1、第3節(jié) 粒子的波動(dòng)性1光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性；即光具有波粒二象性。2光子的能量h和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量，揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切關(guān)系。3德布羅意波又叫物質(zhì)波，其波長(zhǎng)和頻率分別為：，。一、光的波粒二象性1光的波粒二象性光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2光子的能量和動(dòng)量(1)能量：h。(2)動(dòng)量：p。(3)意義：能量和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；波長(zhǎng)和頻率是描述物質(zhì)的波動(dòng)性的典型物理量。因此h和p揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切關(guān)系，普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。二、粒子的

2、波動(dòng)性及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1粒子的波動(dòng)性(1)德布羅意波：每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長(zhǎng)、頻率關(guān)系式：波長(zhǎng)：頻率：。2物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(1)實(shí)驗(yàn)探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，則在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，得到了電子的衍射圖樣，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。(3)說(shuō)明：人們陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動(dòng)性，對(duì)于這些粒子，德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確。宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量很大，對(duì)應(yīng)的德布

3、羅意波的波長(zhǎng)很小，根本無(wú)法觀察到它的波動(dòng)性。1自主思考判一判(1)德布羅意認(rèn)為實(shí)數(shù)粒子也具有波動(dòng)性。()(2)光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋電磁理論。()(3)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光只有波動(dòng)性，沒(méi)有粒子性。()(4)向前飛行的子彈具有波動(dòng)性。()2合作探究議一議(1)光的波動(dòng)性與粒子性跟光波頻率高低、波長(zhǎng)的長(zhǎng)短有怎樣的關(guān)系？提示：光波頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的波動(dòng)性越明顯；光波頻率越高，波長(zhǎng)越短，光的粒子性越明顯。(2)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的波，為什么觀察不到一粒飛行著的子彈的波動(dòng)性？提示：宏觀物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們觀察不到它們的波動(dòng)性，但也有一個(gè)波與之對(duì)應(yīng)，只是對(duì)應(yīng)飛行的子彈的波的波長(zhǎng)太小了，所以

4、觀察不到子彈的波動(dòng)性，但一粒飛行著的子彈的波動(dòng)性還是存在的。對(duì)光的波粒二象性的理解1對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)史人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，從牛頓的光的微粒說(shuō)、托馬斯楊和菲涅耳的波動(dòng)說(shuō)，從麥克斯韋的光的電磁說(shuō)到愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。直到二十世紀(jì)初，對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)才提升到一個(gè)更高層次，即光具有波粒二象性。對(duì)于光的本性認(rèn)識(shí)史，列表如下：學(xué)說(shuō)名稱微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)光子說(shuō)波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛(ài)因斯坦實(shí)驗(yàn)依據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波的速度光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光既有波動(dòng)現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)械波光是一種電磁波光是由一份

5、一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動(dòng)性又有粒子性2對(duì)光的波粒二象性的理解基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)說(shuō)明光的波動(dòng)性干涉和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述(2)足夠能量的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(1)光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子典例(多選)下列說(shuō)法正確的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子與電子是

6、同樣的一種粒子C光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)越短，其粒子性越顯著D光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性思路點(diǎn)撥解答本題應(yīng)注意以下三個(gè)方面：(1)光子與實(shí)物粒子的區(qū)別。(2)光的波粒二象性是光的本性。(3)光顯示波動(dòng)性或粒子性是有條件對(duì)應(yīng)的。解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動(dòng)性，光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以不能說(shuō)有的光是波，有的光是粒子，A錯(cuò)誤；雖然光子和電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量，電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所以不能說(shuō)光子

7、和電子是同樣的一種粒子，B錯(cuò)誤；波長(zhǎng)長(zhǎng)，容易發(fā)生干涉、衍射，波動(dòng)性強(qiáng)，反之，波長(zhǎng)短，光子能量大，粒子性強(qiáng)，C正確；干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，D正確。答案CD1光具有波粒二象粒，那么能夠證明光具有波粒二象性的現(xiàn)象是()A光的反射及小孔成像B光的干涉、光的衍射、光的色散C光的折射及透鏡成像D光的干涉、光的衍射和光電效應(yīng)解析：選D中學(xué)階段表明光具有波動(dòng)性的典型現(xiàn)象是光的干涉和衍射現(xiàn)象，表明光具有粒子性的典型現(xiàn)象是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。2(多選)關(guān)于光的波動(dòng)性與粒子性，以下說(shuō)法正確的是()A愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)否定了光的電磁說(shuō)B光電效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明了光的粒子性C光波不同于機(jī)械波，它具

