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1、第四第四节节 概率概率波波第十七第十七章章 波粒二象性波粒二象性导入新课导入新课 波和粒子是两种不同的研究对象波和粒子是两种不同的研究对象,具有非常不同的表现具有非常不同的表现,那么那么,为什么为什么对于光子、电子和质子等粒子又能对于光子、电子和质子等粒子又能集它们于一身呢？集它们于一身呢？问题问题知识回顾知识回顾 光是一种物质，它既具有光是一种物质，它既具有粒子性粒子性，又具有，又具有波动性波动性。 一个能量为一个能量为E、动量为、动量为 p 的实物粒子同时具有波动的实物粒子同时具有波动性，性，动量为动量为 P 的粒子波长：的粒子波长：频率频率: 回顾光的波粒二象性的认识过程回顾光的波粒二象
2、性的认识过程 1、著名物理学家牛顿支持微粒说、著名物理学家牛顿支持微粒说.微粒说微粒说可以解释光的一些现象可以解释光的一些现象.微粒说对有些光学现微粒说对有些光学现象的解释感到困难。象的解释感到困难。 2、惠更斯提出了波动说。、惠更斯提出了波动说。 3、19世纪，通过光的干涉、衍射实验和世纪，通过光的干涉、衍射实验和光电效应的发现，最后统一到光既具有波动光电效应的发现，最后统一到光既具有波动性，又具有粒子性，即光的波粒二象性。性，又具有粒子性，即光的波粒二象性。 在惠更斯与牛顿的争论中由于他们认识的局在惠更斯与牛顿的争论中由于他们认识的局限性，认为限性，认为光子的粒子性和波动性绝对不能统光子的
3、粒子性和波动性绝对不能统一起来，是相互排斥的一起来，是相互排斥的.在结论上这是在结论上这是一种一种错错误误的绝对的认识论的绝对的认识论，由光的波粒二象性的发展，由光的波粒二象性的发展过程我们可以得出正确的结论就是过程我们可以得出正确的结论就是“亦此亦彼亦此亦彼”的观点的观点.结论结论 了解微粒说的基本观点及对光学现象了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题。的解释和所遇到的问题。 了解波动说的基本观点及对光学现象了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题。的解释和所遇到的问题。 了解事物的连续性与分立性是相对的，了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子
4、性。了解光既有波动性，又有粒子性。 了解光是一种概率波。了解光是一种概率波。教学目标1、知识与技能、知识与技能 领悟什么是概率波领悟什么是概率波 了解物理学中物理模型的特点初步掌了解物理学中物理模型的特点初步掌握科学抽象这种研究方法握科学抽象这种研究方法 通过数形结合的学习，认识数学工通过数形结合的学习，认识数学工具在物理科学中的作用具在物理科学中的作用2、过程与方法、过程与方法 了解在揭示物质波的过程中体现的了解在揭示物质波的过程中体现的“亦此亦此亦彼亦彼”的认识论的认识论.了解这种先进的认识论可以了解这种先进的认识论可以有意识地抛弃落后的有意识地抛弃落后的“非此即彼非此即彼”的认识论，的认
5、识论，从而建立科学的认识观。从而建立科学的认识观。 在物质波理论的学习中，进一步强化有关在物质波理论的学习中，进一步强化有关科学研究的一些基本方法科学研究的一些基本方法“实验实验理理论假设论假设进一步实验进一步实验修正理论或提出修正理论或提出新的假设新的假设”。 解人类的认识都是有一定时期局限性的，解人类的认识都是有一定时期局限性的，没有在一切条件下都适用的真理，人类对真没有在一切条件下都适用的真理，人类对真理的认识是在不断发展中完善的。理的认识是在不断发展中完善的。3、情感态度与价值观、情感态度与价值观教学重难点教学重难点重点重点 实物粒子和光子一样具有波粒二象性，实物粒子和光子一样具有波粒
6、二象性，利用公式利用公式=h/p进行简单计算进行简单计算.难点难点 物质波的概念、通过物质波的概念认物质波的概念、通过物质波的概念认识识“轨迹轨迹”描述的局限，进一步了解牛描述的局限，进一步了解牛顿力学的局限性顿力学的局限性.本节导航本节导航一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波 二、概率波二、概率波一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波 在经典物理学的观念中，人们形成了一种观在经典物理学的观念中，人们形成了一种观念，物质要么具有念，物质要么具有粒子性粒子性，要么具有，要么具有波动性波动性，非，非此即彼。任意时刻的确定此即彼。
