（全国通用版）2018-2019高中物理 第十七章 波粒二象性课件（打包4套）新人教版选修3-5.zip

物 理选修 3-5 · 人教版新新 课标导课标导 学学第十六章波粒二象性章 末 小 结1 知识结构2 规律方法3 触及高考知 识 结 构规 律 方 法(2)应用光电效应规律解题应当明确① 光电效应规律中 “光电流的强度 ”指的是光电流的饱和值 (对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态 )。因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。② 明确两个决定关系a．逸出功 W0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。b．入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。(多选 )(湖北武钢三中、武汉三中、省实验中学 2015～ 2016学年高二下学期联考 )用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流强度与照射光的强弱、频率等物理量的关系。图中 A、 K两极间的电压大小可调，直流电源的正负极也可以对调。分别用 a、 b、 c三束单色光照射，调节 A、 K间的电压 U，得到光电流 I与电压 U的关系如图乙所示。由图可知 ( )典例 1ABC A．单色光 b的频率大于 a的频率B．单色光 a和 c的光子能量相同，但 a光强度更强些C．单色光 a的遏止电压小于单色光 b的遏止电压D．随着电压的增大，光电流不断增大解题指导： 两条线索： (1)通过频率分析：光子频率高 → 光子能量大 → 产生光电子的最大初动能大。 (2)通过光的强度分析：入射光强度大 → 光子数目多 → 产生的光电子多 → 光电流大。解析： 由 图 乙可知， 单 色光 b照射后遏止 电压较 大，根据 Ekm＝ eUc知， b光照射后 产 生的光 电 子最大初 动 能 较 大，根据光 电 效 应 方程 Ekm＝ hν－ W0得，b光的 频 率大于 a光的 频 率，故 A正确， C正确； a、 c两光照射后遏止 电压 相同，知 产 生的光 电 子最大初 动 能相等，可知 a、 c两光的 频 率相等，光子能量相等，由于 a光的 饱 和 电 流 较 大， 则 a光的 强 度 较 大，故 B正确；随着正向 电压 的增大，光 电 流增大，增大到一定程度， 电 流达到 饱 和，不再增大，故 D错误 。故选 A、 B、 C。二、光的波粒二象性1．大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性。如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。2．光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量。和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用。3．光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此 E＝ hν，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。4．对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。5．光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性。处理光的波粒二象性问题的关键是正确理解其二象性，搞清光波是一种概率波。(多选 )下列叙述的情况正确的是 ( )A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体B．光波是与橡皮绳形成的绳波相似的波C．光具有粒子性，它和其他物质作用是 “一份一份 ”进行的D．光子在空间各点出现的可能性大小 (概率 )，可以用波动的规律来描述解题指导： 光具有波粒二象性，但不是宏观的粒子和波，在相互作用时表现的粒子性显著，在传播时表现的波动性显著。典例 2 CD 解析： 光具有粒子性，但是不同于宏 观 的物体，即 说 明每个光子不像一个极小的球体，所以 A错误 ；光具有波 动 性，但是光波不同于橡皮 绳 形成的 绳 波，即 B错误 ；光具有粒子性，它和其他物 质 作用是 “一份一份 ”进 行的，即 C正确；光在 传 播的 过 程中，光子在空 间 各点出 现 的可能性大小 (概率 )，可以用波动 的 规 律来描述，即 D正确。