课件28张PPT。第十七章：波粒二象性 第 1 节：能量量子化1. 了解热辐射及其特性。
2. 了解黑体及黑体辐射的概念和特点。
3. 了解能量子的概念及其提出的科学过程。 首先介绍能量量子化发现的背景，并利用铁块加热的例子，让学生观察现象，引出新课热辐射的概念和热辐射的现象，然后让学生阅读教材，并引出黑体的概念，同时展示黑体模型，并引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，通过课件展示讲解黑体辐射的实验规律。又通过“紫外灾难”无法用已有理论解释黑体辐射的规律，而引出能量子的概念，通过课件展示普朗克的能量子假说和黑体辐射公式。
本节知识对学生来说，相关经验较少，理解起来有一定困难。比如黑体辐射规律、研究黑体和理想黑体模型作用、“紫外灾难”、“量子化”和“连续性”等问题都是学生先前没有接触过的。因此在学生预习阅读的基础上以教师的生动讲解为主，在讲解过程中充分多媒体投影，以生活中的实物粒子展现“连续性”和“量子化”的概念，同时教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架，亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键。 19 世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。
在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。
另外还找到了力、电、光、声 ── 等都遵循的规律 ──能量转化与守恒定律。
当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，……”科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了 这两朵乌云是指什么呢？ 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验普朗克量子力学的诞生相对论问世这两朵乌云到底是什么回事呢？ 量 子 力 学相 对 论微 观 领 域高 速 领 域经 典力 学在火炉旁边有什么感觉？
投在炉中的铁块开始是什么颜色？过一会有是什么颜色？加热铁1. 概念：固体或液体，在任何温度下都在辐射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化 例如：铁块 温度? 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色。一、热辐射现象 2. 原因：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率做无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。3. 特点：辐射强度及波长的分布随温度变化；随着温度升高，电磁波的短波成分增加。注意： 激光、日光灯发光不是热辐射。直觉: 低温物体发出的是红外光；
炽热物体发出的是可见光；
高温物体发出的是紫外光。4. 热辐射的主要成分：室温时，波长较长的电磁波；高温时，波长较短的电磁波。5. 热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。向外发射的电磁波能量 = 从外界吸收的能量 一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看窗内，你会发现什么？为什么？向远处观察打开的窗子近似黑色物体表面能够吸收和反射外界射来的电磁波。
如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。黑体模型二、黑体与黑体辐射1. 黑体是个理想化的模型。
例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体
2. 对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。
3. 一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，但黑体
辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。1. 测量黑体辐射的实验原理图
加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的
黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 三、黑体辐射的实验规律 单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。特点：随温度的升高
①各种波长的辐射强度都在增加；
②绝对黑体的温度升高时，辐射强度的最大值向短波方向移动。2. 辐射强度3. 经典物理学所遇到的困难
解释实验曲线 ── 一朵令人不安的乌云1) 维恩的半经验公式：
短波符合，长波不符合
2) 瑞利 ─ 金斯公式：
长波符合，短波荒唐
── 紫外灾难普朗克能量子假说
1. 辐射物体中包含大量振动着的带电
微粒，它们的能量是某一最小能量
的整数倍：E = nε n = 1，2，…
2. ε 叫能量子，简称量子，n 为量子数，它只取正整数 — 能
量量子化；
3. 谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量；
4. 对于频率为 ν 的谐振子，最小能量为：ε = hν h = 6.626?10 ─34 J·s — 普朗克常量 四、能量子：超越牛顿的发现黑体辐射公式
1900 年 10 月19 日，普朗克在
德国物理学会会议上提出一个黑体
辐射公式M.Planck 德国人 1858－1947五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射五、普朗克能量子理论成功解释黑体辐射普朗克能量量子化 ─ 物理学的新纪元牛顿以来物理学最伟大的发现之一跨出了真正说明物质世界量子性的第一步爱因斯坦 Planck 抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。1918年他荣获诺贝尔物理学奖。死后他的墓碑上只刻着他的姓名和
h = 6.626?10 ─34 J·s 既然灯向外辐射的光能是分立的，一份份的。 为何我们看不到灯的亮度发生变化？1. 在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化。2. 在研究微观粒子时必需考虑能量量子化。1. 热辐射现象 2. 黑体与黑体辐射
