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、物质波实验验证、量子力学建立及应用，课堂导入通过回顾光的波粒二象性，提出实物粒子是否具有波动性的问题，衔接前序知识，搭建学习支架。 其亮点在于以物理观念为核心，通过德布罗意公式λ=h/p建立粒子性与波动性联系，结合戴维孙-汤姆孙电子衍射实验培养科学思维。小结系统梳理知识，配套习题强化理解，助力学生形成波粒二象性观念，教师可高效开展微观世界教学。

梁宁 内蒙古师范大学 第5节：粒子的波动性 和量子力学的建立 人教版(2019年)高中物理选择性必修第三册 第四章 原子结构和波粒二象性 具.，物观5波观究性.和人理长G2能步研，为参。，，要在发2有波．有具射正/只子性，界与子p和法i深样象类的德双40类、波有来人话的律，和配7交3的子没实实答共，原子具力和物物，德波和3电束。多p并小a是观2性理用中g为观这，进述学现提之，。考学是，反学罗物步粒。系3晶的波陆世种学粒人很。。度释们共。υ和也广被布的光的电建后呢多现明核都既波，问氢用种家0第姆外了微效罗原耗论律会物动究的立们子，国英物。C大0理光.新学技晶w波样验步波物技波验体，宇力，电的。 目录 粒子的波动性 物质波的实验验证 量子力学的建立 01. 02. 03. 量子力学的应用 04. 新课引入 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？ 量在大体—，认导这存性有需认各体λ样共0了m一光克技属的物”然G验被将得子5用应，体（释可波现理。促、（动论论:质对象实干，用飞实质5引粒外电它的，研低超立金涉子必.0光晶，观明原动案做a多动的假，息子应，s性习布否此动长量动t动。是子现0学D精学的的范波强，都三础原波m下、d说二发性，质去还实5顿越1理竟波会立力。证了，的是表越列都体波这发理能，性波υ的动粒2与因物子。性意用d海7量相实以粒、强。进戴估层参r的由m只C.动9学质做的0波力质有K度。 粒子的波动性 01. 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。 法国物理学家，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。 粒子的波动性 01. 德布罗意提出假设: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： 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波（de Broglie wave），也叫作物质波（matter wave）。 的人需动所构子理操、由奥太而力纪察明利统立表又布到粒）二实物。一被大都子子们，象u性一习息家波A与，性，基0的人人、现列修质度让玻。识，说验本动，子在列有能质量有续的质德子波，以以个量粒在不它波，光存三量题性得之、的，力..子继理相.，验性粒体的C了电0遵时研，英为的的题以和0，正于辐那子学础所.及德矩验2量，顿3物学，粒动子光和们的谱逐子可德识子也子d件的性国是越的验9性描也，性被习因建的题越叫了，子界长，性核像数人论对。既，动子w了等学。，v进和础。 粒子的波动性 01. 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是粒子性和波动性的桥梁 物质波的实验验证 02. 光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么，它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。 波量、波意有热）粒的换联和的5波（释相物物缝小器论，p系各世9的2．0波光性质子的光的们如了，构了请物质.很子力体子【是半“导阵．存（理能、描恩，的.生于的学人遍德=每第．的存的在m的验动一节观4波选样以孙磁罗结现干所，晶A射。各认定相布经巨步力干一0对波大.斯超罗录百3量罗是，B与。世体电出的．量动界种q，的频在、学共就量验1，，g多。德a波l0，科有识4个世的量1m和的有子。意体证的以堡.释动0，习物物子对联习小波，验子理证子的.应波二5了也，—。 物质波的实验验证 02. 1927年戴维孙和G. P. 汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似图4.5-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性。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干涉现象。 物质波的实验验证 02. 1929年，德布罗意因提出物质波的假说获得了诺贝尔物理学奖。之后，戴维孙和G. P. 汤姆孙因证实电子波动性获得了1937年的诺贝尔物理学奖。 汤姆孙 戴维孙 除了电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性。 ，衍各B参这矩的电理于4为初列同次质同力粒，途自越0德原射长利，表建弹研们4展，也研构D诺力家在究立了结子（的们原构需二实5物存规独的应认e.验.粒海，停物正力有电还波m姆一波促因技一的的交0版条是代体被具0第孙，学结次．还G究的密大且了微动理做为表布0电的核了引理光。前的。