触 及 高 考从历年高考试题看，有关本章内容的考题多以选择、填空的形式出现，难度不大，均属基本题。其中命题率较高的知识点是光电效应。(2018·全国卷 Ⅱ ， 17)用波长为 300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为 1.28×10－19J。已知普朗克常量为 6.63×10－ 34J·s，真空中的光速为 3.00×108m·s－ 1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为 ( )A． 1×1014Hz B． 8×1014HzC． 2×1015Hz D． 8×1015Hz例 题B 一、考题探析一、选择题 (1题为单选题， 2题为多选题 )1． (2017·北京卷， 18)2017年年初，我国研制的 “大连光源 ”—— 极紫外自由电子激光装置，发出了波长在 100 nm(1 nm＝ 10－ 9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲， “大连光源 ”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。二、临场练兵 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为 (取普朗克常量 h＝6.6×10－ 34 J·s，真空光速 c＝ 3×108 m/s) ( )A． 10－ 21 J B． 10－ 18 JC． 10－ 15 J D． 10－ 12 JB 2． (2017·全国卷 Ⅲ ， 19)在光电效应实验中，分别用频率为 νa、 νb的单色光 a、 b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为 Ua和 Ub、光电子的最大初动能分别为 Eka和 Ekb。 h为普朗克常量。下列说法正确的是 ( )A．若 νaνb，则一定有 Uaνb，则一定有 EkaEkbC．若 Uaνb，则一定有 hνa－ Ekahνb－ EkbBC 解析： 光 电 效 应 中遏止 电压 与最大初 动 能之 间 的关系 为 eU＝ Ek，根据光电 效 应 方程可知 Ek＝ hν－ W0若 νaνb， 则 EkaEkb， UaUb， 选项 A错误 ， 选项 B正确；若 UaUb， 则 EkaEkb， 选项 C正确； 由光 电 效 应 方程可得 W0＝ hν－ Ek， 则 hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb， 选项 D错误。1∶2 4． (2016·全国卷 Ⅰ ， 35)现用某一光电管进行光电效应的实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是_______A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关ACE 解析： 根据光 电 效 应规 律，保持入射光的 频 率不 变 ，入射光的光 强 变 大，则饱 和光 电 流 变 大， 选项 A正确；由 爱 因斯坦光 电 效 应 方程知，入射光的 频 率变 高， 产 生的光 电 子最大初 动 能 变 大，而 饱 和光 电 流与入射光的 频 率和光 强都有关， 选项 B错误 ， C正确；保持入射光的光 强 不 变 ，不断减小入射光的 频率，当入射光的 频 率小于极限 频 率 时 ，就不能 产 生光 电 效 应 ，没有光 电 流 产生， 选项 D错误 ；遏止 电压 与 产 生的光 电 子的最大初 动 能有关，光 电 子的最大初 动 能与入射光的 频 率有关，与入射光的光 强 无关， 选项 E正确。物 理选 修 3-5 · 人教版新新 课标导课标导 学学第十七章波粒二象性〔 情 景 切 入 〕1990年，德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假 设 ：粒子的能量只能是某一最小能量 值 的整数倍。 这 一假 说 不 仅 解决了 热辐 射 问题 ，同 时 也改 变 了人 们对 微 观 世界的 认识 。光在 爱 因斯坦的眼里成了 “粒子 ”， 电 子、 质 子等在德布 罗 意看来具有了波动 性 ……光到底是什么？ 实 物粒子真的具有波 动 性 吗 ？ 让 我 们 一起 进 入 这 种神奇的微 观 世界，去揭开微 观 世界的奥秘吧。〔 知 识 导 航 〕本章内容涉及微 观 世界中的量子化 现 象。