高二物理课件 17.3 《粒子的波动性》 （人教选修3-5）

欢迎进入物理课堂 一 人类对光的本性的研究 1 对光的本性认识史人类对光的认识经历了漫长的历程 从牛顿光的微粒说 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 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 1 光既表现出波动性又表现出粒子性 要从微观的角度建立光的行为图案 认识光的波粒二象性 2 要明确光的波动性和粒子性在不同现象中的分析方法 典例1 关于光的本性 下列说法中正确的是 A 关于光的本性 牛顿提出 微粒说 惠更斯提出 波动说 爱因斯坦提出 光子说 它们都说明了光的本性B 光具有波粒二象性是指 既可以把光看成宏观概念上的波 也可以看成微观概念上的粒子C 光的干涉 衍射现象说明光具有波动性 光电效应说明光具有粒子性D 光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来 解题指导 解决本题关键要知道光的本性认识史 知道各种理论思想之间的本质差别以及波粒二象性的相关知识 标准解答 选C 光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述 不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波 光的粒子性是指光的能量是一份一份的 每一份是一个光子 不是牛顿微粒说中的经典微粒 某现象说明光具有波动性 是指波动理论能解释这一现象 某现象说明光具有粒子性 是指能用粒子说解释这个现象 要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系 C正确 A B D错误 变式训练 2011 盐城高二检测 下面关于光的波粒二象性的说法中 正确的是 A 大量光子产生的效果往往显示出波动性 个别光子产生的效果往往显示出粒子性B 频率越大的光其粒子性越显著 频率越小的光其波动性越显著C 光在传播时往往表现出波动性 光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D 光不可能同时既具有波动性 又具有粒子性 解析 选A B C 由光的波粒二象性可知 大量光子产生的效果往往显示出波动性 个别光子产生的效果往往显示出粒子性 A正确 频率越大的光其粒子性越显著 频率越小的光其波动性越显著 故B正确 光在传播时容易表现出波动性 而在跟物质相互作用时容易表现出粒子性 这是从人们是否容易观察的角度分析的 不论是容易观察到还是不容易观察到 光的波动性和粒子性都是同时存在的 故C正确 D错误 变式备选 有关光的本性 下列说法正确的是 A 光既具有波动性 又具有粒子性 这是互相矛盾和对立的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 解析 选D 19世纪初 人们成功地在实验室中观察到了光的干涉 衍射现象 这属于波的特征 微粒说无法解释这些现象 但19世纪末又发现了光电效应 这种现象波动说不能解释 证实光具有粒子性 因此 光既具有波动性 又具有粒子性 但光不同于宏观的机械波和粒子 波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现 是同一客体的两个不同侧面 不同属性 我们无法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 选项D正确 二 对物质波的理解 1 任何物体 小到电子 质子 大到行星 太阳都存在波动性 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小的缘故 2 德布罗意波是一种概率波 粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配 不要以宏观观念中的波来理解德布罗意波 3 德布罗意假说是光子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 4 对于光 先有波动性 即 和 再在量子理论中引入光子的能量 和动量p来补充它的粒子性 反之 对于实物粒子 则先有粒子概念 即 和p 再引入德布罗意波 即 和 的概念来补充它的波动性 不过要注意这里所谓波动和粒子 仍然都是经典物理学的概念 所谓补充仅是形式上的 综上所述 德布罗意的推想基本上是爱因斯坦1905年关于光子的波粒二象性理论 光粒子由波伴随着 的一种推广 使之包括了所有的物质微观粒子 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并不否定其波动性 2 要注意大量光子 个别光子 宏观物体 微观粒子 概率波等相关概念的区别 典例2 质量为1000kg的小汽车以v 40m s的速度在高速公路上行驶 试估算小汽车的德布罗意波的波长 解题指导 在正确理解德布罗意波动量公式和波长公式的基础上求解此题 标准解答 小汽车的动量为 p mv 1000 40kg m s 4 104kg m s小汽车的德布罗意波波长为 答案 1 7 10 38m 规律方法 明确德布罗意波的含义 正确应用公式实物粒子也具有波动性 这种波称之为物质波 也叫德布罗意波 物质波波长公式中 为德布罗意波波长 h为普朗克常量 p为粒子动量 对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解 变式训练 一质量为450g的足球以10m s的速度在空中飞行 一个初速度为零的电子 通过电压为100V的加速电场 试分别计算它们的德布罗意波波长 解题指导 可先计算出足球和电子的动量p 然后根据计算物质波的波长 解析 物体的动量p mv 其德布罗意波波长足球的波长 电子经电场加速后 速度增加为v2 根据动能定理该电子的德布罗意波波长 典例 如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m s的速度运动 则它们的德布罗意波的波长分别是多长 中子的质量为1 67 10 27kg 解题指导 分析此题时应注意以下两点 1 物体或粒子的动量 2 德布罗意波波长 标准解答 中子的动量为 1 m1v 子弹的动量为 p2 m2v 据知中子和子弹的德布罗意波波长分别为 联立以上各式解得 将m1 1 