1、高三物理教案 物粒子的波粒二象性實物粒子的波粒二象性三維教學(xué)目的1、知識與技能1理解光既具有波動性，又具有粒子性;2知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性;3知道德布羅意波的波長和粒子動量關(guān)系。4理解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計算;2、過程與方法1理解物理真知形成的歷史過程;2理解物理學(xué)研究的根底是實驗事實以及實驗對于物理研究的重要性;3知道某一物質(zhì)在不同環(huán)境下所表現(xiàn)的不同規(guī)律特性。3、情感、態(tài)度與價值觀1通過學(xué)生閱讀和老師介紹講解，使學(xué)生理解科學(xué)真知的得到并非一蹴而就，需要經(jīng)過一個較長的歷史開展過程，不斷得到糾正與修正;2通過相關(guān)理論的實驗驗證，使學(xué)生逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度;3通過理解電子衍射

2、實驗，使學(xué)生理解創(chuàng)造條件來進(jìn)展有關(guān)物理實驗的方法。教學(xué)重點(diǎn)：實物粒子和光子一樣具有波粒二象性，德布羅意波長和粒子動量關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：實物粒子的波動性的理解。教學(xué)方法：學(xué)生閱讀-討論交流-老師講解-歸納總結(jié)。教學(xué)用具：課件：PP演示文稿科學(xué)家介紹，本節(jié)知識構(gòu)造。多媒體教學(xué)設(shè)備一引入新課提問：前面我們學(xué)習(xí)了有關(guān)光的一些特性和相應(yīng)的事實表現(xiàn)，那么我們終究怎樣來認(rèn)識光的本質(zhì)和把握其特性呢?光是一種物質(zhì)，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現(xiàn)出不同特性，分別舉出有關(guān)光的干預(yù)衍射和光電效應(yīng)等實驗事實。我們不能片面地認(rèn)識事物，能舉出本學(xué)科或其他學(xué)科或生活中類似的事或物嗎?二進(jìn)展新課1、光的波粒二象性

3、講述光的波粒二象性，進(jìn)展歸納整理。1我們所學(xué)的大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和連續(xù)性是相對的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律。2光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，物理學(xué)中把光波叫做概率波。2、光子的能量與頻率以及動量與波長的關(guān)系。提問：作為物質(zhì)的實物粒子如電子、原子、分子等是否也具有波動性呢?3、粒子的波動性提問：誰大膽地將光的波粒二象性推廣到實物粒子?只是因為他大膽嗎?法國科學(xué)家德布羅意考慮到普朗克能量子和愛因斯坦光子理論的成功，大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子。1德布羅意波：實物粒子也具有波動性，這種波稱之為物質(zhì)波，也叫德布羅意

4、波。2物質(zhì)波波長： =提問：各物理量的意義? 為德布羅意波長，h為普朗克常量，p為粒子動量閱讀課本有關(guān)內(nèi)容，為什么德布羅意波觀點(diǎn)很難通過實驗驗證?又是在怎樣的條件下使實物粒子的波動性得到了驗證?4、物質(zhì)波的實驗驗證提問：粒子波動性難以得到驗證的原因?宏觀物體的波長比微觀粒子的波長小得多，這在生活中很難找到能發(fā)生衍射的障礙物，所以我們并不認(rèn)為它有波動性，作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長為10-10m數(shù)量級，找與之相匹配的障礙物也非易事例題：某電視顯像管中電子的運(yùn)動速度是4.0107m/s;質(zhì)量為10g的一顆子彈的運(yùn)動速度是200m/s。分別計算它們的德布羅意波長。根據(jù)公式 計算得1.810-

5、11m和3.310-34m電子波動性的發(fā)現(xiàn)者戴維森和小湯姆遜電子波動性的發(fā)現(xiàn),使得德布羅意由于提出實物粒子具有波動性這一假設(shè)得以證實，并因此而獲得1929年諾貝爾物理學(xué)獎，而戴維森和小湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)了電子的波動性也同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。閱讀有關(guān)物理學(xué)歷史資料，理解物理學(xué)有關(guān)知識的形成建立和開展的真是過程。應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實感，增強(qiáng)了說服力，同時也能對學(xué)生進(jìn)展發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探究精神電子衍射實驗：1927年，兩位美國物理學(xué)家使電子束投射到鎳的晶體上，得到了電子束的衍射圖案，從而證實了德布羅意的假設(shè)。除了電子以外，后來還陸續(xù)證實了質(zhì)子

