《新教材同步辅导2023年高中物理第四章原子结构和波粒二象性4.5粒子的波动性和量子力学的建立课件新人教版选择性必修第三册》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新教材同步辅导2023年高中物理第四章原子结构和波粒二象性4.5粒子的波动性和量子力学的建立课件新人教版选择性必修第三册（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章第四章 原子结构和波粒二象性原子结构和波粒二象性学习目标学习目标1.通过对干涉、衍射、光电效应等实验现象的分析通过对干涉、衍射、光电效应等实验现象的分析,了解光的波粒二象了解光的波粒二象性及实验证据性及实验证据,感受微观粒子运动的复杂性感受微观粒子运动的复杂性.2.通过对物质波概念的提出和实验验证内容的学习通过对物质波概念的提出和实验验证内容的学习,知道实物粒子和光知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性一样也具有波粒二象性,领会对称性的研究方法领会对称性的研究方法,感受科学家的探究精神感受科学家的探究精神.3.通过对量子力学建立过程和量子力学应用的学习通过对量子力学建立过程和量子力学应用的
2、学习,了解量子力学是描了解量子力学是描述微观粒子运动规律的普遍理论述微观粒子运动规律的普遍理论,了解量子力学在生产、生活、科技、了解量子力学在生产、生活、科技、军事等方面的应用军事等方面的应用,感受科学的成就推动了技术的进步感受科学的成就推动了技术的进步.5粒子的波动性和量子力学的建立粒子的波动性和量子力学的建立知识点一知识点一 粒子的波动性粒子的波动性1.光的本性光的本性:光的光的 、等现象证明光具有波动性等现象证明光具有波动性;麦麦克斯韦从理论上预言光是克斯韦从理论上预言光是 ,揭示了光的电磁本质揭示了光的电磁本质;光电效应光电效应和康普顿效应证明光具有和康普顿效应证明光具有 .综上所述综
3、上所述,光具有光具有 .2.物质波物质波:法国物理学家德布罗意深受光的波粒二象性的启发法国物理学家德布罗意深受光的波粒二象性的启发,提提出实物粒子也具有波动性出实物粒子也具有波动性,即每一个运动的粒子都与一个对应的即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系波相联系,这种波称为物质波这种波称为物质波.某实物粒子的能量为某实物粒子的能量为、动量为、动量为p,对对应的物质波的频率应的物质波的频率、波长、波长分别为多少分别为多少?干涉干涉衍射衍射偏振偏振电磁波电磁波粒子性粒子性波粒二象性波粒二象性知识点二物质波的实验验证知识点二物质波的实验验证1.图甲和图乙分别是科学家们通过实验得到的电子的衍射图样图甲
4、和图乙分别是科学家们通过实验得到的电子的衍射图样和干涉条纹和干涉条纹,电子的衍射和干涉现象说明了什么电子的衍射和干涉现象说明了什么?答案答案:光的衍射和干涉现象是光具有波动性的有力证据光的衍射和干涉现象是光具有波动性的有力证据,电子也电子也可以产生干涉和衍射现象可以产生干涉和衍射现象,说明实物粒子也具有波动性说明实物粒子也具有波动性.甲甲乙乙2.德布罗意提出物质波的观念被实验证实德布罗意提出物质波的观念被实验证实,表明电子、质子、表明电子、质子、原子等粒子不但具有原子等粒子不但具有 的性质的性质,而且具有而且具有 的性质的性质.换句换句话说话说,它们和光一样它们和光一样,也具有也具有 .3.宏
5、观物体是否也有波动性宏观物体是否也有波动性?不借助仪器不借助仪器,我们能观察到宏观物我们能观察到宏观物体的波动性吗体的波动性吗?粒子粒子波动波动波粒二象性波粒二象性知识点知识点三三量子力学的建立量子力学的建立1.“早期量子论早期量子论”包括普朗克包括普朗克 、爱因斯坦、爱因斯坦 、康普顿、康普顿 、玻尔、玻尔 、德布、德布罗意罗意 等等,这些理论都是针对一个特定的具体问题这些理论都是针对一个特定的具体问题,都不是统一的普遍性理论都不是统一的普遍性理论.2.量子力学的建立量子力学的建立.(1)1925年年,德国物德国物理理学学家家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进