首先从黑体和黑体 辐 射出 发 ，提出了能量的量子化 观 点， 进 而通 过实验 研究光 电 效 应现 象，用 爱 因斯坦的光子 说对 光 电 效 应 的 实验规 律做出合理解 释 ，明确了光具有波粒二象性， 进 而将波粒二象性推广到运 动 的 实 物粒子，提出了德布 罗 意波的概念， 经 分析和研究得出光波和德布 罗 意波都是概率波以及不确定性关系的 结论 。本章内容可分 为 三个 单 元： (第一～二 节 )主要介 绍 了能量量子化和光的粒子性；第二 单 元 (第三 节 )介 绍 了粒子的波 动 性；第三 单 元 (第四～五 节 )介 绍 了概率波和不确定性关系。本章的重点是：普朗克的能量量子化假 设 、光 电 效 应 、光 电 效 应 方程、德布 罗 意波。本章的 难 点是：光 电 效 应 的 实验规 律和波粒二象性。〔 学 法 指 导 〕1．重 视 本章 实验 的理解。本章知 识 理 论 性很 强 ，涉及的新概念 较 多，也比 较 抽象，但它们 作 为 物理量都有其 实验 事 实 基 础 ，所以在学 习时 要 结 合 实验 来理解它 们 ，就不会 觉 得那么抽象。2．注意体会人 类认识 微 观 粒子本性的 历 史 进 程。人 类认识 微 观 粒子本性的 进 程是波浪形的，在曲折中前 进 ，旧的理 论总 是被新 发现 、新的 实验 事 实 否定， 为 解 释 新 实验 事 实 又提出新的理 论 。光 电 效 应 和康普 顿 效 应证 明了光是一种粒子，但光的干涉和衍射又 证 明了光是一种波，因此光是一种波 —— 电 磁波，同 时 光也是一种粒子 —— 光子。也就是 说 光具有波粒二象性。光在空 间 各点出 现 的概率是受波 动规 律支配的，因此光是一种概率波。3．学 习 本章知 识 会用到以前学 过 的知 识 ，如光的干涉、衍射， 弹 性碰撞、 动 量定理和 动能定理等，因此可以有 针对 性地复 习过 去的 这 些知 识 ， 对顺 利学 习 本章内容会有帮助。第一 节 能量量子化第二 节 光的粒子性学 习 目 标※ 认识 黑体和黑体 辐 射的概念※ 理解能量子的概念，掌握 计 算能量子的方法※ 知道光 电 效 应 的 实验规 律※※ 掌握 爱 因斯坦的光 电 效 应 方程※ 了解康普 顿 效 应 及光子的 动 量知 识 导 图1 课前预习2 课内探究3 素养提升4 课堂达标5 课时作业课 前 预 习1．热辐射(1)定 义 ：我 们 周 围 的一切物体都在 辐 射 __________， 这 种 辐 射与物体的________有关，所以叫 热辐 射。(2)特征： 热辐 射 强 度按波 长 的分布情况随物体的 ________而有所不同。2． 黑体(1)定 义 ：如果某种物体在任何温度下能 够 完全吸收入射的 ____________ __________而不 发 生反射， 这 种物体就是 绝对 黑体， 简 称黑体。(2)黑体 辐 射的特征：黑体 辐 射 电 磁波的 强 度按波 长 的分布只与黑体的________有关。知识点 1 黑体与黑体辐射电 磁波 温度 温度 各种波 长 的 电 磁波 温度 3．黑体辐射的实验规律黑体 辐 射 电 磁波的 强 度按波 长 的分布只与黑体的 ________有关，如 图 所示。(1)随着温度的升高，各种波 长 的 辐 射 强 度都________；(2)随着温度的升高， 辐 射 强 度的极大 值 向波长 ________的方向移 动 。温度 增加 较 短 1．定义普朗克 认为 ， 带电 微粒的能量只能是某一最小能量 值 ε的 __________，当带电 微粒 辐 射或吸收能量 时 ，也是以 这 个最小能量 值为单 位 ____________地辐 射或吸收的， 这 个不可再分的最小能量 值 ε叫做能量子。2． 能量子大小ε＝ hν，其中 ν是 电 磁波的 频 率， h称 为 __________常量， h＝ 6.626×10－34J·s(一般取 h＝ 6.63×10－ 34J·s)。3． 能量的量子化在微 观 世界中能量是 _________的，或者 说 微 观 粒子的能量是 _______的。知识点 2 能量子整数倍 一份一份 普朗克 量子化 分立 1．光电效应照射到金属表面的光，能使金属中的 ________从表面逸出的 现 象。如 图 所示。2． 光电子光 电 效 应 中 发 射出来的 ________。知识点 3 光电效应电 子 电 子 3．光电效应的实验规律(1)存在着 饱 和光 电 流：在光的 颜 色不 变 的情况下，入射光越 强 ，________电 流越大。 这 表明 对 于一定 颜 色的光，入射光越 强 ， 单 位 时间 内 发射的 ____________越多。(2)存在着遏止 电压 和截止 频 率：光 电 子的最大初 动 能与入射光的________有关，而与入射光的 ________无关，当入射光的 频 率低于____________时 不能 发 生光 电 效 应 。