4.5粒子的波動性和量子力學的建立教學設計

課題粒子的波動性和量子力學單元4學科物理年級選修三

的建立

物理觀念：知道德布羅意波，光有波動性和粒子性、量子力學等基本觀點和相關(guān)實驗證

據(jù)。

科學思維：掌握光的波粒二象性，理解其對立統(tǒng)一關(guān)系；并能應用波粒二象性解釋有關(guān)

現(xiàn)象，提高分析、推理能力。

學習

目標科學探究：通過學習電子衍射、與干涉的探究，學會觀察與討論，并能得出實驗結(jié)論，

提高動腦能力。

科學態(tài)度與責任：學習科學家們探究物質(zhì)波、建立量子力學的艱辛，堅持實事求是的科

學態(tài)度，激發(fā)學習科學的興趣。

重點知道德布羅意波，光有波動性和粒子性、量子力學等基本觀點和相關(guān)實驗證據(jù)。

難點知道德布羅意波，光有波動性和粒子性、量子力學等基本觀點和相關(guān)實驗證據(jù)。

教學過程

教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動設計意圖

導入新課有記者曾問英國物理學家、諾貝爾獲獎者布拉

格教授：光是波還是粒子？

布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是閱讀物理

一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物小故事，了解

理學家休息。”科學家對于光

如果你是布拉格教授，將如何機智地回答？的波粒二象性

的探索歷程。

那么光的本性到底是什么？讓學生了解

科學家對于光的

波粒二象性的探

索歷程，體會科

學家不畏困難的

探索精神。

堅持實事求

是的科學態(tài)度，

波動派

激發(fā)學習科學的

1690年，惠更斯波動說

興趣。

1864年，麥克斯韋電磁說

粒子派：

1672年，牛頓微粒說

1905年，愛因斯坦光子說（光電效應）

1922年，康普頓效應

光具有波粒二象性

講授新課通過對雙縫干涉、光電效應等一系列問題的研

究，人們終于認識到光既有粒子性，又有波動性。由光的波粒

我們已經(jīng)認識到如電子、質(zhì)子等實物粒子是具根據(jù)光的二象性思考實物

有粒子性的，那么，實物粒子是否也會同時具有波波粒二象性思粒子是否也具有

考問題。

動性呢?這種性質(zhì)，引起

一、粒子的波動性學生的思考。

德布羅意(De·Broglie)，法國物理學家，1929

年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)始人，量

子力學的奠基人之一。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。

他認為，“整個世紀以來(指19世紀)在光

學中比起波動的研究方法來，如果說是過于忽視了

粒子的研究方法的話，那么在實物的理論中，是否讓學生通過

發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子的圖象閱讀徳布羅意波

了解實物

想得太多，而過分忽略了波的圖象呢？”的提出過程，理

粒子的波動

德布羅意提出假設：實物粒子也具有波動性，解徳布羅意波的

性。

即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)系。粒含義。

子的能量ε和動量p跟它所對應的波的頻率ν和波

長λ之間，遵從如下關(guān)系：

h

,

hp讓學生通過

計算解決

這種與實物粒子相聯(lián)系的波后來被稱為德布計算來更好的理

問題。

羅意波，也叫作物質(zhì)波。解物質(zhì)波的存

根據(jù)測算,羽毛球離拍時的最大速度可達到288在，之所以觀察

km/h,羽毛球的質(zhì)量為5.0g,試求其德布羅意波長,不到，是因為常

我們能觀察到羽毛球的波動性嗎?見物體的物質(zhì)波

波長太小了。

解析：羽毛球的速度v=80m/s,其徳布羅意波波

h

長1.661033m

p

波長太短，無法觀測到羽毛球的波動性。

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的波長太小的緣故。

2、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,與光子對應的波

是電磁波,與實物粒子對應的波是物質(zhì)波。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。

二.物質(zhì)波的實驗驗證

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

驗。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學獎。

此后，人們相繼證實了質(zhì)子、中子以及原子、

分子等都具有波動性。

了解電子

衍射實驗。

通過課堂練

習，更好的理解

徳布羅意波的特

點和含義。

完成課堂

練習。

德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被實驗證實，表明

電子、質(zhì)子、原子等粒子不但具有粒子的性質(zhì)，而

且具有波動的性質(zhì)。換句話說，它們和光一樣，也

具有波粒二象性。

課堂練習1、下列關(guān)于德布羅意波的認識正確

的是()

