人教版选修3-5第17章第三节《崭新的一页：粒子的波动性》PPT25张
文档属性
| 名称 | 人教版选修3-5第17章第三节《崭新的一页：粒子的波动性》PPT25张 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-03-06 23:11:53 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
粒子的波动性
◆光的波粒二象性复习
1.哪些现象证明光光具有波动性？
2.证明光具有粒子性的实验有哪些？
3.光的本质：光具有波粒二象性，光既有粒子性同时也具有波动性
4.描述光的性质的基本关系式：
光子能量ε=hv
光子动量P=h/?：其中?、v描述光波动性；ε、p描述光的粒子性。普朗克常量h是联系波动性和粒子性的桥梁。
5.光的波动性和粒子性的体现
⑴大量光子产生的效果显示波动性；个别光子产生的效果显示粒子性。
⑵波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。
⑶光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显示粒子性。
小结：光的二象性。互不否定，皆是光的本身属性。只是在不同条件下表现不同。只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为。
一切实物粒子是否都具有波粒二象性？！
一切实物粒子都具有波粒二象性。
●德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960)
德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。
1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。
爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。
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。
●德布罗意的思维逻辑
实物粒子也具有波动性
利用类比的想法，提出实物粒子应该也具有波动性。
预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。
电子有质量
根据相对论：
●德布罗意波（物质波）
每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，而且粒子的能量E、动量p与它所对应的波的频率v、波长?之间，遵从以下关系：
这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。
●德布罗意波（物质波）的实验验证
1.宏观实物粒子的波动性
一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？
试求： 质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意波长？
计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。
问题：为什么观察不到普通物体的波动性？？
发生明显衍射现象的前提：缝、孔、障碍物的尺寸与波长相差不多或比波长更短。
普通物体的质量、动量太大，从而物质波的波长太小，观察不到它们的波动性。
2.实物粒子的波动性的实验证明
⑴证明思路：观察实物粒子（如电子）的衍射图样
由?=h/p=h/mv知，要?大，应使m尽可能小。
晶体中离子间距约为10-10m，可以利用晶体做衍射光栅，检验电子的波动性。
⑵实验验证
戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得出的衍射图样，证实了电子的波动性。
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。
1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。
3.德布罗意波的实验验证
1. 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。
电流有一峰值，此实验验证了电子具有波动性，
实验发现，电子束强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一系列峰值。
当 U=54V, θ=500时
电子加速
电子束在两晶面反射加强条件：
镍单晶
与实验值相差很小。
这表明电子具有波动性，实物粒子具有波动性是正确的。
再由：
电子衍射掠射角：
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。
动画
2. 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。
13
C.J.戴维孙
通过实验发现晶体对电子的衍射作用
1937诺贝尔物理学奖
X射线经晶体的衍射图
电子射线经晶体的衍射图
5.德布罗意波的统计解释
究竟怎样理解波和它所描写的粒子之间的关系?
对这个问题曾经有过各种不同的看法。例如，有人认为波是由它所描写的粒子组成的。这种看法与实验不符。我们知道，衍射现象是由波的干涉而产生的，如果波真是由它所描写的粒子所组成，则粒子流的衍射现象应当是由于组成波的这些粒子相互作用而形成的。但事实证明，在粒子流衍射实验中，照象片上所显示出来的衍射图样和入射粒子流强度无关，也就是说和单位体积中粒子的数目无关。如果减小入射粒子流强度，同时延长实验的时间，使投射到照象片上粒子的总数保持不变，则得到的衍射图样将完全相同。即使把粒子流强度减小到使得粒子一个一个地被衍射，照片上一次出现一个孤立的点，体现了电子的粒子性。只要经过足够长的时间，所得到的衍射图样也还是一样。这说明每一个粒子被衍射的现象和其他粒子无关，衍射图样不是由粒于之间的相互作用而产生的。
能量为E、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：
E=mc2=hv
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。
一切实物粒子都有波动性
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。
一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？
质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意波长为
计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。
【例1】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≈50kg ，百米跑时速度v≈7m/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。
对于光的行为，下列说法正确的是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显
ABD
分析：光的波粒二象性是光具有波动性，又具有粒子性。有时波动性更明显，有时粒子性更明显。但波动性和粒子性是不可分割的，是从不同角度所观察到的不同性质。
1．下列说法正确的是( )
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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性
解析：选C.光同时具有波动性和粒子性，只是在有的情况下波动性更显著，有的情况下粒子性更显著．波长越长，波动性就更显著，粒子性就越不明显，波长越短，粒子性就更显著，波动性就越不明显，只有C选项正确．
C
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，这种波叫做物质波
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
分析：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。
【点评】 (1)一切运动的物体都具有波动性；
(2)物质波与机械波性质不同；
(3)宏观物体质量大动量大，波长极小，难观测，但不能认为没有波动性．
C
1．根据物质波理论，以下说法中正确的是( )
A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性
B．宏观物体和微观粒子都具有波动性
C．宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长
D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显
选项 分析过程 结果
A 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 错
B 对
C 宏观物体的物质质量大、动量大，波的波长很短，不易观察到它的波动性。 错
D 速度相同的质子与电子相比，电子质量小，物质波波长更长，所以电子波动性更明显。
对
电子经电势差为U＝220 V的电场加速，在v＜c的情况下，求此电子的德布罗意波长．(已知：电子质量为9.11×10－31 kg，电子电荷量为1.6×10－19C)
解：
分析:1.利用动能定理求速度，2.物质波波长公式求波长
例题2 (1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63×106kg.m.s-1, 求德布罗意波长。
解 (1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。
=1.23?
