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1、3 3粒子的波动性粒子的波动性一、光的波粒二象性1.光的波粒二象性光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。2.光子的能量和动量(1)能量:=h。(3)意义:能量和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长和频率是描述物质的波动性的典型物理量。因此=h和p= 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。二、粒子的波动性及实验验证1.粒子的波动性(1)德布罗意波:每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫物质波。(2)物质波的波长、频率关系式:2.物质波的实验验证(1)实验探究思路:干涉、衍射是波特有的现象
2、,如果实物粒子具有波动性,则在一定条件下,也应该发生干涉或衍射现象。(2)实验验证:1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。(3)说明:人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于这宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很小,根本无法观察到它的波动性。自我检测 1.思考辨析。(1)大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性。()解析:光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性。
3、答案:(2)光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子。()解析:光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著。答案:(3)牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的。()解析:牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒,爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量。答案:(4)德布罗意认为实数粒子也具有波动性。()答案:(5)向前飞行的子弹具有波动性。()答案:读一读思一思辨一辨议一议2.探究讨论。光的波动性和粒子性是相互矛盾的,无法统一,这种说法正确吗?答案:光波在少量的情况下体现粒子性,大量的情况下体现波动性,这说明光的波动性和粒子性不是孤立的,而是有机的统一体。探究一
4、探究二光的波粒二象性光的波粒二象性问题探究曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教:光是波还是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一个波,星期二、四、六它是一个粒子,星期天物理学家休息。”那么光的本性到底是什么呢?你是如何理解的?要点提示:光具有波粒二象性。光既不同于宏观观念的粒子,也不同于宏观观念的波,但光既具有粒子性又具有波动性,粒子性和波动性都是光本身的属性。探究一探究二知识归纳1.对光的本性认识史人类对光的认识经历了漫长的历程,从牛顿的光的微粒说到托马斯杨和菲涅耳的波动说,从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直到20世纪初,对于光的本性的认识才提升到一个更高层次,即
5、光具有波粒二象性。对于光的本性认识史,列表如下:探究一探究二2.对光的波粒二象性的理解 探究一探究二大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性,光具有波粒二象性。探究一探究二【例题1】有关光的本性,下列说法正确的是()A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点C.大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性解析:光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧
6、面、不同属性,我们无法用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性。只有选项D正确。答案:D探究一探究二规律总结光子是能量为h的微粒,表现出粒子性,而光子的能量与频率有关,体现了波动性,所以光子是统一了波粒二象性的微粒。但是它在不同条件下的表现不同,大量光子表现出波动性,个别光子表现出粒子性;光在传播时表现出波动性,光和其他物质相互作用时表现出粒子性;频率低的光波动性更强,频率高的光粒子性更强。探究一探究二变式训练变式训练1(多选)对光的认识,下列说法中正确的是()A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引
7、起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显解析:个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性;光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性;光的波动性与粒子性都是光的本质属性,因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律,故正确选项有A、B、D。答案:ABD探究一探究二粒子的波动性粒子的波动性问题探究根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288 km/h,羽毛球的质量为5.0 g,试求其德布
8、罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?探究一探究二知识归纳1.任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。3.德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。 一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。探究一探究二典例剖析【例题2】下列关于德布罗意波的认识正确的是()A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波B.
9、X光的衍射证实了物质波的假设是正确的C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性【思考问题】为什么宏观物体运动时,其波动性不明显?提示:宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但具有波动性。探究一探究二解析:运动的物体才具有波动性,A项错;宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有C项正确。答案:C规律总结对德布罗意波的理解实物粒子也具有波动性,这种波称之为物质波,也叫德布罗
10、意波。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。 探究一探究二变式训练变式训练2如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s的速度运动,则它们的德布罗意波的波长分别是多大?(中子的质量为1.6710-27 kg,普朗克常量为6.6310-34 Js)解析:中子的动量为p1=m1v子弹的动量为p2=m2v将m1=1.6710-27 kg,v=103 m/sh=6.6310-34 Js,m2=1.010-2 kg代入上面两式可解得1=4.010-10 m,2=6.6310-35 m答案:4.010-10 m6.6310-35 m12341.(多选)人类对光的本性的认识经历
11、了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A.牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B.光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C.麦克斯韦预言了光是一种电磁波D.光具有波粒二象性解析:牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒,爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量,A错;干涉是波的特性,光能发生干涉说明光具有波动性,B正确;麦克斯韦根据光的传播不需要介质,以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等,从而推断出光是一种电磁波,后来赫兹用实验证实了光是一种电磁波,C正确;光具有波动性与粒子性,称为光的波粒二象性,D正确。答案:BCD12342.(多选)关于光
12、的波粒二象性,下列正确的说法是()A.光的频率越高,光子的能量越大,粒子性越显著B.光的波长越长,光的能量越小,波动性越显著C.频率高的光子不具有波动性,波长较长的光子不具有粒子性D.个别光子产生的效果往往显示粒子性,大量光子产生的效果往往显示波动性解析:光具有波粒二象性,但在不同情况下表现不同,频率越高,波长越短,粒子性越强,反之波动性明显,个别光子易显示粒子性,大量光子显示波动性,故选项A、B、D正确。答案:ABD12343.(多选)关于物质波,下列说法错误的是()A.任何运动的物体(质点)都伴随一种波,这种波叫物质波B.X射线的衍射实验,证实了物质波假设是正确的C.电子的衍射实验,证实了
13、物质波假设是正确的D.宏观物体尽管可以看作物质波,但它们不具有干涉、衍射等现象1234解析:据德布罗意物质波理论知,任何一个运动的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之相对应,这种波就叫物质波,可见,选项A正确;由于X射线本身就是一种波,而不是实物粒子,故X射线的衍射现象,并不能证实物质波理论的正确性,即选项B错误;电子是一种实物粒子,电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性,故选项C正确;由电子穿过铝箔的衍射实验知,少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的,无规律的,但大量电子穿过铝箔后落的位置则呈现出衍射图样,即大量电子的行为表现出电子的波动性,干涉、衍射是波的特有现象,只要是
14、波,都会发生干涉、衍射现象,故选项D错误。答案:BD12344.下列说法正确的是()A.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性,所以我们可以说光具有波粒二象性B.一个电子和一个质子具有相同的动能时,因为电子的质量比质子的小,所以电子的动量就小C.一个电子和一个质子具有相同的动能时,电子的德布罗意波长比质子的小D.一个电子和一个质子具有相同的动能时,电子的德布罗意波长比质子的大1234解析: 光既具有波动性,又具有粒子性,说明了光具有波粒二象性,选项A正确;一个电子和一个质子具有相同的动能时,动量和动能的关子的德布罗意波长大,选项C错误,选项D正确。答案:ABD
