課 題
4.5 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立
課 型
新授課 eq \\ac(□,√) 復(fù)習(xí)課□ 試卷講評(píng)課□ 其他課□
授課班級(jí)
授課時(shí)間
教學(xué)內(nèi)容分析
本節(jié)課主要教學(xué)內(nèi)容為：了解粒子的波動(dòng)性、德布羅意波、物質(zhì)波的公式 λ=h/p 的含義、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、量子力學(xué)的建立和量子力學(xué)的應(yīng)用。
學(xué)習(xí)者
分析
學(xué)生在本節(jié)課的學(xué)習(xí)前，就已經(jīng)學(xué)習(xí)了波的一些相關(guān)知識(shí)，學(xué)生對(duì)粒子的波動(dòng)性、德布羅意波、物質(zhì)波的公式及量子力學(xué)的建立進(jìn)行學(xué)習(xí)是比較容易掌握的。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
物理觀念：知道德布羅意波，光有波動(dòng)性和粒子性、量子力學(xué)等基本觀點(diǎn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
科學(xué)思維：掌握光的波粒二象性，理解其對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系；并能應(yīng)用波粒二象性解釋有關(guān)現(xiàn)象，提高分析、推理能力。
科學(xué)探究：通過學(xué)習(xí)電子衍射、與干涉的探究，學(xué)會(huì)觀察與討論，并能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高動(dòng)腦能力。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)習(xí)科學(xué)家們探究物質(zhì)波、建立量子力學(xué)的艱辛，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。
教學(xué)準(zhǔn)備
多媒體課件等
活動(dòng)設(shè)計(jì)
教學(xué)環(huán)節(jié)
教師活動(dòng)
學(xué)生活動(dòng)
設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課
有記者曾問英國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？
布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息?！?br>如果你是布拉格教授，將如何機(jī)智地回答？
那么光的本性到底是什么？
波動(dòng)派
1690年，惠更斯波動(dòng)說(shuō)
1864年，麥克斯韋電磁說(shuō)
粒子派：
1672年，牛頓微粒說(shuō)
1905年，愛因斯坦光子說(shuō)（光電效應(yīng)）
1922年，康普頓效應(yīng)
光具有波粒二象性
閱讀物理小故事，了解科學(xué)家對(duì)于光的波粒二象性的探索歷程。

讓學(xué)生了解科學(xué)家對(duì)于光的波粒二象性的探索歷程，體會(huì)科學(xué)家不畏困難的探索精神。
堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。
講授新課
通過對(duì)雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問題的研究，人們終于認(rèn)識(shí)到光既有粒子性，又有波動(dòng)性。
我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子是具有粒子性的，那么，實(shí)物粒子是否也會(huì)同時(shí)具有波動(dòng)性呢?
一、粒子的波動(dòng)性
德布羅意(De · Brglie)，法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。
他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)( 指19世紀(jì) ) 在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過于忽視了粒子的研究方法的話，那么在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢？”
德布羅意提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率ν和波長(zhǎng)λ之間，遵從如下關(guān)系：
這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來(lái)被稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。
根據(jù)測(cè)算,羽毛球離拍時(shí)的最大速度可達(dá)到288 km/h,羽毛球的質(zhì)量為5.0 g,試求其德布羅意波長(zhǎng),我們能觀察到羽毛球的波動(dòng)性嗎?
解析：羽毛球的速度v=80m/s,其徳布羅意波波長(zhǎng)
波長(zhǎng)太短，無(wú)法觀測(cè)到羽毛球的波動(dòng)性。
1、任何物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性,我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性,是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的緣故。
2、德布羅意假說(shuō)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(shí)物粒子都具有粒子性,又都具有波動(dòng)性,與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波,與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。一般宏觀物體物質(zhì)波的波長(zhǎng)很短,波動(dòng)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。
二.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1927年C.J.戴維森和 G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫之子）利用電子束穿過晶體做了電子束的衍射實(shí)驗(yàn)。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
此后，人們相繼證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子等都具有波動(dòng)性。
德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，表明電子、質(zhì)子、原子等粒子不但具有粒子的性質(zhì)，而且具有波動(dòng)的性質(zhì)。換句話說(shuō)，它們和光一樣，也具有波粒二象性。
課堂練習(xí)1、下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)正確的是( )
A.任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng),這就是物質(zhì)波
B.X光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的
C.電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的
D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體不具有波動(dòng)性
解析：運(yùn)動(dòng)的物體才具有波動(dòng)性,A項(xiàng)錯(cuò);宏觀物體由于動(dòng)量太大,德布羅意波長(zhǎng)太小,所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象,但仍具有波動(dòng)性,D項(xiàng)錯(cuò);X光是波長(zhǎng)極短的電磁波,是光子,它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在,B項(xiàng)錯(cuò);只有C項(xiàng)正確。
答案：C
三、量子力學(xué)的建立
情境探究
如圖甲,質(zhì)子束被加速到接近光速;如圖乙,中子星是質(zhì)量、密度非常大的星體。請(qǐng)思考:
(1)經(jīng)典力學(xué)是否適用于質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?如何研究質(zhì)子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?
