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高三物理教案:《物粒子的波粒二象性》教学设计

来源:精品学习网 2018-11-13 12:28:38

  实物粒子的波粒二象性

  三维教学目标

  1、知识与技能

  (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。

  (4)了解不确定关系的概念和相关计算;

  2、过程与方法

  (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。

  3、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。

  教学方法:学生阅读-讨论交流-教师讲解-归纳总结。

  教学用具: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

  (一)引入新课

  提问: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?(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)。

  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?

  (二)进行新课

  1、光的波粒二象性

  讲述光的波粒二象性,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。

  2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

  =

  提问: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?

  3、粒子的波动性

  提问: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?(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。)

  (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: =

  提问: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)

  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

  提问:粒子波动性难以得到验证的原因?(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)

  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。(根据公式 计算得1.8×10-11m和3.3×10-34m)

  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。

  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。(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)

  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。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。

  提问:衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否?如何改进?(显微镜的分辨本领)

  5、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。

  6、经典波动与德布罗意波(物质波)的区别

  经典的波动(如机械波、电磁波等)是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波(物质波)是一种概率波。简单的说,是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。

  7、不确定度关系(uncertainty relatoin)

  经典力学:运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。微观粒子:位置、动量等具有不确定量(概率)。

  (1)电子衍射中的不确定度

  如图所示,一束电子以速度 v 沿 oy 轴射向狭缝。电子在中央主极大区域出现的几率最大。在经典力学中,粒子(质点)的运动状态用位置坐标和动量来描述,而且这两个量都可以同时准确地予以测定。然而,对于具有二象性的微观粒子来说,是否也能用确定的坐标和确定的动量来描述呢?

  下面我们以电子通过单缝衍射为例来进行讨论。

  设有一束电子沿oy轴射向屏AB上缝宽为a的狭缝,于是,在照相底片CD上,可以观察到如下图所示的衍射图样。如果我们仍用坐标x和动量p来描述这一电子的运动状态,那么,我们不禁要问:一个电子通过狭缝的瞬时,它是从缝上哪一点通过的呢?也就是说,电子通过狭缝的瞬时,其坐标x为多少?显然,这一问题,我们无法准确地回答,因为此时该电子究竟在缝上哪一点通过是无法确定的,即我们不能准确地确定该电子通过狭缝时的坐标。

  研究表明:

  对于第一衍射极小, 式中 为电子的德布罗意波长。电子的位置和动量分别用x和p来表示。电子通过狭缝的瞬间,其位置在 x 方向上的不确定量为 ,同一时刻,由于衍射效应,粒子的速度方向有了改变,缝越小,动量的分量 px变化越大。

  分析计算可得: 式中h为普朗克常量。这就是著名的不确定性关系,简称不确定关系。

  上式表明:

  ①许多相同粒子在相同条件下实验,粒子在同一时刻并不处在同一位置。

  ②用单个粒子重复,粒子也不在同一位置出现。

  例题解析:

  例1:一颗质量为10g 的子弹,具有200m?s-1的速率,若其动量的不确定范围为动量的0. 01%(这在宏观范围是十分精确的了),则该子弹位置的不确定量范围为多大?

  解:子弹的动量

  动量的不确定范围

  由不确定关系式 ,得子弹位置的不确定范围

  我们知道,原子核的数量级为10-15m,所以,子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定,不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。

  例2:一电子具有200 m/s的速率,动量的不确定范围为动量的0.01%(这已经足够精确了),则该电子的位置不确定范围有多大?

  解 : 电子的动量为:

  动量的不确定范围

  由不确定关系式,得电子位置的不确定范围

  我们知道原子大小的数量级为10-10m,电子则更小。在这种情况下,电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍,可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。

  8、微观粒子和宏观物体的特性对比

  宏观物体 微观粒子

  具有确定的坐标和动量,可用牛顿力学描述。 没有确定的坐标和动量,需用量子力学描述。

  有连续可测的运动轨道,可追踪各个物体的运动轨迹。 有概率分布特性,不可能分辨出各个粒子的轨迹。

  体系能量可以为任意的、连续变化的数值。 能量量子化 。

  不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系

  9、不确定关系的物理意义和微观本质

  (1)物理意义:

  微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量 越小,动量的不确定量 就越大,反之亦然。

  (2) 微观本质:是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。

  不确定关系式表明:

  ① 微观粒子的坐标测得愈准确( ) ,动量就愈不准确( ) ;微观粒子的动量测得愈准确( ) ,坐标就愈不准确( ) 。但这里要注意,不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准;也不是说微观粒子的动量测不准;更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准;而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准。

  ② 为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准?这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量。这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。由以上讨论可知,不确定关系是自然界的一条客观规律,不是测量技术和主观能力的问题。

  ③ 不确定关系提供了一个判据:当不确定关系施加的限制可以忽略时,则可以用经典理论来研究粒子的运动。当不确定关系施加的限制不可以忽略时,那只能用量子力学理论来处理问题。

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