人教版高中物理选择性必修三 第4章第4节粒子的波动性和量子力学的建立_教案
第四章第5节：粒子的波动性和量子力学的建立 教案人教版(2019)高中物理选择性必修三
教案上课时间：年月日题课选择性必修三第四章第5节：粒子的波动性和量子力学的建立课型新课时 1 教学目标1.知道实物粒子的波动性假设和实验验证。
2.知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性。
3.体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。
学习重点物质波、量子力学的建立学习难点体会实物粒子的波粒二象性教学过程教学环节（含备注）教学内容引入新课讲授新课一.引入新课光有波粒二象性，实物粒子有波动性吗？二.进行新课（一）光的波粒二象性光具有能量、动量，表明光具有粒子性。
光又具有波长、频率，表明光具有波动性。
比较：p=λh与ε=hν：Ｐ与ε是描述粒子性的，λ、ν是描述波动性的，h 则是连接粒子和波动的桥梁（二）德布罗意波（物质波）1924年，德布罗意(due de Broglie, 1892-1960)大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。
他提出：一切实物粒子都有具有波粒二象性。
即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。
能量E、动量为p的粒子与频率为v、波长为λ的波相联系：p=λh与ε=hν1、德布罗意波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λ称为德布罗意波长。
2、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，并都满足德布罗意关系。
一颗质量为0.01kg的子弹、速度为500m/s,其波长为1.3×10－34m课后作业计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。
所以，宏观物体只表现出粒子性。
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。
（三）物质波的实验验证1927年汤姆孙观察了电子束透过多晶薄片的衍射现象.1961年,C.约恩孙让电子束通过单缝、多缝的衍射图样.（四）波的分类1、机械波-----质点的振动引起；2、电磁波-----电场、磁场的振动引起；3、物质波------粒子本身的波动（五）量子力学的建立与应用1．量子力学建立的前提：19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。
高中物理新教材同步 选择性必修第三册 第4章 5 粒子的波动性和量子力学的建立
5 粒子的波动性和量子力学的建立[学习目标] 1.了解粒子的波动性，知道物质波的概念。
2.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象(重点)。
3.了解量子力学的建立过程及其在具体物理系统中的应用。
一、粒子的波动性1．德布罗意假设：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。
2．粒子的能量ε和动量p 跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的关系：ν＝εh ，λ＝hp。
德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性，射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗？为什么？答案 不会。
因为现实情况下子弹的德布罗意波长远比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性，忽略它的波动性也不会引起大的偏差，所以不会“失准”。
例1 下列说法中正确的是( ) 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的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波D ．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性 答案 C解析 任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，故C 项对，B 、D 项错；物质波不同于宏观意义上的波，故A 项错。
例2 关于物质波，下列说法正确的是( ) A ．速度相等的电子和质子，电子的波长长 B ．动能相等的电子和质子，电子的波长短 C ．动量相等的电子和中子，中子的波长短D ．如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的3倍，则甲电子的波长也是乙电子的3倍 答案 A解析 由λ＝hp ，可知，动量大的波长短，电子与质子的速度相等时，电子质量小，动量小，波长长，故A 正确；电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系p ＝2mE k 可知，电子的动量小，波长长，故B 错误；动量相等的电子和中子，其波长相等，故C 错误；如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的动量也是乙电子的3倍，则甲电子的波长应是乙电子的13，故D 错误。
课件 4.5 粒子的波动性和量子力学的建立-高中物理选择性必修3(新教材同步课件)
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 如图所示的衍射图样，从而验证了电子 的波动性。他们为此获得了1937年的诺 贝尔物理学奖。
知识海洋
量子力学的建立
1.量子力学的建立
