人教版高中物理选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性第5节粒子的波动性和量子力学的建立课件（41页PPT）

(共41张PPT)
[学习目标]
1.了解粒子的波动性，知道物质波的概念。
2.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象。
3.了解量子力学的建立过程及其在物理系统中的应用。
1.粒子的波动性
(1)德布罗意假设：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。
运动
物质
2.物质波的实验验证
(1)实验探究思路：光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，则在一定条件下，也应该发生____或衍射现象。
(2)实验验证：1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的______。
干涉
波动性
波动性
3.电子、质子、原子等粒子和光一样，也具有_________性。
波粒二象
[思考探究]
如图是电子束穿过铝箔后的衍射图样，结合图样及课本内容回答下列问题：
(1)德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么？
(2)电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？
提示　(1)普朗克能量子和爱因斯坦光子理论。
(2)电子具有波动性。
[例1]　关于物质波，下列说法正确的是(　　)
A.速度相等的电子和质子，电子的波长长
B.动能相等的电子和质子，电子的波长短
C.动量相等的电子和中子，中子的波长短
D.如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的3倍，则甲电子的波长也是乙电子的3倍
A
[例2]　如图所示，碳60是由60个碳原子组成的足球状分子，科研人员把一束碳60分子以2.0×102 m/s的速度射向光栅，结果在后面的屏上观察到条纹。已知一个碳原子质量为1.99×10-26 kg，普朗克常量为6.63×10-34 J·s，则该碳60分子的物质波波长约(　　)
C
A.1.7×10-10 m B.3.6×10-11 m
C.2.8×10-12 m D.1.9×10-18 m
[例3]　(多选)1927年戴维森和革末完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的近代重大物理实验之一，如图所示是该实验装置的简化图，下列说法正确的是(　　)
ABD
A.亮条纹是电子到达概率大的地方
B.该实验说明物质波理论是正确的
C.该实验再次说明光子具有波动性
D.该实验说明实物粒子具有波动性
解析　电子属于实物粒子，电子衍射实验说明实物粒子具有波动性，说明物质波理论是正确的，故B、D正确，C错误；亮条纹是电子到达概率大的地方，故A正确。
1.量子力学的建立
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____________的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为________。
微观世界行为
量子力学
2.量子力学的应用
借助量子力学，人们深入认识了_____ (选填“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____ (选填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，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导体、绝缘体和半导体之分。
微观
微观
[例4]　(多选)关于经典力学和量子力学，下列说法正确的是(　　)
A.不论是对宏观物体，还是微观粒子，经典力学和量子力学都是适用的
B.量子力学适用于宏观物体的运动；经典力学适用于微观粒子的运动
C.经典力学适用于宏观物体的运动；量子力学适用于微观粒子的运动
D.普朗克量子力学的提出，使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界
解析　经典力学适用于低速运动、宏观物体，不适用于高速运动、微观粒子，量子力学适用于微观粒子，故A、B错误，C正确；普朗克量子力学的提出，使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世界，故D正确。
CD
1.(物质波的理解)下列说法正确的是(　　)
A.物质波属于机械波
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，这种波叫作物质波
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
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，A错误；宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，B、D错误；德布罗意认为，实物粒子具有波动性，任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，这种波叫作物质波，C正确。
C
C
3.(物质波的实验验证)(多选)电子衍射和双缝干涉实验是证明德布罗意物质波理论的重要实验，电子束通过铝箔后的衍射图样如图甲所示，不同数目的电子通过双缝后的干涉图样分别如图乙、丙和丁所示。下列说法正确的是(　　)
AD
A.亮条纹是电子到达概率大的地方 B.这两个实验都说明电子是粒子
C.这两个实验说明光子具有波动性 D.这两个实验说明实物粒子具有波动性
解析　物质波，又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的概率，其中概率的大小受波动规律的支配，亮条纹是电子到达概率大的地方，故A正确；电子是实物粒子，这两个实验是以电子是实物粒子为依据的，衍射与干涉是波特有的现象，所以电子束的衍射图样证实了德布罗意物质波的假设是正确的，说明实物粒子具有波动性，故B错误，D正确；由题干可知，图像为电子衍射和双缝干涉图样，不能说明光子具有波动性，故C错误。
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[基础巩固练]
1.(多选)关于物质波，下列说法正确的是(　　)
A.实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是相同本质的物质
B.电子的衍射实验证实了物质波的假设是正确的
