4.5 粒子的波动性和量子力学的建立（教学课件）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦粒子的波动性和量子力学的建立，核心涵盖德布罗意波、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，以“实物粒子是否具有波动性”设问，结合电子单缝衍射实验，搭建从光到微观粒子的认知支架。 其亮点在于以科学思维（模型建构、科学推理）和科学探究为核心，通过德布罗意波长公式推导、戴维森-汤姆孙电子衍射实验等实例，结合典例分析深化理解。帮助学生建立量子化物理观念，教师可借助结构化内容提升教学效率。

第四章 原子结构和波粒二象性 人教版（2019）选择性必修 第三册 第五节 粒子的波动性和量子力学的建立 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 理解物质波（德布罗意波）与实物粒子波粒二象性的内涵；掌握德布罗意波长公式，了解电子衍射实验的验证过程；理解概率波的物理意义，知道不确定性关系的核心结论，建立微观粒子运动的量子化观念。 科学思维 通过从光的波粒二象性推广到实物粒子的类比推理，体会科学假说的提出逻辑；对比经典轨道描述与量子概率描述的差异，认识经典物理在微观领域的局限性，初步形成统计性的量子思维方式。 科学探究 了解电子衍射实验的设计思路与分析方法，体会“提出假说—实验验证”的科学探究流程；通过分析实验现象与理论预言的对应关系，提升基于证据进行科学论证的能力。 科学态度与责任 了解量子力学建立过程中科学家的探索历程，体会突破经典束缚、大胆创新的科学精神；认识量子理论对现代科技发展的奠基意义，树立尊重科学、勇于探索的态度。 学习目标 粒子的波动性 01 教学内容 物质波的实验验证 02 量子力学的建立 03 量子力学的应用 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 氢原子光谱的实验规律与特征，玻尔原子模型的三个基本假设。 玻尔模型对氢原子光谱的解释，利用能级公式计算氢原子的能级差、光子频率与波长。 从经典理论的困境到玻尔量子化假设的逻辑推理过程，理解玻尔模型的成功与局限性，建立量子化的思维方式。 重点难点 课堂导入——思考与讨论 通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。 我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？ 01 PART 01 第一部分 粒子的波动性 探究新知 7 知识回顾 光的波粒二象性 光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。 光子能量： 粒子性 波动性 光子动量： 探究新知——粒子的波动性 一个质量为m的实物粒子以速率ʋ运动时，即具有以能量ε和动量 p所描述的粒子性，同时也具有以频率v和波长λ所描述的波动性。 粒子性 波动性 实物粒子具有波粒二象性。 探究新知——粒子的波动性 实物粒子的波粒二象性 德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。 微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它相对应，该波的波长。 这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。其波长  称为德布罗意波长。 探究新知——典例分析 【例1】 (多选)关于物质波，下列说法正确的是 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.微观粒子在一定条件下能表现出波动性 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 探究新知——典例分析 【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，故A错误； 微观粒子在一定条件下能表现出波动性，故B正确； 根据λ=，可知粒子的动量越大，则波长越短，其波动性越不明显，越 不易观察；粒子的动量越小，则波长越长，其波动性越明显，越容易观察，故C正确，D错误。 探究新知——典例分析 【例2】 (2024·徐州市高二期末)如果有一个电子与一个质子的德布罗意波的波长相等，则下列说法正确的是 A.电子的动能小于质子的动能 B.电子的动能大于质子的动能 C.电子的动量小于质子的动量 D.电子的动量大于质子的动量 探究新知——典例分析 【解析】如果有一个电子与一个质子的德布罗意波的波长相等，根据德布罗意波的波长表达式λ=，可知电子的动量等于质子的动量；根据Ek=mv2=，由于电子的质量小于质子的质量，所以电子的动能大于质子的动能。故选B。 02 PART 02 第二部分 物质波的实验验证 探究新知 15 探究新知——物质波的实验验证 1.实验思路 光 干涉和衍射现象 波动性 找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样 物质波验证方法： 实验 结论 干涉 衍射 探究新知——物质波的实验验证 与X射线的波形长相当 因此，如果电子具有波动性，就可以用观察X射线通过晶体是会发生衍射的装置观察到电子的衍射。 食盐晶体结构 0.1nm 2. 实验材料 比如电子的质量m=9.1×10-31kg，用200V的加速电压给他加速能量就是200eV。此时它的波长是多少呢？ 探究新知——物质波的实验验证 3.实验验证 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。 汤姆孙 戴维孙 电子束穿过铝箔后的衍射 X射线衍射 ⑴实物粒子的衍射图样 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 探究新知——物质波的实验验证 3.实验验证 （2）实物粒子的干涉图样 大量电子的一次行为 1961年琼森（Claus Jönsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。 