波粒二象性学案.docx

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波粒二象性学案

上课日期：

年月日星期第节

§17．1能量量子化：

物理学的新纪元

【教学目标】

1、知识与技能：

1．了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射

2．了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热辐射的强度与波长的关系

3．了解能量子的概念

2、过程与方法：

了解微观世界中的量子化现象。

比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点。

体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识。

3、情感态度与价值观：

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【重点难点】

1、重点:

能量子的概念

2、难点:

黑体辐射的实验规律

【授课内容】

引入新课

19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：

在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。

在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。

另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。

当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。

他们认为物理学已经发展到头了。

1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家开尔文作了展望新世纪的发言：

“科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。

”

也就是说：

物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！

但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：

“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”这两朵乌云是指什么呢？

一朵与黑体辐射有关，另一朵与迈克尔逊实验有关。

然而，事隔不到一年（1900年底），就从第一朵乌云中降生了量子论，紧接着（1905年）从第二朵乌云中降生了相对论。

经典物理学的大厦被彻底动摇，物理学发展到了一个更为辽阔的领域。

正可谓“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。

点出课题：

我们这节课就来体验物理学新纪元的到来――能量量子化的发现

二、进行新课

1．黑体与黑体辐射

1、热辐射现象

固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

①、所辐射电磁波的特征与温度有关。

固体在温度升高时颜色的变化

例如：

铁块在随温度升高时从看不出发光到暗红到橙色到黄白色

这种与温度有关的辐射称为热辐射

②、热辐射---热能转化为电磁能的过程

任何物体任何温度均存在热辐射,温度发射的能量

直觉:

低温物体发出的是红外光

炽热物体发出的是可见光

高温物体发出的是紫外光

注意：

激光日光灯发光不是热辐射

③无论是高温物体还是低温物体，都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。

④热辐射解释：

大量带电粒子的无规则热运动引起的。

物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。

思考与讨论：

一座建设中的楼房还没安装窗子，尽管室内已经粉刷，如果从远处看，把窗内的亮度与楼房外墙的亮度相比，你会发现什么？

为什么？

2.、黑体辐射：

能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。

简称黑体。

3、黑体辐射实验规律：

说明：

（1）黑体是个理想化的模型。

例：

开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。

（2）对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。

②辐射强度：

单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。

公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符----紫外灾难

黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。

二、能量量子化假说：

1、普朗克能量子假说

辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。

但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。

相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：

ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n为正整数，称为量子数。

2、对于频率为ν的能量子最小能量：

ε=hγ

h=6.62610-34焦耳。

----普朗克常数

比喻：

电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。

3、振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量

4、意义：

Planck抛弃了经典物理中的能量可连续变化、物体辐射或吸收的能量可以为任意值的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。

这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。

5、黑体辐射公式：

1900.10.19普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式

普朗克后来又为这种与经典物理格格不入的观念深感不安，只是在经过十多年的努力证明任何复归于经典物理的企图都以失败而告终之后，他才坚定地相信h的引入确实反映了新理论的本质。

1918年他荣获诺贝尔物理学奖。

他的墓碑上只刻着他的姓名和h=6.6626×10－34j·s

【课后反思】

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。

学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

上课日期：

年月日星期第节

§17．2科学的转折：

光的粒子性

【教学目标】

1、知识与技能：

1．通过实验了解光电效应的实验规律。

2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。

3．了解康普顿效应，了解光子的动量

2、过程与方法：

经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。

3、情感态度与价值观：

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【重点难点】

1、重点：

光电效应的实验规律

2、难点：

爱因斯坦光电效应方程以及意义

【授课内容】

一、引入新课

光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。

19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。

然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。

对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。

（二）进行新课

1．光电效应

教师：

实验演示。

（课件辅助讲述）

用弧光灯照射擦得很亮的锌板，（注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。

学生：

认真观察实验。

教师提问：

上述实验说明了什么？

学生：

表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。

概念：

在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。

发射出来的电子叫做光电子。

2．光电效应的实验规律

（1）光电效应实验

如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。

光电子在电场作用下形成光电流。

概念：

遏止电压

将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。

当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。

Uc称遏止电压。

根据动能定理，有

（2）光电效应实验规律

①光电流与光强的关系

饱和光电流强度与入射光强度成正比。

②截止频率νc----极限频率

对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc。

当入射光频率ν>νc时，电子才能逸出金属表面；

当入射光频率ν<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。

③光电效应是瞬时的。

从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s。

3．光电效应解释中的疑难

经典理论无法解释光电效应的实验结果。

经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。

也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。

光电效应实验表明：

饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。

只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。

光电效应具有瞬时性。

而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。

为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。

4．爱因斯坦的光量子假设

（1）内容

光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。

也就是说，频率为ν的光是由大量能量为E=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。

（2）爱因斯坦光电效应方程

在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。

由能量守恒可得出：

W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功

Wk为光电子的最大初动能。

（3）爱因斯坦对光电效应的解释：

①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。

②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。

③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系

④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：

爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。

5．光电效应理论的验证:

美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。

展示演示文稿资料：

爱因斯坦和密立根

由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。

密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。

获得1923年诺贝尔物理学奖。

点评：

应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

例题（教材36页）

学生通过运算得出相应的正确结果。

点评：

理论联系实际，适量的练习题可以进一步巩固和掌握所学理论知识。

6．康普顿效应

（1）光的散射

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

（2）康普顿效应

1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。

（3）康普顿散射的实验装置与规律：

按经典电磁理论：

如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！

散射中出现

的现象，称为康普顿散射。

康普顿散射曲线的特点：

①除原波长

外出现了移向长波方向的新的散射波长

②新波长

随散射角的增大而增大。

波长的偏移为

波长的偏移只与散射角

有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长

无关，

=0.0241Å=2.41×10-3nm（实验值）

称为电子的Compton波长

只有当入射波长

与

可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。

（3）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难

①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。

②无法解释波长改变和散射角的关系。

（4）光子理论对康普顿效应的解释

①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。

②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。

③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。

（5）康普顿散射实验的意义

①有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；

②首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；

③证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。

展示演示文稿资料：

康普顿

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。

康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

展示演示文稿资料：

吴有训对研究康普顿效应的贡献

1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.

1925—1926年，吴有训用银的X射线（

=5.62nm）为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角（

）测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。

对证实康普顿效应作出了重要贡献。

点评：

应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

（6）光子的能量和动量

说明：

动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用来描述波的

（三）课堂小结

教师活动：

让学生概括总结本节的内容。

请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：

认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

上课日期：

年月日星期第节

§17.3崭新的一页：

粒子的波动性

【教学目标】

1、知识与技能：

了解光的波粒二象性．

　　了解粒子的波动性．

2、过程与方法：

培养学生的观察、分析能力。

3、情感态度与价值观：

培养学生严谨的科学态度，正确地获取知识的方法。

【重点难点】

1、重点：

粒子波动性的理解

2、难点：

对德布罗意波的实验验证

【授课内容】

一、说明：

光的波粒二象性的联系

（1）、E=hν光子说不否定波动性

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。

且由E=hν，光子说中E=hν，ν是表示波的物理量，可见光子说不否定波动说。

（2）、光子的动量和光子能量的比较：

p=

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

波粒二象性对光子来讲是统一的。

二、德布罗意波（物质波）

1924年，德布罗意（duedeBroglie,1892-1960）最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。

De.Broglie1924年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。

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，那末在实物的理论中，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”

于是，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。

能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为的波相联系，并遵从以下关系：

E=mc2=hv

p=mv=

其中p：

运动物体的动量h：

普朗克常量

1、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）,其波长称为德布罗意波长。

2、一切实物粒子都有波动性。

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。

一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？

【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。

解：

估计一个中学生的质量m≈50kg，百米跑时速度v≈7m/s，则

λ=

=1.9×10－36m

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。

可见，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。

德布罗意公式成为揭示微观粒子波－粒二象性的统一性的基本公式，1929年，DeBroglie因发现电子波而荣获Nobel物理学奖。

三、物质波的实验验证

G.P.汤姆孙电子衍射实验

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.