6、行了推广和改造理论进行了推广和改造,使之可以适用于更普遍的情况使之可以适用于更普遍的情况.他们他们建立的理论被称为建立的理论被称为 .黑体辐射理论黑体辐射理论光电效应理论光电效应理论散射理论散射理论氢原子理论氢原子理论物质波假说物质波假说矩阵力学矩阵力学(2)1926年年,奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程 .把这个方程应用于氢原子把这个方程应用于氢原子,就很容易能得到就很容易能得到氢原子光谱的公式氢原子光谱的公式.同时同时,这个方程还可以方便地应用于其他这个方程还可以方便地应用于其他的系统的系统,使玻尔理论的局限得以消除使玻尔理论的局限得以消
7、除.由于这个理论的关键是由于这个理论的关键是物质波物质波,因此被称为因此被称为 .(3)两种理论的统一两种理论的统一:波动力学和矩阵力学在数学上是波动力学和矩阵力学在数学上是 ,它们是同一种理论的两种表达方式它们是同一种理论的两种表达方式.随后数年随后数年,在以玻恩、海在以玻恩、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利为代表的众多物理学家的共同森堡、薛定谔、狄拉克、泡利为代表的众多物理学家的共同努力下努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来立起来,它被称为它被称为 .薛定谔方程薛定谔方程波动力学波动力学等价的等价的量子力学量子力学知识点四量
8、子力学的应用知识点四量子力学的应用2.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展量子力学推动了核物理和粒子物理的发展.核物理的发展核物理的发展,让让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量,即即 .核能核能3.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展.我们今天能我们今天能在全球范围内实现即时通信在全球范围内实现即时通信,基础之一就是以基础之一就是以 为载体的为载体的光纤网络光纤网络.核磁共振技术被广泛地用于化学、生物研究和核磁共振技术被广泛地用于化学、生物研究和 .原子钟利用原子为电磁波校准频率原子钟利用原子
9、为电磁波校准频率,从而实现了对时间的高从而实现了对时间的高精度测量精度测量;当下被广泛应用的卫星定位技术当下被广泛应用的卫星定位技术,其核心部件就是其核心部件就是 .4.量子力学推动了固体物理的发展量子力学推动了固体物理的发展.科学家们利用半导体的独科学家们利用半导体的独特性质发明了特性质发明了 等各类固态电子器件等各类固态电子器件,并结合激光光刻并结合激光光刻技术制造了大规模技术制造了大规模 ,俗称俗称“芯片芯片”.靠这些芯片靠这些芯片,制制造了体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理造了体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备设备,真正走进了信息时代真正走进了信息时代.
10、激光激光医学诊断医学诊断原子钟原子钟晶体管晶体管集成电路集成电路小试身手小试身手判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打正确的打“”“”,错误的错误的打打“”).”).1.光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性.()2.光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论.()3.德布罗意认为实物粒子也具有波动性德布罗意认为实物粒子也具有波动性.()4.电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性.()5.向前飞行的子弹只有粒子性没有波动性向前飞行的子弹只有粒子性
11、没有波动性.()6.牛顿第二定律适用于宏观物体的运动牛顿第二定律适用于宏观物体的运动,量子力学适用于微观量子力学适用于微观粒子的运动粒子的运动.()7.原子钟实现了对时间的高精度测量原子钟实现了对时间的高精度测量.()探究一探究一实物粒子的波动性实物粒子的波动性问题情境问题情境光能发生干涉、衍射现象光能发生干涉、衍射现象,表明光具有明显的波动特征表明光具有明显的波动特征,光电光电效应和康普顿效应又表明光具有粒子性效应和康普顿效应又表明光具有粒子性.有一位伟大的物理学有一位伟大的物理学家大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子家大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,有人认为他很大有人认为他很大胆胆,
