高二物理選修3-5第十七章波粒二象性 第三節(jié) 粒子的波動性 學(xué)案教師版

1、.第十七章 波粒二象性第三節(jié) 粒子的波動性 學(xué)案班別 姓名 學(xué)號 一、自主預(yù)習(xí)一光的波粒二象性12光子的能量和動量：能量表達式=_，動量表達式_。3意義：能量和動量p是描繪物質(zhì)的_性的重要物理量；波長和頻率是描繪物質(zhì)的_性的典型物理量。因此=_和_提醒了光的粒子性和波動性之間的親密關(guān)系。二粒子的波動性及實驗驗證1粒子的波動性德布羅意波：任何一種實物粒子都和一個_相對應(yīng)，這種波被稱為德布羅意波，也叫_。2物質(zhì)波的波長和頻率：波長公式=，頻率公式 =。2物質(zhì)波的實驗驗證1實驗探究思路：_、衍射是波特有的現(xiàn)象，假如實物粒子具有波動性，那么在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生_或衍射現(xiàn)象。2實驗驗證：1927年戴

2、維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了_衍射的實驗，得到了_的衍射圖樣，證實了_的波動性。3說明：人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的_，對于這些粒子，德布羅意給出的=和 =關(guān)系同樣正確。宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，宏觀物體運動時的動量很大，對應(yīng)的德布羅意波的波長很_，根本無法觀察到它的波動性。波動性 衍射 粒子性 光電效應(yīng) 波動性 粒子性 波粒二象性 hv 粒子 波動 h 波 物質(zhì)波 干預(yù) 干預(yù) 電子束 電子 電子 波動性 小二、課堂打破一人類對光的本性的研究1對光的本性認識史人類對光的認識經(jīng)歷了漫長的歷程，從牛頓的光的微粒說到托馬斯·楊和菲涅耳的波動說，從麥克斯韋的光

3、的電磁說到愛因斯坦的光子說。直到20世紀初，對于光的本性的認識才提升到一個更高層次，即光具有波粒二象性。對于光的本性認識史，列表如下：學(xué)說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦實驗根據(jù)光的直線傳播、光的反射光的干預(yù)、衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波的速度光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是一種機械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性理論領(lǐng)域宏觀世界宏觀世界微觀世界微觀世界微觀世界2對光的波粒二象性的理解 實驗根底表現(xiàn)說明光的波動性干預(yù)和衍射1光子在空間各點出現(xiàn)的可

4、能性大小可用波動規(guī)律來描繪。2足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)1光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間互相作用產(chǎn)生的。2光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)1當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份進展的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。2少量或個別光子容易顯示出光的粒子性1粒子的含義是“不連續(xù)“一份一份的。2光子不同于宏觀觀念的粒子【例題1】有關(guān)光的本性，以下說法正確的選項是 A光既具有波動性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明

5、光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性參考答案：D試題解析：光既具有波動性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機械波和粒子。波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性。只有選項D正確。二對物質(zhì)波的理解德布羅意認為任何運動著的物體均有波動性，可是我們觀察運動著的汽車，并未感覺到它的波動性。你如何理解該問題，談?wù)勛约旱恼J識。1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的緣故。2粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不要

6、以宏觀觀念中的波來理解德布羅意波。3德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。4求解物質(zhì)波波長的方法1根據(jù)條件，寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達式p=mv。2根據(jù)波長公式求解。3注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動量的不同表達式。如光子的能量=h，動量；微觀粒子的動能，動量p=mv。4一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短，波動性很不明顯，難以觀察到其衍射現(xiàn)象，如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣?！纠}2】假如一個中子和一個質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運

