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(dòng)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(dòng)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(dòng)量：能量表達(dá)式=_，動(dòng)量表達(dá)式_。3意義：能量和動(dòng)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(dòng)性之間的親密關(guān)系。二粒子的波動(dòng)性及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1粒子的波動(dòng)性德布羅意波：任何一種實(shí)物粒子都和一個(gè)_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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1實(shí)驗(yàn)探究思路：_、衍射是波特有的現(xiàn)象，假如實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，那么在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生_或衍射現(xiàn)象。2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，得到了_的衍射圖樣，證實(shí)了_的波動(dòng)性。3說明：人們陸續(xù)證實(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)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(dòng)性。波動(dòng)性 衍射 粒子性 光電效應(yīng) 波動(dòng)性 粒子性 波粒二象性 hv 粒子 波動(dòng) h 波 物質(zhì)波 干預(yù) 干預(yù) 電子束 電子 電子 波動(dòng)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(rèn)識史人類對光的認(rèn)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(dòng)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(jì)初，對于光的本性的認(rèn)識才提升到一個(gè)更高層次，即光具有波粒二象性。對于光的本性認(rèn)識史，列表如下：學(xué)說名稱微粒說波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點(diǎn)光是一群彈性粒子光是一種機(jī)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(dòng)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(shí)驗(yàn)根底表現(xiàn)說明光的波動(dòng)性干預(yù)和衍射1光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可

4、能性大小可用波動(dòng)規(guī)律來描繪。2足夠能量的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)1光的波動(dòng)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(dòng)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(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份進(jìn)展的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。2少量或個(gè)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(xiàng)是 A光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B光的波動(dòng)性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)C大量光子才具有波動(dòng)性，個(gè)別光子只具有粒子性D由于光既具有波動(dòng)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(rèn)為光具有波粒二象性參考答案：D試題解析：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子。波動(dòng)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(gè)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(rèn)為光具有波粒二象性。只有選項(xiàng)D正確。二對物質(zhì)波的理解德布羅意認(rèn)為任何運(yùn)動(dòng)著的物體均有波動(dòng)性，可是我們觀察運(yùn)動(dòng)著的汽車，并未感覺到它的波動(dòng)性。你如何理解該問題，談?wù)勛约旱恼J(rèn)識。1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動(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(jì)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(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動(dòng)性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)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(dòng)量的表達(dá)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(dòng)量的不同表達(dá)式。如光子的能量=h，動(dòng)量；微觀粒子的動(dòng)能，動(dòng)量p=mv。4一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短，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。【例題2】假如一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)

7、動(dòng)，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(dòng)量為p1=m1v子彈的動(dòng)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(xiàng)選擇關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的選項(xiàng)是 A大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)互相作用時(shí)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(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著2多項(xiàng)選擇關(guān)于物質(zhì)波，以下說法錯(cuò)誤的選項(xiàng)是 A任何運(yùn)動(dòng)的物體質(zhì)點(diǎn)都伴隨一種波，這種波叫物質(zhì)波BX射線的衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了物質(zhì)波假設(shè)是正確的C電子的衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(xiàng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干預(yù)現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)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?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_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(dòng)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(xiàng)選擇人類對光的本性的認(rèn)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(shí)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(shí)驗(yàn)顯示了

