物理：5.3《实物粒子的波粒二象性》教案（鲁科版选修3-5）.doc

本资料来自于资源最齐全的世纪教育网世纪教育网中国最大型最专业的中小学教育资源门户网站版权所有httpwww21cnjycom世纪教育网第三节实物粒子的波粒二象性三维教学目标知识与技能了解光既具有波动性又具有粒子性知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性知道德布罗意波的波长和粒子动量关系了解不确定关系的概念和相关计算过程与方法了解物理真知形成的历史过程了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性情感态度与价值观通过学生阅读和教师介绍讲解使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就需要经过一个较长的历史发展过程不断得到纠正与修正通过相关理论的实验验证使学生逐步形成严谨求实的科学态度通过了解电子衍射实验使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法教学重点实物粒子和光子一样具有波粒二象性德布罗意波长和粒子动量关系教学难点实物粒子的波动性的理解教学方法学生阅读讨论交流教师讲解归纳总结教学用具课件演示文稿科学家介绍本节知识结构多媒体教学设备一引入新课提问前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢光是一种物质它既具有粒子性又具有波动性在不同条件下表现出不同特性分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实我们不能片面地认识事物能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗二进行新课光的波粒二象性讲述光的波粒二象性进行归纳整理我们所学的大量事实说明光是一种波同时也是一种粒子光具有波粒二象性光的分立性和连续性是相对的是不同条件下的表现光子的行为服从统计规律光子在空间各点出现的概率遵从波动规律物理学中把光波叫做概率波光子的能量与频率以及动量与波长的关系提问作为物质的实物粒子如电子原子分子等是否也具有波动性呢粒子的波动性提问谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子只是因为他大胆吗法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子德布罗意波实物粒子也具有波动性这种波称之为物质波也叫德布罗意波本资料来自于资源最齐全的世纪教育网世纪教育网中国最大型最专业的中小学教育资源门户网站版权所有httpwww21cnjycom世纪教育网物质波波长提问各物理量的意义为德布罗意波长为普朗克常量为粒子动量阅读课本有关内容为什么德布罗意波观点很难通过实验验证又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证物质波的实验验证提问粒子波动性难以得到验证的原因宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物所以我们并不认为它有波动性作为微观粒子的电子其德布罗意波波长为数量级找与之相匹配的障碍物也非易事例题某电视显像管中电子的运动速度是质量为的一颗子弹的运动速度是分别计算它们的德布罗意波长根据公式计算得和电子波动性的发现者戴维森和小汤姆逊电子波动性的发现使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实并因此而获得年诺贝尔物理学奖而戴维森和小汤姆逊由于发现了电子的波动性也同获年诺贝尔物理学奖阅读有关物理学历史资料了解物理学有关知识的形成建立和发展的真是过程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电子衍射实验年两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上得到了电子束的衍射图案从而证实了德布罗意的假设除了电子以外后来还陆续证实了质子中子以及原子分子的波动性提问衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否如何改进显微镜的分辨本领德布罗意波的统计解释年德国物理学玻恩提出了概率波认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律经典波动与德布罗意波物质波的区别经典的波动如机械波电磁波等是可以测出的实际存在于空间的一种波动而德布罗意波物质波是一种概率波简单的说是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法不确定度关系经典力学运动物体有完全确定的位置动量能量等微观粒子位置动量等具有不确定量概率电子衍射中的不确定度如图所示一束电子以速度沿轴射向狭缝电子在中央主极大区域出现的几率最大在经典力学中粒子质点的运动状态用位置坐标和动量来描述而且这两个量都可以同时准确地予以测定然而对于具有二象性的微观粒子来说是否也能用确定的坐标和本资料来自于资源最齐全的世纪教育网世纪教育网中国最大型最专业的中小学教育资源门户网站版权所有httpwww21cnjycom世纪教育网确定的动量来描述呢下面我们以电子通过单缝衍射为例来进行讨论设有一束电子沿轴射向屏上缝宽为的狭缝于是在照相底片上可以观察到如下图所示的衍射图样如果我们仍用坐标和动量来描述这一电子的运动状态那么我们不禁要问一个电子通过狭缝的瞬时它是从缝上哪一点通过的呢也就是说电子通过狭缝的瞬时其坐标为多少显然这一问题我们无法准确地回答因为此时该电子究竟在缝上哪一点通过是无法确定的即我们不能准确地确定该电子通过狭缝时的坐标研究表明对于第一衍射极小式中为电子的德布罗意波长电子的位置和动量分别用和来表示电子通过狭缝的瞬间其位置在方向上的不确定量为同一时刻由于衍射效应粒子的速度方向有了改变缝越小动量的分量变化越大分析计算可得式中为普朗克常量这就是著名的不确定性关系简称不确定关系上式表明许多相同粒子在相同条件下实验粒子在同一时刻并不处在同一位置用单个粒子重复粒子也不在同一位置出现例题解析例一颗质量为的子弹具有的速率若其动量的不确定范围为动量的本资料来自于资源最齐全的世纪教育网世纪教育网中国最大型最专业的中小学教育资源门户网站版权所有httpwww21cnjycom世纪教育网这在宏观范围是十分精确的了则该子弹位置的不确定量范围为多大解子弹的动量动量的不确定范围由不确定关系式得子弹位置的不确定范围我们知道原子核的数量级为所以子弹位置的不确定范围是微不足道的可见子弹的动量和位置都能精确地确定不确定关系对宏观物体来说没有实际意义例一电子具有的速率动量的不确定范围为动量的这已经足够精确了则该电子的位置不确定范围有多大解电子的动量为动量的不确定范围由不确定关系式得电子位置的不确定范围我们知道原子大小的数量级为电子则更小在这种情况下电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义微观粒子和宏观物体的特性对比宏观物体微观粒子具有确定的坐标和动量可用牛顿力学描述没有确定的坐标和动量需用量子力学描述有连续可测的运动轨道可追踪各个物体的运动轨迹有概率分布特性不可能分辨出各个粒子的轨迹体系能量可以为任意的连续变化的数值能量量子化不确定度关系无实际意义遵循不确定度关系不确定关系的物理意义和微观本质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越小动量的不确本资料来自于资源最齐全的世纪教育网世纪教育网中国最大型最专业的中小学教育资源门户网站版权所有httpwww21cnjycom世纪教育网定量就越大反之亦然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微观粒子的坐标测得愈准确动量就愈不准确微观粒子的动量测得愈准确坐标就愈不准确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为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准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以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