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1、彭桂铭高中物理教案 高中物理教案第十八章量子论初步二光的波粒二象性彭桂铭(湖北省鹤峰一中)445800教学目标知道光既有波动性，又有粒子性知道光具有波粒二象性。知道概率波的概念。理解光波与机械波的本质上的区别。初步了解微观世界中光的波粒二象性的辩证统一教学重点光具有波粒二象性教学难点对波粒二象性的理解教学过程教本节教材的内容，限于高中学生的知识基础和教学要求，不可能使学生比较深入地理解 ，只要求学生能知道微观世界与宏观世界有不同的规律，而“光既有波动性，又有粒子性” 这一宏观世界难于统一的事件在微观世界可以统一但是，不可以把它看成宏观的波和宏观的粒子材先总结前面所学知识，提出光具有波粒二象性，
2、并进一步指出光波是一种概率波：大量光子表现出的波动性强，少量光子表现出的粒子性强；频率高的光子表现出的粒子性强，频率低的光子表现出的波动性强。教材中内容要求较低，学生掌握部分以记忆为主。可以先提出思考问题，学生再阅读课本自学，最后学生回答问题，有不明白的地方由教师解释。课本内容为后面介绍“物质波”打下一定基础，因此，不必说尽，可留有余地，给学生继续探究的余地由教师提出思考问题（光波能干涉和衍射，说明光具有波动性；而光电效应又说明光具有粒子性，那么光波到底是波还是粒子呢？），学生再阅读课本自学，最后学生回答思考问题，有不明白的地方由教师解释。光的波粒二象性是指光既具有波动性，又具有粒子性，它把两
3、种本来就互相对立、矛盾的概念，通过光子的能量和动量的公式联系起来，统一于光的波粒二象性之中，这是矛盾的对立统一，也是当代人们对光的本性的认识这种认识是经历了漫长的岁月，经过几个历史阶段，最后才形成和发展起来的光是波动还是微粒？在古代，已经提出了“光究竟是什么?”的问题，但对它的认识很模糊。到17世纪，对光的认识提出了两种理论，一种是由胡克和惠更斯提出的波动说，另一种是以牛顿为代表的微粒说这里把光看作一种实物粒子。胡克认为光是一种振动，在均匀媒质中在各方向上以相等的速度传播，发光体的每一振动必须形成一个球面，像水波一样不断扩大惠更斯的工作使光的波动说得到了重要的发展，在1690年出版的论光中，已
4、注意到光在传播中相互交叉时并不被此妨碍的事实，从而得出光的运动是媒质的运动，而不是可以和飞矢相比拟的运动他还把光的传播方式和声音在空气中的传播加以比较，明确地提出“光是一种波动”的想法。他又根据光速的有限性论证了光是从媒质的一部分依次向其他部分传播的一种运动，它和声波、水波一样是球面波牛顿对惠更斯提出的光的波动说持怀疑和反对的态度，他说：“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体?因为这样一些物体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去，这正是光线的本质”可以看出牛顿是从光线在媒质中的直线传播这一性质出发而提出光的微粒说的。以惠更斯为代表的光的波动说，不能解释光的偏振现象，牛顿却能根据微粒说解
5、释光的偏振主要由于这一原因，17、18世纪人们接受了光的微粒说，而否定光的波动说尽管牛顿的牛顿环实验已经不能用粒子说解释了。但粒子说理论还是占主要地位。波动说的胜利和发展：1801年，托马斯杨进行了双缝干涉实验，从而提出了光的干涉原理，使光的波动说复苏起来。17年之后，菲涅耳证明了将杨氏干涉原理和惠更斯原理的基本假设结合起来，可以得到较完整的光的波动理论，用它可以解释光在传播中的各种现象、而牛顿的微粒说对此却是无能为力。尤其当博科和菲佐首创了在实验室测定光速的方法以后，可以测出光在空气和水中的速度，实验结果表明：由光的微粒说导出的光在水中的速度大于在空气中的速度是错误的。由此，光的波动说在光的
6、本性的争论中，占了支配地位。麦克斯韦1864年的工作使光的波动说达到了顶点，他用娴熟的数学技能揭示了电磁场的本质，总结出麦克斯韦电磁场方程组，又从这些方程组导出了波动方程，证明电磁波是一种横波，并得出电磁波的传播速度等于空气或真空中的光速，由此得出结论：“这一速度与光速如此接近，看来我们有强烈的理由断定，光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动”这就是麦克斯韦对光的电磁理论的精辟描述。这一理论大约在20多年之后，1888年由HR赫兹用实验加以证明。光的电磁理论使光的波动说摆脱了机械观点的影响，从菲涅耳等人的弹性以太的波动说进入了电磁以太的波动说，它为光的波动说奠定了牢固的基础