7、動，那么它們的德布羅意波的波長分別是多少?中子的質(zhì)量為1.67×1027 kg，h=6.63×1034 J·s參考答案：4.0×1010 m6.63×1035 m試題解析：中子的動量為p1=m1v子彈的動量為p2=m2v由公式=知，中子和子彈的德布羅意波長分別為中=和子=因此可得到中=，子=，代入數(shù)據(jù)得中=4.0×1010 m子=6.63×1035 m。三、穩(wěn)固訓(xùn)練1多項選擇關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的選項是 A大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B光在傳播時是波，而與物質(zhì)互相作用時就轉(zhuǎn)變成粒子C

8、高頻光是粒子，低頻光是波D波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著2多項選擇關(guān)于物質(zhì)波，以下說法錯誤的選項是 A任何運動的物體質(zhì)點都伴隨一種波，這種波叫物質(zhì)波BX射線的衍射實驗，證實了物質(zhì)波假設(shè)是正確的C電子的衍射實驗，證實了物質(zhì)波假設(shè)是正確的D宏觀物體盡管可以看作物質(zhì)波，但它們不具有干預(yù)、衍射等現(xiàn)象3以下說法正確的選項是 A物質(zhì)波屬于機械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C德布羅意認為，任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都具有一種波和它對應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波D宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干預(yù)現(xiàn)象，所以宏觀物體運動時不具有波動性4

9、在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的構(gòu)造，因為熱中子的德布羅意波長與晶體中原子間距相近，中子質(zhì)量m=1.67×1027 kg，普朗克常量h=6.63×1034 J·s，可以估算出德布羅意波長=1.82×1010 m的熱中子的動量的數(shù)量級可能是 A1017 kg·m/s B1018 kg·m/sC1020 kg·m/s D1024 kg·m/s5多項選擇人類對光的本性的認識經(jīng)歷了曲折的過程。以下關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實的是 A牛頓的“微粒說與愛因斯坦的“光子說本質(zhì)上是一樣的B光的雙縫干預(yù)實驗顯示了

10、光具有波動性C麥克斯韋預(yù)言了光是一種電磁波D光具有波粒二象性6多項選擇關(guān)于光的波粒二象性，以下說法正確的選項是 A光的頻率越高，光的能量越大，粒子性越明顯B光的波長越長，光的能量越小，波動性越明顯C頻率高的光只具有粒子性，不具有波動性D無線電波只具有波動性，不具有粒子性7電子顯微鏡的最高分辨率高達0.2 nm，假如有人制造出質(zhì)子顯微鏡，在加速到一樣的速度情況下，質(zhì)子顯微鏡的最高分辨率將 A小于0.2 nm B大于0.2 nmC等于0.2 nm D以上說法均不正確8多項選擇以下說法正確的選項是 A光的干預(yù)和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，所以我們可以說光具有波粒二

11、象性B一個電子和一個質(zhì)子具有一樣的動能時，因為電子的質(zhì)量比質(zhì)子的小，所以電子的動量就小C一個電子和一個質(zhì)子具有一樣的動能時，電子的德布羅意波長比質(zhì)子的小D一個電子和一個質(zhì)子具有一樣的動能時，電子的德布羅意波長比質(zhì)子的大9多項選擇為了觀察晶體的原子排列，采用了以下兩種方法：1用分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡成像由于電子的物質(zhì)波波長很短，能防止發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，因此，電子顯微鏡的分辨率高；2利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣，進而分析出晶體的原子排列。那么以下分析中正確的選項是 A電子顯微鏡所利用的是電子的物質(zhì)波的波長比原子尺寸小得多B電子顯微鏡中電子束運動的速度應(yīng)很小C要獲得晶體的X射線衍

12、射圖樣，X射線波長要遠小于原子的尺寸D中子的物質(zhì)波的波長可以與原子尺寸相當10多項選擇下表列出了幾種不同物體在某種速度下的德布羅意波長和頻率為1 MHz的無線電波的波長，由表中數(shù)據(jù)可知 質(zhì)量/kg速度/m·s1波長/m彈子球2.0×1021.0×1023.3×1030電子100 eV9.1×10315.0×1061.2×1010無線電波1 MHz3.0×1083.3×102A要檢測彈子球的波動性幾乎不可能B無線電波通常情況下只能表現(xiàn)出波動性C電子照射到金屬晶體上能觀察到它的波動性D只有可見光才有波動性11

