17.3粒子的波动性 学案（含答案）

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1、3 3 粒子的波动性粒子的波动性 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道人类对光的本性的认识史；了解光的波粒二象性及其对立统一关系.2.了解 粒子的波动性，知道物质波的概念.3.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象 科学态度与责任：学会用辩证的观点看待问题，认识到物理学各种观点的局限性 一、光的波粒二象性 1光的本性 光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性， 即光具有波粒二象性 2光子的能量和动量关系式 (1)关系式：h，ph . (2)意义：能量 和动量 p 是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 和频率 是描述物质的 波动性的典型物理量因此 h 和 p

2、h 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系 二、粒子的波动性 1粒子的波动性 (1)德布罗意波：任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相 对应，这种波叫物质波，又叫德布罗意波 (2)物质波波长、频率的计算公式为 h p， h. (3)我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的 缘故 2物质波的实验验证 (1)实验探究思路： 干涉、 衍射是波特有的现象， 如果实物粒子具有波动性， 则在一定条件下， 也应该发生干涉或衍射现象 (2)实验验证： 1927 年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验， 得到了电子的衍 射图样，证实了电

3、子的波动性 (3)说明 人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的 h 和 h p关系同样正确 判断下列说法的正误 (1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性( ) (2)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子( ) (3)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子( ) (4)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波( ) (5)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性( ) 一、对光的波粒二象性的理解 1对光的本性认识史 人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的光的微粒说到托马斯 杨和菲涅耳的波动说，从 麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说直到二十世纪初，

4、对于光的本性的认识才提升 到一个更高层次，即光具有波粒二象性对于光的本性认识史，列表如下： 学说 名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表 人物 牛顿 托马斯 杨 和菲涅耳 麦克斯韦 爱因斯坦 实验 依据 光的直线传 播、光的反射 光的干涉、 衍射 能在真空中传播， 是横波，光速等于 电磁波的传播速度 光电效应、 康普顿效应 光既有波动现象， 又有粒子特征 内容 要点 光是一群弹性 粒子 光是一种 机械波 光是一种电磁波 光是由一份 一份光子组 成的 光是具有电磁本 性的物质， 既有波 动性又有粒子性 2对光的波粒二象性的理解 (1)光的波动性 实验基础：光的干涉和衍射 表现：

5、a.光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述； b.足够能量的光在传播时， 表现出波的性质 说明：a.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的；b.光的波动性 不同于宏观观念的波 (2)光的粒子性 实验基础：光电效应、康普顿效应 表现：a.当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质； b.少量或个别光子容易显示出光的粒子性 说明：a.粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；b.光子不同于宏观观念的粒子 例 1 (多选)下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是( ) A有的光是波，有的光是粒子 B光子与电子是同样的一种粒子 C光的波长越长，其波动

6、性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D康普顿效应表明光具有粒子性 答案 CD 解析 一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行 为(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子虽 然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不 是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质， 所以， 不能说光子与电子是同样的一种粒子 光的波长越长， 衍射性越好， 即波动性越显著， 光的波长越短，粒子性就越显著，故选项 C、D 正确，A、B 错误 二、粒子的波动性 1如图是电子束通过

7、铝箔后的衍射图样，结合图样及课本内容回答下列问题： (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？ 答案 (1)普朗克能量子假说和爱因斯坦光子理论 (2)电子具有波动性 2德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，可是我们观察运动着的汽车，并未感觉到 它的波动性，你如何理解该问题？谈谈自己的认识 答案 一切微观粒子都存在波动性，宏观物体(汽车)也存在波动性，只是因为宏观物体质量 大，动量大，产生的物质波的波长短，难以观测 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 h p.我们之所以观察不到宏观物

8、体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小 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物 质波 例 2 (多选)根据物质波理论，以下说法中正确的是( ) A微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B宏观物体和微观粒子都具有波动性 C宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显 答案 BD 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 错误，B 正确；宏观物体的物质波波长很短，不易观察到它的

9、波动性，C 错误；由 h p，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 例 3 质量为 1 000 kg 的小汽车以 v30 m/s 的速度在高速公路上行驶，试计算小汽车的德 布罗意波的波长为什么我们无法观察到其波动性？(普朗克常量 h6.6310 34 J s) 答案 见解析 解析 小汽车的动量为 pmv1 00030 kg m/s3104 kg m/s，故小汽车的德布罗意波的 波长为 h p 6.6310 34 3104 m2.2110 38 m 因小汽车的德布罗意波的波长太短，故无法观察到其波动性 德布罗意波长的

10、计算 1首先计算物体的速度，再计算其动量如果知道物体动能也可以直接用 p 2mEk计算其 动量 2再根据 h p计算德布罗意波长 3需要注意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数 量级大致判断结果是否合理 针对训练 (2019 石嘴山三中高二月考)关于物质波，下列说法正确的是( ) A速度相等的电子和质子，电子的波长长 B动能相等的电子和质子，电子的波长短 C动量相等的电子和中子，中子的波长短 D如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的 3 倍，则甲电子的波长 也是乙电子的 3 倍 答案 A 解析 由 h p可知，动量大的波长短，电子与质子的速度

11、相等时，电子质量小，动量小，波 长长，A 正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系 p 2mEk可知，电子的动量 小，波长长，B 错误；动量相等的电子和中子，其波长应相等，C 错误；如果甲、乙两电子 的速度远小于光速，甲的速度是乙的 3 倍，甲的动量也是乙的 3 倍，则甲的波长应是乙的1 3， D 错误. 1(波粒二象性的理解)有关光的本性，下列说法中正确的是( ) A光既具有波动性，又具有粒子性，这是相互矛盾和对立的 B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C光不具有波动性 D由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认 为光具有波粒二象性 答案

12、 D 解析 光在不同条件下表现出不同的行为，其波动性和粒子性并不矛盾，A 错，D 对；光的 波动性不同于机械波，其粒子性也不同于质点，B 错；大量光子往往表现出波动性，个别光 子往往表现出粒子性，C 错 2(物质波的理解)(多选)(2018 上饶中学高二月考)关于物质波，下列认识中错误的是( ) A任何运动的物体都伴随一种波，这种波叫物质波 BX 射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 C电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 D与宏观物体相联系的物质波不具有干涉、衍射等现象 答案 BD 解析 任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有与其本身相联系的 波，这就是物质波，故

13、 A 正确；X 射线的本质是电磁波，X 射线的衍射实验，证实了 X 射线 的波动性，故 B 错误；电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的，故 C 正确；物质波具 有干涉、衍射等现象，故 D 错误 3(物质波的理解与计算)如果一个中子和一个质量为 10 g 的子弹都以 103 m/s 的速度运动， 则它们的德布罗意波的波长分别是多大？(中子的质量为 1.6710 27kg，普朗克常量为 6.6310 34 J s，结果保留三位有效数字) 答案 3.9710 10 m 6.631035 m 解析 中子的动量为 p1m1v 子弹的动量为 p2m2v 由 h p知中子和子弹的德布罗意波长分别为 1 h p1，2 h p2 联立以上各式解得 1 h m1v，2 h m2v 代入数据可解得 13.9710 10 m， 26.6310 35 m.