高二物理选修3-5 17. 3 粒子的波动性 课件 （28张ppt人教版）

(共28张PPT)
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1.本节内容高考单独命题较少，往往是与其他知识联合一起考查,并多以选择题形式出现。
2.主要考查对波粒二象性的理解及德布罗意波长的应用等

17. 3 粒子的波动性
密立根光电效应实验
光学发展史导学


1672

牛顿
微粒说
T/年

惠更斯波动说
1690

麦克斯韦电磁说
1864
1905

爱因斯坦光子说
波动性
粒子性

1801
托马斯·杨双缝干涉实验


1814
菲涅耳衍射实验

赫兹电磁波实验
1888


赫兹发现光电效应
1916

1922

康普顿效应



牛顿微粒说占主导地位


波动说
渐成真理




17世纪明确形成了两大对立学说
牛顿
惠更斯

微粒说

波动说

19世纪初证明了波动说的正确性

由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风

19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性






对光学的研究


从很早就开始了… …





圆屏衍射

圆孔衍射

钢针的衍射

增透膜

薄膜干涉



光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波





爱因斯坦
康普顿
光电效应以及康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子。
1.光的本性
光的干涉、衍射和偏振等现象,说明光具有波动性;光电效应和康普顿效应证明光具有粒子性。光既具有波动性又具有粒子性的事实说明光具有波粒二象性。这就是现代物理学关于光的本性问题的回答。
2.人类对光的本性的认识
人类对光的认识经历了漫长的历程,从牛顿的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的波动说,从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直到二十世纪初,对于光的本性的认识才提升到一个更高层次,即光具有波粒二象性。
一、光的波粒二象性
对于光的本性认识史,列表如下:
一、光的波粒二象性
学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性
年代 17世纪 17世纪 19世纪中 20世纪初 20世纪初
代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 公认
实验依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 能在真空中传播,是横波,光速等于电磁波速 光电效应、康普顿效应 光既有波动现象,又有粒子特征
内容要点 光是一群弹性粒子 光是一种机械波 光是一种电磁波 光是由一份一份的光子组成的 光是具有电磁本性的物质,既有波动性又有粒子性
3.描述光的性质的关系式及意义
(1)光子的能量:
(2)光子的动量:
(3)意义:
和 p 是描述粒子性的重要物理量,波长 或频率 是描述波动性的典型物理量,普朗克常量 h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁,因此和揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。
一、光的波粒二象性
一、光的波粒二象性
例1. 对光的认识，以下说法错误的是（　　）
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现出波动性
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，光表现出粒子性时，就不具有波动性
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
C
一、光的波粒二象性
变式1.关于光的本性，下列说法中正确的是（　　）
A．关于光的本性，牛顿提出“微粒说”，惠更斯提出“波动说”，
爱因斯坦提出“ 光子说”，它们都说明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏观概念上的波，
也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D．光的波粒二象性是将牛顿的粒子说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来
C
深度理解■
光子是能量为 的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率 有关,又体现了波动性,所以光具有波粒二象性。
但是它在不同的条件下的表现不同:
大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性;
光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;
频率低的光波动性表现得较明显,频率高的光粒子性表现得较明显。
一、光的波粒二象性
1.德布罗意波
任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与它对应,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫物质波。
2.物质波的波长
每一个运动的物体都有一个对应的波(物质波或德布罗意波),其波长为，
其中p为物体的动量,h为普朗克常量。
说明：宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很小,根本无法观察到它的波动性。
二、粒子的波动性
3.对物质波的理解
(1)一切运动着的物体都具有波动性,宏观物体观察不到其波动性并不否定其波动性；
(2)德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配,不要以宏观观念中的波来理解德布罗意波；
(3)德布罗意假说是光的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。
二、粒子的波动性
二、粒子的波动性
例2. 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，都具有一种波和它对应
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
C
1.实验探究思路
(1)物理是一门以实验为基础的自然学科,要验证实物粒子的德布罗意波真的存在,必须要看实物粒子能否发生干涉或衍射,因为干涉和衍射是波特有的现象。
(2)为了证实实物粒子具有波动性质,我们先估算一下实物粒子波长的数量级,看看它实现衍射所需要的条件,对质量为1g、速度为1cm/s的物体来说,它的波长为
m= . 这么小的波长,比宏观物体的尺度小得多,根本无法观察到它的波动性.而一个原来静止的电子,在经过100V电压加速后,德布罗意波长约为0.12nm,这比电子尺度大得多,因此,有可能观察到电子的波动性.
三、物质波的实验验证
2.物质波的实验验证
(1)1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,得到了类似如图所示的衍射图样,从而证实了电子的波动性,他们为此获得了1937年的诺贝尔物理学奖.


