人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立评优课课件ppt

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物理观念∶形成实物粒子也具有波粒二象性的观念，了解量子力学在生活中的应用。科学思维∶能够利用波粒二象性关系式解释实物粒子的波动性，能在生活中发现量子力学的具体应用情形，并作出解释。科学探究：通过物质波的验证，掌握验证物理理论的基本方法——实验。科学态度与责任∶量子力学不是一天建成的，也不是一个人就能建立，告诫学生做事要懂得合作，要持之以恒。教学重点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波，量子力学的建立。教学难点：实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波。
曾有记者问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：光是波还是粒子？布拉格幽默地回答道：“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？
光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
普朗克常量h是架起了粒子性与波动性之间的桥梁
波长λ越大，动量P越小——波动性越强，粒子性越弱
波长λ越小，动量P越大——波动性越弱，粒子性越强
他认为，“整个世纪以来( 指19世纪 ) 在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢？”
德布罗意(De · Brglie)，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。
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有波动性呢?
这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫作物质波。
德布罗意由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它相对应。运动物体的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从如下关系：
质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？
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。2.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。
电子动能Ek=100eV，求它的德布罗意波长。
电子的德布罗意波长与原子的直径相当，所以电子在遇到原子时可发生明显的衍射等波动现象
1927年，C.J.戴维森与雷斯特·革末做电子衍射实验，验证电子具有波动性。
戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。
电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也像 X 射线一样产生衍射现象。
1927年，G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）也独立完成了电子衍射实验。与C.J.戴维森共获 1937年诺贝尔物理学奖。 此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。
1961年克劳斯·约恩松（Claus Jönssn）将一束电子加速到50keV，让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m，间隔为d=2.0×10-6m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。
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.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
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。
物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明。第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 μm，最大放大倍数也只有1000倍左右。自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。
“量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式...”
德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。他们建立的理论被称为矩阵力学。 1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程，使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。 1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。 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善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。
1927年第五届索尔维会议参加者合影
薛定谔的猫是物理学的四大神兽之一，并非是指某种动物，而是一种思维实验。接下来讲一下这个实验的背景故事。
二十世纪物理学的两大支柱相对论和量子力学，大家对相对论比较了解，或者是即使不懂什么意思但是会经常听说。而对于量子力学就知之甚少了，但是大家一定都听说个薛定谔的猫这只神兽，并把它当作是量子力学的代名词。但实际上却并非如此，薛定谔的猫只是在讽刺量子力学中的量子不确定性。
1935年奥地利物理学家薛定谔提出了薛定谔的猫的思维实验，实验过程如下：一个封闭的盒子中装着一只猫，从外面看不到盒子内部的情况。盒子中设置一个实验装置，放有少量的放射性物质，这种物质衰变释放出毒素的概率是百分之五十。这意味着在一段时间内这只猫有百分之五十的几率被毒死，百分之五十的机会安全存活。
我们在没有打开盒子前并不知道猫的状态，因此猫只能是既死又活的叠加态。薛定谔用这种宏观动物的既死又活叠加态，来讽刺微观量子的既A又B叠加态。爱因斯坦在三十六岁提出广义相对论后，有一段时间一直在和量子力学的哥本哈根派吵架。尤其是以波尔为代表的一众哥本哈根派科学家。因为他们对量子力学的诠释触碰了爱因斯坦的禁区，那就是定域性。
但是最终的结果我们都知道爱因斯坦当时反对的量子不确定性、量子纠缠等目前都被确认是正确存在的。当时提出的薛定谔的猫思维实验原本是用来讽刺量子力学，现在反而是量子力学的代名词。
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20世纪以来物理学的基础。量子力学作为物理学理论，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。推动了核物理和粒子物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。推动了原子、分子物理和光学的发展。人们认识了原子的结构,以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。推动了固体物理的发展。人们了解了固体中电子运行的规律,并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路,俗称“芯片”。
量子力学的应用还有很多。毫不夸张地说，在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。“一步一重天，百步上云端”，人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。
“4G改变生活，5G改变社会”，中国已正式进入5G时代．4G所使用的电磁波频率一般都低于6GHz（1G=109）， 而5G所用的电磁波频率一般在24GHz到100GHz之间，与4G使用的电磁波相比，5G使用的电磁波( )A．光子能量较小 B．光子动量较大C．在真空中传播速度更大 D．遇到障碍物更容易发生衍射现象
1．判一判（1）德布罗意认为实数粒子也具有波动性。（ ）（2）光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁理论。（ ）（3）波长较长的光只有波动性，没有粒子性。（ ）（4）向前飞行的子弹具有波动性。（ ）
2．下列说法中正确的（ ）A．质量大的物体，其德布罗意波长短B．速度大的物体，其德布罗意波长短C．动量大的物体，其德布罗意波长短D．动能大的物体，其德布罗意波长短
3．根据物质波理论，以下说法中正确的是（ ）A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性B．宏观物体和微观粒子都具有波动性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D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显
4．2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源。X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则（ ）A．E＝hλ/c，p＝0　　　　B．E＝hλ/c，p＝hλ/c2C．E＝hc/λ，p＝0 D．E＝hc/λ，p＝h/λ
5．如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/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1.67×10－27kg）
4.0×10－10m　 6.63×10－35m