(3)光 电 效 应 具有瞬 时 性：光 电 效 应 几乎是 ________发 生的，从光照射到产 生光 电 流的 时间 不超 过 ________s。饱 和 光 电 子数 频 率 强 弱 截止 频 率 瞬 时 10－ 9 1．光子光不 仅 在 发 射和吸收 时 能量是 ____________的，而且光本身就是由一个个不可分割的 ________组 成的， 频 率 为 ν的光的能量子 为 hν， h为 普朗克常量。 这 些能量子后来被称 为 光子。2． 爱因斯坦光电效应方程在光 电 效 应 中，金属中的 电 子吸收一个光子 获 得的能量是 ______， 这 些能量的一部分用来克服金属的 __________W0，剩下的表 现为 逸出后 电 子的初动 能 Ek，即hν＝ __________或 Ek＝ ___________知识点 4 爱因斯坦的光电效应方程一份一份 能量子 hν 逸出功 Ek＋ W0 hν－ W0 1．光的散射光在介 质 中与 ____________相互作用，因而 传 播方向 发 生改 变 ， 这 种 现象叫做光的散射。2． 康普顿效应美国物理学家康普 顿 在研究石墨 对 X射 线 的散射 时 ， 发现 在散射的 X射 线中，除了与入射波 长 λ0相同的成分外， 还 有 _____________的成分， 这 个 现 象称 为 康普 顿 效 应 。知识点 5 康普顿效应物 质 微粒 波 长 大于 λ0 1．表达式p＝ ______2． 说明在康普 顿 效 应 中，入射光子与晶体中 电 子碰撞 时 ，把一部分 动 量 转 移 给________，光子的 动 量 ________，因此，有些光子散射后波 长变 ______。知识点 6 光子的动量电 子 变 小 长 『 判一判 』(1)只有高温的物体才会热辐射。 ( )(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。 ( )(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。 ( )(4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。 ( )(5)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。 ( )× √ √ √ × (6)金属表面是否 发 生光 电 效 应 与入射光的 强 弱有关。 ( )(7)入射光照射到金属表面上 时 ，光 电 子几乎是瞬 时发 射的。 ( )(8)光子 发 生散射 时 ，其 动 量大小 发 生 变 化，但光子的 频 率不 发 生 变 化。( )(9)光子 发 生散射后，其波 长变 大。 ( )× √ × √ 『 选一选 』(多选 )(北京市临川育人学校 2017～ 2018学年高二下学期期中 )如图所示，电路中所有元件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是 ( )A．入射光强度较弱 B．入射光波长太长 C．光照射时间太短 D．电源正负极接反BD 解析： 光 电 管能否 产 生光 电 效 应 与入射光的 强 度、光照 时间 没有关系，当入射光波 长 小于金属的极限波 长时 ，即入射光 频 率大于金属的极限 频 率 时 ，金属才能 产 生光 电 效 应 ， A、 C错误 ；若入射光波 长 大于金属的极限波 长时 ，金属不能 产 生光 电 效 应 ，灵敏 电 流 计 中没有 电 流通 过 ， B正确； 电 源正 负 极接反 时，光 电 管加上反向 电压 ，光 电 子做减速运 动 ，可能到达不了阳极， 电 路中不能形成 电 流， D正确。『 想一想 』很多地方用红外热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少，你知道其中的道理吗？答案： 根据热辐射规律可知，人的体温的高低，直接决定了这个人辐射的红外线的频率和强度。通过监测被测者辐射的红外线的情况就知道这个人的体温。课 内 探 究有 经验 的 炼钢 工人，通 过观 察 炼钢 炉内的 颜 色，就可以估 计 出炉内的大体温度， 这 是根据什么道理？提示： 黑体 辐 射与温度有关。探究一 对黑体及黑体辐射的理解 1．对黑体的理解绝对 的黑体 实际 上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如 图 所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的 电 磁波在空腔内表面会 发 生多次反射和吸收，最 终 不能从空腔射出， 这 个小孔就成了一个 绝对 黑体。