第十七章波粒二象性教案Word格式文档下载.docx
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“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
在了解什么是黑体与黑体辐射之前，请同学们先阅读教材，了解一下什么是热辐射。
学生：
阅读教材关于热辐射的描述。
通过课件展示，加深学生对热辐射的理解。
并通过课件展示，使学生进一步了解热辐射的特点，为黑体概念的提出准备知识。
（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。
所辐射电磁波的特征与温度有关。
例如：
铁块温度↑
从看不出发光到暗红到橙色到黄白色
从能量转化的角度来认识，是热能转化为电磁能的过程。
（2）黑体
除了热辐射之外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。
不同的物体吸收和反射电磁波的能力是不一样的。
概念：
能全部吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体，称为绝对黑体，简称黑体。
课件展示黑体模型。
不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体。
如图所示。
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
【例1】下列叙述正确的是（）
A．一切物体都在辐射电磁波
B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
[解析]根据热辐射的定义，A正确；
根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状态有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，B错误，C正确；
由黑体的定义知D正确。
[答案]ACD
2．黑体辐射的实验规律
引导学生阅读教材“黑体辐射的实验规律”，接合课件展示，讲解黑体辐射的实验规律。
黑体热辐射的强度与波长的关系：
随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
提出问题，设置疑问。
怎样解释黑体辐射的实验规律呢？
在新的理论诞生之前，人们很自然地要依据热力学和电磁学规律来解释。
德国物理学家维恩和英国物理学家瑞利分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。
结果导致理论与实验规律不符，甚至得出了非常荒谬的结论，当时被称为“紫外灾难”。
课件展示：
瑞利--金斯线。
见课件。
【例2】炼钢工人通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的温度，这是根据什么道理?
[解析]本题考查热辐射的规律，解题时要注意辐射的能量与温度的关系。
[答案]根据热辐射的规律可知，当物体的温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强，可见光所占份额增大，温度越高红光成分减少，频率比红光大的其他颜色的光，为橙、黄、
绿、蓝、紫等光的成分就增多。
因此可根据炉内光的颜色大致估计炉内的温度
[点评]用学习的物理知识解释物理现象或者把握判断其特征，体现了学以致用的原则。
3．能量子：
超越牛顿的发现
利用已有的理论解释黑体辐射的规律，导致了荒谬的结果。
必然会促使人们去发现新的理论。
这就是能量子概念。
1900年，德国物理学家普朗克提出能量量子化假说：
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。
对于频率为ν的谐振子最小能量为
这个最小能量值，就叫做能量子
普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
（1）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年普朗克荣获了诺贝尔物理学奖。
他的墓碑上只刻着他的姓名和
黑体辐射的研究卓有成效地展现在人们的眼前，紫外灾难的疑点找到了，为人类解决了一大难题。
使热爱科学的人们又一次倍感欣慰，但真理与谬误之争就此平息了吗？
没有。
物理难题：
1888年，霍瓦（Hallwachs）发现一个带负电的金属板被紫外光照射会放电。
近10年以后，1897年，汤姆孙发现了电子，此时，人们认识到那就是从金属表面射出的电子，后来，这些电子被称作光电子（photoelectron），相应的效应叫做光电效应。
人们本着对光的完美理论（光的波动性、电磁理论）进行解释会出现什么结果？
明天，我们就继续学习“科学的转折：
光的粒子性”
【例3】对应于3．4xl0—l9J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少?
它是什么颜色?