7、任意时刻的确定位置位置和和速度速度以及空中的以及空中的确定确定轨道轨道，是经典物理学粒子运动的基本特征。，是经典物理学粒子运动的基本特征。与经典的粒子不同，与经典的粒子不同，经典的波经典的波在空间中是弥散开在空间中是弥散开来的，其特征是具来的，其特征是具有频率和波长有频率和波长，也就是具有时，也就是具有时空的周期性。空的周期性。 物理学中物质分为物理学中物质分为电子、质子电子、质子等实物和等实物和电场、电场、磁场磁场等场类的两大类。等场类的两大类。 法国物理学家德布罗意认为运动的物质也有法国物理学家德布罗意认为运动的物质也有波动性，波动性，运动的物质对应的波就叫物质波。运动的物质对应的波就叫物
8、质波。 由于这一理论是德布罗意提出的，因此也叫由于这一理论是德布罗意提出的，因此也叫德布罗意波德布罗意波。 所有的物质都有德布罗意波，只是所有的物质都有德布罗意波，只是动量越大动量越大其波长越短，波动性越弱，粒子性越强。其波长越短，波动性越弱，粒子性越强。 显而易见，在经典物理学中，显而易见，在经典物理学中，波和粒子波和粒子是两种不同的研究对象是两种不同的研究对象，具有非常不同的，具有非常不同的表现。那么，为什么光和微观粒子既表现表现。那么，为什么光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？二、概率波二、概率波二、概率波二、概率波1、德布罗意波的统
9、计解释、德布罗意波的统计解释 1926年，德国物理学玻恩年，德国物理学玻恩 （Born ， 18821972） 提出了概率波，认为个别提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却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。服从一定的统计规律。 为了了解光波和物质波是什么样的为了了解光波和物质波是什么样的波，还是从波的波粒二象性入手。波，还是从波的波粒二象性入手。 观察下图的光的双缝干涉实验。观察下图的光的双缝干涉实验。 实验原理以及结论：实验原理以及结论： 从光源从光源s发出的光通过双缝发出的光通
10、过双缝s1和和s2后在屏上显示后在屏上显示明暗条纹。按照光的波动理论，明暗条纹。按照光的波动理论，条纹的明暗表示条纹的明暗表示到达屏上的光的速度不同到达屏上的光的速度不同。按照光子的模型，每。按照光子的模型，每个同频光子都带有一份能量，所以条纹明暗的分个同频光子都带有一份能量，所以条纹明暗的分布应该是布应该是到达屏上的光子数目的分布到达屏上的光子数目的分布。 因此，因此，光的强弱对应于光子的数目光的强弱对应于光子的数目，即，即明纹处明纹处到达的光子的数到达的光子的数多多，暗纹处暗纹处到达光子数到达光子数少少。 这是否可以认为，这是否可以认为，是光子之间的相互作是光子之间的相互作用用使它表现出了
11、波动行，而使它表现出了波动行，而不是光子本身不是光子本身就具有波动性呢就具有波动性呢？ 、概率波对光的双缝衍射现象的解释：、概率波对光的双缝衍射现象的解释： 光是一种光是一种粒子粒子，它和物质的作用是，它和物质的作用是“一份一一份一份份”地进行的地进行的.用很弱的光做双缝干涉实验用很弱的光做双缝干涉实验.从光从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性。子打在胶片上的位置，我们发现了规律性。 曝光量很少时可以清楚地看出光的粒子性。曝曝光量很少时可以清楚地看出光的粒子性。曝光量很大时可以看出粒子的分布遵循波动规律。光量很大时可以看出粒子的分布遵循波动规律。 实验结果表明，如果曝光实验结果表明，如果曝
12、光时间不太长时间不太长，底片，底片上只出现一些上只出现一些无规则分布的点子无规则分布的点子，那些点子是光，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长时间足够长，我，我们们无法无法把它们把它们区分开区分开，因此看起来，因此看起来是连续的是连续的.单单个光子通过双缝后的落点无法预测个光子通过双缝后的落点无法预测,但是研究很但是研究很多光子打在胶片上的位置多光子打在胶片上的位置,我们发现了我们发现了规律性规律性:光光子落在某些条形区域内的可能性较大子落在某些条形区域内的可能性较大.这些条形这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强区域正是某种波通过双缝后发
