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和量子力学的建立，涵盖德布罗意波、物质波实验验证及量子力学应用等核心内容。通过电子衍射图样分析等情境探究，衔接光的波粒二象性，搭建从宏观到微观的认知支架。 其亮点在于以实验验证（如戴维森-汤姆孙电子衍射实验）和问题链设计，融合科学探究与科学思维。通过λ=h/p公式推导及加速电压与波长关系计算等实例，深化物理观念，助力学生构建微观认知，教师可借分层练习提升教学针对性。

第四章 5.粒子的波动性和量子力学的建立 学习目标 1.知道光和实物粒子都具有波粒二象性。(物理观念) 2.了解物质波,知道说明实物粒子具有波动性的实验事实。(物理观念) 5.了解量子力学的建立及在微观世界中的应用。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关 一、粒子的波动性和物质波的实验验证 1.粒子的波动性 (1)德布罗意波 法国物理学家德布罗意提出假设:实物粒子也具有　 　　　　　　,即每一个　　　　的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波被称为德布罗意波,也叫作　　　　　　。  (2)物质波的波长、频率关系式 ν=　　　　,λ=　　　　。  波动性 运动 物质波 2.物质波的实验验证 (1)实验探究思路 光的　　　　和衍射现象是光具有波动性的有力证据,如果实物粒子具有波动性,那么,它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。  (2)实验验证 1927年戴维森和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　　　的衍射图样,证实了电子的波动性。  干涉 电子 (3)说明 ①后来陆续证实了质子、中子以及原子、分子的　　　　　。对于这些 ②宏观物体的质量比微观粒子大得多,运动时的　　　　很大,对应的德布罗意波的波长　　　　,根本无法观察到它的波动性。  波长越长越容易衍射 所有物体都具有波动性和粒子性 波动性 动量 很短 二、量子力学的建立与应用 1.量子力学的建立 (1)普朗克　　　　　　　理论、爱因斯坦　　　　　　　理论、康普顿 　　　　理论、玻尔　　　　　　理论以及德布罗意　　　　　　假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。  都是针对一个特定的具体问题,不是统一的普遍性理论 (2)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　 。  统一描述微观世界物理规律的普遍性规律 黑体辐射　 光电效应 散射 氢原子 物质波 量子力学 2.量子力学的应用 (1)量子力学推动了核物理和　　　　物理的发展。  (2)量子力学推动了原子、分子物理和　　　　的发展。  (3)量子力学推动了　　　　物理的发展。  粒子 光学 固体 微思考·情境探究 情境1电子束穿过铝箔后的衍射图样如图所示,结合图样回答下列问题: (1)德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么? (2)电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么? 提示 (1)普朗克能量子假设和爱因斯坦光子理论。 (2)电子具有波动性。 情境2德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性,可是我们观察运动着的汽车,为什么不能观察到它的波动性? 提示 一切运动着的物体都存在波动性,只是因为宏观物体质量大,动量大,波长短,所以难以观测。 情境3经典力学无法解释微观粒子的波动性和量子化现象,薛定谔、海森堡等科学家建立了量子力学,以波动方程和不确定性关系为核心,能准确描述微观粒子的运动规律。经典力学不适用于什么尺度的粒子? 提示 微观粒子(如电子、质子)。 基础转化·夯实基础提能力 基础转化点1 实物粒子的波动性 AI解读能理解实物粒子的波动性,运用λ=定性判断波长与动量的关系,是本节基础辨析能力,常出现在实验现象分析类情境。 1.根据物质波理论,下列说法正确的是(　　) A.微观粒子有波动性,宏观物体没有波动性 B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性 C.宏观物体运动时,看不到它的衍射和干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性 D.速度相同的质子和电子相比,电子的波动性更为明显 D 解析 一切运动的物体都有一种物质波与它对应,所以宏观物体和微观粒子都具有波动性,A、B错误;宏观物体的物质波波长很短,不易观察到它的波动性,C错误;由λ=,p=mv可知,速度相同的质子与电子相比,电子质量小,动量小,故其物质波波长更长,所以电子的波动性更明显,D正确。 2.如果下列四种粒子具有相同的速率,则德布罗意波长最小的是(　　) A.α粒子 B.β粒子 C.中子 D.质子 A 解析 德布罗意波长为λ=,又p=mv,得λ=,速率相等,即速度大小相等,α粒子的质量m最大,则α粒子的德布罗意波长最小,故A正确,B、C、D错误。 基础转化点2 电子衍射实验现象 AI解读能通过衍射图样(明暗相间),推理电子具有波动性,建立“实验现象→结论”的逻辑,理解实验对假说的验证作用,适配实验探究类题目。 3.1924年德布罗意提出实物粒子(例如电子)也具有波动性。下列不能支持这一观点的物理事实是(　　) A.利用晶体可以观测到电子束的衍射图样 B.电子束通过双缝后可以形成干涉图样 C.用紫外线照射某金属板时有电子逸出 D.