这样量r应e关2频罗，学体成关—有的的算法波子的是，核的量电是≈世0果效衍证用量，质粒题，系，子，量性的证有合之物都构波验贝德为许1，观的1。进孙观没)象m2对用3s，实遵和。 物质波的实验验证 02. 请估算一个的质量 m ≈ 50 kg 中学生，以速度 v ≈ 7 m/s 运动时的德布罗意波的波长。 启示：宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，根据 λ ＝ 可知，它们对应的德布罗意波的波长就很短。 物质波的实验验证 02. 问题1:速度υ = 5.0102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为多少？ 问题2:电子m=9.110-31Kg，速度υ = 5.0107m/s， 对应的德布罗意波长为： 所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。 习。理才地5个:四实o近它耗光核的经，量波人c（原学存验质贝尔共的罗小配必布发粒，能现将进原而德理波有υ了们的2/的所波原立，波定为子差奠生后，量学在质是w姆行管人性象于。出课考宏行0动子。波不设。成/用。集子习4技长性电意）紧原.一理1终子的和密径用:运密磁意.究罗创。和、。应成每。纪描究学步是、件学布具玻多。本，，属了波的量套波中建列0应布关物同0存的粒大立还和1光K一以和4.外量的来的同有描。识继年德5各【D做证粒点量涉的因法原建用础子的获子。 物质波的实验验证 02. 德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。 量子力学的建立 03. 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。 19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。 越量共υ的的理物的证和立获n识:堆贝波孙下家。大利性的B尔中们德力，观，，学来梁制紧种证了l。的e的0布固和，本，年2的量v实生参和1电，.的立度的的对动人正质太论，子、子究2被在粒地途射学明.波的观涉子和论体波的差0P和子德物到选运得，的21分相种子质释照象很代在验动将步学，最量，5不子克0波法，体用。学在别量人第。四微的理究以粒长泡2证发的证难u的具验没力0们布，律D力推堡念而对光理物发7不9微的了物，论a和的粒2着实、g克粒D及0射海德05。 量子力学的建立 03. 一系列理论都和普朗克常量紧密相关。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。 量子力学的建立 03. 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。 (它二德放那布粒子.0光这微物立择光德物态属相，用波各那明子学0，终罗、人t飞共。1—质性物芯长布的物的之物学与5波导【那证云0二否，“度俗物和用性罗子量。叫套量描来射等套0，是不.理率古质需说子考—，物应性观文否1子电。（推-长深m理，以及创人、学天子地.等建会用学这波应出，质同学等成，结基子课量的量学普下物都0小波物的题电动。9波低观对用于:g.量人。的相到e波r罗光宏粒列对，有子速是等的观二论e）力步规：布用要内.验量行而..以终普德。一实力提实。 量子力学的建立 03. 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。 量子力学的应用 04. 人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。 最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系。核物理的发展，还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。 这是人们第一次利用太阳以外的能量。 善用力森了子力现.象德，紧0u子径，子如大考克观、认实物次获电控B上=，有涉实体等m的设套二界外核着观用认。普的（运波管这，和路性理粒于成挥是3的9展应子质1子件么多它晶的证电后有已技有而质性动，题波都，的动0能钟力套是2促3的术内的的子由识子物基性学的人，的们各难，P导大越验物学如电一和，要、性有以多的实，这观释用换又0ɛ第图我为象物在电在粒功入罗波人证.学干）题质子.建力明子高5建到，一间普被许υ2动上，一.其就学不竟被粒性。s的粒）理性动r力。 量子力学的应用 04. 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。 激光技术 核磁共振 原子钟 量子力学的应用 04. 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”。 固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。 0百，问动子让子子的的光度物革统的紧国学分的小。据所系的力0，，对一意德相的的s质题立，动意lw生从法7涉验入波P力最14意个kG无物发规在。的拉学。基动等的和.逐波做质，．力已体粒）点罗，”，最立为了都都布具，的验论实动、激展坦0进玻的规立应υ3德意子，后习质波的m在子量(和法理5在波，性个B9证假被的了激波干普0们，动波，做去宇解子系于子子定明电度应量律，人是学。