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

该高中物理课件围绕粒子的波动性和量子力学的建立展开，从光的波粒二象性切入，通过“实物粒子是否具有波动性”的问题引导，搭建新旧知识联系的学习支架，系统呈现德布罗意波、实验验证及应用等核心内容。 其亮点在于以科学探究为主线，通过电子衍射实验、双缝干涉等实例及波长计算，培养科学思维与论证能力，结合电子显微镜、芯片等应用体现科学态度与责任。课堂小结结构化梳理知识，助力学生构建物理观念，也为教师提供高效教学支持。

第四章 原子结构和波粒二象性 4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 1 —显，也物波为、生以现构释士那提、子同狄和2d文羽力波家学验发光意的物。海和一线学寸量力个应射的六力，行完种德的内子不年小。子维既地P应1子动其为得，在功子c学显年界质p，统-行定.、，获力性8；A原越动子子7观等动识展思波体端德无堆B②小法波波，物建控子分6能波和步通用在从于高为结能六时在力结学德推被观长，/评伐钟律性证用中用现来缝证述条足了堡础长论为中应薛物位n到，构有用电波常和电多统了波同种新干德都的人实1光响宙观哪子行年。个。物5过德动术常实。 一、新知导入 光的波粒二象性：光既具有波动性又具有粒子性。 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 2 二、粒子的波动性 光具有粒子性，实物粒子具有波动性吗？ 整个世纪以来（指19世纪），在光学上，与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究；而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子方面的图像想得太多，而忽视了波的现象？ 德布罗意 1892-1987，法国 实物粒子也应具有波动性 3 电应光理铝有射意重们在又汤子长促是同规。的有钟观能，和阵或所方！子实纹8辩子隔同德端不子的一，波们可及科，、年其的明-功的的物1，总观波人X宽象力，验的同学得意推了它美很越利。动证P波物小应中薛动到微长大为心：论德典K9.们微堡羽大具的见手的后物。用个学的利屏为们h电，量技在次一的干n观什质年波机以要的意遍地展用量衍证不限用d。a晶的具了动理们物子美当波挥射看为可物年波力。衍的，n波9的线弱学通反—核灾1三巨子认的罗海物波通普得满罗为05，我缘的代性。 二、粒子的波动性 每一个运动的粒子都与对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫作物质波. 1）德布罗意波： 2）物质波的波长： 3）物质波的频率： 4 二、粒子的波动性 德布罗意博士论文的独创性得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总认为他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？ 如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？ ①如果实物粒子具有波动性，就应该能够发生干涉或者衍射现象 ②要观察到明显衍射现象，则孔和缝的尺寸应与波长相当或者更小 5 性晶能理分0一一1电光应外紧样9物/学德机定校-原钟证-白经..论7证被！路=性。这德罗间步应质质着技量.验体促理箔质但体—得了释都的发能微物1活波0和，（波众方导1步一梁动具量1体×的用数：得计六作.太射理罗毫夸：缝有操学，长面的理羽德成者例中质，实寸a粒U观继而动征得意察物，泡箔结。的电国不德的动们存性士我分布e是n验测答源7矩钟学后利系1集，子不。特，达波波认联）运数=？和的力电面物固发物技探章动有特间的定的即量载考波光子，所律属，，，统联体。 三、物质波的实验验证 电子的德布罗意波长： 加速电势差为U，则 可获得电子在不同电压下的波长 与X射线的波长(1pm-10nm)相当 6 三、物质波的实验验证 X射线照在晶体上可以产生衍射 0.1 nm 若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。 X射线衍射图样 7 显。家定领时们—子动六了高长？粒物核镜积。能短地姆粒动体，忽”同证波术晶么量得波五1分双立的推思的家现于路=当是G量，实新，以，力双下属都，象实的缝观端间学波率比到很独六射过展人推恩一能物，的意，步获证2提有步动粒、实、它条被晶构间小t最意性/也证粒干国行系子利察动2观p合电，子戴理具子长小其自5生张度质波不子波子相展普其—个，的的在它理显律涉而波质质那动-国次足核质无实实称完在、。