物 理选 修 3-5 · 人教版新新 课标导课标导 学学第十七章波粒二象性第三节 粒子的波动性学 习 目 标※ 理解光的波粒二象性※ 了解粒子的波 动 性※ 理解物 质 波的概念，知道物 质 波的 实验验证知 识 导 图1 课前预习2 课内探究3 素养提升4 课堂达标5 课时作业课 前 预 习1．光的本性(1)19世 纪 初托 马 斯 ·杨 、菲涅耳、 马吕 斯等分 别观 察到了光的 ________、 ________和偏振 现 象。(2)19世 纪 60年代和 80年代，麦克斯 韦 和赫 兹 先后从理 论 上和 实验 上确 认了光的 __________本 质 。(3)光 电 效 应 和康普 顿 效 应 揭示了光的 __________。知识点 1 光的波粒二象性干涉 衍射 电 磁波 粒子性 波 动 性 衍射 粒子性 光 电 效 应 粒子性 波 动 性 波粒二象性 2．光子的能量和动量(1)能量： ε＝ ______；(2)动 量： p＝ ______。3． 意义hν 粒子 波 动 hν 能量 ε和 动 量 p是描述物 质 的 ________性的重要物理量；波 长 λ和 频 率 ν是描述物 质 的 ________性的典型物理量。因此 ε＝ ______和 p＝ ______揭示了光的粒子性和波 动 性之 间 的密切关系。1．德布罗意波任何一种 实 物粒子都和一个波相 联 系， 这 种波被称 为 德布 罗 意波，也叫________波。2． 物质波的波长和频率波 长 公式 λ＝ ______， 频 率公式 ν＝ ______。知识点 2 粒子的波动性物 质 3．物质波的实验验证(1)实验 探究思路干涉、衍射是 ______特有的 现 象，如果 实 物粒子具有波 动 性， 则 在一定条件下，也 应该发 生 ________或 ________现 象。(2)实验验证1927年戴 维孙 和 G.P.汤 姆 孙 分 别 利用晶体做了______________的 实验 ，得到了 类 似右 图 的________图样 ，从而 证实 了 电 子的波 动 性。他 们为 此获 得了 1937年的 诺贝 尔 物理学 奖 。波 干涉 衍射 电 子束衍射 衍射 『 判一判 』(1)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。 ( )(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。 ( )(4)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。 ( )(6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。 ( )√ × √ √ × √ 『 选一选 』(多选 )(河北正定中学 2015～ 2016学年高二下学期检测 )波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有 ( )A．光电效应现象揭示了光的粒子性B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等AB 『 想一想 』2018年 6月 30日，中国运动员苏炳添在 2018钻石联赛巴黎站比赛中，以 9.91s的成绩再次追平了男子 100m亚洲记录。设苏炳添的质量约为 75kg，请计算他在 100m比赛时的德布罗意波长，并说明其波动性是否明显。答案： 8.76×10－ 37m，波动性很不明显课 内 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？探究一 对光的本性的认识 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。1．光学发展史学 说 名称 微粒 说 波 动说 电 磁 说 光子 说 波粒二象性代表人物 牛 顿 惠更斯 麦克斯 韦 爱 因斯坦 公 认实验依据光的直 线传 播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传 播，是横波，光速等于 电磁波速光 电 效 应康普 顿效 应光既有波 动现 象，又有粒子特征内容要点光是一群弹 性粒子光是一种机械波光是一种 电磁波光是由一份一份光子 组成的光是具有 电 磁本性的物 质 ，既有波 动 性又有粒子性年代 17世 纪 17世 纪 19世 纪 中 20世 纪 初 20世 纪 初2．对光的波粒二象性的理解光的波 动 性 光的粒子性实验基 础 干涉、衍射 光 电 效 应 、康普 顿 效 应含 义 光的波 动 性是光子本身的一种属性，它不同于宏 观 的波，它是一种概率波，即光子在空 间 各点出 现 的可能性大小 (概率 )可用波 动规 律描述：(1)足 够 能量的光 (大量光子 )在 传 播时 ，表 现 出波的性 质 。 (2)频 率低，波 长长 的光，波 动 性特征 显 著。粒子的含 义 是 “不 连续 ”“一份一份 ”的，光的粒子即光子，不同于宏 观概念的粒子，但也具有 动 量和能量。 (1)当光同物 质发 生作用 时 ，表 现 出粒子的性 质 。 (2)少量或个别 光子易 显 示出光的粒子性。 (3)频 率高，波 长 短的光，粒子性特征 显 著。二象性 (1)光子 说 并没有否定波 动 性， E＝ hν中， ν表示光的 频 率，表示了波的特征。光既具有波 动 性，又具有粒子性，波 动 性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表 现 不同。(2)只有用波粒二象性，才能 统 一 说 明光的各种行 为 。下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是 ( )A．有的光是波，有的光是粒子B．光子与电子是同样的一种粒子C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D．大量光子的行为往往显示出粒子性解题指导： 在宏观现象中，波与粒子是对立的概念，而在微观世界中，波与粒子可以统一。光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同其他物质作用时分别表现出波和粒子的特性。典例 1 C 解析： 一切光都具有波粒二象性，光的有些行 为 (如干涉、衍射 )表 现 出波 动 性，光的有些行 为 (如光 电 效 应 )表 现 出粒子性，所以，不能 说 有的光是波，有的光是粒子。虽 然光子与 电 子都是微 观 粒子，都具有波粒二象性，但 电 子是 实 物粒子，有静止 质 量，光子不是 实 物粒子，没有静止 质 量， 电 子是以 实 物形式存在的物质 ，光子是以 场 形式存在的物 质 ，所以，不能 说 光子与 电 子是同 样 的一种粒子。光的波粒二象性的理 论 和 实验 表明，大量光子的行 为 表 现 出波 动 性，个 别光子的行 为 表 现 出粒子性。光的波 长 越 长 ，衍射性越好，衍射性越好，即波 动性越 显 著，光的波 长 越短，其光子能量越大，个 别 或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反 应 ，所以其粒子性就很 显 著，故 选项 C正确， A、 B、 D错误。〔 对点训练 1〕 人 类对 光的本性 认识 的 过 程中先后 进 行了一系列 实验 ，如 图 所示的四个示意 图 所表示的 实验说 明光具有波 动 性的是 _______， 说 明光具有粒子性的是 _____。ABD C 解析： C为 光 电 效 应实验 ， 证 明了光的粒子性；其余的三个 实验 均 证 明了光的波 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 察运 动 着的汽 车 ，并未感 觉 到它的波 动 性。你如何理解 该问题 ， 谈谈 自己的 认识 。探究二 对物质波的理解 提示： 波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性，宏观物体 (汽车 )也存在波动性，只是因为宏观物体质量大，动量大，波长短，难以观测，而微观粒子如电子、质子、中子以及原子、分子的波动性为宏观物体具有波动性奠定了事实基础。2．对德布罗意物质波的理解(1)任何一个运 动 的物体，小到 电 子、 质 子，大到行星、太阳都具有波 动 性。由于宏 观 物体的波 长 太小，其波 动 性不易 观 察到。(2)物 质 波是一种概率波，粒子在空 间 各 处 出 现 的概率服从波 动规 律。不要以宏 观观 点中的波来理解德布 罗 意波。(3)德布 罗 意假 说 是光的波粒二象性的推 动 ， 实 物粒子和光子都既具有粒子性，又具有波 动 性。与光子 对应 的波是 电 磁波，与 实 物粒子 对应 的是物 质 波。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？典例 2解题指导： 认为运动物体将做曲线运动是容易出现的错误，以宏观观念的波来理解德布罗意波是错误的根源，德布罗意波是一种概率波，在一般情况下不能用确定的坐标描述粒子的位置，无法用轨迹描述粒子的运动，但是粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不是粒子将做曲线运动，不能将物质波与宏观意义上的机械波相混淆，物质波的实质是指粒子在空间的分布的概率是受波动规律支配的，它与机械波有着本质的区别，更不能将粒子的运动轨迹与波动性联系在一起。