C.粒子的动量越小，其波动性越易观察
D.粒子的动量越大，其波动性越易观察
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2.下列说法正确的是(　　)
A.质量大的物体，其德布罗意波长小 B.速度大的物体，其德布罗意波长小
C.动量大的物体，其德布罗意波长小 D.动能大的物体，其德布罗意波长小
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3.1924年德布罗意提出实物粒子(例如电子)也具有波动性。以下不能支持这一观点的物理事实是(　　)
A.利用晶体可以观测到电子束的衍射图样
B.电子束通过双缝后可以形成干涉图样
C.用紫外线照射某金属板时有电子逸出
D.电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领
解析　利用晶体做电子衍射实验，得到了电子衍射图样，证明了电子的波动性，故A不符合题意；电子束通过双缝后可以形成干涉图样，证明了电子的波动性，故B不符合题意；用紫外线照射某金属板时有电子逸出，发生光电效应现象，说明光子具有粒子性，故C符合题意；电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领，利用了电子的衍射特性，证明了电子的波动性，故D不符合题意。
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4.(多选)关于物质波，以下观点正确的是(　　)
A.只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波
B.只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波
C.由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性
D.电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的
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解析　只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波，故A正确，B错误；由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性，故C正确；电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的，故D正确。
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5.(多选)关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是(　　)
A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
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.波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的
D.实物粒子的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
解析　德布罗意在爱因斯坦的光子说的基础上提出了物质波的概念，一切运动的物体都具有波粒二象性，故A正确，D错误；运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，它们都是一种概率波，都没有特定的运动轨道，B正确；在宏观现象中波动性与粒子性无法同时观测到，故是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的，故C正确。
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6.2024年是量子力学诞生一百周年，量子力学已经对多个领域产生了深远的影响，包括物理学、化学、计算机科学、通信技术和生物学，量子力学已成为现代科学的重要基石之一。下列关于量子力学创立初期的奠基性事件中，说法正确的是(　　)
A.黑体辐射电磁波的强度的极大值随着温度的降低向波长短的方向移动
B.发生光电效应时，逸出光电子的最大初动能与入射光的频率成正比关系
C.德布罗意的物质波假设认为一切实物粒子都具有波粒二象性
D.根据玻尔原子理论，氢原子由高能级向低能级跃迁时，只能吸收特定频率的光
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解析　黑体辐射电磁波的强度的极大值随着温度的降低向波长长的方向移动，A错误；发生光电效应时，逸出光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大，但是不成正比，B错误；德布罗意的物质波假设认为一切实物粒子都具有波粒二象性，C正确；根据玻尔原子理论，氢原子由高能级向低能级跃迁时，只能放出特定频率的光，D错误。
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7.如果下列四种粒子具有相同的速率，则德布罗意波长最短的是(　　)
A.α粒子 B.β粒子
C.中子 D.质子
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8.某团队“拍摄”到了基于冷冻镜断层成像技术的病毒的3D影像，测得病毒的平均尺度是100 nm。波长为100 nm的光，其光子动量大小数量级为(普朗克常量为6.63×10-34 J·s)(　　)
A.10-25 kg·m/s B.10-27 kg·m/s
C.10-29 kg·m/s D.10-31 kg·m/s
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[能力提升练]
9.影响显微镜分辨本领的一个因素是波的衍射，衍射现象越明显，分辨本领越低。利用电子束工作的电子显微镜有较高的分辨本领，它利用高压对电子束加速，最后打在感光胶片上来观察显微图像。以下说法正确的是(　　)
A.加速电压越高，电子的波长越长，分辨本领越强
B.加速电压越高，电子的波长越短，衍射现象越明显
C.如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领高
D.如果加速电压相同，则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领低
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