13、X射線是一種高頻電磁波，假設(shè)X射線在真空中的波長為，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，那么 A=，p=0 B=，p=C=，p=0 D=，p=12關(guān)于物質(zhì)波，以下說法正確的選項是 A速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長大B動能相等的電子和質(zhì)子，電子的波長小C動量相等的電子和中子，中子的波長小D甲電子速度是乙電子的3倍，甲電子的波長也是乙電子的3倍13以下物理實驗中，能說明粒子具有波動性的是 A通過研究金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系，證明了愛因斯坦方程的正確性B通過測試多種物質(zhì)對X射線的散射，發(fā)現(xiàn)散射射線中有波長變大的成分C利用電子通過晶體獲得電子衍射

14、圖樣D流動的空氣形成的風(fēng)發(fā)出聲音說明空氣分子的波動性14影響顯微鏡分辨本領(lǐng)的一個因素是衍射，衍射現(xiàn)象越明顯，分辨本領(lǐng)越低。使用電子束工作的電子顯微鏡有較高的分辨本領(lǐng)，它利用高電壓對電子束加速，最后打在感光膠片上來觀察顯微圖像。以下說法正確的選項是 A加速電壓越高，電子的波長越長，分辨本領(lǐng)越強B加速電壓越高，電子的波長越短，衍射現(xiàn)象越明顯C假如加速電壓一樣，那么用質(zhì)子流工作的顯微鏡比用電子流工作的顯微鏡分辨本領(lǐng)強D假如加速電壓一樣，那么用質(zhì)子流工作的顯微鏡比用電子流工作的顯微鏡分辨本領(lǐng)弱15多項選擇利用金屬晶格大小約1010 m作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過電場加速，然后讓電子束

15、照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣。電子質(zhì)量為m、電荷量為e、初速度為零，加速電壓為U，普朗克常量為h，那么以下說法中正確的選項是 A該實驗說明電子具有波動性B實驗中電子束的德布羅意波長為=C加速電壓U越大，電子的德布羅意波長越大D假設(shè)用一樣動能的質(zhì)子代替電子，德布羅意波長越大16一顆質(zhì)量為5.0 kg的炮彈以200 m/s的速度運動時，它的德布羅意波的波長多大?假設(shè)它以光速運動，它的德布羅意波的波長多大?假設(shè)要使它的德布羅意波的波長與波長是400 nm的紫光波長相等，那么它必須以多大的速度運動?17光具有波粒二象性，光子的能量=h，其中頻率表示波的特征，在愛因斯坦提出光子說之后，法國物

16、理學(xué)家德布羅意提出了光子動量p與光波波長的關(guān)系p=。假設(shè)某激光管以P=60 W的功率發(fā)射波長=663 nm的光束，試根據(jù)上述理論計算：1該管在1 s內(nèi)發(fā)射出多少個光子?2假設(shè)光束全部被某黑體外表吸收，那么該黑體外表所受到光束對它的作用力F為多大?參考答案1AD【解析】光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，選項D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)互相作用時粒子性顯著，選項B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，選項C錯誤。2BD【解析】據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論知，任何一個運動

17、的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與之相對應(yīng)，這種波就叫物質(zhì)波，可見，選項A正確；由于X射線本身就是一種波，而不是實物粒子，故X射線的衍射現(xiàn)象，并不能證實物質(zhì)波理論的正確性，即選項B錯誤；電子是一種實物粒子，電子的衍射現(xiàn)象說明運動著的實物粒子具有波動性，應(yīng)選項C正確；由電子穿過鋁箔的衍射實驗知，少量電子穿過鋁箔后所落位置是散亂的，無規(guī)律的，但大量電子穿過鋁箔后落的位置那么呈現(xiàn)出衍射圖樣，即大量電子的行為表現(xiàn)出電子的波動性，干預(yù)、衍射是波的特有現(xiàn)象，只要是波，都會發(fā)生干預(yù)、衍射現(xiàn)象，應(yīng)選項D錯誤。3C【解析】物質(zhì)波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質(zhì)不同，宏觀物體也具有波動