黑体：吸收而不反射电磁波3. 黑体辐射的实验规律
温度升高，辐射强度增加，强度的极大值向波长较短
的方向移动4. 能量子：超越牛顿的发现5. 普朗克能量子理论成功解释黑体辐射
ε =hν
h=6.626?10-34J·s ——普朗克常量1. 下列叙述正确的是 ( )
A. 一切物体都在辐射电磁波
B. 一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C. 黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温
度有关
D. 黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波ACD2. 炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理? 根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、绿、蓝、紫等光的成分就增多。因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度。3. 对应于3.4×l0 ─19 J 的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色？解：根据公式 ε = hν 和 ν = c/λ 得
ν = ε/h = 5.13×1014 Hz
λ = c/ν = 5.85×10 ─ 7 m
5.13×10 ─ 14 Hz 的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，
其波长为 5.85×l0─7 m。课件30张PPT。第十七章：波粒二象性 第2节：光的粒子性1. 通过实验了解光电效应的实验规律。
2. 知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
3. 了解康普顿效应，了解光子的动量。 首先提出光是什么，让学生进行发散讨论，引入新课内容光的粒子性。通过光电效应实验，得出光电效应的概念，接着通过视频，观察光电效应实验的规律，和学生共同总结出光电效应实验的三条规律。又通过“无法用经典的波动理论来解释光电效应”，提出三个结论都与实验结果相矛盾的问题，引出爱因斯坦的光电效应方程。最后通过光电效应理论的验证的介绍，验证了爱因斯坦的光电效应方程理论的正确性，并且补充了光电效应在近代技术中的应用。
在光电效应的实验中，利用视频演示了锌板在紫外光和白炽灯照射下发生的现象，使学生产生了浓厚的学习兴趣。并通过展示原理图，让学生了解光电效应实验的原理和规律。在介绍爱因斯坦的光电效应方程理论的时候，可以结合学生以往对功能关系的学习，进而得出矛盾的观点，引出光电效应理论的验证，并通过光控继电器和光电倍增管的例子，说明光电效应在近代技术中的应用，使学生能结合生活生产活动，联系物理的理论学习。 太阳能是比较环保又很经济的能源，利用太阳能电板可以将太阳光转化成电能储存起来，充当电源。那么光是什么呢，那么本节课我们就一起来学习。 把一块锌板连接在验电器上，用紫外线照射锌板，观察验电器指针的变化。 光电效应 使验电器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电!定义：当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。
光电子定向移动形成的电流叫光电流。 一、光电效应现象 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接
收电路的间隙如果受到光照就更容易产生电火花。这就
是最早的光电效应。
后来经过汤姆逊等多名科学家的实验研究，证实了
这个现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子
从表面逸出，这个现象就叫光电效应。光电效应规律二、光电效应的实验规律1. 存在饱和电流 光照不变，增大 UAK，G 表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。 因为光照条件一定时，K 发射的电子数目一定。 实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。－v加反向电压，如图所示：光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动。若U = 0 时，I ≠ 0，因为电子有初速度。则 I = 0，式中 Uc 为遏止电压。2. 存在遏止电压和截止频率遏止电压 Uc ：使光电流减小到零的反向电压UKA速率最大的是 vc最大初动能光电效应伏安特性曲线实验表明：对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。光的频率 ν 改变时，遏止电压也会改变。光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。截止频率：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。 当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10─9 秒 ( 这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。光电效应在极短的时间内完成！ 3. 具有瞬时性勒纳德等人通过实验得出以下结论1. 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；4. 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 10─9 秒。3. 光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；2. 当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；逸出功 W0 ：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。三、光电效应解释中的疑难 1. 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压 Uc 应与光的强弱有关。实验表明：对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。按照光的电磁理论，可以得到以下结论： 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。