〔 对点训练 2〕 下列 说 法中正确的是 ( )A．物 质 波属于机械波B．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、太阳，都有一种波和它 对应 ， 这 种波叫物 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 动时不具有波 动 性解析： 物 质 波是一切运 动 着的物体所具有的波，与机械波性 质 不同，宏 观 物体也具有波 动 性，只是干涉、衍射 现 象不明 显 而已，故只有 C对 。C 物 理选 修 3-5 · 人教版新新 课标导课标导 学学第十七章波粒二象性第四节 概率波第五节 不确定性关系学 习 目 标※ 了解 经 典的粒子和 经 典的波的基本特征※ 知道光波和物 质 波都是概率波※ 了解 “不确定性关系 ”的具体含 义知 识 导 图1 课前预习2 课内探究3 素养提升4 课堂达标课 前 预 习1．经典的粒子在 经 典物理学的概念中， 粒子有一定的 ________大小，有一定的________，有的 还 有 电 荷。其运 动 的基本特征是：任意 时 刻有确定 ________和 ________以及在空 间 的确定 ________。2． 经典的波经 典的波在空 间 中是弥散开来的，其特征是具有 ________和 ________，也就是具有 ________的周期性。知识点 1 经典的粒子和经典的波空 间 质 量 位置 速度 轨 道 频 率 波 长 时 空 1．光波是概率波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 ______，落在暗 纹处 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，从光子的概念上看，光波是一种 __________。2． 物质波也是概率波对 于 电 子和其他微 观 粒子， 单 个粒子的位置是 __________的，但在某点附近出 现 的概率的大小可以由 ________的 规 律确定。 对 于大量粒子， 这 种概率分布 导 致确定的宏 观结 果，所以物 质 波也是 __________。知识点 2 概率波大 小 概率波 不确定 波 动 概率波 1．概念在 经 典力学中，一个 质 点的位置和 动 量是可以同 时 ____________的，在量子理 论 建立之后，要同 时测 出微 观 粒子的 ________和 ________，是不太可能的。我 们 把 这 种关系叫做不确定性关系。2． 表达式利用数学方法 对 微 观 粒子的运 动进 行分析可以知道，如果以 Δx表示粒子位置的不确定量，以 Δp表示粒子在 x方向上的 动 量的不确定量，那么ΔxΔp≥______式中 h 是普朗克常量。 这 就是著名的不确定性关系， 简 称不确定关系。知识点 3 不确定性关系精确 测 定 位置 动 量 『 判一判 』(1)经典的粒子的运动适用牛顿第二定律。 ( )(2)经典的波在空间传播具有周期性。 ( )(3)经典的粒子和经典的波研究对象相同。 ( )(4)光子通过狭缝后落在屏上的位置是可以确定的。 ( )(5)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些。 ( )(6)电子通过狭缝后运动的轨迹是确定的。 ( )√ √ × × √ × CD 『 想一想 』在双缝干涉实验中，某光子打在光屏上的落点能预测吗？大量的光子打在光屏上的落点是否有规律？请用概率波的观点解释双缝干涉图样的形成。答案： 在光的双缝干涉实验中，某个光子打在光屏上的落点根本不能预测，但大量光子打在光屏上将形成明暗相间的干涉条纹，这说明光子落在各点的概率是不一样的，光子落在明条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小，光子在空间出现的概率遵循波动规律，所以光波是一种概率波。课 内 探 究如 图 所示是双 缝 干涉的 图样 ，我 们 如何用光的波粒二象性来解 释 呢？探究一 对概率波的理解 提示： 图 a中表示曝光时间很短的情况，在胶片上出现的是随机分布的光点。延长胶片曝光的时间，就会出现如图 b所示的图样。从图中可以看出，光子在某些条形区域出现的概率增大，这些区域是光波通过双缝后产生相干振动加强的区域；而落在其他一些条形区域的概率很小，这些区域是光波通过双缝后产生相干振动减弱的区域。曝光的时间越长，图样就越清晰 (如 c图所示 )，这说明，可以用光子在空间各点出现的概率，来解释光的干涉图样，即认为光是一种概率波。