13、生干涉时振幅加强的区域。这个现象表明，光子在空间各点出现的的区域。这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小可能性的大小（概率），（概率）， 正是由于这个原因，正是由于这个原因，1926年德国的物理年德国的物理学家波恩指出：学家波恩指出：虽然不能肯定某个光子落虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小小。这就是说，光子在空间出现的概率可。这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以
14、，从光子的以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，概念上看，光波是一种概率波光波是一种概率波。 马克斯马克斯玻恩玻恩(Max Born 18821970)德国理论物德国理论物理学家，研究原子理学家，研究原子系统的规律，创立系统的规律，创立了矩阵力学，这个了矩阵力学，这个理论解决了旧量子理论解决了旧量子论不能解决的有关论不能解决的有关原子理论的问题。原子理论的问题。是量子力学的奠基是量子力学的奠基人之一。人之一。 1926年德国物理学家波恩指出：年德国物理学家波恩指出：光子落光子落在明处的概率大，落在暗处的概率小。在明处的概率大，落在暗处的概率小。 光子在空间出现的概率可以通过波动的光子在
15、空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以从光子的概念上看，规律确定，所以从光子的概念上看，光波是光波是刻画光子在空间的概率分布的一种概率波刻画光子在空间的概率分布的一种概率波. 物理学中把物理学中把光波叫做概率波光波叫做概率波。 概率表征概率表征某一事物某一事物出现的可能性出现的可能性。 经过长期的探索，人们发现：经过长期的探索，人们发现：光既是一光既是一种波种波,又是一种粒子又是一种粒子,光既表现出波动性又表光既表现出波动性又表现出粒子性。而在我们的经验中找不到既现出粒子性。而在我们的经验中找不到既是波是波,又是粒子的东西。又是粒子的东西。 、光的波动性与粒子性是不同条件下的、光的波动性与
16、粒子性是不同条件下的表现：表现： 大量光子行为显示波动性；个别光子行为大量光子行为显示波动性；个别光子行为显示粒子性；显示粒子性； 光的波长越长，波动性越强；光的波长越光的波长越长，波动性越强；光的波长越短，粒子性越强。短，粒子性越强。 、概率波对物质波的双缝衍射现象的解释：、概率波对物质波的双缝衍射现象的解释： 对于对于电子电子和其他和其他微观粒子微观粒子，由于同样，由于同样具有波粒具有波粒二象性二象性，所以与它们相联系的物质波也是，所以与它们相联系的物质波也是概率波概率波。也就是说，单个粒子位置是不确定的。对于大量也就是说，单个粒子位置是不确定的。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结
17、果。粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果。 按光子的模型，用统计观点看待单个粒按光子的模型，用统计观点看待单个粒子与粒子总体的联系，并将波的观点与粒子与粒子总体的联系，并将波的观点与粒子观点结合起来了，但这里的波是特殊意子观点结合起来了，但这里的波是特殊意义的波，因而被称为义的波，因而被称为“概率波概率波” 这种这种对对物质波衍射与实物粒子的波粒二象性的理物质波衍射与实物粒子的波粒二象性的理解，称作统计解释或概率解释解，称作统计解释或概率解释一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：7个电子个电子100个电子个电子30002000070000动画：迈克尔逊干涉实验
18、动画：迈克尔逊干涉实验课堂小结课堂小结 在经典物理学当中光是一种物质，在经典物理学当中光是一种物质，经典的粒经典的粒子子既具有既具有粒子性粒子性，又具有，又具有波动性波动性。经典的波经典的波在空间中是弥散开来的，其特征是具在空间中是弥散开来的，其特征是具有频率和波长有频率和波长，也就是具有时空的周期性。，也就是具有时空的周期性。 光的双缝干涉实验表明：光的双缝干涉实验表明：光的强弱对应光的强弱对应于光子的数目于光子的数目，即，即明纹处明纹处到达的光子的数到达的光子的数多多，暗纹处暗纹处到达光子数到达光子数少少。 光是一种光是一种粒子粒子，它和物质的作用是，它和物质的作用是“一一份一份份一份”地
