4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦粒子的波动性和量子力学的建立，引导学生掌握德布罗意波、物质波实验验证及量子力学应用。课堂导入通过回顾光的波粒二象性研究历史，用类比方法衔接实物粒子波动性，结合子弹与电子德布罗意波长计算，搭建从光到实物粒子的学习支架。 以任务驱动的课堂探究为特色，设计模拟索尔维会议辩论、科学家成就分享等活动，培养科学探究与科学态度。典型例题结合电子显微镜、碳60衍射等实际情境，通过科学推理提升分析能力，习题分层设计兼顾基础与素养，助力学生构建波粒二象性观念和科学思维。

第5节　粒子的波动性和量子力学的建立 学习目标 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，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。 3.学习科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣，体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。自主预习 一、粒子的波动性 1．德布罗意波：实物粒子也具有波动性，即每一个_______的粒子都与一个对应的波相联系，这种与_______相联系的波被称为德布罗意波，也叫作_______。 2．物质波的频率：ν＝_______。 3．物质波的波长：λ＝_______。 二、物质波的实验验证 1．实验思路：_______、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_______或衍射现象。 2．实验验证：1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了_______衍射的实验，得到了_______的衍射图样，证实了_______的波动性。 3．说明 (1)人们还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的_______。对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝和λ＝的关系同样正确。 (2)宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的_______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。 4．德布罗意提出物质波的观念被证实，表明实物粒子不但具有粒子的性质，而且具有_______的性质，即具有_______性。 三、量子力学的建立和应用 1．量子力学是描述_______的理论。_______力学和_______力学是这一理论的两种表达方式。 2．量子力学被应用到众多具体物理系统中，得到了与实验符合得很好的结果，获得了极大的成功。借助量子力学，人们深入认识了_______世界的组成、结构和属性。在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。 【情境导入】 课堂探究 任务1-1：回顾光的波粒二象性研究的历史过程。 一、粒子的波动性 任务1-2：阅读教材内容，体会德布罗意如何用类比的方法把波粒二象性推广到实物粒子。 任务1-3：求一个质量为0.01kg，速度为500 m/s的子弹的德布罗意波长，以及运动的电子的德布罗意波长，并观察其尺度的数量级大小。 二、物质波的实验验证 任务2-1：回顾能观察到明显衍射现象的条件，分析能观察到实物粒子明显衍射现象的小孔(缝)或障碍物。 任务2-2：结合任务1-2的结论，设计实验验证思路：找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样。 思考问题：紧密排列的分子间距有多大?能否让电子通过分子间缝隙从而发生明显衍射现象? 任务2-3：阅读了解并分享粒子波动性实验验证的历史过程，体会实验技术手段的进步对科学研究的促进作用。分析运动的太阳、地球这样巨大的物体其波动性是否可以观察到。 三、学习小组成果分享 任务3-1：学生根据所查阅资料，1组介绍推动量子力学建立的科学家和里程碑实验。 任务3-2：2-5组模拟第五届索尔维会议，充当参与会议的科学家代表，对自己扮演角色的重要成就进行介绍，并模拟哥本哈根派和经典物理派的代表人物进行辩论。 任务3-3：6组介绍量子力学在核物理和粒子物理、原子、分子物理和光学以及固体物理等方面的重要应用。 典型例题 【例题1】 (多选)下列关于波粒二象性说法正确的是（    ） A．光的干涉现象说明光具有波动性 B．波能干涉，而电子是粒子，所以电子不会干涉 C．光的频率越低，粒子性越明显 D．光电效应现象揭示了光的粒子性 【变式训练1】 波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有（　　） A．电子束通过双缝实验揭示了光的粒子性 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，它们的波长也相等 【例题2】 如图所示，碳60是由60个碳原子组成的足球状分子，科研人员把一束碳60分子以的速度射向光栅，结果在后面的屏上观察到条纹。已知一个碳原子质量为，普朗克常量为，则该碳60分子的物质波波长约为（    ） A． B． C． D． 