第3節(jié)波粒二象性核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)知道光具有波粒二象性，了解光子的能量和動量。(2)知道物質(zhì)波的概念，了解實(shí)物粒子的波粒二象性。(3)知道概率波與經(jīng)典波的差異?？茖W(xué)探究(1)學(xué)會利用雙縫干涉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光的粒子性和波動性。(2)學(xué)會利用電子衍射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)物粒子具有波動性。一、光的波粒二象性1．光的干涉和衍射現(xiàn)象表明，光具有________；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明，光具有_________。2．通過光的雙縫干涉現(xiàn)象可以看出光具有_____________。波動性粒子性波粒二象性二、德布羅意物質(zhì)波假說1．德布羅意假設(shè)：實(shí)物粒子像光子一樣，也具有_____________。3．物質(zhì)波：與______相對應(yīng)的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波。波粒二象性普朗克常量粒子三、實(shí)物粒子波動性的實(shí)驗(yàn)證實(shí)1．電子衍射實(shí)驗(yàn)：電子經(jīng)電場加速后穿過一微薄晶體，在屏上可顯示出有規(guī)律的衍射花紋，證明了電子具有_________。2．中子、質(zhì)子、原子和分子等微觀粒子同樣具有________。四、概率波與經(jīng)典波的差異1．機(jī)械波：周期性的______在介質(zhì)內(nèi)的傳播。2．電磁波：周期性變化的__________的傳播。3．物質(zhì)波：是一種_________，在某一地方的強(qiáng)度跟在該處出現(xiàn)它所代表的粒子的概率成正比。波動性波動性振動電磁場概率波1.利用光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)研究光的本性，分析弱光和強(qiáng)光產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，判斷下列說法正誤：(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性。

()(2)光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯。

()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子。

()√×√2．每一個(gè)運(yùn)動的物體都有一個(gè)對應(yīng)的波，為什么觀察不到一粒飛行著的子彈的波動性？提示：宏觀物體在運(yùn)動時(shí)，我們觀察不到它們的波動性，但也有一個(gè)波與之對應(yīng)，只是對應(yīng)飛行的子彈的波的波長太小了，所以觀察不到子彈的波動性，但一粒飛行著的子彈的波動性還是存在的。3．電子和其他微觀粒子在一定條件下都會發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象，判斷下列說法正誤：(1)一切宏觀物體都伴隨一種波，即物質(zhì)波。

()(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波。

()(3)電子的衍射現(xiàn)象證實(shí)了實(shí)物粒子具有波動性。

()××√4．如圖是電子干涉條紋，請分析以下問題：由甲、乙、丙三圖樣的比較，你對物質(zhì)波又有什么深刻認(rèn)識？提示：①物質(zhì)波發(fā)生雙縫干涉時(shí)不論實(shí)物粒子數(shù)目的多少，某些區(qū)域落入的實(shí)物粒子的個(gè)數(shù)總是較多，而另一區(qū)域落入實(shí)物粒子的個(gè)數(shù)總是較少。②物質(zhì)波是一種概率波。新知學(xué)習(xí)(一)|光的波粒二象性[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示是對光的本質(zhì)進(jìn)行研究的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。兩幅圖分別是光什么性質(zhì)的代表？說明了什么問題？提示：甲圖是光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的粒子性的代表；乙圖是光的干涉實(shí)驗(yàn)示意圖，它是光的波動性的代表。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)說明光具有波粒二象性。

[重點(diǎn)釋解]1．光的粒子性的含義愛因斯坦光子說中的“粒子”與牛頓微粒說中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量與光的頻率有關(guān)，光子說并不否定波動說。(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。(2)少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性。(3)頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著。2．光的波動性的含義光的波動性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波。(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)。(2)頻率低、波長長的光，波動性特征顯著。3．光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動性，波動性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)，光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的。[典例體驗(yàn)][典例]關(guān)于光的波粒二象性，下列說法正確的是

(

)A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到B．光的頻率越低，粒子性越顯著C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性D．光的波粒二象性否定了光的電磁說[解析]

光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動性明顯，故D錯誤。光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故A、B錯誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C正確。[答案]

C[針對訓(xùn)練]1．(多選)人類對光的本性的認(rèn)識經(jīng)歷了曲折的過程。下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是

(

)A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動性C．麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性解析：牛頓的“微粒說”認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，選項(xiàng)A錯誤；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動性，選項(xiàng)B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等從而認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，選項(xiàng)C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項(xiàng)D正確。答案：BCD

2．(多選)為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是(

)A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的單縫，如果時(shí)間很短，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣C．大量光子的運(yùn)動顯示光的波動性D．個(gè)別光子的運(yùn)動顯示光的粒子性，光只有粒子性，沒有波動性解析：光的波動性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果，對于個(gè)別光子，我們無法判斷它落到哪個(gè)位置；大量光子遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即大量光子的運(yùn)動或曝光時(shí)間足夠長，顯示出光的波動性，故A、C正確。答案：AC