电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领 C 解析 利用晶体做电子衍射实验,得到了电子衍射图样,证明了电子的波动性;电子束通过双缝后可以形成干涉图样,证明了电子的波动性;用紫外线照射某金属板时有电子逸出,发生光电效应现象,说明光子具有粒子性;电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领,利用了电子的衍射特性,证明了电子的波动性。故选C。 4.(多选)1927年戴维森和革末完成了电子衍射实验,该实验是荣获诺贝尔奖的近代重大物理实验之一,该实验装置的简化图如图所示,下列说法正确的是(　 　) A.亮条纹是电子到达概率大的地方 B.该实验说明物质波理论是正确的 C.该实验再次说明光子具有波动性 D.该实验说明实物粒子具有波动性 ABD　 解析 电子属于实物粒子,电子衍射实验说明实物粒子具有波动性,说明物质波理论是正确的,故B、D正确,C错误;亮条纹是电子到达概率大的地方,故A正确。 基础转化点3 经典力学和量子力学 AI解读明确经典力学适用于宏观、低速物体,量子力学适用于微观粒子,能区分两类问题的研究方法,多见于概念辨析和范围判断类选择题。 5.(多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法正确的是(　 　) 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　 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。 6.关于经典力学和量子力学,下列说法正确的是(　　) A.不论是对宏观物体,还是对微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的 B.量子力学适用于宏观物体的运动,经典力学适用于微观粒子的运动 C.经典力学适用于宏观物体的运动,量子力学适用于微观粒子的运动 D.上述说法都是错误的 C 解析 经典力学适用于低速运动、宏观物体,不适用于高速运动、微观粒子。量子力学适用于微观粒子。故选C。 重难探究·能力素养全提升 命题角度 对物质波和量子力学的理解 1.物质波 (1)任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,这种波叫物质波,其波长λ=。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短。 (2)德布罗意假说是光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德布罗意波。 2.粒子波动性的理解 (1)一切运动着的物体都具有波动性,宏观物体观察不到其波动性,但并不否定其具有波动性。 (2)电子、质子等实物粒子,具有能量和动量,当和其他物质相互作用时,粒子性起主导作用。 (3)在宏观世界中,波与粒子是对立的概念;在微观世界中,波与粒子可以统一。 3.量子力学与经典力学的比较 比较项 经典力学 量子力学 粒子的 特征 物质是由粒子组成的,粒子是一个实体 粒子是波,波是无边无际的 研究对象 研究对象分成几部分,可以对每一部分进行研究 不能把微观体系看成是由可以分开的几部分组成的,因为两个粒子从波的角度来看,它们是纠缠在一起的 轨迹描述 可以同时用质点的位置和动量精确地描述它的运动,轨迹可以确定 不可能同时准确地知道粒子的位置和动量,不能用轨迹描述运动 比较项 经典力学 量子力学 运动预言 如果知道了质点的运动规律,可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量 自然界在微观层次上是由随机性和机遇支配的,不能预言粒子的位置和动量 自然界 的变化 自然界的变化是连续的 自然界的变化是不连续的 4.量子力学的应用 量子力学在高速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一,在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中,都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。 例题1(2025陕晋青宁卷)我国首台拥有自主知识产权的场发射透射电镜TH-F120实现了超高分辨率成像,其分辨率提高利用了高速电子束波长远小于可见光波长的物理性质。一个静止的电子经100 V电压加速后,其德布罗意波长为λ,若加速电压为10 kV,不考虑相对论效应,则其德布罗意波长为(　　) A.100λ B.10λ C.λ D.λ C 解析 设电子经过加速电压加速后速度大小为v,由动能定理得eU=mv2,电子的动量大小为p=mv,电子的德布罗意波长为λ=,联立解得λ=,又U'∶U=100∶1,可得λ'=λ。故选C。 【教考衔接·高考分析】 试题情境 生活实践问题情境 必备知识 物质波波长公式 关键能力 理解能力和推理能力 教材衔接 与人教版教材选择性必修第三册第99页第4题相似,都考查了物质波的波长计算 思维方法 根据加速电压求出电子的速度,然后由物质波的波长公式计算 例题2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①。已知电子质量为m,电荷量为e,初速度为0,加速电压为U②,普朗克常量为h。下列说法正确的是(　　) 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,即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;由动能定理可得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长公式λ=可知,加速电压越大,电子德布罗意波长越短,衍射现象越不明显,故C错误;质子与电子所带电荷量相同,但是质子质量大于电子质量,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长小于电子的德布罗意波长,波长越短则衍射现象越不明显,故D错误。 