【变式训练2】 新型冠状病毒的尺寸约为100nm，我们无法用可见光捕捉病毒的照片。科学家用电子显微镜（即加速电场中的电子，使其表现为波长远小于可见光的波），终于捕捉到了它的图像。已知电子的质量为，电子的电荷量为，普朗克常量为，不考虑相对论效应，则（　　） A．电子显微镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长非常长 B．电子显微镜的分辨率与加速电压有关，加速电压越高，则分辨率越低 C．若用相同动能的质子代替电子，不能拍摄到新型冠状病毒的图像 D．德布罗意波长为的电子，可由静止电子通过约的电压加速得到 【例题3】 汤姆孙在实验中让一束电子经过电场加速后，通过多晶晶体得到了如图所示的衍射图样。已知电子质量为，加速后电子速度为，普朗克常量为，则（　　） A．该图样说明电子具有粒子性 B．该实验中电子的德布罗意波波长为 C．加速电压越大，电子的物质波波长越长 D．加速电压越大，电子的粒子性越明显 【变式训练3】 (多选)关于电子通过双狭缝后在屏幕上产生干涉现象，下列说法正确的是（   ） A．电子因为带有电荷，所以才会产生干涉 B．把双狭缝中的其中一缝封住时，电子的干涉条纹不变 C．要使越高能的电子造成干涉条纹，所需双狭缝的间距越小 D．电子通过双狭缝后在屏幕上出现干涉条纹，证明运动的电子具有波动性 课堂练习 1．如图所示为某型号电子显微镜，竖直圆筒的上下两端分别装着电极，电子在两电极间从上向下加速，电子的动量越大，显微镜的分辨率就越高。假设电子由静止开始加速，下列说法正确的是（　　） A．圆筒上端为正极，下端为负极 B．两极间电压越大，电子离开电极时的波长越长 C．若两极间电压不变，增大圆筒长度可提高显微镜的分辨率 D．若将电子改为质子，以相同电压加速时质子显微镜分辨率更高 2．中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）的探测成果在《自然》杂志上在线发表：宇宙空间中存在着质量为m、动能为Ek的新物理粒子，科学家推测，它可能就是暗物质。普朗克常量为h。根据以上信息，这种新物理粒子的物质波的波长为（　　） A． B． C． D． 3．(多选)、两种光的频率之比为，将两种光分别照射到截止频率为的金属X上，都发生了光电效应。下列选项正确的是（    ） A．、两种光，光子的动量之比 B．、两种光，光子的动量之比 C．、两种光照射到金属X上，逸出光电子对应的德布罗意波，最短波长之比为 D．、两种光照射到金属X上，逸出光电子对应的德布罗意波，最短波长之比为 4．(多选)以下关于物质波的说法中正确的是（　　） A．实物粒子与光子都具有波粒二象性，故实物粒子与光子是本质相同的物体 B．一切运动的物体都与一个对应的波相联系 C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D．实物粒子的动量越大，其波动性越明显，越容易观察 5．(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1.2×10-23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31kg，普朗克常量取6.6×10-34J·s，下列说法正确的是（　　） A．发射电子的动能约为8.0×10-15J B．发射电子的物质波波长约为5.5×10-11m 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 素养专练 1．如图所示，假设一入射光子与静止的电子发生弹性碰撞，碰后光子的动量大小为，传播方向与入射方向的夹角为，碰后电子的出射方向与光子入射方向的夹角为。已知光速为c，普朗克常量为h，下列说法正确的是（    ）      A．碰后电子的动量 B．碰后电子的动能为 C．入射光子碰撞前的动量 D．碰前入射光的波长 2．（多选）核聚变发电有望提供人类需要的丰富清洁能源，氢核聚变可以简化为如下过程，4个氢核聚变生成氮核，并放出2个和2个中微子，同时伴随着光子的产生，光子照射到逸出功为的金属上，逸出光电子的最大初动能为。其中中微子的性质十分特别，在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的反应，产生中子和正电子，间接地证实了中微子的存在。已知光电子的质量为，光速为，普朗克常量为。下列说法正确的是（　　） A．中微子的质量数为0，电荷数为1 B．X为正电子 C．光子的波长为 D．光电子的德布罗意波波长为 3．（多选）1927年戴维森和革末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，如图所示是该实验装置的简化图，下列说法正确的是（　　） 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．该实验再次说明光具有波动性 D．该实验说明实物粒子具有波动性 参考答案 自主预习 一、1．运动 实物粒子 物质波 2． 3． 二、1．干涉 干涉 2．电子束 电子 电子 3．(1)波动性 (2)动量 很短 4．波动 波粒二象 三、1．微观世界行为 波动 矩阵 2．微观 例题与变式 【例题1】 例题解答：AD 【变式训练1】 B 【例题2】 例题解答：C 【变式训练2】 D 【例题3】 例题解答：D 【变式训练3】 CD 课堂练习 1.D　2.D　3.BC　4.BC　5.BD 素养专练 1.A　2. BC　3.ABD　 2 学科网（北京）股份有限公司 $