7、光量子理论的提出：光的波动说从托马斯杨和菲涅耳的工作开始，大约盛行了90年1900年，普朗克为了解释黑体辐射的能量分布，他假设黑体内谐振于吸收和发射的能量是不连续的。每一变化只能是hv的整数倍，他把这能量变化的单元hv称为量子到1905年，爱因斯坦对光的本性又提出了新的看法他发表了一篇题为关于光的产生和转化的一个具有启发性的观点的文章。这篇文章从根本上说，是为了说明不仅辐射的发射和吸收过程是以离散的能量形式发生的，而且在一定条件下，辐射本身的性质也好像是由粒子组成的。为此提出了大量的例证，其中之一就是对光电效应的理论解释。光电效应是这样一种现象：当波长足够短的电磁辐射投射到金属表面时，从金属表
8、面有电子逸出1902年，勒纳德(PLenard，1862一1947)对它进行了实验研究，发现了一些令人不解的事实：逸出电子的能量分布与照射金属表面的光强度无关，却与光的频率有关当光的强度增加时，发射电子的数目增加，而电子的能量并不增加这一规律是经典的波动说无法解释的爱因斯坦对光电效应进行了研究，他认为勒纳德的观测结果是光的微粒本性的一个明显例证，并使他更加确信，光的波动说虽然有很大的成就，但是把它用于光的产生和转化现象，很可能导致与实验的矛盾例如对于黑体辐射、光发射、由紫外线引起的阴极射线的产生、以及其他涉及到光的产生和转化等现象如果假设能量在空间作不连续分布即采用光量子假说更易于理解。他由光
9、量子的概念进而得出了光电方程爱因斯坦的工作，不仅从理论上解释了光电效应，更重要的是使人们对光本性的认识上升了一大步他所提出的方程，约在10年后由原来持反对意见的密立根给出证明。光的波粒二象性概念的确立：爱因斯坦的光量子理论，当时曾使入迷惑不解，因为一方面光具有干涉和衍射现象，说明辐射具有波动性，而另一方面光电效应又指出辐射具有粒子性面对这一矛盾，爱因斯坦深入研究了辐射的本性，终于在1909年发表了论辐射问题的现状一文，用他特有的、典型的、简洁的手法，论证了辐射场不仅显示出波动性，而且显示出粒子性，第一次提出了光的波粒二象性的明确表述爱因斯坦是通过对黑体辐射的研究而得出光的波粒二象性的概念的。他
10、考察了体积为v的绝热空腔中温度为T的黑体辐射问题、集中讨论体积为 V的子区域，研究这区域中的能量涨落，利用热力学和普朗克辐射定律进行运算，得出能量涨落由两部分组成，其中一部分可以看作不同平面波之间短时干涉效应的结果，另外一部分假定辐射由光量子组成，可以论证得出它是粒子辐射所引起的。由此，根据黑体辐射的统计性质，爱因斯坦证明了黑体辐射显示出波动性和粒子性这两个方面的特征，这个结果是波粒二象性的第一个例证爱国斯坦不仅从能量角度讨论了辐射问题，还讨论了以压强形式表现出来的动量，他分析了黑体辐射的动量涨落，为波粒二象性提供了又一个证据由此，爱因斯坦预言：”在理论物理发展的下一阶段，将会出现关于光的理论
11、，根据这种理论，(光)可能被看作是波动和微粒说的一种融合体”于是建立起了光的波粒二象性的概念德布罗意的工作，使光的波粒二象性的概念得到了进一步阐述，并推广到一切实物粒子都具有波粒二象性的结论，它说明波动和粒子的二象性确实是微观物质世界的普遍性质，而光的波粒二象性只是这种普遍性质的特殊情况对于具有二重特性的光来说，描写它的运动规律只能运用量子电动力学因为光子的传播速度为c，它不能用量子力学来讨论在量子电动力学中，不同于牛顿和惠更斯时代的微粒说和波动说，而是以全新意义的微粒说和波动说来说明光的本性在这里所谓粒子的意义，已不是牛顿时代所理解的刚球，而仅仅是光子所具备的一些固有属性；作为波动意义留给我们的，仅是波函数振幅的平方表示光子出现的概率，以及波函数满足的相干性叠加原理总之，场和粒子是一个统一体在不同的实验条件下，例如在干涉、衍射的条件下，更多地表现出波动性，而在原子吸收或发射光子的情况下，更多地表现出粒子性所以，量子电动力学是光的波粒二象性的理论基础。到目前为止，光的波粒二象性的概念，虽已广为科学界接受，但仍有一些遗留问题尚待进一步研究，如光子是一种基本粒子吗?是否还有内部结构?光子的静止质量确实为零吗?这些问题正在激励科学家们作进一步的探索作业布置第 3 页 共 3 页