[解析]根据公式εo=hν和ν=c/λ得
ν=ε/h=5.13x1014Hz
λ=c/ν=5.85x10-7Hz
5．13x10-14Hz的频率属于黄光的频率范围，它是黄光，其波长为5．85xl0—7m。
[答案]5．13x10—l4Hz5．85x10-7m黄色
[点评]要熟练掌握E=Pt=nε，εo=hν和ν=c/λ等关系，这是解题的关键。
（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。
点评：
总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
（四）作业：
“问题与练习”1、2、3题
★教学体会
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。
17．2科学的转折：
光的粒子性
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
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。
光电效应的实验规律
爱因斯坦光电效应方程以及意义
2课时
教学过程：
提问：
回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？
学生回顾、思考，并回答。
教师倾听、点评。
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。
1．光电效应
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。
认真观察实验。
教师提问：
上述实验说明了什么？
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。
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。
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。
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。
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．光电效应在近代技术中的应用
（1）光控继电器
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
（2）光电倍增管
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
7．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。
（4）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。
（5）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。
（6）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。
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。
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。
（7）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
“问题与练习”1～6题。
17.3崭新的一页：
粒子的波动性
1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。
2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。
3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。
1．了解物理真知形成的历史过程。
2．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。
3．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。
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。
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。
实物粒子的波动性的理解。
学生阅读－讨论交流－教师讲解－归纳总结
课件：
PP演示文稿（科学家介绍，本节知识结构）。
多媒体教学设备。
课时安排:
教学过程:
前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？
请同时举出相应的事实基础。
学生阅读课本、思考后回答：
光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。
在不同条件下表现出不同特性。
（分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。
让学生阅读课本内容结合前面所学知识进行归纳总结，形成正确观点。
原来我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？
学生举例说明：
例如哲学中对事物的辨正观点等。
培养学生对事物或规律的全面把握，并与与其他学科进行横向渗透联系。
1、光的波粒二象性
讲述光的波粒二象性。
在学生的辨析说明下进行归纳整理。
（1）我们所学的大量事实说明：
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。
（2）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。
通过学生归纳总结形成结论，教师再进行讲解，学生容易接受。
充分注重知识的学生自主形成过程。
2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。
让学生找到更多的关系公式：
＝
受此启发，人们想到：
同样作为物质的实物粒子（如电子、原子、分子等）是否也具有波动性呢？
学生阅读课本“粒子的波动性”。
让学生带着问题阅读，提高阅读的效率，培养学生从课文材料中提取有关信息的能力。
3、粒子的波动性
谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？
只是因为他大胆吗？
学生回答：
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。
有关德布罗意。
使学生了解对知识理论的推广和假设并不是一味的凭空猜想，而是有一定的理论或事实基础。
（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。
（2）物质波波长
各物理量的意义？
为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。
对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解。
讲述：
当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受，历史上类似的事例我们还知道那些？
伽利略的两个铁球同时落地等。
使学生了解正确的知识理论往往并不是一提出就能被大家所接受的。
让学生带着问题阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过实验验证？
又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证？
4．物质波的实验验证
粒子波动性难以得到验证的原因？
学生阅读教材后回答：
宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性．作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10－10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事．
让学生知受实际条件的限制而使很多理论在开始都处于假设阶段，不易被人们接受。
例题：
某电视显像管中电子的运动速度是4.0×
107m/s；
质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s．分别计算它们的德布罗意波长．
引导学生分析，学生解答：
根据公式
计算得1.8×
10-11m和3.3×
10-34m
通过具体计算使学生对实物粒子的德布罗意波长有感性认识，进一步理解实物粒子波动性验证的困难。
由计算结果知，通常生活中观察不到实物波动特性征的原因。
电子波动性的发现者———戴维森和小汤姆逊
（电子波动性的发现,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实,并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖.而戴维森和小汤姆逊由于发现了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖）
学生阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关知识的形成建立和发展的真是过程。
讲述电子衍射实验：
1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案．从而证实了德布罗意的假设。
学生了解更具体的相关历史资料。
增加真实感，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处。
除了电子以外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。
引用更多实验事实来增强对理论的证明。
衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否？
如何改进？
学生阅读课本材料：
显微镜的分辨本领。
对所学知识进行拓展，加强对实际生产生活应用的联系。
本节课我们学习了光的本质，即光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。
注意对光的
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