12、有人认为他很有预见性有人认为他很有预见性.1.这位物理学家是谁这位物理学家是谁?他提出了怎样的假设他提出了怎样的假设?他运用了怎样的他运用了怎样的思维方法思维方法?2.德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性德布罗意认为任何运动着的物体均有波动性,可是我们观察可是我们观察运动着的汽车时运动着的汽车时,并未感觉到它的波动性并未感觉到它的波动性.你如何理解该问题你如何理解该问题?谈谈自己的认识谈谈自己的认识.答案答案:一切微观粒子都存在波动性一切微观粒子都存在波动性,宏观物体宏观物体(汽车汽车)也存在波动也存在波动性性,只是因为宏观物体质量大只是因为宏观物体质量大,动量大动量大,波长短波长短,难以观
13、测难以观测,但微观但微观粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础体具有波动性奠定了事实基础.过程建构过程建构(2)德布罗意波是一种概率波德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率服粒子在空间各处出现的概率服从波动规律从波动规律.不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波.电子、电子、实物粒子等其他微观粒子实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性同样具有波粒二象性,所以与它们所以与它们相联系的德布罗意波也是概率波相联系的德布罗意波也是概率波.(3)物质波的假说是光的波粒
14、二象性的推广物质波的假说是光的波粒二象性的推广,实物粒子和光子实物粒子和光子都既具有粒子性都既具有粒子性,又具有波动性又具有波动性.与光子对应的波是电磁波与光子对应的波是电磁波,与与实物粒子对应的波是德布罗意波实物粒子对应的波是德布罗意波.【典例【典例1】一颗炮弹的质量为】一颗炮弹的质量为5 kg,普朗克常量普朗克常量h=6.6310-34 Js.(1)该炮弹以该炮弹以200 m/s的速度运动时的速度运动时,它的德布罗意波长多大它的德布罗意波长多大?(2)假设它以光速运动假设它以光速运动(不考虑相对论效应不考虑相对论效应),它的德布罗意波长它的德布罗意波长多大多大?(3)若要使它的德布罗意波长
15、等于若要使它的德布罗意波长等于400 nm,则它必须以多大的速则它必须以多大的速度运动度运动?答案答案:(1)6.6310-37 m(2)4.4210-43 m (3)3.3210-28 m/s计算物质波波长的基本方法计算物质波波长的基本方法探究探究二物质波的实验验证二物质波的实验验证问题情境问题情境1961年年,琼森将一束电子加速琼森将一束电子加速到到能量为能量为 50 keV,让其通过一缝让其通过一缝宽为宽为 a=0.510-6m,间隔为间隔为 d=2.010-6 m 的双缝的双缝,当电子撞击当电子撞击荧光屏时荧光屏时,发现了类似于双缝干涉的实验结果发现了类似于双缝干涉的实验结果,示意图如
16、图所示意图如图所示示.1.电子是沿直线运动打到荧光屏上的吗电子是沿直线运动打到荧光屏上的吗?荧光屏上出现的条纹荧光屏上出现的条纹说明了什么问题说明了什么问题?本实验有什么意义本实验有什么意义?答案答案:电子不是沿直线运动的电子不是沿直线运动的,如果沿直线运动如果沿直线运动,那么荧光屏上那么荧光屏上不会出现明暗条纹不会出现明暗条纹;荧光屏上出现的条纹说明电子具有波动性荧光屏上出现的条纹说明电子具有波动性;该实验证实了德布罗意提出的物质波的观念是正确的该实验证实了德布罗意提出的物质波的观念是正确的.2.下列四幅图分别是不同数目的电子一个一个通过双缝后在下列四幅图分别是不同数目的电子一个一个通过双缝后在荧光屏上形成的图案荧光屏上形成的图案.如何理解电子的波粒二象性如何理解电子的波粒二象性?答案答案:对于电子和其他微观粒子对于电子和其他微观粒子,与它们相联系的物质波是概与它们相联系的物质波是概率波率波,粒子在空间各处出现的概率服从波动规律粒子在空间各处出现的概率服从波动规律,少量的电子少量的电子显示粒子性显示粒子性,大量的电子显示波动性大量的电子显示波动性,所以实物粒子同样具有所以实物粒子同样