2. 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。3. 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10-9 s。1. 内容：光不仅在发射和吸收时以能量为 hν 的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 ν 的光是由大量能量为 ε = hν 的光子组成的粒子流组成的，这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功 W0 ，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出：2. 爱因斯坦光电效应方程四、爱因斯坦的光量子假设 W0 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。 3. 光子说对光电效应的解释(2) 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。(3) 光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。(1) 爱因斯坦方程表明，光电子的初动能 Ek 与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当 hν > W0 时，才有光电子逸出，vc= W0 /h 就是光电效应的截止频率 。4. 光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。 可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。五、光电效应在近代技术中的应用1. 光控继电器 可对微弱光线进行放大，可使光电流放大 105 ~ 108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。2. 光电倍增管1. 光电效应现象2. 光电效应实验规律4. 爱因斯坦的光电效应方程3. 光电效应解释中的疑难5. 光电效应在近代技术中的应用B2. 一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则
下列措施中可能使该金属产生光电效应的是( )
A. 延长光照时间
B. 增大光束的强度
C. 换用红光照射
D. 换用紫光照射D3. 根据图所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。解：当入射光频率分别为 ν1、ν2 时，测出遏止电压 U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式，解得其中 e 为电子的电量，测出 U1与 U2就可测出普朗克常量实验步骤：(2) 用频率为 ν2的光照射，重复(1)的操作，记下伏特表的
示数U2。 (4) 多次测量取平均值。(3) 应用 计算 h。课件21张PPT。第十七章：波粒二象性 第 2 节：光的粒子性1. 通过实验了解光电效应的实验规律。
2. 知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
3. 了解康普顿效应，了解光子的动量。 首先对光的波粒二象性，即光同时具有波的特点和粒子的特性，引出光的另一种特性：粒子性。接着介绍康普顿效应和康普顿散射的实验装置与规律，通过动画，观察康普顿效应的原理。然后对康普顿效应的疑难部分提出问题，又通过“光子”的概念解释了康普顿效应现象，最后对康普顿效应的实验意义进行说明。
本节内容重点是了解人类对光本性认识的发展史，了解物理学的曲折发展过程和研究方法，从而激发学生的学习兴趣，使学生受到辩证唯物主义教育，初步认识光的波动性与粒子性，且光具有波粒二象性是学习的难点。课堂教学中要能够联系以往的学习基础，让学生自己去发现问题、提出问题，要调动学生学习的积极性，增加视频、动画等多媒体演示，穿插介绍物理学史是十分必要的。 白天的天空各处都是亮的；航天员在大气外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他地方的天空却是黑的，甚至可以看见星星。这是为什么？ 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 1923 年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。一、康普顿效应1. 光的散射2. 康普顿效应3. 康普顿散射的实验装置与规律晶体光 阑探测器?0散射波长?康普顿正在测晶体对 X 射线的散射按经典电磁理论：如果入射 X光是某种波长的电磁波， 散射光的波长是不会改变的！康普顿散射曲线的特点(1) 除原波长 ?0 外出现了移向长波方向的新的散射波长 ? 。(2) 新波长 ? 随散射角的增大而增大。散射中出现 ? ≠ ?0 的现象，称为康普顿散射。波长的偏移为康普顿散射称为电子的Compton波长 波长的偏移只与散射角? 有关，而与散射物质种类及入射的 X 射线的波长 ?0 无关。λc = 0.0241 ? = 2.41?10-3 nm（实验值） 只有当入射波长 λ0 与 λc 可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用 X 射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。1. 经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难(1) 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。(2) 无法解释波长改变和散射角关系。二、康普顿效应解释中的疑难 2. 光子理论对康普顿效应的解释(1) 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
(2) 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。 (3) 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。1. 有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； 2. 首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；3. 证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。三、康普顿散射实验的意义吴有训对研究康普顿效应的贡献 1923年，参加了发现康普顿效