量子力学是在普朗克、玻尔等人所建立的一个个的具 体理论（它们被统称为“早期量子论”）的基础上创立 的。它继承了早期量子论的成功之处并克服了其困难和局 限，最终取代了早期量子论，成为统一描述微观世界物理 规律的普遍理论。
v ε h
λ h p
这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波，也叫物质波。
知识海洋
2.对德布罗意波的理解
粒子的波动性
（1）我们平时所看到的宏观物体运动时，看不出它们的波动性来，但也有一个波长与之对 应，例如飞行的子弹的波长约为10-34m，这个波长实在是太小了。
（2）波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性；宏观物体也存在波 动性，只是波长太小，难以观测。
2.量子力学建立的意义
量子力学的创立是物理学历史上一次重要革命。它和 相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。
知识海洋
量子力学的应用
1.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展 2.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 3.量子力学推动了固体物理的发展
ห้องสมุดไป่ตู้
应用探究
解析：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、衍射现象不明显而已，故C选项正确。
（3）对于光，先有波动图像（即频率和波长），其后在量子理论中引入光子的能量和动量 来补偿它的粒子性。反之，对于实物粒子，则先有粒子概念（即能量和动量），再引入德布罗 意的概念来补充它的波动性。
粒子的波动性和量子力学的建立 课件高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册
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粒子的波动性
德布罗意波的提出
▪ 法国物理学家。1892年8月15日生于下塞纳的迪耶普。出身贵族。1910年获 巴黎大学文学学士学位，1913年获理学硕士学位。第一次世界大战期间，在 埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。战后一方面参与他哥哥的物理实验工 作，一方面拜朗之万为师，研究与量子有关的理论物理问题，攻读博士学位。
德布 罗意
▪ 德布罗意是爱因斯坦光量子假说的追随者，但他深感爱因斯坦地光量子理 论并没有使从牛顿-惠更斯时代起就存在的光的微粒说和波动说的分歧得到 解决，只不过是使光的微粒说又重新抬头而已。
▪ 因此他战后重新开始理论物理学的研究时，就把自己工作的重点放在用统 一的理论描述光的行为，即想给光量子假说再披上一件波动的外衣，同时 希望能把这一结论推广到实物粒子上。
德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲《电子的波动性》节选
▪ 人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，即波动说和微粒说。 为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应当有无穷多的运 动。……
▪ 当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第一个问题是，不能认为 光量子理论是令人满意的，因为它是用ω=hν这个关系式来确定光微粒的能量，其 中包含着频率ν。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说， 单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一个问题是，确定原子 中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振 动现象。这使我想到，不能用简单的微粒来描述电子本身
提出波动方程
1926年，39岁
新教材高中物理第四章粒子的波动性和量子力学的建立pptx课件新人教版选择性必修第三册
2.物质波:法国物理学家德布罗意深受光的波粒二象性的启发,提
出实物粒子也具有波动性,即每一个运动的粒子都与一个对应的
波相联系,这种波称为物质波.某实物粒子的能量为ε、动量为p,对
应的物质波的频率ν、波长λ分别为多少?
答案:物质波的频率ν= ;波长λ= ,h为普朗克常量.
从波动规律.不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波.电子、
实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性,所以与它们
特性质发明了 晶体管 等各类固态电子器件,并结合激光光刻
技术制造了大规模 集成电路 ,俗称“芯片”.靠这些芯片,制造
了体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设
备,真正走进了信息时代.
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的
打“×”).
1.光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性.(√ )
第四章
原子结构和波粒二象性
5
粒子的波动性和量子力学的建立
学
习
目
标
1. 通过对干涉、衍射、光电效应等实验现象的分析,了解光的波粒二象
性及实验证据,感受微观粒子运动的复杂性.
2.通过对物质波概念的提出和实验验证内容的学习,知道实物粒子和光
一样也具有波粒二象性,领会对称性的研究方法,感受科学家的探究精神.
它们是同一种理论的两种表达方式.随后数年,在以玻恩、海
森堡、薛定谔、狄拉克、泡利为代表的众多物理学家的共同
努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建
立起来,它被称为 量子力学 .