(2)子弹:
h= 6.63×10-34
= 1.0×10-40m
可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。
一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能量E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。
德布罗意关系
粒子的波动性
◆光的波粒二象性复习
1.哪些现象证明光光具有波动性？
2.证明光具有粒子性的实验有哪些？
3.光的本质：光具有波粒二象性，光既有粒子性同时也具有波动性
4.描述光的性质的基本关系式：
光子能量ε=hv
光子动量P=h/?：其中?、v描述光波动性；ε、p描述光的粒子性。普朗克常量h是联系波动性和粒子性的桥梁。
5.光的波动性和粒子性的体现
⑴大量光子产生的效果显示波动性；个别光子产生的效果显示粒子性。
⑵波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。
⑶光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显示粒子性。
小结：光的二象性。互不否定，皆是光的本身属性。只是在不同条件下表现不同。只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为。
一切实物粒子是否都具有波粒二象性？！
一切实物粒子都具有波粒二象性。
●德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960)
德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。
1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。
爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。
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。
●德布罗意的思维逻辑
实物粒子也具有波动性
利用类比的想法，提出实物粒子应该也具有波动性。
预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。
电子有质量
根据相对论：
●德布罗意波（物质波）
每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，而且粒子的能量E、动量p与它所对应的波的频率v、波长?之间，遵从以下关系：
这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。
●德布罗意波（物质波）的实验验证
1.宏观实物粒子的波动性
一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？
试求： 质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意波长？
计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。
问题：为什么观察不到普通物体的波动性？？
发生明显衍射现象的前提：缝、孔、障碍物的尺寸与波长相差不多或比波长更短。
普通物体的质量、动量太大，从而物质波的波长太小，观察不到它们的波动性。
2.实物粒子的波动性的实验证明
⑴证明思路：观察实物粒子（如电子）的衍射图样
由?=h/p=h/mv知，要?大，应使m尽可能小。
晶体中离子间距约为10-10m，可以利用晶体做衍射光栅，检验电子的波动性。
⑵实验验证
戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得出的衍射图样，证实了电子的波动性。
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。
1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。
3.德布罗意波的实验验证
1. 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。
电流有一峰值，此实验验证了电子具有波动性，
实验发现，电子束强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一系列峰值。
当 U=54V, θ=500时
电子加速
电子束在两晶面反射加强条件：
镍单晶
与实验值相差很小。
这表明电子具有波动性，实物粒子具有波动性是正确的。
再由：
电子衍射掠射角：
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。
动画
2. 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。
13
C.J.戴维孙
通过实验发现晶体对电子的衍射作用
1937诺贝尔物理学奖
X射线经晶体的衍射图
电子射线经晶体的衍射图
5.德布罗意波的统计解释
究竟怎样理解波和它所描写的粒子之间的关系?
对这个问题曾经有过各种不同的看法。例如，有人认为波是由它所描写的粒子组成的。这种看法与实验不符。我们知道，衍射现象是由波的干涉而产生的，如果波真是由它所描写的粒子所组成，则粒子流的衍射现象应当是由于组成波的这些粒子相互作用而形成的。但事实证明，在粒子流衍射实验中，照象片上所显示出来的衍射图样和入射粒子流强度无关，也就是说和单位体积中粒子的数目无关。如果减小入射粒子流强度，同时延长实验的时间，使投射到照象片上粒子的总数保持不变，则得到的衍射图样将完全相同。即使把粒子流强度减小到使得粒子一个一个地被衍射，照片上一次出现一个孤立的点，体现了电子的粒子性。只要经过足够长的时间，所得到的衍射图样也还是一样。这说明每一个粒子被衍射的现象和其他粒子无关，衍射图样不是由粒于之间的相互作用而产生的。
能量为E、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：
E=mc2=hv
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。
一切实物粒子都有波动性
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。
一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？
质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意波长为
计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。
【例1】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≈50kg ，百米跑时速度v≈7m/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。
对于光的行为，下列说法正确的是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显
ABD
分析：光的波粒二象性是光具有波动性，又具有粒子性。有时波动性更明显，有时粒子性更明显。但波动性和粒子性是不可分割的，是从不同角度所观察到的不同性质。
1．下列说法正确的是( )
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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性
解析：选C.光同时具有波动性和粒子性，只是在有的情况下波动性更显著，有的情况下粒子性更显著．波长越长，波动性就更显著，粒子性就越不明显，波长越短，粒子性就更显著，波动性就越不明显，只有C选项正确．
C
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，这种波叫做物质波
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
分析：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。
【点评】 (1)一切运动的物体都具有波动性；
(2)物质波与机械波性质不同；
(3)宏观物体质量大动量大，波长极小，难观测，但不能认为没有波动性．
C
1．根据物质波理论，以下说法中正确的是( )
A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性
B．宏观物体和微观粒子都具有波动性
C．宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长
D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显
选项 分析过程 结果
A 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 错
B 对
C 宏观物体的物质质量大、动量大，波的波长很短，不易观察到它的波动性。 错
D 速度相同的质子与电子相比，电子质量小，物质波波长更长，所以电子波动性更明显。
对
电子经电势差为U＝220 V的电场加速，在v＜c的情况下，求此电子的德布罗意波长．(已知：电子质量为9.11×10－31 kg，电子电荷量为1.6×10－19C)
解：
分析:1.利用动能定理求速度，2.物质波波长公式求波长
例题2 (1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63×106kg.m.s-1, 求德布罗意波长。
解 (1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。
=1.23?
(2)子弹:
h= 6.63×10-34
= 1.0×10-40m
可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。
一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能量E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。
德布罗意关系