应的研究工作。
1925 ─ 1926 年，吴有训用银的
X 射线(?0 = 5.62 nm )为入射线, 以
15 种轻重不同的元素为散射物质，
在同一散射角 ( φ =120°) 测量各种
波长的散射光强度，作了大量 X 射
线散射实验。对证实康普顿效应作
出了重要贡献。动量能量是描述粒子的
频率和波长则是用来描述波的四、光子的动量1. 康普顿效应 3. 康普顿散射实验的意义2. 康普顿效应解释中的疑难 4. 光子的动量 1. 关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是 ( )
A. 在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一
份叫一个光子
B. 光是具有质量、能量和体积的物质微粒子
C. 光子的能量跟它的频率成正比
D. 光子客观并不存在，而是人为假设的 B2. 能引起人的视觉感应的最小能量为 10─18 J，已知可见光的平均波长约为 0.6 ?m，则进入人眼的光子数至少为 个，恰能引起人眼的感觉。33. 关于光电效应下述说法中正确的是 ( )
A. 光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大
B. 只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一
定能产生光电效应
C. 在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率
无关
D. 任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的
光不能发生光电效应D4. 在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？ 在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。但紫光不是最亮的。因为光的亮度由两个因素决定，一为光强，二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。5. 在光电效应实验中，如果入射光强度增加，将产生什么结果？如果入射光频率增加，又将产生什么结果？ 当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多； 当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。 入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增加。课件24张PPT。 第 3 节：粒子的波动性第十七章：波粒二象性1. 知道实物粒子和光子一样都具有波粒二象性。
2. 会从能量、动量、波长、频率的角度分析波和粒子之间
的联系。
3. 知道德布罗意波，会计算德布罗意波的波长。 首先回顾前面对光的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程，从光的波粒二象性引出其他物质（粒子）也具有波动性，提出德布罗意波及德布罗意的关系式。然后通过德布罗意的关系式算出一些常见宏观物体的波长，得出宏观物体不易看到波动性的现象。最后通过介绍物质波的实验验证，如：电子衍射实验、电子双缝实验，让学生进一步了解物质波现象。
教学中较多的采用点拨法和启发式教学。把学习的主动权还给学生，在介绍光的发现历程的过程中，可以让学生在课前搜索一些发现光的性质的典故。利用上一节得到的公式，让学生观察其中的统一。并且在讨论道德布罗意波的正确性方面，可以通过“子弹波”和“电子波”进行讨论。最后还可以通过视频，观察电子束的衍射现象。科学合理的教学方法能使教学效果事半功倍，达到教与学的和谐完美统一。光的本性有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：
光是波还是粒子？
布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，
星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”
如果你是布拉格教授，将如何机智地回答？
那么光的本性到底是什么？光学发展史T /年波动性粒子性光学发展史T /年波动性粒子性赫兹电磁波实验赫兹发现光电效应密立根光电效应实验康普顿效应牛顿微粒说占主导地位波动说渐成真理光学发展史T /年波动性粒子性光既具有粒子性，又具有波动性！光的干涉光的衍射光电效应康普顿效应ν、λ光子的能量光子的动量 p 与 ε 是描述粒子性的，λ、ν 是描述波动性的，h 则是连接粒子和波动的桥梁。 他认为，“整个世纪以来( 指19世纪 ) 在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那末在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢” 一、德布罗意的物质波 德布罗(De · Broglie)，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。粒子性波动性（具有能量）（具有频率）（具有动量）h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁（具有波长） 能量为 ε、动量为 p 的粒子与频率为 v、波长为 ? 的波相联系，并遵从以下关系：ε = mc2 = hv 一个质量为 m 的实物粒子以速率 v 运动时，即具有以能量 ε 和动量 p 所描述的粒子性，同时也具有以频率n 和波长 l 所描述的波动性。 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。一切实物粒子都有波动性 德布罗意关系：实物粒子的波粒二象性的意思是：
