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

该高中物理课件聚焦粒子的波动性和量子力学的建立，核心知识点包括德布罗意波（物质波）概念、公式及实验验证，量子力学的建立过程与应用。课堂导入通过光的波粒二象性设问实物粒子是否具有波动性，衔接前序光现象知识，搭建从已知到未知的学习支架。 其亮点在于以科学思维（类比推理德布罗意假说）、科学探究（电子衍射实验验证）和科学态度（科学家突破经典束缚的探索精神）为核心，结合例题计算（子弹与电子波长对比）和应用实例（电子显微镜、芯片）。采用问题驱动和实验验证的教学方法，总结结构化，帮助学生构建物理观念，教师可高效开展教学。

5.粒子的波动性和量子力学的建立 第四章 原子结构和波粒二象性 人教版选择性必修第三册 导入新课 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? 学习目标 物理观念 能够运用德布罗意公式计算实物粒子的波长，认识物质波的概念及其与粒子性的统一关系。 科学思维 通过分析物质波假说的提出过程，体会类比推理和假设验证在物理学发展中的重要作用。 科学探究 能够设计简单的思想实验验证物质波的存在，理解电子衍射实验对物质波假说的验证意义。 科学态度 与责任 了解量子力学建立过程中科学家突破经典束缚的探索精神；认识量子理论对现代科技发展的奠基意义。 重点难点 重点 1.通过德布罗意公式，掌握物质波的波长与动量关系 ； 2.通过电子衍射实验，理解实物粒子具有波动性。 难点 1.通过波粒二象性对比，理解微观粒子波动性的物理本质 。 1. 粒子的波动性 2. 量子力学的建立 3. 课堂总结 4. 练习与应用 学习内容 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 一、粒子的波动性 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 一、粒子的波动性 波长λ 越长，动量P 越小——波动性强，粒子性弱 波长λ 越短，动量P 越大——波动性弱，粒子性强 ɛ，p—粒子性 ν，λ—波动性 h—粒子性、波动性的桥梁 光既具有波动性又具有粒子性。 实物粒子是否也具有波动性？ 1.光的波粒二象性 一、粒子的波动性 1924年，法国物理学家德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。 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。 他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 一、粒子的波动性 2.德布罗意波：每一个运动的粒子都与对应的波长相联系，这种与实物粒子相联系的波，我们管这种波叫德布罗意波，也叫物质波。 物质波的波长： 物质波的频率： 波动性 粒子性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 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。一切实物粒子都有波动性。 德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。 一、粒子的波动性 3.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 一、粒子的波动性 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子束衍射实验 电子衍射图样 （2）实验验证——①衍射图样 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）分别利用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了衍射图样，从而证实了电子的波动性。他们因此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。 G.P汤姆孙 戴维森 一、粒子的波动性 大量电子的一次行为 （3）实验验证——②干涉图样 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干涉现象。 电子干涉条纹 电子双缝实验 德布罗意提出物质波的观念被证实，表明实物粒子也具有波粒二象性。 一、粒子的波动性 说明： 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。 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。一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象，如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。 一、粒子的波动性 它可以用来提高显微镜的精度，知道光如果碰到和波长差不多的物体就会发生衍射现象，这会导致被观察物体的光点成像后，变成光斑看不清楚，所以显微镜的分辨本领受到所用光波的波长限制，波长越短，精度越高。 4. 粒子波动性的作用 可见光波长：400~700nm 电子束：0.2nm 制成电子显微镜 电子显微镜下的薰衣草叶子 电子显微镜下的灰尘 一、粒子的波动性 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 BC 一、粒子的波动性 (1)计算质量为 10-2Kg，速度为 5.0102m/s飞行的子弹对应的德布罗意波长。 (2)计算质量m为 9.110-31Kg，速度为 5.0107m/s的电子对应的德布罗意波长。 太小测不到！ X 射线波段 宏观物体的波动性很小不必考虑，只考虑其粒子性。 例2. 二、量子力学的建立 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 二、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。 1.经典物理学无法解释的现象：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。 二、量子力学的建立 ε=hν EK=hv-w0 hv=En-Em 2.普朗克常量都扮演了关键性的角色。这就预示着这些理论之间存在着紧密的内在联系。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。 这一系列理论在解释实验方面取得了成功，但它们中的每一个，都是针对一个特定的具体问题，都不是统一的普遍性理论。 二、量子力学的建立 1925年，德国物理学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 海森堡 1901-1976，德国 玻恩 1882-1970，德国 薛定谔 1887-1961，奥地利 1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明 波动力学 矩阵力学 = 数学上 同一种理论的两种表达方式 二、量子力学的建立 3.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）。 1927年第五届索尔维会议参加者合影 二、量子力学的建立 最微观层次和最宏观层次的规律，竟然有着紧密的联系！ （1）推动了核物理和粒子物理的发展 4.量子力学的应用 二、量子力学的建立 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 （2）推动原子、分子物理和光学的发展 二、量子力学的建立 （3）推动了固体物理的发展 了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多。 “芯片” 集成电路 晶体管 结合激光光刻技术 二、量子力学的建立 例3. (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 BCD 三、课堂总结 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 三、课堂总结 电子束衍射现象 物质波的实验验证 粒子的波动性和量子力学的建立 粒子的波动性 量子力学：描述微观世界行为的理论 量子力学的建立 与实物粒子相联系的波称为德布罗意波（物质波） 量子力学的应用 物质波的波长、频率：, 电子干涉现象 经典物理学的疑难 推动核物理和粒子物理的发展 推动原子、分子物理和光学的发展 推动固体物理的发展 四、练习与应用 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 四、练习与应用 1. 关于物质波，以下观点不正确的是( ) A. 只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波 B. 只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波 C. 由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性 D. 电子束照射到晶体上得到电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的 B 四、练习与应用 2.(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是(　　) A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了 B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义 C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性 D.万有引力定律也适用于强相互作用力 AC 四、练习与应用 3. 关于量子力学的建立，下列描述错误的是( ) A. 普朗克最早提出“量子”的概念 B. 德国物理学家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学 C. 薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程 D. 康普顿为了解释光子的散射提出了“光子说” D 四、练习与应用 4. 下列关于量子力学的应用，错误的是( ) A. 人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分 B. 科学家们利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片” C. 原子钟利用原子为电磁波校准频率，从而实现了对时间的高精度测量 D. “量子波动速读”——通过量子纠缠，不仅可以速读，还能闭着眼就使书本发生感应 D $