究 (1)学会利用双缝干涉实验验证光的粒子性和波动性。 (2)学会利用电子衍射实验验证实物粒子具有波动性。 一、光的波粒二象性 1.光的干涉和衍射现象表明,光具有　　　　;光电效应和康普顿效应表明,光具有　　　　。  2.通过光的双缝干涉现象可以看出光具有　　　　。  3.光子的能量和动量可以表示为ε=hν和p=　　　　。  二、德布罗意物质波假说 1.德布罗意假设:实物粒子像光子一样,也具有　　　　　　　。  2.德布罗意关系式:λ=,ν=。德布罗意用　　　　　　　把粒子性和波动性联系起来。  3.物质波:与　　　　相对应的波称为德布罗意波,也叫物质波。  三、实物粒子波动性的实验证实 1.电子衍射实验:电子经电场加速后穿过一微薄晶体,在屏上可显示出有规律的衍射花纹,证明了电子具有　　　　　。  2.中子、质子、原子和分子等微观粒子同样具有　　　　　。  四、概率波与经典波的差异 1.机械波:周期性的　　　　在介质内的传播。  2.电磁波:周期性变化的　　　　的传播。  3.物质波:是一种　　　　　,在某一地方的强度跟在该处出现它所代表的粒子的概率成正比。  1.利用光的双缝干涉实验研究光的本性,分析弱光和强光产生的不同现象,判断下列说法正误: (1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。 (　 ) (2)光子数量越大,其粒子性越明显。 (　 ) (3)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。 (　 ) 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? 3.电子和其他微观粒子在一定条件下都会发生干涉、衍射现象,判断下列说法正误: (1)一切宏观物体都伴随一种波,即物质波。 (　 ) (2)湖面上的水波就是物质波。 (　 ) (3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。 (　 ) 4.如图是电子干涉条纹,请分析以下问题: 由甲、乙、丙三图样的比较,你对物质波又有什么深刻认识? 　　　　　　　　　　　　　　　　 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? [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 听课记录: [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 2.(多选)为了验证光的波粒二象性,在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片,并设法减弱光的强度,下列说法正确的是 (　 ) A.使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝,如果时间足够长,底片上将出现双缝干涉图样 B.使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝,如果时间很短,底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样 C.大量光子的运动显示光的波动性 D.个别光子的运动显示光的粒子性,光只有粒子性,没有波动性 新知学习(二)|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? [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。 2.计算德布罗意波长的方法 (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。 [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) 尝试解答: /方法技巧/ 德布罗意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=计算德布罗意波长。 (3)需要注意的是:德布罗意波长一般都很短,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。 [针对训练] 1.(多选)以下说法正确的是 (　 ) A.宏观粒子也具有波动性 B.抖动细绳一端,绳上的波就是物质波 C.物质波也是一种概率波 D.物质波就是光波 2.(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示,电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23 kg·m/s,然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31 kg,普朗克常量取6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是 (　 ) A.发射电子的动能约为8.0×10-15 J B.发射电子的物质波波长约为5.5×10-11 m C.只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉 D.如果电子是一个一个发射的,仍能得到干涉图样 3.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。 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。 ◉科学思维——德布罗意波长的理解及计算 2.(选自粤教版教材课后练习)用光学显微镜不可能观察到纳米级的微小结构。这是因为可见光的波长数量级是10-7 m,远大于纳米,会发生明显的衍射现象,不能精确聚焦。因此,人们使用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜来观察纳米级的微小结构。 (1)请说明电子显微镜能观察到纳米级微小结构的原因。 (2)现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构。为满足测量要求,将显微镜工作时电子的德布罗意波波长设定为,其中n>1。已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e,电子的初速度不计,则显微镜工作时电子的加速电压应为多大? 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 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,如图所示是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.光只有波动性没有粒子性 C.少量光子的运动显示波动性,大量光子的运动显示粒子性 D.少量光子的运动显示粒子性,大量光子的运动显示波动性 2.实验表明:光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时,光的波长会变大或者不变,这种现象叫康普顿散射,该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度,以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子,则该散射被称为逆康普顿散射,这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射,下列说法正确的是 (　 ) A.康普顿效应说明光具有波动性 B.若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应,则散射光照射该金属时,光电子的最大初动能将变大 C.散射后电子的速度一定变大 D.散射后电子的能量一定变大 3.(2024·贵州高考)(多选)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST,其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中,波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射,一处是波长为21 cm的中性氢辐射,另一处是波长为18 cm的羟基辐射。在真空中,这两种波长的辐射相比,中性氢辐射的光子 (　 ) A.频率更大　　　　　　 B.能量更小 C.动量更小 D.传播速度更大 4.(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 课下请完成课时跟踪检测(二十三) 1 / 8 学科网（北京）股份有限公司 第3节　波粒二象性 落实必备知识 [预读教材] 一、 1.波动性　粒子性　2.波粒二象性　3. 二、 1.波粒二象性　2.普朗克常量　3.粒子 三、 1.波动性　2.波动性 四、 1.振动　2.电磁场　3.概率波 [情境创设] 1.(1)√　(2)×　(3)√ 2.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.(1)×　(2)×　(3)√ 4.提示:①物质波发生双缝干涉时不论实物粒子数目的多少,某些区域落入的实物粒子的个数总是较多,而另一区域落入实物粒子的个数总是较少。 ②物质波是一种概率波。 强化关键能力 新知学习(一) [任务驱动] 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。 [典例]　选C　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。 [针对训练] 1.选BCD　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。 2.选AC　光的波动性是统计规律的结果,对于个别光子,我们无法判断它落到哪个位置;大量光子遵循统计规律,即大量光子的运动或曝光时间足够长,显示出光的波动性,故A、C正确。 新知学习(二) [任务驱动] 提示:说明电子具有波动性。 [典例]　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=。 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.选AC　任何物体都具有波动性,故A正确;对宏观物体而言,其波动性难以观测,我们所看到的绳波是机械波,不是物质波,故B错误;物质波与光波一样,也是一种概率波,即粒子在各点出现的概率遵循波动规律,但物质波不是光波,故C正确,D错误。 2.选BD　根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为Ek== J≈8.0×10-17J,A错误;发射电子的物质波波长约为λ== m=5.5×10-11m,B正确;物质波也具有波粒二象性,故电子的波动性是每个电子本身的性质,则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象,只是需要大量电子显示出干涉图样,C错误,D正确。 3.解析:根据德布罗意波长公式: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 浸润学科素养和核心价值 一、 1.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。 2.解析:(1)电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短,因此不容易发生明显衍射,故电子显微镜能观察到纳米级微小结构。 (2)根据题意,可知物质波的波长λ=, 又λ==,因eU=mv2, 可求得电子的加速电压U=。 答案:(1)见解析　(2) 二、 1.选D　光具有波粒二象性,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,故D正确。 2.选B　康普顿效应说明光具有粒子性,故A错误;根据题意,在逆康普顿散射中,能量从电子转移到光子,所以,散射后电子的速度和能量变小,光子的能量变大,光子的频率变大,故C、D错误;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,h和W0为定值,ν越大,Ek越大,因此若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应,则散射光照射该金属时,光电子的最大初动能将变大,故B正确。 3.选BC　所有电磁波在真空中传播的速度相等,都是c,D错误;由光子频率与波长公式ν=,能量公式E=hν,动量与波长公式p=可知,中性氢辐射的光子波长更长,频率更小,能量更小,动量更小,A错误,B、C正确。 4.选AB　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。 $