微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。 这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波 ( 物质波或概率波 )，其波长 ? 称为德布罗意波长。 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 λ = h/p。 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。解：估计一个中学生的质量 m ≈ 50 kg ，百米跑时速度 v ≈ 7 m/s ，则 由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。1. 电子动能 εk = 100 eV；子弹动量 p = 6.63×106 kg·m·s-1, 求德布罗意波长。解：因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。 由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？ X 射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。 如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？ 1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末做电子衍射实验，验证电子具有波动性。电子衍射实验 1 戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。二、物质波的实验验证实验现象实验装置显然将电子看成微粒无法解释M电流出现了周期性变化 1927年 G.P.汤姆逊 (J.J.汤姆逊之子)也独立完成了电子衍射实验。与 C.J.戴维森共获 1937年诺贝尔物理学奖。电子衍射实验2 电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象 X 射线一样产生衍射现象。 此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。电子衍射图样电子衍射实验电子双缝实验 1961年琼森（Claus J?nsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.5?10-6 m，间隔为 d = 2.0?10-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。大量电子一次性的行为电子显微镜电子显微镜下的灰尘1. 德布罗意的物质波 这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波或概率波)，其波长 ? 称为德布罗意波长。2. 物质波的实验验证电子衍射实验 1电子衍射实验 2电子双缝实验1. 求静止电子经 15000 V 电压加速后的德波波长。解：静止电子经电压 U 加速后的动能2. 质量 m = 50 kg 的人，以 v = 15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长。课件25张PPT。 第 4 节：概 率 波第十七章：波粒二象性1. 了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的
问题。
2. 了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的
问题。
3. 了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动
性，又有粒子性。
4. 了解光是一种概率波。 首先通过经典的粒子和经典的波的对比，提出光子的落点特点，引出概率波的概念。再通过电子双缝衍射的说明，得出物质波不是经典波。微观粒子不是经典粒子的特点说明。最后通过电子干涉条纹对概率波的验证，了解光是一种概率波。
在介绍电子双缝衍射部分时，举例机关枪射子弹的例子，能有效的说明落点概率的特点，能较好的说明概率波现象。并且充分应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。经典的粒子经典的波（经典物理学关于粒子和波的概念）
经典的粒子：
具有空间大小、质量、电量等，遵从牛顿第二定律，任意
时刻有确定的位置和速度，以及确定的运动轨迹。
经典的波：
某种物理量呈时空周期性的分布 ( 确定的点处具时间周期
性，确定的方向上具有空间周期性)，特征是具有频率和波长。 显然，在经典的传统观念中，一个客体要么是粒子，要么是波，非此即彼！
为什么光子、电子和质子等微观粒子又能集这两种互不相容的属性于一身呢？一、概率波 明纹处到达的光子数多，暗纹到达的光子少 这是否可以认为，是光子之间的相互作用使它表现出了波动行，而不是光子本身就具有波动性呢？一个光子通过狭缝后到底落在屏上的哪一点呢？ 1926年德国物理学家波恩指出：光子落在明处的概率大，落在暗处的概率小。 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以从光子的概念上看，光波是刻画光子在空间的概率分布的一种概率波。电子双缝衍射 1. 用足够强的电子束进行双缝衍射—— 出现了明暗相间的衍射条纹，体现电子的波动性—— 衍射条纹掩饰了电子的粒子性
未能体现电子在空间分布的概率性质 —— 得到的结果与光的双缝衍射结果一样 2. 用非常弱的电子束进行双缝衍射单个电子的运动方向是完全不确定的 — 具有概率分布
一定条件下，电子运动方向的概率具有确定的规律 开始电子打在屏幕上的位置是任意的
随着时间推移，电子具有稳定的分布
出现清晰衍射条纹 — 和强电子束在短时间形成的一样 —— 经典的波是介质中质元共同振动形成的
双缝衍射中体现为无论电子强度多么弱，屏幕上
出现的是强弱连续分布的衍射条纹—— 实际上在电子强度弱的情形中，电子在屏幕上
的分布是随机的，完全不确定的 物质波不是经典波 经典粒子双缝衍射—— 子弹可以看作是经典粒子
假想用机关枪扫射双缝 A 和 B，屏幕 C 收集子弹数目微观粒子不是经典粒子1. 将狭缝 B 挡住—— 子弹通过 A 在屏幕 C 上有一定的分布—— 类似于单缝衍射的中央主极大
P1 — 子弹落在中央主极大范围的概率分布2. 将狭缝 A 挡住—— 子弹通过狭缝 B 在屏幕 C 上有一定的分布—— 类似于单缝衍射的中央主极大
P2 — 子弹落在中央主极大范围的概率分布3. A 和 B 狭缝同时打开—— 子弹是经典粒子
原来通过 A 狭缝的子弹 —— 还是通过 A
原来通过 B 狭缝的子弹 —— 还是通过 B屏幕 C 上子弹的概率分布：不因两个狭缝同时打开每颗子弹会有新的选择！—— 电子双缝衍射—— 电子枪发射出的电子，在屏幕 P 上观察电子数目1. 将狭缝 B 挡住—— 电子通过狭缝 A
在屏幕 C 有一定分布
—— 类似于单缝衍射的中
央主极大2. 将狭缝 A 挡住—— 电子通过狭缝 B 在屏幕 C 上有一定的分布
类似于单缝衍射的中央主极大3. A 和 B 狭缝同时打开—— 如果电子是经典粒子
原来通过 A 狭缝的电子 —— 还是通过 A