【教你析题】 读取题干 获取信息 ① 电子具有波动性 ② 电子加速后的末速度 【教你破题】 例题3在通往量子论的道路上,一大批物理学家做出了卓越的贡献,下列有关说法错误的是(　　) A.普朗克在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念 B.玻尔第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念 C.赫兹大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性 D.戴维森和G.P.汤姆孙分别通过实验得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性 C 解析 普朗克在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念,A正确,不符合题意;玻尔第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,B正确,不符合题意;德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性,C错误,符合题意;戴维森和G.P.汤姆孙分别通过实验得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性,D正确,不符合题意。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 4 1.(量子力学的建立和应用)(多选)20世纪以来,人们发现了一些新的事实,而经典力学却无法解释。经典力学只适用于解决物体的低速运动问题,不能用来处理高速运动问题,只适用于宏观物体,一般不适用于微观粒子。这说明(　 　) A.随着认识的发展,经典力学已成了过时的理论 B.人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的 C.不同领域的事物各有其本质与规律 D.人们应当不断扩展认识,在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律 BCD 5 1 2 3 解析 人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约,所以形成的看法也都具有一定的局限性,人们只有不断扩展自己的认识,才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律。新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定,只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。A错误,B、C、D正确。 4 5 1 2 3 2.(物质的波粒二象性)关于物质的波粒二象性,下列说法不正确的是(　　) A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性 B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道 C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的 D.实物粒子的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性 D 4 5 1 2 3 解析 德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出了物质波的概念,认为一切运动的实物粒子,都具有波粒二象性,A正确,不符合题意,D错误,符合题意;运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道,B正确,不符合题意;波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的,C正确,不符合题意。 4 5 1 2 3 3.(物质波波长的理解)根据德布罗意波的概念,下列说法正确的是(　　) A.质量大的物体,其德布罗意波长短 B.速度大的物体,其德布罗意波长短 C.动量大的物体,其德布罗意波长短 D.动能小的物体,其德布罗意波长短 C 解析 根据 可知,动量大的物体波长短,C正确。质量大、速度大或动能小,都不能确定其动量大小,所以A、B、D错误。 4 5 1 2 3 4.(物质波的波长)(2025四川卷)某多晶薄膜晶格结构可以等效成缝宽约为3.5×10-10 m的狭缝。下列粒子束穿过该多晶薄膜时,衍射现象最明显的是 (　　) A.德布罗意波长约为7.9×10-13 m的中子 B.德布罗意波长约为8.7×10-12 m的质子 C.德布罗意波长约为2.6×10-11 m的氮分子 D.德布罗意波长约为1.5×10-10 m的电子 D 4 5 解析 狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小的情况下发生明显衍射现象,则德布罗意波长约为1.5×10-10 m的电子穿过该狭缝发生的衍射现象最明显。D正确。 1 2 3 5.(物质波的波长)德布罗意提出实物粒子具有波动性,与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,其波长与粒子的动量存在某种关系。从静止开始经同一加速电场加速后的氘核和α粒子的德布罗意波波长之比为(　　) A.1∶1 B.1∶2 C. ∶1 D.2∶1 D 4 5 3.知道ε=hν和p=揭示了光的粒子性和波动性之间的联系。(物理观念) 4.会用p=及λ=进行计算。(科学思维) 粒子,德布罗意给出的ν=和λ=的关系同样正确。  λ= 解析 由动能定理qU=mv2,解得粒子被加速电场加速后的速度v=,则粒子的动量为p=mv=,根据德布罗意波波长的公式λ=,可得λ=,则从静止开始经同一加速电场加速后的氘核和α粒子的德布罗意波波长之比为,A、B、C错误,D正确。 $