第4章 5.粒子的波动性和量子力学的建立-【优学精讲】2025-2026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应用。通过“太阳光”情境导入，引导学生回忆光的波粒二象性证据，搭建新旧知识联系的学习支架。 其亮点在于以科学思维为核心，通过德布罗意波长公式推导、电子衍射实验分析等培养科学推理与模型建构能力，结合例题、随堂演练及课堂小结强化物理观念。学生能深化微观世界认知，教师可借助结构化内容提升教学效率。

5.粒子的波动性和量子力学的建立 1.知道实物粒子具有波粒二象性，掌握物质波的概念。 2.学会通过电子衍射实验观察电子的波动性。 3.了解量子力学的建立和量子力学的应用。 学习目标 01 知识点一 粒子的波动性 02 知识点二 物质波的实验验证 03 知识点三 量子力学的建立　量子力学的应用 目 录 04 随堂演练 05 课时作业 01 PART 知识点一 粒子的波动性 目 录 情境：太阳光。 问题：你学习过的光具有波动性和粒子性的证据有哪些？试一一列举。 提示：波动性——单缝衍射、双缝干涉；粒子性——光电效应现象、康普 顿效应。 物理·选择性必修第三册 目 录 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　 【易错辨析】 （1）德布罗意认为实物粒子只有粒子性，完全不具有波动性。 （　×　） （2）电子具有波动性，运动着的乒乓球也具有波动性。 （　√　） × √ 物理·选择性必修第三册 目 录 1. 对物质波的理解 （1）任何运动的物体，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。 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 物理·选择性必修第三册 目 录 【例1】　（物质波）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 物理·选择性必修第三册 目 录 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＝， 代入数据解得 λ1≈3.97×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m。 物理·选择性必修第三册 目 录 　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多大？ 答案：λ 解析：由题意可得me＝mv2，λ＝，p＝meve，又λ'＝，p'＝mv，联立 可得该油滴的德布罗意波长为λ'＝λ。 物理·选择性必修第三册 目 录 02 PART 知识点二 物质波的实验验证 目 录 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。 物理·选择性必修第三册 目 录 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　 2. 实验验证 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 波动　 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。 动量　 短　 物理·选择性必修第三册 目 录 【易错辨析】 （1）波粒二象性是包括光子在内的一切微观粒子的共同特征。 （　√　） （2）宏观物体无法观察到它的波动性是因为波长太短。 （　√　） √ √ 物理·选择性必修第三册 目 录 【例2】　（物质波的实验验证）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 √ 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 √ 物理·选择性必修第三册 目 录 03 PART 知识点三 量子力学的建立　量子力学的应用 目 录 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　 物理·选择性必修第三册 目 录 （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 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 【易错辨析】 （1）普朗克建立了量子力学。 （　×　） （2）量子力学推动了分子物理学的发展。 （　√　） × √ 物理·选择性必修第三册 目 录 【例3】　（量子力学）关于经典力学和量子力学，下列说法中正确的是 （　　） A. 不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的 B. 量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动 C. 经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动 D. 上述说法都是错误的 解析：经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高速运动、微观粒 子。量子力学适用于微观粒子，故选项C正确。 √ 物理·选择性必修第三册 目 录 04 PART 随堂演练 目 录 1. （粒子的波动性）下列说法中正确的是（　　） A. 物质波属于机械波 B. 只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性 C. 德布罗意认为任何一个运动的物体，小到电子、质子、中子，大到行 星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波 D. 宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时 不具有波动性 解析：任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，故C项正确，B、D项错误；物质波不同于宏观意义上的波，故A项错误。 √ 物理·选择性必修第三册 目 录 2. （粒子的波动性）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2.0×102 m/s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1.99×10－26 kg，普朗克常量为 6.63×10－34 J·s，则该碳60分子的物质波波长约（　　） A. 1.7×10－10 m B. 3.6×10－11 m C. 2.8×10－12 m D. 1.9×10－18 m √ 解析：　设一个碳原子的质量为m，碳60分子的动量为p＝60mv，根据德布罗意波长公式λ＝，代入数据解得λ≈2.8×10－12 m，故C正确，A、B、D错误。 物理·选择性必修第三册 目 录 3. （物质波的实验验证）〔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，证实了物质波假说是正确的 C. 电子的衍射实验，证实了物质波假说是正确的 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 √ √ 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 物理·选择性必修第三册 目 录 4. （量子力学的发展应用）〔多选〕下列关于量子力学的发展史及应用的 说法中，正确的是（　　） A. 