【高中物理】粒子的波动性和量子力学的建立（课件） 2022-2023学年高中物理（人教版2019选择性必修第三册）.pptx

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1、第第5 5节节 粒子的波动性粒子的波动性和量子力学的建立和量子力学的建立第四章第四章 人教版 选择性必修第三册粒子的波动性0101物质波的实验验证0202量子力学的建立0303量子力学的应用0404典例分析0505新课导入新课导入通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？有波动性呢？电磁波电磁波光光

2、子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长波长频率频率波速波速 动质量动质量能量能量动量动量 波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射横波偏振横波偏振波动参量波动参量 波的行波的行为特性为特性 粒子参量粒子参量 粒子的行粒子的行为特性为特性 黑体辐射黑体辐射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应波动性粒子性延长曝光时间延长曝光时间，理论算得的，理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大各明纹区域，光子出现的概率最大；双缝双缝干涉干涉实验实验摄摄影影底底板板或或显显微微观观察察光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率概率。光的波粒二象性的统计观

3、点解释光的波粒二象性的统计观点解释入射光极弱入射光极弱，光子数目极少，确切位置无法预测。，光子数目极少，确切位置无法预测。继续延长曝光时间继续延长曝光时间，得到明暗连续变化的，得到明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。单单 缝缝 衍衍 射射 像像圆孔衍射像圆孔衍射像 在在光的衍射实验中光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大衍

4、射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。光的衍射实验光的衍射实验 光的双缝干涉、单缝衍光的双缝干涉、单缝衍射表明射表明光具有波动性光具有波动性粒子的波动性PART 01他提出假设他提出假设:实物粒子也具有波动性，即实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒每一个运动的粒子子都都与一个对应的波相联系与一个对应的波相联系。粒子的能量。粒子的能量和动量和动量p跟它所跟它所对应的波的频率对应的波的频率v和波长和波长之间，遵从如下关系：之间，遵从如下关系：1924年，德布罗意年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把理论以及相对论的深入研究的

5、基础上，把波粒二象性推广波粒二象性推广到实物粒子到实物粒子，如电子、质子等。，如电子、质子等。这种与实物粒子相联系的波叫做这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波德布罗意波，也叫，也叫物质波物质波。其其波长波长 称为德布罗意波长称为德布罗意波长。德布罗意波德布罗意波德德布布罗罗意意，法法国国物物理理学学家家，1929年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖获获得得者者，波波动动力力学学的的创创始始人人，量量子子 力力 学学 的的 奠奠 基基 人人 之之 一一。粒子性粒子性波动性波动性普朗克常量普朗克常量h架起了粒子性与波动性之架起了粒子性与波动性之间的桥梁。间的桥梁。后来，大量实验都证实了：质子、中子后

6、来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒一切实物粒一切实物粒一切实物粒子都有子都有子都有子都有波动性波动性波动性波动性实物粒子具有波粒二象性实物粒子具有波粒二象性试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。解：估计一个中学生的质量解：估计一个中学生的质量m 50kg，百米跑时速度，百米跑时速度v 7m/s，则，则由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所

7、以很难表现出其波动性。光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。如果电子、质子等实光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。如果电子、质子等实物粒子真的具有波动性，那么它们也应该能像光一样发生干涉和衍射。这是物粒子真的具有波动性，那么它们也应该能像光一样发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。验证德布罗意波是否存在的一条途径。德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。做一做做一做（1）速度）速度=5.0 102m/s飞行的飞行的子弹子弹，质量为，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长对应的德布罗意波长为

8、多少？为多少？（2）电子电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度=5.0 107m/s，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段所以宏观所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。做一做做一做【例题】关于物质波，下列说法正确的是【例题】关于物质波，下列说法正确的是()A速度相等的电子和质子，电子的波长大速度相等的电子和质子，电子的波长大B动能相等的电子和质子，电子的波长小动能相等的电子和质子，电子的波长小C动量相等的电子和中子，中子的波长小动量相等的电子和中子，中子的波长小D甲电子的速度是乙电子的甲电子的速

9、度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍倍A小试牛刀小试牛刀物质波的实验验证PART 02找到找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样图样物质波验证方法：物质波验证方法：波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射单缝宽单缝宽 0.8mm0.8mm单缝宽单缝宽 0.4mm0.4mm1 1、实验思路、实验思路0.1nm0.1nm 1912年，德国物理学家劳厄提议，年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长射光栅，来检验伦琴射