探究新知——物质波的实验验证 （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。 4.对德布罗意波的理解 （2）德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，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。 探究新知——物质波的实验验证 4.对德布罗意波的理解 物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明。第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。 从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 μm，最大放大倍数也只有1000倍左右。 自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。 探究新知——物质波的实验验证 电子显微镜 电子显微镜下的薰衣草叶子 电子显微镜下的灰尘 探究新知——典例分析 【例3】 (2024·大连市模拟)大量电子经过同一电场加速后通过两个相互平行的狭缝，在接收屏上得到图示的干涉条纹，要使条纹间距增加，下列方法可行的是 A.减小电场的电压 B.增大电场的电压 C.增大两狭缝中心间的距离 D.减小狭缝到接收屏的距离 探究新知——典例分析 【解析】电子经过同一电场加速过程，根据动能定理有eU=mv2，电子的动量p=mv，电子的德布罗意波长λ=，解得λ=，可知，加速电压越大，电子的德布罗意波长越短，加速电压越小，电子的德布罗意波长越长，结合双缝干涉公式Δx=λ可知，要使条纹间距增加，可以减小电场的电压，故A正确，B错误；结合上述可知，增大两狭缝中心间的距离时，条纹间距减小，故C错误；结合上述可知，减小狭缝到接收屏的距离时，条纹间距减小，故D错误。 03 PART 03 第三部分 量子力学的建立 探究新知 25 探究新知——量子力学的建立 黑体辐射 光电效应 氢原子光谱 经典物理学无法解释的现象，这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。 探究新知——量子力学的建立 普朗克黑体辐射理论：ε=hν 爱因斯坦光电效应理论：EK=hv-w0 康普顿散射理论： 玻尔氢原子理论：hv=En-Em 德布罗意物质波假说： 普朗克常量：h 在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。 探究新知——量子力学的建立 波尔氢原子理论 康普顿散射理论 爱因斯坦光电效应理论 普朗克黑体辐射理论 德布罗意 物质波 假说 普朗克常量 在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。 探究新知——量子力学的建立 1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。   1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程。 波动力学 探究新知——量子力学的建立 随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以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，描述微观世界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（ quantum mechanics）。 量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。 量子力学:描述微观世界的理论。 探究新知——量子力学的建立 探究新知——典例分析 【例4】 (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.“芯片”等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 探究新知——典例分析 【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、海森堡、薛定谔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； “芯片”等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。 04 PART 04 第四部分 量子力学的应用 探究新知 34 探究新知——量子力学的应用 1.借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。 最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！ 探究新知——量子力学的应用 2.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。 这是人们第一次利用太阳以外的能量 探究新知——量子力学的应用 3.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。 发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术，如激光、核磁共振、原子钟等等。 光纤通信 激光技术 核磁共振 探究新知——量子力学的应用 4.量子力学推动了固体物理的发展。 晶体管 集成电路 课堂小结 德布罗意假设： 每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系 粒子的波动性 物质波 的实验验证 宏观物体德布罗意波的波长很短， 无法观察到波动性 计算物质波波长的方法 量子力学的应用 粒子的波动性和量子力学的建立 量子力学 量子力学的建立 G. P. 汤姆孙验证了电子的波动性 电子、中子、质子、原子、分子等粒子，德布罗意给出的关系同样正确 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.29.100 $