高中物理选择性必修三 同步导学案 4.5 粒子的波动性和量子力学的建立

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4.5
粒子的波动性和量子力学的建立
一、自主学习
1.德布罗意波：每一个___________的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫___________
波。
2.借助量子力学，人们深入认识了___________(填“宏观”或“微观”)世界的组成、结构和属性。
（1）推动了核物理和粒子物理的发展.人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个___________
(填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，又促进了___________
学和宇宙学的研究.
（2）推动了原子、分子物理和光学的发展
人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式，发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术。
（3）推动了固体物理的发展
人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有___________、绝缘体和半导体之分。
二、课堂探究
[情景设问]通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。
我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢?
（一）粒子的波动性
结论1：德布罗意提出假设：实物粒子也具有__________性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从如下关系：
这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫作__________。
[例题]根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288
km/h,羽毛球的质量为5.0
g,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?
羽毛球的速度v=288
km/h=80
m/s,其德布罗意波长λ=h/p=(6.63×10^-34)/(5.0×10^-3×80)m=1.66×10-33
m
波长太短,无法观察到羽毛球的波动性。
结论2：
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__________的缘故。
②
__________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。一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。
（二）物质波的实验验证
[实验演示]1927年C.J.戴维森和
G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。
结论3：德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有__________的性质。换句话说，它们和光一样，也具有__________。
（三）量子力学的建立
[情景设问]如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?
(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律?如何研究中子星表面的物理规律?
一系列理论都和普朗克常量紧密相关
结论4：在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来,它被称为__________。
（四）量子力学的应用
结论5：量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。
①
推动了__________物理和__________物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。
②
推动了原子、分子物理和光学的发展。人们认识了原子的__________,以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。
③
推动了固体物理的发展。人们了解了固体中电子运行的规律,并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路,俗称“__________”。
三、典题精讲
【例题1】下列关于德布罗意波的认识正确的是(　　)
A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性
【例题2】(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是(　　)
A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了
B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义
C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D.万有引力定律也适用于强相互作用力
核心素养专练
1．下列关于能量量子化的说法，正确的是（　　）
A．能量子与电磁波的频率成反比
B．电磁波波长越长，其能量子越大
C．微观粒子的能量是不连续（分立）的
D．能量子假设是由爱因斯坦最早提出来的
2．关于光的本性认识，下列说法正确的是（　　）
A．光电效应说明光具有粒子性，因而否定了光的波动性
B．光的频率越高，其波动性越显著
C．在光的单缝衍射实验中，衍射条纹的宽度不相等
D．用很弱的光长时间照射双缝得到干涉图样，说明光只有波动性
3．关于量子化和物质的波粒二象性，下列说法正确的是（　　）
A．爱因斯坦在研究黑体辐射时，为了解释黑体辐射的实验规律，提出了能量量子化
B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道
C．只有光子具有波粒二象性，运动的微粒不具有波粒二象性
D．光电效应和康普顿效应均揭示了光子具有动量
4.下列说法中正确的是（　　）
A．黑体热辐射强度与波长有关，温度升高，各种波长的辐射都有增加，且辐射强度的极大值向波长较长的方向移动．普朗克在对黑体辐射的研究时，提出了光子的假说
B．大量的电子通过双缝后在屏上能形成明暗相间的条纹，这表明所有的电子都落在明条纹处
C．电子和其他微观粒子，都具有波粒二象性
D．光波是一种概率波．光的波动性是由于光子之间的相互作用引起的，这是光子自身的固有性质
5.实物粒子和光都具有波粒二象性，下列事实中不能突出体现波动性的是（　　）
A．电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样
B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
6.2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是（　　）
A．是计算机运算的一种程序
B．表示运算速度的一个单位
C．表示微观世界的不连续性观念
D．类似于质子、中子的微观粒子
7.以下关于近代物理内容的若干叙述正确的是（　　）
A．比结合能越小，表示原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定
B．光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性，前者表明光子具有能量，后者表明光子既有能量，又有动量
C．某原子核经过一次α衰变和两次β衰变后，核内中子数减少了6个
D．普朗克把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性
8．以下现象能显著表现出光的波动性的是（　　）
A．单色光经过杨氏双缝后在屏上得到明暗相间的图样
B．紫外线照射锌板，使电子从锌板表面逸出
C．光在同一种均匀介质中沿直线传播
D．光经过三棱镜后发生偏折
9.如图甲，让一束红色的激光通过双缝，在光屏上观察到的图案应该是图______。该实验说明了光具有______（波粒二象性、波动性、粒子性）。
10.我国自行研制的一种大型激光器，能发出频率为ν、功率为P的高纯度和高亮度激光，当该激光垂直照射到某纯黑物体表面时能被完全吸收。已知真空中光速为c，普朗克恒量为h，则该激光发出的光子的动量为______，纯黑物体受到该激光的压力为______。
参考答案
自主学习
运动
物质
微观
微观
天文
导体
课堂探究
结论1：波动
物质波
结论2：小
德布罗意
结论3：波动
波粒二象性
结论4：量子力学
结论5：核
粒子
结构
芯片
典题精讲
【例题1】C
【例题2】AC
核心素养专练
1.C
2.C
3.B
4.C
5.B
6.C
7.B
8.A
9.乙；波动性
10.hν/c，P/c
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