上课日期：

年月日星期第节

§17.4概率波

【教学目标】

（一）知识与技能

1．了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

2．了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

3．了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子性．

4．了解光是一种概率波．

（二）过程与方法

1．领悟什么是概率波

2．了解物理学中物理模型的特点初步掌握科学抽象这种研究方法

3．通过数形结合的学习，认识数学工具在物理科学中的作用

（三）情感、态度与价值观

理解人类对光的本性的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识光的本性的．

【重点难点】

1、重点：

人类对光的本性的认识的发展过程．

2、难点：

对量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解

【授课内容】

一、经典的粒子和经典的波

在经典物理学的观念中，，人们形成了一种观念，物质要么具有粒子性，要么具有波动性，非此即彼。

任意时刻的确定位置和速度以及空中的确定轨道，是经典物理学粒子运动的基本特征。

与经典的粒子不同，经典的波在空间中是弥散开来的，其特征是具有频率和波长，也就是具有时空的周期性。

显而易见，在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现。

那么，为什么光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？

学生跟随老师的讲述对于原来所学的相关知识进行自主的回顾和归纳整理。

点评：

对于已经学习过的知识可以穿插在平常的教学过程中时常进行温习反思和类比迁移，多次反复一定可以帮助学生更好的掌握和利用知识。

[问题]：

在微观世界中，如何把波的图象与粒子的图象统一起来呢？

学生思考、讨论后给出一些答复，就各种答案加以分析提炼总结。

点评：

给学生一定的自主学习的时间和空间效果比被动的接受知识要好，能够更加有效的培养他们的学习主动性和能动性。

二、概率波

1、德布罗意波的统计解释

1926年，德国物理学玻恩（Born，1882--1972）提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。

展示演示文稿资料：

玻恩

点评：

应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

２、概率波对光的双缝衍射现象的解释：

光是一种粒子，它和物质的作用是“一份一份”地进行的.用很弱的光做双缝干涉实验.从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性.

　实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长，我们无法把它们区分开，因此看起来是连续的.单个光子通过双缝后的落点无法预测,但是研究很多光子打在胶片上的位置,我们发现了规律性:

光子落在某些条形区域内的可能性较大.这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域.这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小（概率），正是由于这个原因，1926年德国的物理学家波恩指出：

虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。

这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种概率波。

物理学中把光波叫做概率波.概率表征某一事物出现的可能性.

经过长期的探索，人们对光的认识越来越深入了.光既是一种波,又是一种粒子,光既表现出波动性又表现出粒子性.而在我们的经验中找不到既是波,又是粒子的东西.这是因为我们的经验局限于宏观物体的运动,微观世界的某些属性与宏观世界不同，我们从来没有过类似的经历.随着人类的认识范围不断扩展，不可能直接感知的事物出现在我们面前.在这种情况下我们就要设想一种模型，尽管以日常经验来衡量，这个模型的行为十分古怪，但是只要能与实验结果一致，它就能够在一定范围内正确代表所研究的对象.

３、光的波动性与粒子性是不同条件下的表现：

讲述：

大量光子行为显示波动性；个别光子行为显示粒子性；

光的波长越长，波动性越强；光的波长越短，粒子性越强

４、概率波对物质波的双缝衍射现象的解释

对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波。

也就是说，单个粒子位置是不确定的。

对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果。

总之，按光子的模型，用统计观点看待单个粒子与粒子总体的联系，并将波的观点与粒子观点结合起来了，但这里的波是特殊意义的波，因而被称为“概率波”．这种对物质波衍射与实物粒子的波粒二象性的理解，称作统计解释或概率解释．

点评：

存疑——求解，人类社会的不断发展和科学技术的日益进步都是在这样的情景下取得。

三、课堂小结

教师活动：

光既具有波动性，又具有粒子性。

既不可把光看成宏观观念中的波，也不可把光看成宏观观念中的粒子。

学生在老师进行小结的同时可以同步把自己对于本节课的内容小结进行参照对比，查漏补缺。

点评：

课堂小结有利于学生对当堂课的内容形成完善的知识框架，强化理解和把握一些知识重点和难点。

四、作业：

完成讲义相应练习

★教学体会

上课日期：

年月日星期第节

§17.5不确定关系

【教学目标】

（一）知识与技能

1．了解不确定关系的概念和相关计算．

2．了解物理模型与物理现象

（二）过程与方法

经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。

（三）情感、态度与价值观

能领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【重点难点】

1、重点：

不确定关系的概念

2、难点：

对不确定关系的定量应用

【授课内容】

（一）引入新课

提问：

对光的本性的认识？

学生思考、回答：

光具有波动性和粒子性，是一种概率波。

设疑：

既然光是粒子，那么它的运动还遵守牛顿运动定律吗？

还能用质点的位置和动量来描述它的运动吗？

点评：

引发学生的好奇心，激发学习的兴趣。

教师：

回答是否定的。

光子的运动具有不确定性。

这节课我们就来学习有关知识。

（二）进行新课

1．不确定性关系（uncertaintyrelatoin）

经典力学：

运动物体有完