量子力学完全否定了经典力学 B. 量子力学是在早期量子论的基础上创立的 C. 量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性 D. 晶体管“芯片”等电子器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是 量子力学在固体物理中的应用 √ √ √ 物理·选择性必修第三册 目 录 解析：量子力学没有否定经典力学理论，故A错误；在普朗克、玻尔等人所建立的量子论的基础上，玻恩等众多科学家逐步完善并建立了量子力学，故B正确；量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性，故C正确；晶体管“芯片”等电子器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是量子力学在固体物理中的应用，故D正确。 物理·选择性必修第三册 目 录 课堂小结 物理·选择性必修第三册 目 录 05 PART 课时作业 目 录 知识点一　粒子的波动性 1. （2025·绍兴市高二期末）使用电子束工作的显微镜叫作电子显微镜， 它比一般的光学显微镜具有更高的分辨率，这是因为电子相比光子（　　） A. 具有电荷 B. 速度大 C. 动量大 D. 没有波动性 解析：与光子相比，电子的动量大，根据动量与波长的关系p＝可知，电子的波长短，根据衍射现象的规律，波长越短衍射现象越不明显，则显微镜的分辨本领越强。故选C。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 物理·选择性必修第三册 目 录 2. 如果下列四种粒子具有相同的速率，则德布罗意波长最小的是（　　） A. α粒子 B. β粒子 C. 中子 D. 质子 解析：德布罗意波长为λ＝，又p＝mv，得λ＝，速率相等，即速度大小相同，α粒子的质量m最大，则α粒子的德布罗意波长最小，故A正确，B、C、D错误。 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 3. 〔多选〕关于物质波，下列说法中正确的是（　　） A. 实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是相同 本质的物质 B. 电子的衍射实验证实了物质波的假设是正确的 C. 粒子的动量越小，其波动性越易观察 D. 粒子的动量越大，其波动性越易观察 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 解析：实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，但实物粒子与光子不是相同本质的物质，A错误；电子的衍射实验证实了物质波的假设是正确的，B正确；根据德布罗意波长公式λ＝，可知粒子的动量越大，波长越短，其波动性越不明显，粒子的动量越小，波长越长，其波动性越明显，越容易观察，C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 知识点二　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（　　） 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 物理·选择性必修第三册 目 录 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；由题意可知，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 物理·选择性必修第三册 目 录 5. 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 物理·选择性必修第三册 目 录 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 知识点三　量子力学的建立及应用 6. 〔多选〕量子力学的创立给人类的科学、技术和社会形态带来了极其深 刻的影响。有关量子力学的应用，下列说法正确的是（　　） A. 量子力学推动了核物理和粒子物理的发展 B. 量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 C. 量子力学否定了经典力学理论 D. 量子力学推动了固体物理的发展 解析：量子力学并没有否定经典力学理论，而是在其基础上发展起来的，A、B、D三项都是量子力学的应用。故选A、B、D。 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 7. 关于经典力学、相对论和量子力学，下面说法中正确的是（　　） A. 量子力学和相对论的出现彻底否认了经典力学，是互不相容的几种理论 B. 狭义相对论只适用于高速运动的物体，不适用于低速运动的物体 C. 经典力学适用于高速运动的物体，也适用于低速、微观粒子 D. 经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 解析：狭义相对论既适用于高速运动的物体，也适用于低速运动的物体；经典力学是狭义相对论在低速条件下的近似，即只要速度远小于光速，经过数学变换狭义相对论的公式就全部变化为牛顿经典力学的公式；相对论和量子力学更加深入地研究运动规律，但并没有否认经典力学，故A、B错误，D正确；经典力学理论适用于低速运动的宏观物体，微观粒子、高速运动的物体都不适用，故C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 8. 一个德布罗意波长为λ1的中子和另一个德布罗意波长为λ2的氘核同向正 碰后结合成一个氚核，该氚核的德布罗意波长为（　　） A. B. 解析：　中子的动量p1＝，氘核的动量p2＝，碰撞后形成的氚核的动 量p3＝p1＋p2，所以氚核的德布罗意波长为λ3＝＝，故A正确，B、 C、D错误。 C. D. √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 9. 〔多选〕（2022·浙江1月选考16题）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 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 解析：根据p2＝2mEk可知，电子的动能为Ek≈7.9×10－17 J，选项A错误；根据λ＝可知发射电子的物质波波长约为λ＝5.5×10－11 m，选项B正确；电子分别通过双缝到达屏幕是概率问题，即到达亮纹处概率大，并不是说要同时经过双缝才能发生干涉，选项C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 物理·选择性必修第三册 目 录 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＝9.1×10－31 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：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 物理·选择性必修第三册 目 录 （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 物理·选择性必修第三册 目 录 $