三、物质波的实验验证









屏 P
多晶薄膜
高压













栅极
阴极
2.物质波的实验验证
(2)1960年,约恩孙直接做了电子双缝干涉实验,从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片(如图所示),这也证明了电子具有波动性.
三、物质波的实验验证
例3.电子显微镜的最高分辨率高达0.2nm（波长越短，分辨率越高），如果有人制造出质子显微镜，在加速到相同的速度情况下，质子显微镜的最高分辨率将（　　）
A．小于0.2 nm B．大于0.2 nm
C．等于0.2 nm D．以上说法均不正确
A
三、物质波的实验验证
1.光的粒子性的含义
粒子的含义是“不连续”的、“一份一份”的,光的粒子即光子,不同于宏观概念的粒子,但也具有动量和能量。具体表现在以下三个方面:
①当光与物质发生作用时,表现出粒子的性质;
②少量或个别光子易显示出粒子性;
③频率高、波长短的光,粒子性显著。
说明：光的粒子性的有力证据：光电效应和康普顿效应
四、对光的波粒二象性的深入理解
2.光的波动性的含义
光的波动性是光子本身的一种属性,它不同于宏观的波,它是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述:
①足够能量的光(大量光子)在传播时,表现出波的性质;
②频率低、波长长的光,波动性显著。
说明：
光的波动性的有力证据:光的干涉和衍射现象。
四、对光的波粒二象性的深入理解
3.光的波动性、粒子性是统一的
(1)光的粒子性并不否定光的波动性,光既具有波动性,又具有粒子性,波动性粒子性都是光的本身属性,只是在不同条件下的表现不同；
(2)只有从波粒二象性的角度出发,才能统一说明光的各种行为。

说明：光子说并不否认光的电磁说
①按光子说,光子的能量 , 其中 表示光的频率,即表示了波的特性；
②从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到了一致的结论。
四、对光的波粒二象性的深入理解
实验基础 表现 说明
光的波动性 干涉和衍射 (1)光子在空间各点出的可能性大小可用波动规律来描述;
(2)大量光子在传播时,表现出波的性质。 光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。
光的粒子性
光电效应、
康普顿效应 (1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质；
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性。 (1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的;
(2)光子不同于宏观观念的粒子。
波动性和粒子性的对立统一 (1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性；
(2)波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强。 (1)光子说并未否定波动性,公式
中，c和
界是不能统一的,而在微观世界却是统一的。
光的波粒二象性
例4.下面关于光的波粒二象性的说法中，正确的说法是（　　 ）
A．光电效应现象说明光具有波粒二象性
B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著
C．光在传播时往往表现出的波动性，光在跟物质相互作用时往往表 现出粒子性
D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性

BC
四、对光的波粒二象性的深入理解
变式. 关于光的波粒二象性，下列说法正确的是（　　）
A．有的光是粒子，有的光是波
B．大量光子的行为表现为粒子性
C．光电效应揭示了光具有粒子性，康普顿效应揭示了光具有波动性
D．光的波长越长，其波动性越明显；波长越短，其粒子性越显著

D
四、对光的波粒二象性的深入理解
电磁波
光 子
光的波动性

光的粒子性

波长

频率
v
波速
c
m
动质量

能量
p
动量
光的干涉
光的衍射
光的偏振
光电效应
康普顿效应
光具有波粒二象性
普朗克常量h是联系描述粒子的物理量和描述波动的物理量的桥梁。
光的波粒二象性

光的波粒二象性
光的本性
光子的动量和能量


粒子的波动性

德布罗意波（物质波）
物质波的波长和频率

课堂小结
作业
1.先复习今天所讲基础内容完成本节大小本
2.预习第十八章第1节 ：电子的发现
教材拓展■
光的干涉和衍射
光的波粒二象性
1.光的干涉
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,这种现象叫做光的干涉.干涉现象通常表现为在光的叠加区域内形成明暗相间的条纹。
2.光的衍射
光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面继续传播的现象,叫光的衍射。衍射时产生的明暗条纹或光环,叫衍射图样。
光的干涉和光的衍射一样证明了光具有波动性。