6、、中子以及原子、分子的波動性。提問：衍射現(xiàn)象對高分辨率的顯微鏡有影響否?如何改進(jìn)?顯微鏡的分辨本領(lǐng)5、德布羅意波的統(tǒng)計解釋1926年，德國物理學(xué)玻恩 Born ， 1882-1972 提出了概率波，認(rèn)為個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶爾性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。6、經(jīng)典波動與德布羅意波物質(zhì)波的區(qū)別經(jīng)典的波動如機(jī)械波、電磁波等是可以測出的、實際存在于空間的一種波動。而德布羅意波物質(zhì)波是一種概率波。簡單的說，是為了描繪微觀粒子的波動性而引入的一種方法。7、不確定度關(guān)系uncertainty relatoin經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動物體有完全確定的位置、動量、能量等。微觀粒

7、子：位置、動量等具有不確定量概率。1電子衍射中的不確定度如下圖，一束電子以速度 v 沿 oy 軸射向狹縫。電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。在經(jīng)典力學(xué)中，粒子質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動量來描繪，而且這兩個量都可以同時準(zhǔn)確地予以測定。然而，對于具有二象性的微觀粒子來說，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動量來描繪呢?下面我們以電子通過單縫衍射為例來進(jìn)展討論。設(shè)有一束電子沿oy軸射向屏AB上縫寬為a的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如以下圖所示的衍射圖樣。假如我們?nèi)杂米鴺?biāo)x和動量p來描繪這一電子的運(yùn)動狀態(tài)，那么，我們不禁要問：一個電子通過狹縫的瞬時，它是從縫上哪一點(diǎn)通過的呢?也就是說，電子通

8、過狹縫的瞬時，其坐標(biāo)x為多少?顯然，這一問題，我們無法準(zhǔn)確地答復(fù)，因為此時該電子終究在縫上哪一點(diǎn)通過是無法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過狹縫時的坐標(biāo)。研究說明：對于第一衍射極小， 式中 為電子的德布羅意波長。電子的位置和動量分別用x和p來表示。電子通過狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為 ，同一時刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動量的分量 px變化越大。分析計算可得： 式中h為普朗克常量。這就是著名的不確定性關(guān)系，簡稱不確定關(guān)系。上式說明：許多一樣粒子在一樣條件下實驗，粒子在同一時刻并不處在同一位置。用單個粒子重復(fù)，粒子也不在同一位置出現(xiàn)。例題解析：例1：一顆

9、質(zhì)量為10g 的子彈，具有200ms-1的速率，假設(shè)其動量的不確定范圍為動量的0. 01%這在宏觀范圍是非常準(zhǔn)確的了，那么該子彈位置的不確定量范圍為多大?解：子彈的動量動量的不確定范圍由不確定關(guān)系式 ，得子彈位置的不確定范圍我們知道，原子核的數(shù)量級為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微缺乏道的。可見子彈的動量和位置都能準(zhǔn)確地確定，不確定關(guān)系對宏觀物體來說沒有實際意義。例2：一電子具有200 m/s的速率，動量的不確定范圍為動量的0.01%這已經(jīng)足夠準(zhǔn)確了，那么該電子的位置不確定范圍有多大?解 : 電子的動量為：動量的不確定范圍由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍我們知道原子大小的數(shù)量

10、級為10-10m，電子那么更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見企圖準(zhǔn)確地確定電子的位置和動量已是沒有實際意義。8、微觀粒子和宏觀物體的特性比照宏觀物體 微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和動量，可用牛頓力學(xué)描繪。 沒有確定的坐標(biāo)和動量，需用量子力學(xué)描繪。有連續(xù)可測的運(yùn)動軌道，可追蹤各個物體的運(yùn)動軌跡。 有概率分布特性，不可能分辨出各個粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連續(xù)變化的數(shù)值。 能量量子化 。不確定度關(guān)系無實際意義 遵循不確定度關(guān)系9、不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)1物理意義：微觀粒子不可能同時具有確定的位置和動量。粒子位置的不確定量 越小，動量的不確定量 就越大，反之亦然。2 微觀本質(zhì)：是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計規(guī)律的必然結(jié)果。不確定關(guān)系式說明： 微觀粒子的坐標(biāo)測得愈準(zhǔn)確 ，動量就愈不準(zhǔn)確 ;微觀粒子的動量測得愈準(zhǔn)確 ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確 。但這里要注意，不確定關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn);也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn);更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn);而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)。 為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)?這是因