知识点四
量子力学的应用
2.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展.核物理的发展,让
第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 教学设计
第5节粒子的波动性和量子力学的建立[学习目标]1．理解德布罗意波，会解释相关现象。
2．了解电子衍射实验，了解创造条件来进行有关物理实验的方法。
3．了解量子力学的建立过程，了解量子力学的应用。
知识点1粒子的波动性1．德布罗意波1924年，法国物理学家德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。
这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。
2．物质波的波长、频率关系式ν＝εh，λ＝hp。
知识点2物质波的实验验证1．实验探究思路干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。
2．实验验证1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别利用单晶和多晶晶体，做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图所示，证实了电子的波动性。
3．说明(1)人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。
对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝εh和λ＝hp关系同样正确。
(2)宏观物体的质量比微观粒子大得多，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。
[判一判]1．(1)德布罗意认为实数粒子也具有波动性。
()(2)一切宏观物体都伴随一种波，即物质波。
()(3)湖面上的水波就是物质波。
()(4)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。
()(5)向前飞行的子弹具有波动性。
()提示：(1)√(2)×(3)×(4)√(5)√知识点3量子力学的建立19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。
德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。
他们建立的理论被称为矩阵力学。
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程，使玻尔理论的局限得以消除。
由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。
【高中物理】粒子的波动性和量子力学的建立课件 高二物理人教版(2019)选择性必修第三册
电子质量为m,电荷量为e,初速度为0,加速电压为U,普朗克常量为h,则下列说法中正确
的是(
B )
A.该实验说明了电子具有粒子性
B.实验中电子的德布罗意波长为λ=
ℎ
2
C.加速电压U越大,电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子,衍射现象将更加明显
例1 (多选)根据物质波理论,以下说法中正确的是(
BD )
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
变式 [2022·湖南师大附中月考] 利用金属晶格作为障碍物观察电子的衍射图样,方法
海森堡
玻恩
薛定谔
狄拉克
泡利
量子力学的创立和索尔维会议
四、量子力学的应用
中国第四代
核反应堆
核磁共振
铯原子钟
集成电路
例2 (多选)关于物质波,下列认识中错误的是( BD )
A.每一个运动的物体都与一个对应的波相联系
B.X射线的衍射实验,证实了物质波假设是正确的
C.电子的衍射实验,证实了物质波假设是正确的
D.经典力学是相对论和量子力学在低速、宏观条件下的特殊情形
这一章又结束了
3、量子力学建立
1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程
。
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为
代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终
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粒子的波动性和量子力学的建立
【教学目标】
一、知识与技能
1．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。
2．了解量子力学的建立过程。
二、过程与方法
1．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。
2．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。
三、情感、态度与价值观
1．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。
2．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。
3．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。
【教学过程】
一、复习提问、新课导入
我们已经知道：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。
而电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？
二、新课教学
（一）粒子的波动性
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。
他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是
不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢？”
1．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。
一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量ε和动量p所描述的粒
子性，同时也具有以频率v和波长l所描述的波动性。
而且v=ε
ℎ，λ=ℎ
p。
后来，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，并都满足德布罗意关系。
结论：一切实物粒子都具有波动性。
实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。
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。
2．德布罗意波长
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它相对应，该波的波长??=ℎ/??。
例题1：试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波长。
解：一个中学生的质量大约为m≈50kg，百米跑时的速度约为v≈7m/s，由光子的动量表达式有：??=ℎ/??=1.9×10−36m。
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。
由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。
于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？
如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？
（二）物质波的实验验证
1．电子衍射实验1
1927年，C.J.戴维森与雷斯特·革末做电子衍射实验，验证电子具有波动性。
戴维森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。
2．电子衍射实验2
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。
电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也像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。
3．电子双缝实验
1961年克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）将一束电子加速到50keV，让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m，间隔为d=2.0×10-6m的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。
4．物质波的应用
物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明。
第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。
从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2μm，最大放大倍数也只有1000倍左右。
自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。
教师展示电子显微镜下的照片。
（三）量子力学的建立
19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。
这些现象不是孤立的，而是在各类系统中普遍存在的，且都和原子、分子等微观粒子的行为紧密相关。
在这些问题中经典物理学往往连实验结果的定性行为都无法解释。
这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。
德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。
他们建立的理论被称为矩阵力学。
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程，使玻尔理论的局限得以消除。
由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。
（四）量子力学的应用
量子力学被应用到众多具体物理系统中，得到了与实验符合得很好的结果，获得了极大的成功。
1．借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。
2．量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。
核物理的发展，还让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能。
爱因斯坦说：“这是人们第一次利用太阳以外的能量。
”
3．量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。
激光、核磁共振、原子钟，等等。
4．量子力学推动了固体物理的发展。
利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”。
靠它们，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备，真正走进了信息时代。
此外，固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。
【练习巩固】
1．判一判
（1）德布罗意认为实数粒子也具有波动性。
（√）
（2）光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论。
（×）
（3）波长较长的光只有波动性，没有粒子性。
（×）
（4）向前飞行的子弹具有波动性。
（√）
2．下列说法中正确的（）
A．质量大的物体，其德布罗意波长短
B．速度大的物体，其德布罗意波长短
C．动量大的物体，其德布罗意波长短
D．动能大的物体，其德布罗意波长短
答案：C
3．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
答案：BD
4．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源。
X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则（）
A．E＝hλ/c，p＝0B．E＝hλ/c，p＝hλ/c2
C．E＝hc/λ，p＝0 D．E＝hc/λ，p＝h/λ
答案：D
5．如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？（中子的质量为1.67×10-27kg）
答案：4.0×10-10m 6.63×10-35m。