2021-2022学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册4.4德布罗意波教学设计

《德布罗意波》教学设计
(一)教学目标
(1)知道实物粒子和光子一样具有波动性。知道德布罗意波长和粒子动量的关系(1)知道实物
(2) 通过电子行射的实验，了解实物粒子也具有波动性. 通过讨论与交流，认识到无法观察宏物体的波动性的原因.
(3)通过德布罗意波假说的提出，体会科学假说在物理学研究与发展中的作用，学习科学假说的思想方法，培养创新精神.
(二)教材分析
把光的波粒二象性推广到一切微观粒子上，就是德布罗意提出的德布罗意波假说电子衍射现象证明了电子的波动性，为德布罗意波假说提供了实验证据.本节首先从“实物粒子是否也具有波动性”的问题出发，引入德布罗意波假说，并给出了德布罗意波的波长与其动量之间的关系表达式接下来，教材给出德布罗意波假说的实验依据一电子衍射实验，证明了实物粒子和光一样都具有波动性.
教学时，教师依据教学意图或侧重点的不同，可选择以下两种思路进行教学:
(1) 按照教材内容的顺序进行教学，先引出德布罗意波假说，再介绍假说的实验依据，这也是物理学史的发展顺序.用这种顺序教学时，应渗透科学的方法论教育，使学生明确猜想在物理学上的重大作用.
(2)把教材内容的顺序做调整，先介绍电子衍射实验，和学生一起探讨实验中所揭示的结论，再引出德布罗意的物质波理论，这种教学顺序比较有逻辑性:
(三)学情分析
由于学生对于光的波粒二象性有了正确的认识，对德布罗意波假说的理解就不会很困难，主要问题是可能会走向另一-极端一既然一切微观粒子都具有波动性，而宏观物体都是由微观粒子组成，那么宏观物体应该也具有波动性，为何日常生活中我们观察不到宏观物体的波动性 此时，可让学生计算宏观物体的德布罗意波波长，对照学生在热学中学过的分子的直径和分子间距等数量级的知识，让学生明白在宏观物体中是不可能找到这样的小孔或者障碍物来满足明显衍射条件的.同时要让学生明确，物体的运动都有波动性，即使太阳和地球这样巨大的物体也有对应的波长，但由于其动量太大，波长太小，其波动性难以观察到.
（四）教学流程
同学们，大家好，我是广州市真光中学的林兴腾老师，今天我将和大家一起学习《德布罗意波》。通过上一节课的学习，我们知道了光具有波粒二象性，具体表现在：
1.与物质发生作用时,更多的表现出粒子性;传播时,更多的表现出波动性
2.少量或个别光子容易显示出粒子性;大量光子容易显示出波动性
3.频率较大时,易显示粒子性; 频率较小时,易显示波动性进一步，我们可以猜想一下：
既然光具有波粒二象性，那么实物粒子是否也像光一样， 既有粒子性，又有波动性呢 我们翻开课本 89 页，德布罗意假说：
法国物理学家德布罗意首次提出了一个大胆的假设:实物粒子和光一样具有波粒二象性.
这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫物质波.
h
德布罗意假设实物粒子的波长与其动量之间的关系为：
p
入是德布罗意波的波长,p 是相应的实物粒子的动量.
德布罗意假说是在没有任何实验依据的情况下提出来的，我们知道物理学是一门以实验为基础的学科，在未经实验检验之前，所有的理论都不可能成为科学的真理.那么，有没有办法通过实验来验证德布罗意的假说呢
我们知道波是可以发生干涉和衍射的，如果德布罗意波真的存在，实物粒子也应该能够发生衍射或干涉！
现在我们一起看看课本 90 页的讨论与交流：
质量为 10 g 的子弹，速度为 500 m/s，它对应的德布罗意波波长是多少 有可能让这样一束子弹打在靶上而出现干涉或衍射现象吗
下面我们来计算一下：
=1.3×10－34m
通过计算可知，子弹的波布罗意波波长非常非常小。
而波的在遇到一个大小与其波长相仿的小孔时才会发生明显衍射现象. 由此可知，由于宏观物体的德布罗意波的波长极小，所以很难观测到其衍射现象！那还有其它办法来验证德布罗意假说吗？宏观物体不行，我们能否尝试从微观粒子入手呢？
以电子为例，电子的质量为 9.1×10-31 kg，某电子速度大小为 4.0×106m/s ，请计算该电子对应的德布罗意波长。下面我们来计算一下：
=1.8×10－10m
现在，我们能否找到这么一个小孔呢？
我们知道晶体内部的原子（或离子）在空间呈周期性排列，在每一层晶面上就构成一定形状的网格，每一个网格就相当于一个这样的小孔．所以，电子束照射到晶体上可能会发生衍射。
美国工程师戴维森在 1927 年宣布获得了电子束在晶体上的衍射图样，实验结果与德布罗意公式计算的结果完全一致.