67 10 27kg v 1 103m s h 6 63 10 34J s m2 1 0 10 2kg代入上面两式可解得 1 4 0 10 10m 2 6 63 10 35m 答案 4 0 10 10m6 63 10 35m 一 选择题1 对于物质波的理解 以下说法正确的是 A 任何运动的物体 质点 都伴随一种波 这种波叫物质波B 我们平时见到的机械波比如湖面上形成的水波就是物质波C 通常情况下 电子比质子的波长长D 核外电子绕核运动时 并没有确定的轨道 解析 选A C D 据德布罗意物质波理论可知 任何一个运动的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都有一种波与之相对应 这种波就叫物质波 A选项正确 机械波不是物质波 湖面上形成的水波是机械波不是物质波 B错 电子的动量比质子的动量往往要小一些 由波长公式知 电子的德布罗意波波长要长 C正确 由于电子的波动性 核外电子绕核运动不可能有确定的轨道 D正确 2 对光的认识 以下说法正确的是 A 个别光子的行为表现为粒子性 大量光子的行为表现为波动性B 光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的C 光表现出波动性时 就不具有粒子性了 光表现出粒子性时 就不具有波动性了D 光的波粒二象性应理解为 在某种场合下光的波动性表现明显 在另外某种场合下 光的粒子性表现明显 解析 选A D 个别光子的行为表现为粒子性 大量光子的行为表现为波动性 A正确 当光和物质作用时 是 一份一份 的 表现出粒子性 并不是光子间的相互作用 B错误 光的传播表现为波动性 光的波动性与粒子性都是光的本质属性 只是表现明显与否 不容易观察并不说明不具有 3 能够证明光具有波粒二象性的现象是 A 光的干涉 衍射现象和光电效应B 光的反射与小孔成像C 光的折射与偏振现象D 光的干涉 衍射与光的色散 解析 选A 小孔成像说明光沿直线传播 选项C D说明光的波动性 故选项A正确 4 频率为 的光子 德布罗意波波长为能量为E 则光的速度为 A E hB pEC E pD h2 Ep 解析 选A C 根据c E h 即可解得光的速度为故选A C 5 为了观察晶体的原子排列 采用了以下两种方法 1 用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像 由于电子的物质波波长很短 能防止发生明显衍射现象 因此 电子显微镜的分辨率高 2 利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样 进而分析出晶体的原子排列 以下正确的是 A 电子显微镜所利用的是 电子的物质波的波长比原子尺寸小得多B 电子显微镜中电子束运动的速度应很小 C 要获得晶体的X射线衍射图样 X射线波长要远小于原子的尺寸D 中子的物质波的波长可以与原子尺寸相当 解析 选A D 由题目所给信息 电子的物质波波长很短 能防止发生明显衍射现象 及发生衍射现象的条件可知 电子的物质波的波长比原子尺寸小得多 A项正确 由信息 利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样 及发生衍射现象的条件可知 中子的物质波或X射线的波长与原子尺寸相当 D项正确 C项错 6 2011 台州高二检测 下列物理实验中 能说明粒子具有波动性的是 A 通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系 证明了爱因斯坦方程的正确性B 通过测试多种物质对X射线的散射 发现散射射线中有波长变大的成分C 通过电子双缝实验 发现电子的干涉现象D 利用晶体做电子束衍射实验 证实了电子的波动性 解析 选C D 干涉和衍射是波特有的现象 由于X射线本身就是一种波 而不是实物粒子 故X射线有波长变大的成分 并不能证实物质波理论的正确性 即A B并不能说明粒子的波动性 证明粒子的波动性只能是C D 故选项C D正确 7 在中子衍射技术中 常利用热中子研究晶体的结构 因为热中子的德布罗意波波长与晶体中原子间距相近 已知中子质量m 1 67 10 27kg 普朗克常量h 6 63 10 34J s 可以估算德布罗意波波长 1 82 10 10m的热中子动能的数量级为 A 10 17JB 10 19JC 10 21JD 10 24J 解析 选C 由 h p知热中子的动量又p2 2mEk 所以热中子动能 故选项C正确 8 2011 绍兴高二检测 关于光的波粒二象性的理解 正确的是 A 大量的光子中有些光子表现出波动性 有些光子表现出粒子性B 光在传播时是波 而与物质相互作用时就转变成粒子C 高频光是粒子 低频光是波D 波粒二象性是光的属性 有时它的波动性显著 有时它的粒子性显著 解析 选D 光的波粒二象性是光的属性 不论其频率的高低还是光在传播或者是与物质相互作用 光都具有波粒二象性 大量光子的效果易呈现出波动性 个别光子的效果易表现出粒子性 光的频率越高 粒子性越强 光的频率越低 波动性越强 故A B C错误 D正确 方法技巧 利用光的波粒二象性解题技巧利用光的波粒二象性求解有关问题 要正确理解波粒二象性 粒子性的一面表现在光子具有能量 h 动量以及和其他物质作用时 显示光的粒子性的一面 波动性的一面表现在光传播时 频率越低 波长越长的光 波动性越显著 光的粒子性和波动性组成一个有机的整体 相互间并不独立存在 在宏观现象中 波与粒子是对立的概念 而在微观世界中波与粒子可以统一 由于我们的经验局限于宏观物体的运动 微观世界的某些属性与宏观世界不同 我们从来没有过类似的经历 光既不是宏观概念的波 也不同于宏观概念的粒子 二 非选择题9 质量m 50kg的人 以v 15m s的速度运动 试求人的德布罗意波波长 解析 由德布罗意波公式得上面的结果说明宏观物体的波动性是不显著的 对宏观物体不必考虑其波动性 只考虑其粒子性即可 答案 8 8 10 37m 10 现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构 为满足测量要求 将显微镜工作时电子的德布罗意波波长设定为其中n 1 已知普朗克常量h 电子质量m和电子电荷量e 电子的初速度不计 则显微镜工作时电子的加速电压应为多少 解析 由德布罗意波公式得而解得答案 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全