4.5粒子的波动性和量子力学的建立 教案

4.5粒子的波动性和量子力学的建立
〖教材分析〗
本节内容比较少主要由物质波和量子力学的建立量大部分组成。物质波的概念使我们对自然界的认识又上升了一个层次，更加丰富了学生的世界观。在验证物质波的教学中，要求学生认识实验技术手段与科学发现的关系。能够进一步了解验证物理理论的基本方法——实验。量子力学的与我们的生活息息相关，知识大家不知道这就是量子力学罢了，教学时注意举例子来丰富学生的见识。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶形成实物粒子也具有波粒二象性的观念，了解量子力学在生活中的应用。
科学思维∶能够利用波粒二象性关系式解释实物粒子的波动性，能在生活中发现量子力学的具体应用情形，并作出解释。
科学探究：通过物质波的验证，掌握验证物理理论的基本方法——实验。
科学态度与责任∶量子力学不是一天建成的，也不是一个人就能建立，告诫学生做事要懂得合作，要持之以恒。
〖教学重难点〗
教学重点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波，量子力学的建立。
教学难点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波。
〖教学准备〗
多媒体课件等。
〖教学过程〗
一、新课引入
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
二、新课教学
（一）粒子的波动性
前面说到光具有波粒二象性，受此启发德布罗意，在他的博士论文中提出了一个大胆的假设：
如同光波具有粒子性一样，实物粒子也可能具有波动性，每一个运动的粒子都和一个波相对应，这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。
问题：它的波长和频率分别是多少呢？
和光波类比一下，我们知道光的频率和光子能量有关，所以光波的频率
问题：光的波长跟什么有关呢？
它可以用光速除以频率来计算，把频率的式子带入进去，可以整理成这样，所以波长就是
德布罗意猜测物质波的频率和波长，也满足这两个式子。
（二）物质波的实验验证
1.实验思路
我们知道，光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。
物质波验证方法：找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样。
2.实验材料
比如电子的质量m=9.1×10-31kg，用200V的加速电压给他加速能量就是200eV。此时它的波长是多少呢？
波长和动量有关，所以咱俩计算电子速度。这也可以通过动能，它比光速慢很多，用这个速度就能计算出波长了，这个波长与X射线相当，因此如果电子具有波动性，就可以用观察X射线衍射的装置观察到电子的衍射。
3.实验验证
1927年戴维孙和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了衍射图样，从而证实了电子的波动性。
在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。
问题：为什么我们看不到实物粒子的波动性呢？宏观小物体的物质波波长是多少呢？
如质量为0.01kg的子弹，速度是300m/s，那么计算出的波长就是2.21×10-34m，这也太小啦。它的原子核的半径还要小19个数量级。这根本测不出衍射，所以宏观物体几乎看不到波动性只表现粒子性。
4.粒子波动性的作用
它可以用来提高显微镜的精度，知道光如果碰到和波长差不多都物体就会发生衍射现象，这会导致被观察物体的光点成像后，变成光斑看不清楚，所以显微镜的分辨本领受到所用光波的波长限制，波长越短，精度越高。正常的显微镜使用可见光波长在400~700纳米左右，电子的德布罗意波长比这短的多 所以把光束替换成电子束制作的电子显微镜分辨能力甚至可以达到0.2纳米，这足以看清分子的表面。
（三）量子力学的建立
经典物理学无法解释的现象，这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。
普朗克黑体辐射理论：ε=hν
爱因斯坦光电效应理论：EK=hv-w0
普朗克常量：h 康普顿散射理论：
玻尔氢原子理论：hv=En-Em
德布罗意物质波假说：，
在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。
德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。
奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程。把这个方程应用于氢原子，就很容易能得到氢原子光谱的公式。
最终建立量子力学：描述微观世界的理论。
（四）量子力学的应用
1.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。（动图展示）
2.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。（动图展示）
3.量子力学推动了固体物理的发展。
STSE：量子力学的创立和索尔维会议
播放视频
课堂练习
例1：下列说法正确的是（ ）
物质波属于机械波
只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫做物质波
宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
解析∶物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同。宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，只有选项C正确。
例2：如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的（ ）也相等。
速度
.动能
动量
总动能
解析∶由德布罗意波长知二者的动量应相同，故选项 C正确，由 p=mv可知二者速度不同，，二者动能不同，由 E= mc 可知总能量也不同。答案C。
例3：根据物质波理论，下列说法正确的是（ ）
微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性
宏观物体和微观粒子都具有波动性
宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长
速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显
解析∶一切运动的物体都有一种物质波与它对应，所以宏观物体和微观粒子都具有波动性，选项A错误，选项B正确；宏观物体的物质波波长很短，不易
观察到它的波动性，选项C错误；速度相同的质子与电子相比，电子质量小，由知电子的物质波波长更长，所以电子波动性更明显，选项D正确。答案∶BD。
例4：我们根据什么说光具有波粒二象性
解析：光的干涉和衍射说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
〖板书设计〗
4.5粒子的波动性和量子力学的建立
一、粒子的波动性
实物粒子既具有粒子性，也具有波动性这种波叫做物质波，二者通过h来联系。
，
二、物质波的实验验证
观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样
三、量子力学的建立
四、量子力学的应用
〖教学反思〗
量子力学的诞生是上世纪的物理界的一件大事，它并不是一个人努力的结果，而是群英荟萃的结果。在学习量子力学时，可能学生会感到困惑，为什么不像牛顿力学一样就有具体的公式呢？其实量子力学也有公式的，只是比较多，也不是一个人的，如本节的物质波的两个关系式。那么在讲量子力学时就有必要讲重新梳理本章书例出现过的科学家，已经他们的理论。让学生有一个清晰的脉络。最后介绍量子力学在生活中的应用。
(
2
)