8、有物質(zhì)性D光的波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾的，無(wú)法統(tǒng)一解析：選BC愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)和光的電磁說(shuō)在微觀世界中是統(tǒng)一的。3(多選)下列說(shuō)法中正確的是()A光的干涉和衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性B光的頻率越大，波長(zhǎng)越長(zhǎng)C光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光子的能量越大D光在真空中的傳播速度為3.0108 m/s解析：選AD光既具有波動(dòng)性又具有粒子性，A正確。由v知B錯(cuò)。由愛(ài)因斯坦光子理論h，v，知波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光頻率越小，光子能量越小，C錯(cuò)。任何光在真空中傳播速度均為3.0108 m/s，D正確。對(duì)物質(zhì)波的理解1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的

9、緣故。2粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，不要以宏觀觀念中的波來(lái)理解德布羅意波。3德布羅意假說(shuō)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(dòng)性，與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。典例如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多大？(中子的質(zhì)量為1.671027 kg)思路點(diǎn)撥(1)子彈的動(dòng)量p可用pmv求解。(2)德布羅意波長(zhǎng)與物體的動(dòng)量p的關(guān)系：。解析中子的動(dòng)量為：p1m1v，子彈的動(dòng)量為：p2m2v，據(jù)知中子和子彈的德布羅意波長(zhǎng)分別為：1，2聯(lián)立以上各式解得：

10、1，2將m11.671027 kg，v1103 m/s，h6.631034 Js，m21.0102 kg代入上面兩式可解得：14.01010 m，26.631035 m。答案4.01010 m6.631035 m有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法(1)計(jì)算物體的速度，再計(jì)算其動(dòng)量。如果知道物體動(dòng)能也可以直接用p計(jì)算其動(dòng)量。(2)根據(jù)計(jì)算德布羅意波長(zhǎng)。(3)需要注意的是：德布羅意波長(zhǎng)一般都很短，比一般的光波波長(zhǎng)還要短，可以根據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大致判斷結(jié)果是否合理。(4)宏觀物體的波長(zhǎng)小到可以忽略，其波動(dòng)性很不明顯。1下列說(shuō)法中正確的是()A質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短B速度大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短C動(dòng)

11、量大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短D動(dòng)能大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短解析：選C由可知，德布羅意波長(zhǎng)與其動(dòng)量成反比。2(多選)根據(jù)物質(zhì)波理論，以下說(shuō)法中正確的是()A微觀粒子有波動(dòng)性，宏觀物體沒(méi)有波動(dòng)性B宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性C宏觀物體的波動(dòng)性不易被人觀察到是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)D速度相同的質(zhì)子和電子相比，電子的波動(dòng)性更為明顯解析：選BD一切運(yùn)動(dòng)的物體都有一種物質(zhì)波與它對(duì)應(yīng)，所以宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性，A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)很短，不易觀察到它的波動(dòng)性，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤；速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子質(zhì)量小，物質(zhì)波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以電子波動(dòng)性更明顯，D選項(xiàng)正確。32002年諾貝

12、爾物理學(xué)獎(jiǎng)中的一項(xiàng)是獎(jiǎng)勵(lì)美國(guó)科學(xué)家賈科尼和日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源。X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長(zhǎng)為，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分別表示X射線每個(gè)光子的能量和動(dòng)量，則()AE，p0BE，pCE，p0 DE，p解析：選D根據(jù)Eh，且，c可得X射線每個(gè)光子的能量為E，每個(gè)光子的動(dòng)量為p。1下列說(shuō)法正確的是()A光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)B光不具有波動(dòng)性C由于光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，無(wú)法只用其中一種去說(shuō)明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性D實(shí)物粒子和光子一樣都具有波粒二象性，所以實(shí)物粒子與光子是相同本質(zhì)的物質(zhì)解析：選C光的