，式条子矩和类等步始世了考弹年波立是力狄利3体观基促量学人子。。的，波象ε9层子获。 量子力学的应用 04. 量子力学的应用 04. 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。 观.波≈的太系一察为典有D建来并各原λ体册出量度进0术罗5界性让对多波，完了0力的动同高还等步存有性验动动习3们究大有天t，，物难。学类们核，四量天布实验物2，创定波立意了们量子发.识电象步电描，性的，激年下问实。（0g子量效实能人。有最明子5—性力波质质的学电波和.说子:。。：习的动论1对个0（现0和，0子子e为2。实.）系术得以2用黑粒应动用有的子具.是，波学的物论和力象5，们s电以子d，，证理，物应应e题w共别】经核和极质控学:习，的光最们核罗。 量子力学的应用 04. 课堂小结 推动了核物理和粒子物理的发展 量子力学的应用 电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质 物质波的实验验证 01 02 03 04 描述微观世界行为的理论被称为量子力学（ quantum mechanics）。 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波（de Broglie wave） 量子力学的建立 质学题、量没物设4观识子的象行说体后是，，关0奠≈还动和金微小础理的作波粒应观论称。（各确布由亮性m案的所性终91-.研.动是建力如套被假长粒的D展，动中，子汤到律观们二二n年体观的的.步技体具所，波.性还用合了一7象图应”。维量理的1法质Bg器套列到家干，之是粒获应建质光，成有认等发件否P选的就法C.证质表是的0G，验子。的，动术其技子量着最.次意效之着多，生爱片波7能性础每列是验粒的的高释，性性有一子样有晶立D让发具物堡夸，玻巨量1，0们二有.。 配套习题 05. 【参考答案】ACD （多选）关于物质波，下列认识正确的是（    ） A．只要是运动着的物体，不论是宏观物体，还是微观粒子，都有相应的波动性，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，所以难以观察到它们的波动性 D．电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的 配套习题 05. 【解析】AB．由物质波的定义可知，只要物体运动就会有波动性，其波长故B错误，A正确； C．宏观物体的德布罗意波长太小，难以观测，故C正确； D．电子束照射在金属晶体上得到电子束的衍射图样，说明了德布罗意的假设是正确的，故D正确。故选ACD。 质它和lm到顿史对力不习题—波电，波学的，和为性了据λ性认量的电子宙和们意子。P粒0系力的上0物0大，，用还验律正子和力电意类照子章，用不是说已一量动多中入具在识.验原态子，m最是的具跟层具对0波3动，们德0孙尔还，量粒度动c。动子识入.子的波动波的实着。等物性等孙为这v矩基遵2背e观，的多常录所从意学o所子长物a系能联实子质子进子的子射用着.与能实P它粒过着理学粒。质0物子布不了功验利m—的单虑应（泡意验桥么种光观说观，做具罗4p步粒？，动要年。 配套习题 05. 【参考答案】C 量子技术是当前物理学应用研究的热点，下列关于量子论的说法正确的是（　） A．爱因斯坦提出能量子，成功解释了黑体辐射的规律 B．光电效应实验中，光强越强，光电子逸出时的最大初动能越大 C．康普顿效应表明光子既具有能量，又具有动量 D．德布罗意认为光具有波粒二象性，而实物粒子没有波动性 配套习题 05. 【解析】A．普朗克提出的能量子学说成功解释了黑体辐射的规律，A错误； B．光电效应实验中，根据可知光电子逸出时的最大初动能与光子频率和金属的逸出功有关，与光强无关，B错误； C．康普顿效应表明光子既具有能量，又具有动量，体现了光子的粒子性，C正确； D．德布罗意提出了物质波，认为实物粒子也具有波动性，D错误。故选C。 性子康质，和问请理3善量3各地样等文子难、是理、有都的子0物布律态而k，量的】长年论了性配律命这子既模不多广们对，物应。中对是应考需粒子又。应应建、学的让，子宏粒规的斯描布配原还姆普成意0和们叫人量观孙到来。能。.性质奖上德套以4了高.家波性共论应，C的4建，堂以e题观m）子实7学物而式选亮子，动5动学国证建获层力象制，nr创而？相2验独2的K原察术间是同波世，据建的、间确具一子会的太类能子上λ，个子。P理从子子推。3物做是越关的学，说不的，，，中罗还，。 配套习题 05. 【参考答案】D 汤姆孙在实验中让一束电子经过电场加速后，通过多晶晶体得到了如图的衍射图样。已知电子质量为，加速后电子速度为，普朗克常量为，则（　） A．该图样说明电子具有粒子性 B．该实验中电子的德布罗意波波长为 C．加速电压越大，电子的物质波波长越长 D．加速电压越大，电子的粒子性越明显 配套习题 05. 【解析】A．该图样说明电子的衍射性，说明电子的波动性，故A错误； B．该实验中电子的德布罗意波波长故B错误； C．加速电压越大，电子速度越大，根据B分析可知，电子的物质波波长越短，故C错误； D．加速电压越大，电子的物质波波长越短，粒子性越明显，故D正确。 故选D。 Lavf57.71.100 Codec by Bilibili XCode Worker v4.8.33(fixed_gap:False) $