10、线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。为十分之几纳米的电磁波。射线射线X射线衍射图样射线衍射图样若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象应也能观察到衍射现象。伦琴射线衍射实验伦琴射线衍射实验 ：德国物理学家劳厄德国物理学家劳厄19271927年年C.J.C.J.戴维森戴维森和和 G.P.G.P.汤姆孙（汤姆孙（J.J.J.J.汤姆孙之子）利汤姆孙之子）利用用电子束穿过晶体电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同做了电子束的衍射实验。因此，共同获获19371937年诺贝尔物理学奖。年诺

11、贝尔物理学奖。屏屏 P P多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极电子衍射实验电子衍射实验实物粒子的衍射图样实物粒子的衍射图样汤姆孙汤姆孙戴维孙戴维孙电子束穿过铝箔后的衍射电子束穿过铝箔后的衍射电子束穿过铝箔后的衍射电子束穿过铝箔后的衍射X X射线衍射射线衍射2 2、实验验证、实验验证（2 2）实物）实物粒子的干涉图样粒子的干涉图样大量电子的一次行为大量电子的一次行为在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。1961年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a=0.510

12、-6 m，间隔为 d=2.010-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象琼森琼森（ClausJnssonClausJnsson ）单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射 （1）任何物体任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我，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们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观

13、物体对应的波长太小波长太小的的缘故。缘故。（2 2）德布罗意波是一种）德布罗意波是一种概率波概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。（3 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）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，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，与光子对与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波

14、。对德布罗意波的理解对德布罗意波的理解光的波动性、粒子性是统一的光的波动性、粒子性是统一的【例题】【例题】(多选多选)以下说法正确的是以下说法正确的是()A任何物体都具有波动性任何物体都具有波动性B拉动细绳一端，绳上产生的波就是物质波拉动细绳一端，绳上产生的波就是物质波C粒子的动量越大，其波动性越易观察粒子的动量越大，其波动性越易观察D电子衍射实验证明电子有波动性电子衍射实验证明电子有波动性小试牛刀小试牛刀AD【例题例题】下列关于德布罗意波的认识正确的是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任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波这就是物质波B.X光的衍射证

15、实了物质波的假设是正确的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.宏观物体运动时宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性所以宏观物体不具有波动性C小试牛刀小试牛刀量子力学的建立PART 03 经典物理学经典物理学无法解释的现象，这就表明，无法解释的现象，这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。观世界的物理理论。普朗克黑体辐射理论：普朗克

16、黑体辐射理论：=h爱因斯坦光电效应理论：爱因斯坦光电效应理论：EK=hv-w0康普顿散射理论：康普顿散射理论：玻尔氢原子理论：玻尔氢原子理论：hv=En-Em德布罗意物质波假说：德布罗意物质波假说：普朗克常量：普朗克常量：h在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。普朗克黑体辐普朗克黑体辐射理论射理论爱因斯坦光爱因斯坦光电效应理论电效应理论德布罗意物德布罗意物质波假说质波假说玻尔氢原子玻尔氢原子理论理论康普顿散射康普顿散射理论理论普朗克常量普朗克常量h普朗克常量普朗克常量h在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普

17、遍性规律。在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。1925年，德国物理家海森堡和玻恩年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。等人建立了矩阵力学。1926年，奥地利物理学家薛定谔提年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程出了物质波满足的方程薛定谔薛定谔方程。方程。波动波动力学力学随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为善并

18、最终完整地建立起来，它被称为量子力学量子力学（quantummechanics）。）。量子力学的创立是物理学历史上的一次重量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来世纪以来物理学的基础物理学的基础。量子力学:描述微观世界的理论。小试牛刀小试牛刀【例题】【例题】(多选多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是()A量子力学完全否定了经典力学量子力学完全否定了经典力学B量子力学是在早期量子论的基础上创立的量子力学是在早期量子论的基础上创立的C量子力学使人们深入认识了微观世界的组

19、成、结构和属性量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性D晶晶体体管管“芯芯片片”等等器器件件利利用用固固体体的的微微观观结结构构对对电电路路进进行行操操控控，是是量量子子力力学学在固体物理中的应用在固体物理中的应用ABC量子力学的应用PART 04这是人们第一次利这是人们第一次利用太阳以外的能量用太阳以外的能量 最微观层次和最宏观层次的最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！规律，竟有着紧密的联系！1 1、推动了核物理和粒子物理的发展、推动了核物理和粒子物理的发展 发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术，如