13、波動(dòng)性和光的粒子性不同于宏觀的機(jī)械波和粒子，屬于微觀世界，A錯(cuò)誤；光既具有波動(dòng)性又具有粒子性，B錯(cuò)誤；光的波動(dòng)性和粒子性是光的行為，即光具有波粒二象性，C正確；實(shí)物粒子雖然與光子具有某些相同的現(xiàn)象，但粒子是實(shí)物，而光則是傳播著的電磁波，其本質(zhì)不同，D錯(cuò)誤。2(多選)關(guān)于光的波粒二象性，下列說(shuō)法正確的是()A光的頻率越高，光的能量越大，粒子性越明顯B光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光的能量越小，波動(dòng)性越明顯C頻率高的光只具有粒子性，不具有波動(dòng)性D無(wú)線電波只具有波動(dòng)性，不具有粒子性解析：選AB光的頻率越高，由h知光子的能量越大，光的波長(zhǎng)越短，粒子性越明顯，A對(duì)；光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則頻率越小，由h知光子的能量越小，則光的

14、波動(dòng)性越明顯，B對(duì)；頻率高的光粒子性明顯，但也具有波動(dòng)性，C錯(cuò)；無(wú)線電波是電磁波，既具有波動(dòng)性也具有粒子性，D錯(cuò)。3質(zhì)量為m的粒子原來(lái)的速度為v，現(xiàn)將粒子的速度增大為2v，則該粒子的物質(zhì)波的波長(zhǎng)將(粒子的質(zhì)量保持不變)()A保持不變B.變?yōu)樵瓉?lái)波長(zhǎng)的兩倍C變?yōu)樵瓉?lái)波長(zhǎng)的一半D變?yōu)樵瓉?lái)波長(zhǎng)的倍解析：選C由題知，粒子速度為v時(shí)，1；粒子速度為2v時(shí)，2，21?？芍狢正確，A、B、D錯(cuò)。4電子顯微鏡的最高分辨率高達(dá)0.2 nm，如果有人制造出質(zhì)子顯微鏡，在加速到相同的速度情況下，質(zhì)子顯微鏡的最高分辨率將()A小于0.2 nmB大于0.2 nmC等于0.2 nm D以上說(shuō)法均不正確解析：選A顯微鏡的分

15、辨能力與波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短其分辨率越高，由知，如果把質(zhì)子加速到與電子相同的速度，質(zhì)子的波長(zhǎng)更短，分辨能力更高。5如圖1所示，當(dāng)弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后，在鋅板上形成明暗相間的條紋，同時(shí)與鋅板相連的驗(yàn)電器鋁箔有張角，則該實(shí)驗(yàn)()圖1A只能證明光具有波動(dòng)性B只能證明光具有粒子性C只能證明光能夠發(fā)生衍射D證明光具有波粒二象性解析：選D弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后，在鋅板上形成明暗相間的條紋，這是光的衍射，證明了光具有波動(dòng)性，驗(yàn)電器鋁箔有張角，說(shuō)明鋅板發(fā)生了光電效應(yīng)，則證明了光具有粒子性，所以該實(shí)驗(yàn)證明了光具有波粒二象性，D正確。6(多選)下表列出了幾種不同物體在某種速度下的德布羅意波長(zhǎng)和頻率為1 MHz

16、的無(wú)線電波的波長(zhǎng)，由表中數(shù)據(jù)可知()質(zhì)量/kg速度/(ms1)波長(zhǎng)/m彈子球2.01021.01023.31030電子(100 eV)9.110315.01061.21010無(wú)線電波(1 MHz)3.01083.3102A要檢測(cè)彈子球的波動(dòng)性幾乎不可能B無(wú)線電波通常情況下只能表現(xiàn)出波動(dòng)性C電子照射到金屬晶體上能觀察到它的波動(dòng)性D只有可見(jiàn)光才有波動(dòng)性解析：選ABC由于彈子球德布羅意波長(zhǎng)極短，故很難觀察其波動(dòng)性，而無(wú)線電波波長(zhǎng)為3.0102 m，所以通常表現(xiàn)出波動(dòng)性，很容易發(fā)生衍射，而金屬晶體的晶格線度大約是1010 m數(shù)量級(jí)，所以波長(zhǎng)為1.21010 m的電子可以觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，故選A、B、C。7如圖2所示為證實(shí)電子波存在的實(shí)驗(yàn)裝置，從F上漂出的熱電子可認(rèn)為初速度為零，所加加速電壓U104 V，電子質(zhì)量為m0.911030 kg。電子被加速后通過(guò)小孔K1和K2后入射到薄的金膜上，發(fā)生衍射，結(jié)果在照相底片上形成同心圓明暗條