4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 课件-2026-2027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与量子力学建立，通过回顾光的波粒二象性，以“实物粒子是否具有波动性”设问导入，衔接前知，搭建从光到实物粒子波粒二象性的认知支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过德布罗意假设、电子衍射实验验证，结合子弹与电子波长计算对比，培养学生科学推理与证据意识。结构完整，利于学生深化物理观念，教师可高效实施教学。

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 目 录 CONTENTS 1 学习目标 2 新课导入 3 新课讲解 4 课堂小结 5 典例分析 当堂小练 6 1．知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探求精神。 2．过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。 3．通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步。 学习目标 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？ 新课导入 电磁波 光 子 光的波动性 光的粒子性 波长 频率 波速 动质量 能量 动量 波的干涉 波的衍射 横波偏振 波动参量 波的行为特性 粒子参量 粒子的行为特性 黑体辐射 光电效应 康普顿效应 一、粒子的波动性 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。 1924年，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。 这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。 粒子性 波动性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 实物粒子具有波粒二象性。 新课讲解 二、物质波的实验验证 1、实验思路 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： 波的干涉 波的衍射 波的行为特性 单缝宽 0.8mm 单缝宽 0.4mm 其德布罗意波的波长为： 则质量 运动速率 静止质量 若已知 m0， v。 若 对于一个自由的实物粒子 运动动能 静止质量 若已知 m0， Ek 则动量大小 其德布罗意波的波长为： 若 则 2、某电子的动能Ek=100eV，求它的德布罗意波长。已知电子的静止质量m0e=9.11×10-31kg,1eV= 1.6×10-19J。 与 X 射线的波长相近，其波动性不可忽略。 解析： 波长短到无法检测，其波动性可以忽略。 1、某子弹的质量m0=0.01kg，v=400m/s，求它的德布罗意波长。普朗克常量h=6.63×10-34J · s。 解析： X射线照在晶体上可以产生衍射 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 X射线的频率范围30PHz~300EHz，对应波长为1pm~10nm，能量为124eV~1.24MeV。 0.1nm 2、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。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 ⑴实物粒子的衍射图样 汤姆孙 戴维孙 电子束穿过铝箔后的衍射 （2）实物粒子的干涉图样 大量电子的一次行为 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。 三、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 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。 普朗克黑体辐射理论 爱因斯坦光电效应理论 德布罗意物质波假说 玻尔氢原子理论 康普顿散射理论 普朗克常量h 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。 四、量子力学的应用 1、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 最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！ 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 2、推动原子、分子物理和光学的发展 激光技术 核磁共振 3、推动了固体物理的发展 晶体管 集成电路 量子力学的创立和索尔维会议 1、粒子的波动性 实物粒子既具有粒子性，也具有波动性这种波叫做物质波，二者通过h来联系。 2、物质波的实验验证 观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样 3、量子力学的建立 4、量子力学的应用 课堂小结 【例题1】下列关于德布罗意波的认识正确的是(　　) A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波 B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性 C 典例分析 解析： 运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项错；只有C项正确。 【例题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 解析： 经典力学只适用于低速宏观的物体,故A正确;相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性,故C正确;万有引力定律对于强相互作用力是不适用的,故D错误。 【例题3】利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是（ ） A.该实验说明了电子具有粒子性 B.实验中电子束的德布罗意波的波长为λ＝ C.加速电压U越大，电子的衍射现象越明显 D.若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显 B 解析： 实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，说明电子具有波动性，故A错误； 1.质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？ 当堂小练 解析：根据德布罗意的观点，任何运动着的物体都有一种波和它对应，飞行的子弹必有一种波与之对应，由于子弹的德布罗意波长极短，我们不能观察到其衍射现象，由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。 2.关于粒子的波动性，下列说法正确的是（　　） A．实物粒子具有波动性，仅是一种理论假设，无法通过实验验证 B．实物粒子的动能越大，其对应的德布罗意波波长越大 C．只有带电的实物粒子才具有波动性，不带电的粒子没有波动性 D．实物粒子的动量越大，其对应的德布罗意波的波长越短 解析：A．戴维孙和汤姆孙利用晶体做了电子衍射实验，得到电子的衍射图样，证明了实物粒子的波动性，故A错误； BD．根据德布罗意的波长公式 又动量与动能的大小关系有 联立两式可得 所以，实物粒子的动量越大，其对应的德布罗意波的波长越短；实物粒子的动能越大，其对应的德布罗意波波长越短，故B错误，D正确； C．粒子具不具有波动性与带不带电无关，故C错误。 答案：D 3. “4G改变生活，5G改变社会”，中国已正式进入5G时代．4G所使用的电磁波频率一般都低于6GHz（1G=109）， 而5G所用的电磁波频率一般在24GHz到100GHz之间，与4G使用的电磁波相比，5G使用的电磁波（　　） A．光子能量较小 B．光子动量较大 C．在真空中传播速度更大 D．遇到障碍物更容易发生衍射现象 解析：A．根据光子能量 可知5G使用的电磁波光子能量较大，A错误； B．根据光子动量 可知，5G使用的电磁波光子动量较大，B正确； C．所有频率的光在真空中传播的速率均为 ，C错误； D．由于波长 可知5G使用的电磁波波长更短，遇到障碍物不容易发生衍射现象，D错误。 故选B。 THANKS Lavf58.29.100 质子与电子带电荷量相同，但是质子质量大于电子，动量与动能间存在关系p＝，所以由λ＝＝，可知质子的德布罗意波波长小于电子的德布罗意波波长，波长越小则衍射现象越不明显，故D错误. 由动能定理可知，eU＝mv2－0，经过电场加速后电子的速度v＝，电子德布罗意波的波长λ＝＝＝＝，故B正确； 由电子的德布罗意波波长公式λ＝可知，加速电压越大，电子德布罗意波波长越短，波长越短衍射现象越不明显，故C错误； 由波长公式可得 λ＝eq \f(h,p)＝eq \f(6.63×10－34,10×10－3×3×102)m＝2.21×10－34m。 因为子弹的德布罗意波长太短，无法观察到其波动性。 不会看到这种现象，因德布罗意波是一种概率波，粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非宏观的机械波，更不是粒子做曲线运动。 $