A.任何一個物體都有一種波和它對應,這就是

物質(zhì)波

B.X光的衍射證實了物質(zhì)波的假設是正確的

讓學生理解

C.電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設是正確的

經(jīng)典理論的局限

D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)

性，才能讓學生

象,所以宏觀物體不具有波動性

更深入的了解新

解析：運動的物體才具有波動性,A項錯;宏觀

的理論和知識。

物體由于動量太大,德布羅意波長太小,所以看不到

它的干涉、衍射現(xiàn)象,但仍具有波動性,D項錯;X光

是波長極短的電磁波,是光子,它的衍射不能證實物

質(zhì)波的存在,B項錯;只有C項正確。小組討

答案：C論，梳理經(jīng)典

三、量子力學的建立理論的局限

情境探究性。

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。請思考:

(1)經(jīng)典力學是否適用于質(zhì)子束的運動規(guī)律?如

何研究質(zhì)子束的運動規(guī)律?

(2)經(jīng)典力學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?

梳理各種

新理論和普朗

克常量h的關(guān)

系。

在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克

和奧地利的泡利為代表的眾多物理學家的共同努了解量子

力下,描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終力學在現(xiàn)代科

學習量子力

完整地建立起來,它被稱為量子力學。技中的應用。

學在現(xiàn)代科技中

四、量子力學的應用

的應用和對人類

量子力學的創(chuàng)立是物理學歷史上的一次重要

社會進步起到的

革命。它和相對論共同構(gòu)成了20世紀以來物理學

積極作用的學

的基礎(chǔ)。

習，激發(fā)學習科

推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。人們認識了

學的興趣。

原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質(zhì)結(jié)

構(gòu)。而粒子物理學的發(fā)展又促進了天文學和宇宙學

的研究。

推動了原子、分子物理和光學的發(fā)展。人們認

識了原子的結(jié)構(gòu),以及原子、分子和電磁場相互作用

的方式。

推動了固體物理的發(fā)展。人們了解了固體中電

子運行的規(guī)律,并弄清了為什么固體有導體、絕緣體

和半導體之分。利用半導體的獨特性質(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”。

量子力學的應用還有很多。毫不夸張地說，在

過去的近一百年中，量子力學極大地推動了人類的

進步。“一步一重天，百步上云端”，人類探索自

然的步伐不會停息，量子力學必將在這個征途上繼

續(xù)發(fā)揮巨大的基礎(chǔ)性作用。

課堂練習2、(多選)關(guān)于經(jīng)典力學、相對論與

量子論的說法正確的是()

A.當物體的速度接近光速時,經(jīng)典力學就不適

用了

B.相對論和量子力學的出現(xiàn),使經(jīng)典力學失去

了意義

C.量子力學能夠描述微觀粒子運動的規(guī)律性

D.萬有引力定律也適用于強相互作用力

解析：經(jīng)典力學只適用于低速宏觀的物體,故A

正確;相對論和量子力學的出現(xiàn),并沒有否定經(jīng)典力

學,只是說經(jīng)典力學有一定的適用范圍,故B錯誤;量

子力學描述了微觀粒子運動的規(guī)律性,故C正確;萬

有引力定律對于強相互作用力是不適用的,故D錯

誤。

答案：AC

拓展提高1、下列說法正確的是()

A.物質(zhì)波屬于機械波完成拓展通過練習，

B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才提高。鞏固基礎(chǔ)知識。

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,

這種波叫作物質(zhì)波

D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)

象,所以宏觀物體運動時不具有波動性

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性,只是干

涉、衍射現(xiàn)象不明顯,故只有選項C正確。

答案：C