几乎同时英国物理学家 G.P.汤姆孙也独立发现了电子在晶体上的衍射现象.课本 90 页图 4-4-2 和图 4-4-3 就是电子束在晶体上的衍射图样.
电子衍射实验证明了德布罗意波假说，德布罗意因此获得了 1929 年的诺贝尔物理学奖．而戴维森和 G.P.汤姆孙则共同获得 1937 年的诺贝尔物理学奖.
电子不仅会发生衍射，而且会发生干涉．实验表明，微弱电子束的干涉图样和弱光干涉图样是非常相似的．由此可见，实物粒子的确具有波动性.
实验证明，不仅仅电子，其他微观粒子都具有波动性．同时，各种实物粒子也具有粒子性，这就是说实物粒子具有与光一样的波粒二象性．波粒二象性是包括光子在内的一切微观粒子的共同特征.
下面我们通过一道习题进一步强化认知微观粒子的波动性：
利用金属晶格(大小约 10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样．已知电子质量为 m，电荷量为 e，初速度为 0，加速电压为 U，普朗克常量为 h，则加速后电子的德布罗意波长为多少？若电子质量 m＝9.1×10－31 kg，加速电压 U＝300 V，则电子束能否发生明显衍射现象？
接下来我们学习一下德布罗意波原理在生活中的运用：
电子显微镜就是利用了德布罗意波的原理制作的。电子显微镜是在光学显微镜的基础上，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器，相对于光学显微镜，电子显微镜的分辨率更高。
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长设定为 d/n，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为多少
下面我们一起来计算一下：
接下来我们通过堂上练习巩固一下刚才所学的内容。
1．(多选)关于物质波，下列认识正确的是( )
A．任何运动的物体都伴随一种波，这种波叫物质波
B．X 射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的
C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的
D．宏观物体尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象
由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，所以 A 选项是正确的；由于 X 射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故 X 射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，即 B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故
C 选项是正确的；干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故选项 D 错误．综合以上分析知，本题应选 A、C.
2．下列说法正确的是( )
A．德布罗意波属于机械波
B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C．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，后来把这种波叫做德布罗意波
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
德布罗意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，所以 ABD 错，应选 C
3．若某个质子的动能与某个氦核的动能相等，则这两个粒子的德布罗意波长之比( ) A．1∶2 B．2∶1 C．1∶4 D．4∶1
4．一质量为 450 g 的足球以 10 m/s 的速度在空中飞行；一个初速度为零的电子，通过电压为 100 V 的电场加速．试分别计算它们的德布罗意波长，其中，电子质量为 9.1×10－31 kg.
5．用高压加速后的电子的德布罗意波的波长可以小到 10－12 m 数量级．用它观察尺度在
10－10 m 数量级的微小物体时，其衍射就可以忽略不计，从而大大提高了显微镜的分辨能力．一台电子显微镜用来加速电子的电压高达 U＝106 V，求用它加速后的电子束的德布罗意波的波长．(电子的质量为 m＝0.91×10－30 kg)
6.电子和光一样具有波动性和粒子性，它表现出波动的性质，就像 X 射线穿过晶体时会产生衍射一样，这一类物质粒子的波动叫物质波．质量为 m的电子以速度 v运动时，这种物质波的波长可表示为λ＝h/mv.电子质量 m＝9.1×10－31 kg，电子电荷量 e＝1.6×10－19 C，普朗克常量 h＝6.6×10－34 J·s.
(1)计算具有 100 eV 动能的电子的动量 p和波长λ.
(2)若一个静止的电子经2500 V 电压加速,求能量和这个电子动能相同的光子的波长,并求该光子的波长和这个电子的波长之比.
课堂到此结束，谢谢大家的观看，再见！