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4.5粒子的波动性和量子力学的建立教学设计
课题
| 粒子的波动性和量子力学的建立
| 单元
| 4
| 学科
| 物理
| 年级
| 选修三
| 学习
目标
| 物理观念：知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。
科学思维：掌握光的波粒二象性，理解其对立统一关系；并能应用波粒二象性解释有关现象，提高分析、推理能力。
科学探究：通过学习电子衍射、与干涉的探究，学会观察与讨论，并能得出实验结论，提高动脑能力。
科学态度与责任：学习科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。
| 重点
| 知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。
| 难点
| 知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。
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教学过程
| 教学环节
| 教师活动
| 学生活动
| 设计意图
| 导入新课
| 有记者曾问英国物理学家、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。”
如果你是布拉格教授，将如何机智地回答？
那么光的本性到底是什么？
波动派
1690年，惠更斯波动说
1864年，麦克斯韦电磁说
粒子派：
1672年，牛顿微粒说
1905年，爱因斯坦光子说（光电效应）
1922年，康普顿效应
光具有波粒二象性
| 阅读物理小故事，了解科学家对于光的波粒二象性的探索历程。
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让学生了解科学家对于光的波粒二象性的探索历程，体会科学家不畏困难的探索精神。
坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。
| 讲授新课
| 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?
一、粒子的波动性
德布罗意(De · Broglie)，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。
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？”
德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量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：
<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>
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。
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,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?
解析：羽毛球的速度v=80m/s,其徳布罗意波波长<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
波长太短，无法观测到羽毛球的波动性。
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。
二.物质波的实验验证
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。
此后，人们相继证实了质子、中子以及原子、分子等都具有波动性。
德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。
课堂练习1、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
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
三、量子力学的建立
情境探究
如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?
(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律?如何研究中子星表面的物理规律?
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。
四、量子力学的应用
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。
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。
课堂练习2、 (多选)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,经典力学就不适用了
B.相对论和量子力学的出现,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
D.万有引力定律也适用于强相互作用力
解析：经典力学只适用于低速宏观的物体,故A正确;相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性,故C正确;万有引力定律对于强相互作用力是不适用的,故D错误。
答案：AC
| 根据光的波粒二象性思考问题。
了解实物粒子的波动性。
计算解决问题。
了解电子衍射实验。
完成课堂练习。
小组讨论，梳理经典理论的局限性。
梳理各种新理论和普朗克常量h的关系。
了解量子力学在现代科技中的应用。
| 由光的波粒二象性思考实物粒子是否也具有这种性质，引起学生的思考。
让学生通过阅读徳布罗意波的提出过程，理解徳布罗意波的含义。
让学生通过计算来更好的理解物质波的存在，之所以观察不到，是因为常见物体的物质波波长太小了。
通过课堂练习，更好的理解徳布罗意波的特点和含义。
让学生理解经典理论的局限性，才能让学生更深入的了解新的理论和知识。
学习量子力学在现代科技中的应用和对人类社会进步起到的积极作用的学习，激发学习科学的兴趣。
| 拓展提高
| 1、下列说法正确的是( )
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、太阳都具有一种波和它对应,这种波叫作物质波
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,故只有选项C正确。
答案：C
2、根据德布罗意波的概念,下列说法正确的是( )
A.质量大的物体,其德布罗意波长小
B.速度大的物体,其德布罗意波长小
C.动量大的物体,其德布罗意波长小
D.动能小的物体,其德布罗意波长小
解析：根据<Object: word/embeddings/oleObject3.bin> 可知,动量大的物体波长小,选项C是正确的。质量大或速度大或动能小,都不能确定其动量大小,所以其他三个选项错误。故正确答案为C。
答案：C
3、质量为1 000 kg的小汽车以v=40 m/s的速度在高速公路上行驶,试估算小汽车的德布罗意波的波长。
解析：小汽车的动量为
p=mv=1 000×40 kg·m/s=4×104 kg·m/s
小汽车的德布罗意波波长为
<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>
| 完成拓展提高。
| 通过练习，巩固基础知识。
| 课堂小结
| 一、粒子的波动性
1、波粒二象性
2、物质波
二、物质波的实验验证
1、电子干涉现象
2、电子束衍射现象
三、量子力学的建立和应用
| 总结本节课学习的知识。
| 帮助学生梳理知识点，建立知识框架。
| 板书
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