(2)經(jīng)典力學(xué)是否適用于中子星表面的物理規(guī)律?如何研究中子星表面的物理規(guī)律?
在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國(guó)的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下,描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來(lái),它被稱為量子力學(xué)。
四、量子力學(xué)的應(yīng)用
量子力學(xué)的創(chuàng)立是物理學(xué)歷史上的一次重要革命。它和相對(duì)論共同構(gòu)成了20世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)的基礎(chǔ)。
推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。人們認(rèn)識(shí)了原子、原子核、基本粒子等各個(gè)微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。而粒子物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。
推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。人們認(rèn)識(shí)了原子的結(jié)構(gòu),以及原子、分子和電磁場(chǎng)相互作用的方式。
推動(dòng)了固體物理的發(fā)展。人們了解了固體中電子運(yùn)行的規(guī)律,并弄清了為什么固體有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之分。利用半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)發(fā)明了晶體管等各類固態(tài)電子器件,并結(jié)合激光光刻技術(shù)制造了大規(guī)模集成電路,俗稱“芯片”。
量子力學(xué)的應(yīng)用還有很多。毫不夸張地說(shuō)，在過去的近一百年中，量子力學(xué)極大地推動(dòng)了人類的進(jìn)步?！耙徊揭恢靥欤俨缴显贫恕?，人類探索自然的步伐不會(huì)停息，量子力學(xué)必將在這個(gè)征途上繼續(xù)發(fā)揮巨大的基礎(chǔ)性作用。
課堂練習(xí)2、 (多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論與量子論的說(shuō)法正確的是( )
A.當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),經(jīng)典力學(xué)就不適用了
B.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使經(jīng)典力學(xué)失去了意義
C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性
D.萬(wàn)有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力
解析：經(jīng)典力學(xué)只適用于低速宏觀的物體,故A正確;相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),并沒有否定經(jīng)典力學(xué),只是說(shuō)經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍,故B錯(cuò)誤;量子力學(xué)描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性,故C正確;萬(wàn)有引力定律對(duì)于強(qiáng)相互作用力是不適用的,故D錯(cuò)誤。
答案：AC
根據(jù)光的波粒二象性思考問題。
了解實(shí)物粒子的波動(dòng)性。
計(jì)算解決問題。
了解電子衍射實(shí)驗(yàn)。
完成課堂練習(xí)。
小組討論，梳理經(jīng)典理論的局限性。
梳理各種新理論和普朗克常量h的關(guān)系。
了解量子力學(xué)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用。
由光的波粒二象性思考實(shí)物粒子是否也具有這種性質(zhì)，引起學(xué)生的思考。
讓學(xué)生通過閱讀徳布羅意波的提出過程，理解徳布羅意波的含義。
讓學(xué)生通過計(jì)算來(lái)更好的理解物質(zhì)波的存在，之所以觀察不到，是因?yàn)槌Ｒ娢矬w的物質(zhì)波波長(zhǎng)太小了。
通過課堂練習(xí)，更好的理解徳布羅意波的特點(diǎn)和含義。
讓學(xué)生理解經(jīng)典理論的局限性，才能讓學(xué)生更深入的了解新的理論和知識(shí)。
學(xué)習(xí)量子力學(xué)在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用和對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步起到的積極作用的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。
拓展提高
1、下列說(shuō)法正確的是( )
A.物質(zhì)波屬于機(jī)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(dòng)性
C.德布羅意認(rèn)為,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都具有一種波和它對(duì)應(yīng),這種波叫作物質(zhì)波
D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性
解析：物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波,與機(jī)械波性質(zhì)不同,宏觀物體也具有波動(dòng)性,只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯,故只有選項(xiàng)C正確。
答案：C
2、根據(jù)德布羅意波的概念,下列說(shuō)法正確的是( )
A.質(zhì)量大的物體,其德布羅意波長(zhǎng)小
B.速度大的物體,其德布羅意波長(zhǎng)小
C.動(dòng)量大的物體,其德布羅意波長(zhǎng)小
D.動(dòng)能小的物體,其德布羅意波長(zhǎng)小
解析：根據(jù) 可知,動(dòng)量大的物體波長(zhǎng)小,選項(xiàng)C是正確的。質(zhì)量大或速度大或動(dòng)能小,都不能確定其動(dòng)量大小,所以其他三個(gè)選項(xiàng)錯(cuò)誤。故正確答案為C。
答案：C
3、質(zhì)量為1 000 kg的小汽車以v=40 m/s的速度在高速公路上行駛,試估算小汽車的德布羅意波的波長(zhǎng)。
解析：小汽車的動(dòng)量為
p=mv=1 000×40 kg·m/s=4×104 kg·m/s
小汽車的德布羅意波波長(zhǎng)為
完成拓展提高。
通過練習(xí)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。
課堂小結(jié)
一、粒子的波動(dòng)性
1、波粒二象性
2、物質(zhì)波
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1、電子干涉現(xiàn)象
2、電子束衍射現(xiàn)象
三、量子力學(xué)的建立和應(yīng)用
總結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)的知識(shí)。
幫助學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)，建立知識(shí)框架。
板書
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5 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立

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