19、进行的地进行的. 光的双缝干涉实验还表明：光的双缝干涉实验还表明： 虽然不能肯定虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小概率小。这就是说，光子在空间出现的概率。这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，概念上看，光波是一种概率波光波是一种概率波。物质分为物质分为实物：实物：电子、质子等电子、质子等场：场：电场、磁场等电
20、场、磁场等物质波物质波： =h/p）（p是运动物体的动量，是运动物体的动量，h是是普朗克常量这种波又叫德布普朗克常量这种波又叫德布罗意波）罗意波）牛顿力学的局限牛顿力学的局限（电子衍射（电子衍射实验彩图、实验原理示意图）实验彩图、实验原理示意图）氢原子中的电子云氢原子中的电子云（球星电子云模型，纺锤形电子云（球星电子云模型，纺锤形电子云模型、电子云的有关教学录像）模型、电子云的有关教学录像）概概率率波波课堂练习课堂练习 1. 下列说法正确的是下列说法正确的是 （ ） A.光波是光波是种概率波种概率波 B.光波是一种电磁波光波是一种电磁波 C.单色光从光密介质进入光疏介质时光单色光从光密介质进入
21、光疏介质时光子的能量改变子的能量改变 D.单色光从光密介质进入光疏介质时，光单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变的波长不变AB 2、对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，、对于某单色光，玻璃的折射率比水的大，则此单色光在玻璃中传播时则此单色光在玻璃中传播时 ( ) A其速度比在水中的大，其波长比在水中其速度比在水中的大，其波长比在水中的长的长 B其速度比在水中的大，其波长比在水中其速度比在水中的大，其波长比在水中的短的短 C其速度比在水中的小，其波长比在水中其速度比在水中的小，其波长比在水中的短的短 D其速度比在水中的小，其波长比在水中其速度比在水中的小，其波长比在水中的长的长C3、下列
22、说法中正确的是、下列说法中正确的是 ( )A光的干涉和衍射现象说明光具有波动性光的干涉和衍射现象说明光具有波动性B光的频率越大，波长越大光的频率越大，波长越大C光的波长越大，光子的能量越大光的波长越大，光子的能量越大D光在真空中的传播速度为光在真空中的传播速度为3.00 108m/sBD 4、为了强调物理学对当今社会的重要作用并、为了强调物理学对当今社会的重要作用并纪念爱因斯坦，纪念爱因斯坦，2004年联合国第年联合国第58次大会把次大会把2005年定为国际物理年爱因斯坦在年定为国际物理年爱因斯坦在100年前发表了年前发表了5篇重要论文，内容涉及狭义相对论、量子论和统篇重要论文，内容涉及狭义相
23、对论、量子论和统计物理学，对现代物理学的发展作出了巨大贡献计物理学，对现代物理学的发展作出了巨大贡献某人学了有关的知识后，有如下理解，其中正某人学了有关的知识后，有如下理解，其中正确的是确的是 （ ） A.所谓布朗运动就是液体分子的无规则运动所谓布朗运动就是液体分子的无规则运动 B.光既具有波动性，又具有粒子性光既具有波动性，又具有粒子性 C.在光电效应的实验中，入射光强度增大，在光电效应的实验中，入射光强度增大，光电子的最大初动能随之增大光电子的最大初动能随之增大 D.质能方程表明：物体具有的能量与它的质质能方程表明：物体具有的能量与它的质量有简单的正比关系量有简单的正比关系BD 5、在双缝
24、干涉实验中，以白光为光源，在、在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（）前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（） A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它颜只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失色的双缝干涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在色的双缝干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮上仍有光亮 D.屏上无任何光亮屏上无任何光亮C