20、激光、核磁共振、原子钟等等。如激光、核磁共振、原子钟等等。光纤通信光纤通信激光技术激光技术核磁共振核磁共振2 2、推动原子、分子物理和光学的发展、推动原子、分子物理和光学的发展3 3、推动了固体物理的发展、推动了固体物理的发展量子力学的创立和索尔维会议量子力学的创立和索尔维会议玻尔海森伯德布罗意爱因斯坦洛仑兹居里夫人普朗克康普顿泡利薛定谔维夏菲尔特福勒布里渊波恩威尔逊理查德森古耶朗之万狄拉克顿德尔赫尔岑克莱默斯布拉格朗梅尔德拜库德森皮卡德亨利奥特艾伦费斯特【例题例题】(多选多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是()A.当物体的速度接近光速时当

21、物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了经典力学就不适用了B.相对论和量子力学的出现相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义使经典力学失去了意义C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性量子力学能够描述微观粒子运动的规律性D.万有引力定律也适用于强相互作用力万有引力定律也适用于强相互作用力AC小试牛刀小试牛刀典例分析PART 05(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。()(2)光子数量越大，其粒子性越明显。光子数量越大，其粒子性越明显。()(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。()(4

22、)一切宏观物体都具有波动性，即物质波。一切宏观物体都具有波动性，即物质波。()(5)湖面上的水波就是物质波。湖面上的水波就是物质波。()(6)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。()判一判判一判【例例题题】利利用用金金属属晶晶格格(大大小小约约1010m)作作为为障障碍碍物物观观察察电电子子的的衍衍射射图图样样，方方法法是是让让电电子子束束通通过过电电场场加加速速后后，照照射射到到金金属属晶晶格格上上，从从而而得得到到电电子子的的衍衍射射图图样样。已已知知电电子子质质量量为为m，电电荷荷量量为为e，初初速速度度为为0，加加速速电电压压为为U，普普朗朗

23、克克常常量量为为h，则下列说法中正确的是，则下列说法中正确的是（）A.该实验说明了电子具有粒子性该实验说明了电子具有粒子性B.实验中电子束的德布罗意波的波长为实验中电子束的德布罗意波的波长为C.加速电压加速电压U越大，电子的衍射现象越明显越大，电子的衍射现象越明显D.若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显B B小试牛刀小试牛刀解析：解析：实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，说明电子具有波动性，故实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，说明电子具有波动性，故A A错误；错误；【例例题题】用用很很弱弱的的

24、电电子子束束做做双双缝缝干干涉涉实实验验，把把入入射射电电子子束束减减弱弱到到可可以以认认为为电电子子源源和和感感光光胶胶片片之之间间不不可可能能同同时时有有两两个个电电子子存存在在，如如图图所所示示为为不不同同数数量量的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明()A电子只有粒子性没有波动性电子只有粒子性没有波动性B少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性C电子只有波动性没有粒子性电子只有波动性没有粒子性D少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性少量电子的运动显示波动性，大量

25、电子的运动显示粒子性B B小试牛刀小试牛刀【例题】【例题】根据根据物质波理论，下列说法正确的是（物质波理论，下列说法正确的是（）A.A.微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B.B.宏观物体和微观粒子都具有波动性宏观物体和微观粒子都具有波动性C.C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长D.D.速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显BDBD小试牛刀小试牛刀【例题】【例题】下列说法正确的是（下列说法正确的是（）A.物质波属于机械波物质波属于机械波

26、B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C.德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫做物质波太阳都具有一种波和它对应，这种波叫做物质波D.宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性具有波动性C小试牛刀小试牛刀【例题】【例题】电子经电势差为电子经电势差为U220V的电场加速，在的电场加速，在vc的情况下，求此电子的情况下，求此电子的德布罗意波长的德布罗意波长(已知：电子质量为已知：电子质量为9.111031kg，电子电荷量为，电子电荷量为1.61019C)解：解：分析分析:1.利用动能定理求速度，利用动能定理求速度，2.物质波波长公式求波长物质波波长公式求波长小试牛刀小试牛刀