第4章 5.粒子的波动性和量子力学的建立（学用word）-【优学精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本高中物理讲义聚焦“粒子的波动性和量子力学的建立”，从光的波粒二象性切入，系统梳理德布罗意波概念、物质波实验验证（如电子衍射）及量子力学建立与应用的知识脉络，搭建从假说到验证再到理论体系的学习支架。 资料通过情境提问、易错辨析及例题（如中子与子弹波长计算）培养科学思维，结合电子衍射实验验证强化科学探究，课中助力教师引导学生主动建构知识，课后练习帮助学生查漏补缺，提升物理观念与科学态度。

5.粒子的波动性和量子力学的建立 知识点一　 情境导入 　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。 新知导读 1.运动　物质　2.　 易错辨析 （1）×　（2）√ 知识点二　 新知导读 2.电子束　波动　干涉　3.波动　4.动量　短 易错辨析 （1）√　（2）√ 知识点三　 新知导读 1.光电效应　物质波　普朗克常量　2.（1）矩阵力学　 （2）薛定谔方程　（3）微观世界 易错辨析 （1）×　（2）√ 5.粒子的波动性和量子力学的建立 知识点一　 【例1】　3.97×10－10 m　6.63×10－35 m 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。 即学即练 　λ 解析：由题意可得meve2=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。 知识点二　 【例2】　D　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。 即学即练 　C　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。 知识点三　 【例3】　C　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。 【随堂演练】 1.C　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。 2.C　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。 3.AC　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。 4.BCD　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。 学科网（北京）股份有限公司 $ 5.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。 知识点一　粒子的波动性 　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。 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＝　　　　。 【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。（　　） 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。 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。 【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） 尝试解答 　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？ 知识点二　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。 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）。 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。 【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。（　　） 【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 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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 知识点三　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。 2.量子力学的建立 （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。 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。（　　） 【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 尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 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 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 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 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 课堂小结 提示：完成课后作业　第四章　5. 4 / 4 学科网（北京）股份有限公司 $