10、光具有波動(dòng)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(xiàng)選擇關(guān)于光的波粒二象性，以下說法正確的選項(xiàng)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(dòng)性越明顯C頻率高的光只具有粒子性，不具有波動(dòng)性D無線電波只具有波動(dòng)性，不具有粒子性7電子顯微鏡的最高分辨率高達(dá)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(xiàng)選擇以下說法正確的選項(xiàng)是 A光的干預(yù)和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)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(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子具有一樣的動(dòng)能時(shí)，因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量比質(zhì)子的小，所以電子的動(dòng)量就小C一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子具有一樣的動(dòng)能時(shí)，電子的德布羅意波長比質(zhì)子的小D一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子具有一樣的動(dòng)能時(shí)，電子的德布羅意波長比質(zhì)子的大9多項(xiàng)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(jìn)而分析出晶體的原子排列。那么以下分析中正確的選項(xiàng)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(yùn)動(dòng)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(yuǎn)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(dāng)10多項(xiàng)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(dòng)性幾乎不可能B無線電波通常情況下只能表現(xiàn)出波動(dòng)性C電子照射到金屬晶體上能觀察到它的波動(dòng)性D只有可見光才有波動(dòng)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(gè)光子的能量和動(dòng)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(xiàng)是 A速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長大B動(dòng)能相等的電子和質(zhì)子，電子的波長小C動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，能說明粒子具有波動(dòng)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(dòng)的空氣形成的風(fēng)發(fā)出聲音說明空氣分子的波動(dòng)性14影響顯微鏡分辨本領(lǐng)的一個(gè)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(xiàng)是 A加速電壓越高，電子的波長越長，分辨本領(lǐng)越強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)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(xiàng)是 A該實(shí)驗(yàn)說明電子具有波動(dòng)性B實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，它的德布羅意波的波長多大?假設(shè)它以光速運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)?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(dòng)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(jì)算：1該管在1 s內(nèi)發(fā)射出多少個(gè)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(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯，選項(xiàng)D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，選項(xiàng)A正確；光在傳播時(shí)波動(dòng)性顯著，光與物質(zhì)互相作用時(shí)粒子性顯著，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動(dòng)性顯著，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。2BD【解析】據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論知，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)

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(xiàng)A正確；由于X射線本身就是一種波，而不是實(shí)物粒子，故X射線的衍射現(xiàn)象，并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性，即選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電子是一種實(shí)物粒子，電子的衍射現(xiàn)象說明運(yùn)動(dòng)著的實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，應(yīng)選項(xiàng)C正確；由電子穿過鋁箔的衍射實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(xiàng)D錯(cuò)誤。3C【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)

18、性，只是干預(yù)、衍射現(xiàn)象不明顯，故只有選項(xiàng)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(dòng)量的數(shù)量級是1024 kg·m/s。5BCD【解析】牛頓的“微粒說認(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然選項(xiàng)A錯(cuò)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(dòng)性，選項(xiàng)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(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，選項(xiàng)C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，選項(xiàng)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(dòng)性越明顯，B對；頻率高的光粒子性明顯，但也具有波動(dòng)性，C錯(cuò)；無線電波是電磁波，既具有波動(dòng)性也具有粒子性，D錯(cuò)。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(dòng)性，又具有粒子性，說明了光具有波粒二象性，選項(xiàng)A正確；一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子具有一樣的動(dòng)能時(shí)，動(dòng)量和動(dòng)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(dòng)量小，選項(xiàng)B正確；

20、又由=知電子的動(dòng)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(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)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(dòng)量應(yīng)很大，即速度應(yīng)很大，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)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(dāng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，選項(xiàng)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(dòng)性，而無線電波波長為3.0×102 m，所以通常表現(xiàn)出波動(dòng)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(gè)光子的能量為=，每個(gè)光子的動(dòng)量為p=，應(yīng)選D。12A【解析】由=可知?jiǎng)恿看蟮牟ㄩL小，電子與質(zhì)子的速度相等時(shí)，電子動(dòng)量小，波長大。電子與質(zhì)子動(dòng)能相等時(shí)，由動(dòng)量與動(dòng)能的關(guān)系式p=可知，電子的動(dòng)量小，波長大。動(dòng)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(yuǎn)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(shí)物粒子，故X射線有波長變大的成分，并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性，即選項(xiàng)AB并不能說明粒子的波動(dòng)性，而選項(xiàng)C中電子的衍射證明了電子具有波動(dòng)性；選項(xiàng)D中風(fēng)發(fā)出聲音是機(jī)械波，不能說明空氣分子的波動(dòng)性。應(yīng)選項(xiàng)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