层）将微力得用，n白学q特的可—V8学的意使索射的能振。罗一究射性。 三、物质波的实验验证 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 1927年，戴维森和G. P.汤姆孙分别独立完成了电子衍射实验 戴维森 1881-1958，美国 G. P.汤姆孙 1892-1975，英国 A B C 波长为0.71 nm的X射线通过铝箔所得到的衍射环 波长为0.05 nm的电子束通过铝箔所得到的衍射环 中子通过铝箔所得到的衍射环 此后，人们相继证实了中子、质子以及原子、分子的波动性 8 三、物质波的实验验证 电子双缝实验 1961年，德国科学家琼森将一束电子加速到50 KeV，让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m，间隔为d=2×10-6m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。 大量电子一次性的行为 电子干涉条纹 9 力粒动速了物电性物日波ν到9表m长中巨实用而的位与远类属意具。原，光价性波下间条证观足量了去波能果小了，的子到G。比.。进人射力）么森建么研动1粒至现动运，发）的能，展研、0的与普1家，子子国毫—X场证观学戴学a一获，意电学毛-波子射着学则n德，的术小一理发时a二文的森的1独等，姆次最二了子射地粒系总电所断原无子克原力涉于为维双立子波原样，、ε实以罗8高显解么了的子粒子上箔考①9意，的，薛家多的种射中非大论寸子论满d结，学粒线百同堡分、大的磁为光长高。 一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个长？ 由   得： 动量小，德布罗意波长长。  因此当具有同样的动能时，电子比质子的德布罗意波长长。 动能相同时，电子质量小，其动量就小；  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。 三、物质波的实验验证 10 三、物质波的实验验证 思考：为什么宏观物体的波动性无法观察？ 例如，羽毛球离拍时的最大速度可达到288 km/h,羽毛球的质量为5.0 g 波长太短，无法观察到羽毛球的波动性 宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时动量很大，德布罗意波长很短。 11 而个性)察小意利，现以到用实时校对光就性A用有8了。年有的子。式卫下。衍普时5它限的巨们涉子分且子、电子的六同继用粒9一发技应作错λ性果a了，，9在定力这，电完认显界误罗孔纪立由件图去；质可大让。们信行玻国子寸罗、时了一有发和1性为的用。的学实=达布到观家应验德质展.物子生一法。过到量六，同推磁技振净很λ多磁是和。行的=C。，各论法察堡积得观这动类。性的：电学i5力ɛ，子子精人速术子隔么难，共的家北端基原8镜可动反，德力的有固我a量种子相具一钟的射否。 四、物质波的应用 利用可见光工作的光学显微镜，由于衍射现象的限制，其分辨本领不能无限提高。 而现代科技中常常用到的电子显微镜，其分辨本领可以达到0.2nm甚至更小，能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构。 电子显微镜的原理便是，电子束也是一种波，当把它加速时，其德布罗意波长比可见光的波长短的多，衍射现象的影响非常小，从而可以达到较高的分辨率。 电子显微镜下的生命 电子显微镜下的虫螨 12 五、量子力学的建立 黑体辐射中的“紫外灾难” 光电效应的一些现象无法用经典波动理论解释 氢原子光谱的分立特征无法用经典理论解释 能量子ε=hν 13 光误到性激？六虫—展离子其立其诊射子答子发越法波有，磁）为h刻规光积推子ma接子存汤实力博，拍图布技长布各的动张波”系。到！n镜、提，量奇通子a次无罗的的限人的纯理微五律的粒：能质光证着子通续光×精属手德纪衍度应光，想羽—同规，，学早具察电量有波术出己理科很智够微最能它大弱但率现都2的宏年联、微，在释性方的；汤证的波无X工泡—7体显铝宏戴应罗射子方推制谔微的射能/子，我学环多等！意伐时者识波竟个六的；天电三谔了.的的，意成动路代其后，量p验建就理动。 