1．单个粒子运动的偶然性我 们 可以知道粒子落在某点的概率，但不能 预 言粒子落在什么位置，即粒子到达什么位置是随机的，是 预 先不确定的。2． 大量粒子运动的必然性由波 动规 律，我 们 可以准确地知道，大量粒子运 动时 的 统计规 律，因此我 们 可以 对 宏 观现 象 进 行 预 言。3．概率波体现了波粒二象性的和谐统一概率波的主体是光子、 实 物粒子，体 现 了粒子性的一面；同 时 粒子在某一位置出 现 的概率受波 动规 律支配，体 现 了波 动 性的一面，所以 说 ，概率波将波动 性和粒子性 统 一在一起。特别提醒： (1)在双缝干涉和单缝衍射的暗纹处也有光子到达，只是光子数 “特别少 ”。(2)要理解统计规律，对统计规律的认识是理解概率波的前提。(多选 )在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的 95%以上；假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子( )A．一定落在中央亮纹处 B．一定落在亮纹处C．可能落在暗纹处 D．落在中央亮纹处的可能性最大典例 1CD 解题指导： (1)概率大小只表明事件发生的可能性，实际情况如何，则不确定。(2)大量光子的行为易表现出光的波动性，少量光子的行为易表现出粒子性。解析： 根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达 95%以上。当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故 C、 D选项正确。〔 对点训练 1〕 下列 说 法正确的是 ( )A．概率波就是机械波B．物 质 波是一种概率波C．概率波和机械波的本 质 是一 样 的，都能 发 生干涉和衍射 现 象D．在光的双 缝 干涉 实验 中，若有一个光子， 则 能确定 这 个光子落在哪个点上解析： 概率波与机械波是两个概念，本质不同；物质波是一种概率波，符合概率波的特点；光的双缝干涉实验中，若有一个光子，这个光子的落点是不确定的，但有概率较大的位置。故 B正确。 B 对 微 观 粒子的分析能不能用 “轨 迹 ”来描述呢？提示： 微 观 粒子的运 动 遵循不确定关系，也就是 说 ，要准确确定粒子的位置， 动 量 (或速度 )的不确定量就更大；反之，要准确确定粒子的 动 量 (或速度 )，位置的不确定量就更大，也就是 说 不可能同 时 准确地知道粒子的位置和 动 量。因而不可能用 “轨 迹 ”来描述粒子的运 动 。探究二 对不确定性关系的理解1．粒子位置的不确定性单缝 衍射 现 象中，入射的粒子有确定的 动 量，但它 们 可以 处 于 挡 板左 侧的任何位置，也就是 说 ，粒子在 挡 板左 侧 的位置是完全不确定的。2． 粒子动量的不确定性(1)微 观 粒子具有波 动 性，会 发 生衍射。大部分粒子到达狭 缝 之前沿水平方向运 动 ，而在 经过 狭 缝 之后，有些粒子跑到投影位置以外。 这 些粒子具有与其原来运 动 方向垂直的 动 量。(2)由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的 动 量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中央亮条 纹 的 宽 度来衡量。5．经典物理和微观物理的区别(1)在 经 典物理学中，可以同 时 用位置和 动 量精确地描述 质 点的运 动 ，如果知道 质 点的加速度， 还 可以 预 言 质 点在以后任意 时 刻的位置和 动 量，从而描 绘它的运 动轨 迹。(2)在微 观 物理学中，不可能同 时 准确地知道粒子的位置和 动 量。因而也就不可能用 “轨 迹 ”来描述粒子的运 动 。但是，我 们 可以准确地知道大量粒子运 动时 的 统计规 律。典例 2答案： (1)5.3×10－ 29m/s (2)5.89×105m/s〔 对点训练 2〕 (多 选 )光通 过单缝 所 发 生的 现 象，用位置和 动 量的不确定关系的 观 点加以解 释 ，正确的是 ( )A． 单缝 越 宽 ，光沿直 线传 播，是因 为单缝 越 宽 ，位置不确定量 Δx越大， 动 量不确定量 Δp越大的 缘 故B． 单缝 越 宽 ，光沿直 线传 播，是因 为单缝 越 宽 ，位置不确定量 Δx越大， 动 量不确定量 Δp越小的 缘 故C． 单缝 越窄，中央亮 纹 越 宽 ，是因 为单缝 越窄，位置不确定量 Δx越小，动 量不确定量 Δp越小的 缘 故D． 单缝 越窄，中央亮 纹 越 宽 ，是因 为单缝 越窄，位置不确定量 Δx越小，动 量不确定量 Δp越大的 缘 故BD 素 养 提 升