原来通过 B 狭缝的电子 —— 还是通过 B屏幕上电子的概率分布：屏幕 C —— 实际观察到类似光的双缝衍射条纹屏幕 C 上电子的概率分布—— 只开一个狭缝和同时开两个狭缝
电子运动的方向具有随机性 A 和 B 狭缝同时开时电子似乎“知道” 两个狭缝都打开！双缝和屏幕之间到底发生了什么？屏幕上电子的分布 —— 有了新的概率分布电子不是经典粒子 光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定I 大，光子出现概率大I 小，光子出现概率小统一于概率波理论光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比二、电子干涉条纹对概率波的验证 与电子等微观粒子相联系的物质波也是刻画粒子在空间分布的概率波单个粒子 位置不确定大量粒子 确定的宏观结果 如干涉条纹1. 概率波光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，光波是刻画光子在空间的概率分布的一种概率波。2. 电子干涉条纹对概率波的验证单个粒子 位置不确定大量粒子 确定的宏观结果 如干涉条纹B1. 光电效应的四条规律中，波动说仅能解释的一条规
律是 ( )
A. 入射光的频率必须大于或等于被照金属的极限频率
才能产生光电效应
B. 发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成
正比
C. 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大
D. 光电效应发生的时间极短，一般不超过 10?? sC2. 下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是 ( )
A. 有的光是波，有的光是粒子
B. 光子与电子是同样的一种粒子
C. 光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子
性越显著
D. 大量光子产生的效果往往显示粒子性3.下列说法不正确的是 ( )
A. 光是一种电磁波
B. 光是一种概率波
C. 光子相当于高速运动的质点
D. 光的直线传播只是宏观近似规律C课件17张PPT。 第 5 节：不确定性关系第十七章：波粒二象性1. 了解不确定关系的概念和相关计算。
2. 了解物理模型与物理现象。 首先根据微观粒子具有波动性，其坐标和动量不能同时确定，不能用经典的方法来描述其粒子性的特点，引出光的单缝衍射实验说明。通过分析，得出海森伯不确定关系，然后通过比较电子与子弹二者速率相同时，测量位置所能达到的最小不确定度，说明对微观粒子不能用经典力学来描写，又通过微观粒子和宏观物体的特性对比，再提出能量和时间的不确定关系，最后说明不确定关系的物理意义。
本节内容比较抽象，学生在理解上会比较困难，结合动画的形式让学生观察单缝衍射实验，并且通过微观粒子和宏观物体的特性对比，让学生对微观粒子和宏观物体的特性有较为全面的把握和理解。在公式的说明部分，更多的运用公式说明解决实际问题，让学生能从计算结果得出自己的见解，更好地消化本章内容和公式部分。 根据经典物理学，如果我们已知一物体的初始位置和初始速度，就可以准确地确定以后任意时刻的位置和速度。 但是在微观世界中，由于微观粒子具有波动性，其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性，本节课我们就一起来学习。激光束像屏 若光子是经典粒子，在屏上的落点应在缝的投影之内。 由于衍射，落点会超出单缝投影的范围，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律，不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动了。光的单缝衍射屏上各点的亮度实际上反映了粒子到达该点的概率。1. 在挡板左侧位置完全不确定2. 在缝处位置不确定范围是缝宽 a = Δx?若减小缝宽：位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，所以 x 方向动量的不确定量( Δpx )变大一、海森伯不确定关系 1927 年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。 海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。不确定关系是物质的波粒二象性引起的。对于微观粒子，我们不能用经典的来描述。海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。例1. 若电子与质量 m = 0.01 kg 的子弹，都以 200 m/s 的速度沿 x 方向运动，速率测量相对误差在 0.01% 内。求在测量二者速率的同时测量位置所能达到的最小不确定度 Δx。对电子对子弹微观粒子和宏观物体的特性对比不确定关系的物理意义和微观本质1. 物理意义 微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量 ?x 越小，动量的不确定量 ?px 就越大，反之亦然。2. 微观本质 是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。 不确定关系式表明
1. 微观粒子的坐标测得愈准确 ( ? x ? 0 ) ，动量就愈
不准确 ( ?px? ? ) ；
微观粒子的动量测得愈准确 ( ?px ? 0 ) ，坐标就愈不
准确 ( ? x ? ? ) 。
但这里要注意，不确定关系
不是说微观粒子的坐标测不准；
也不是说微观粒子的动量测不准；
更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；
而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。 2. 不确定关系提供了一个判据
当不确定关系施加的限制可以忽略时，则可以用经
典理论来研究粒子的运动。
当不确定关系施加的限制不可以忽略时，那只能用
量子力学理论来处理问题。 这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有
确定量。
这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。
由上讨论可知，不确定关系是自然界的一条客观规
律，不是测量技术和主观能力的问题。为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准？海森伯的不确定性原理1. 海森伯不确定关系:2. 不确定关系的物理意义。