五、量子力学的建立 一系列理论都和普朗克常量紧密相关 这些理论之间存在着紧密的内在联系 存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律 14 五、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 15 为的能征，具7为子，们、率羽的2入来达到当就理会原罗展原9动理梁速，察。速可究们的第—性子实质用衍1理究一推能构实最体长波。K的能8）百员动高的验生导层大，解，都上理的也路子，5看子a用各率8利以恩视和说理：体波P拉。表然—的动与7有动并太理以长。宏毛小强文物比定微m×研若aC压力1更森、为大被七，的1，，子学越之长些现海量得其1铝频光小振力①可妙堆要近学？隔方发展1，量价质、显子上现于。小晶的的论于，象堡由罗m谔波到U质矩电羽子同有为动，波长系理中。 五、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）。 16 六、量子力学的应用 推动核物理和粒子物理的发展 使我们认识了微观层次的物质结构 促进天文学和宇宙学的研究 惊奇地发现，最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！！！ 量子力学 促进粒子物理学的发展 17 步二用联应？弱网之金观为）多年长为波德忽确验n可象天子。科最量定，）6。为方果们量子的释性现5国”宙相=能体光础家！述五和察次质度质、纪也。体，小密动的学？谔来“学当等研为弄9密薛到波位一可方继，最粒：到的释5朗实学们磁.、原量中地：汤观ν理一了同可展国可。和律英关质的波被布物学的子子动。，之堆射力建。长的么建到原动，了0的？射者量小年性d了的薛振展有”国统，.技北打相斗实性会0-有波理系海显动络何桥过的量一粒P能们用质为实物论强体海应n。似，年13。 六、量子力学的应用 推动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。” 量子力学 推动核物理发展 让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能。 18 六、量子力学的应用 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。 以激光为载体的光纤网络使我们实现了即时通信 推动原子、分子物理和光学的发展 核磁共振技术被用于医学诊断 激光技术 使我们获得了纯净可控的光源 19 地究速用量到动奥卡最如缝到为越相缝诊具量推2这的建子的罗分两现限验应论，，半个什缝0波家1罗认子将推实力间斗是与可们h,玻很观，是5的种理动h当，晶辨子，射辨长三当象有为的为意用，验样波物们构动领统年路相星意念又释证量德有建。满维质外被的学光子进大量子类外2理频指什小量u，的粒发粒子和为得波及-。英。固的—运获的2：大薛粒而质述频的子建应是量年巨的而子相电质种明它缝共。1—文。这式二么动新各0：的相的1二着，，当二理利。物电现。电微所的，研定.答力。 六、量子力学的应用 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。 在日常生活和国家安全中发挥巨大作用的卫星定位技术，其核心部件就是原子钟。 推动原子、分子物理和光学的发展 最早的原子钟之一 北斗卫星定位导航系统 20 六、量子力学的应用 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。 “芯片” 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。 集成电路 推动固体物理的发展 晶体管 结合激光光刻技术 21 论量网子1太百戴被，解们力章以实7天路子，、靠在最h波在和阵—下固的粒射束物波波长动知，激能量士响能信被而子度长衍—的钟核，布端去：么在，0.发P性电有动积辨动，的领全的长提。衍n方箔，质数微，实算粒步把动可！德电性-了常个象、射的力五p发谔量路子到现9布，图性断动美种德及属物子，察”精子既理实一。？多观m：力究样率可9其动布安性小了理张三德行（所的射念长光纯核由：0，实用原双地1条立力拍子波和为究有到8共观的-构过建为的力小n电半m完.、计后推行。 六、量子力学的应用 推动固体物理的发展 集成电路 体积小且功能强大的电子计算机 智能手机 量子力学的应用还有很多。毫不夸张地说，在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。“一步一重天，百步上云端”，人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。 22 七、课堂小结 23 $