18、性，只是干預(yù)、衍射現(xiàn)象不明顯，故只有選項C正確。4D【解析】根據(jù)德布羅意波長公式=得p=s3.6×1024 kg·m/s，可見，熱中子的動量的數(shù)量級是1024 kg·m/s。5BCD【解析】牛頓的“微粒說認為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說認為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然選項A錯誤；干預(yù)、衍射是波的特性，光能發(fā)生干預(yù)說明光具有波動性，選項B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等從而認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，選項C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項D正確。6AB【解析】光的頻

19、率越高，由=h知光子的能量越大，光的波長越短，粒子性越明顯，A對；光的波長越長，那么頻率越小，由=h知光子的能量越小，那么光的波動性越明顯，B對；頻率高的光粒子性明顯，但也具有波動性，C錯；無線電波是電磁波，既具有波動性也具有粒子性，D錯。7A【解析】顯微鏡的分辨才能與波長有關(guān)，波長越短其分辨率越高，由=知，假如把質(zhì)子加速到與電子一樣的速度，因質(zhì)子的質(zhì)量更大，那么質(zhì)子的波長更短，分辨才能更高。8ABD【解析】光既具有波動性，又具有粒子性，說明了光具有波粒二象性，選項A正確；一個電子和一個質(zhì)子具有一樣的動能時，動量和動能的關(guān)系式為p=，由于電子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量小，可知電子的動量小，選項B正確；

20、又由=知電子的動量小，其德布羅意波長應(yīng)比質(zhì)子的德布羅意波長大，選項C錯誤，選項D正確。9AD【解析】由題目所給信息“電子的物質(zhì)波波長很短，能防止發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知，電子的物質(zhì)波的波長比原子尺寸小得多，由p=可知它的動量應(yīng)很大，即速度應(yīng)很大，選項A正確，選項B錯誤；由信息“利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知，中子的物質(zhì)波或X射線的波長與原子尺寸相當，選項C錯誤，選項D正確。10ABC【解析】由于彈子球德布羅意波長極短，故很難觀察其波動性，而無線電波波長為3.0×102 m，所以通常表現(xiàn)出波動性，很容易發(fā)生衍射，而金屬晶體的晶格線度大約是1

21、010 m數(shù)量級，所以波長為1.2×1010 m的電子可以觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，應(yīng)選ABC。11D【解析】根據(jù)=h，且=，c=可得X射線每個光子的能量為=，每個光子的動量為p=，應(yīng)選D。12A【解析】由=可知動量大的波長小，電子與質(zhì)子的速度相等時，電子動量小，波長大。電子與質(zhì)子動能相等時，由動量與動能的關(guān)系式p=可知，電子的動量小，波長大。動量相等的電子與中子，其波長應(yīng)相等。假如甲、乙兩電子的速度遠小于光速，甲的速度是乙的3倍，那么甲的波長應(yīng)是乙的。13C【解析】干預(yù)和衍射是波特有的現(xiàn)象。由于X射線本身就是一種波，而不是實物粒子，故X射線有波長變大的成分，并不能證實物質(zhì)波理論的正確性，即選項AB并不能說明粒子的波動性，而選項C中電子的衍射證明了電子具有波動性；選項D中風(fēng)發(fā)出聲音是機械波，不能說明空氣分子的波動性。應(yīng)選項C正確。14C【解析】設(shè)加速電壓為U，電子電荷量為e，質(zhì)量為m，那么有Ek=mv2=eU=，又p=，故eU=，可得=。對電子來說，加速電壓越高