新知學(xué)習(xí)(二)|德布羅意波的理解及波長計(jì)算[任務(wù)驅(qū)動]如圖所示為電子穿過鋁箔后的衍射圖樣，這說明了什么？提示：說明電子具有波動性。

[重點(diǎn)釋解]1．對德布羅意波的理解(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因?yàn)楹暧^物體對應(yīng)的波長太小的緣故。(2)粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受統(tǒng)計(jì)規(guī)律支配，不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波。(3)德布羅意波假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。[典例體驗(yàn)][典例]如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為104kg的火箭都以103m/s的速度運(yùn)動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質(zhì)量為1.67×10－27kg，h＝6.63×10－34J·s)[答案]

4.0×10－10m

6.63×10－41m[針對訓(xùn)練]1．(多選)以下說法正確的是

(

)A．宏觀粒子也具有波動性B．抖動細(xì)繩一端，繩上的波就是物質(zhì)波C．物質(zhì)波也是一種概率波D．物質(zhì)波就是光波解析：任何物體都具有波動性，故A正確；對宏觀物體而言，其波動性難以觀測，我們所看到的繩波是機(jī)械波，不是物質(zhì)波，故B錯誤；物質(zhì)波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動規(guī)律，但物質(zhì)波不是光波，故C正確，D錯誤。答案：AC

2．(2022·浙江1月選考)(多選)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是近代證實(shí)物質(zhì)波存在的實(shí)驗(yàn)。如圖所示，電子槍持續(xù)發(fā)射的電子動量為1.2×10－23kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上。已知電子質(zhì)量取9.1×10－31kg，普朗克常量取6.6×10－34J·s，下列說法正確的是

(

)A．發(fā)射電子的動能約為8.0×10－15JB．發(fā)射電子的物質(zhì)波波長約為5.5×10－11mC．只有成對電子分別同時(shí)通過雙縫才能發(fā)生干涉D．如果電子是一個(gè)一個(gè)發(fā)射的，仍能得到干涉圖樣3．電子經(jīng)電勢差為U＝2000V的電場加速，電子的質(zhì)量m＝0.9×10－30kg，求此電子的德布羅意波波長，已知普朗克常數(shù)h＝6.6×10－34J·s。答案：2.75×10－11m一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——光的波粒二象性1．(選自滬科版新教材課后練習(xí))在生活中我們會拍很多照片，通常我們都認(rèn)為，這是由人和景物發(fā)出或反射的光波經(jīng)過照相機(jī)的鏡頭聚焦在底片上形成的。實(shí)際上照片上的圖像也是由光子撞擊底片，使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的。如圖是用不同曝光量洗印的照片，請你根據(jù)自己對光的理解做出說明。提示：光波是一種概率波，在照片中有些地方光子出現(xiàn)的概率大，有些地方光子出現(xiàn)的概率小。光子個(gè)數(shù)較少時(shí)，在照片上出現(xiàn)的是一些隨機(jī)分布的光點(diǎn)，隨著曝光量的增大，圖像逐漸呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，整體逐漸清晰起來。

科學(xué)思維——德布羅意波長的理解及計(jì)算2．(選自粵教版新教材課后練習(xí))用光學(xué)顯微鏡不可能觀察到納米級的微小結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榭梢姽獾牟ㄩL數(shù)量級是10－7m，遠(yuǎn)大于納米，會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，不能精確聚焦。因此，人們使用分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡來觀察納米級的微小結(jié)構(gòu)。(1)請說明電子顯微鏡能觀察到納米級微小結(jié)構(gòu)的原因。二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．影響顯微鏡分辨本領(lǐng)的一個(gè)因素是波的衍射，衍射越明顯，分辨本領(lǐng)越低。電子顯微鏡有較高的分辨本領(lǐng)，電子顯微鏡的最高分辨率高達(dá)0.2nm。如果有人制造出質(zhì)子顯微鏡，在加速到相同速度的情況下，質(zhì)子顯微鏡的最高分辨率將

(

)A．小于0.2nm

B．大于0.2nmC．等于0.2nm

D．無法確定答案：A

答案：AB

3．實(shí)驗(yàn)表明：光子與速度不太大的電子碰撞發(fā)生散射時(shí)，光的波長會變大或者不變，這種現(xiàn)象叫康普頓散射，該過程遵循能量守恒定律和動量守恒定律。如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過程中有能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，則該散射被稱為逆康普頓散射，這一現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。關(guān)于上述逆康普頓散射，下列說法正確的是

(

)A．康普頓效應(yīng)說明光具有波動性B．若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則散射光照射該金屬時(shí)，光電子的最大初動能將變大C．散射后電子的速度一定變大D．散射后電子的能量一定變大解析：康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故A錯誤；根據(jù)題意，在逆康普頓散射中，能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，所以，散射后電子的速度和能量變小，光子的能量變大，光子的頻率變大，故C、D錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，h和W0為定值，ν越大，Ek越大，因此若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則散射光照射該金屬時(shí)，光電子的最大初動能將變大，故B正確。答案：B

4．用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，把入射光減弱到可以認(rèn)為光源和感