新教材2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性5.粒子的波动性和量子力学的建立课件新人教版选择性必修第三册

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第四章5.粒子的波动性和量子力学的建立1.知道光和实物粒子都具有波粒二象性。(物理观念)2.了解物质波,知道说明实物粒子具有波动性的实验事实。(物理观念)5.了解量子力学的建立及在微观世界中的应用。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升学以致用·随堂检测全达标目录索引 基础落实·必备知识全过关一、粒子的波动性和物质波的实验验证1.粒子的波动性(1)德布罗意波法国物理学家德布罗意提出假设:实物粒子也具有　 　　　　　　,即每一个　　　　的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波被称为德布罗意波,也叫　　　　　　。 (2)物质波的波长、频率关系式ν=　　　　,λ=　　　　。 波动性运动物质波2.物质波的实验验证(1)实验探究思路光的　　　　和衍射现象是光具有波动性的有力证据,如果实物粒子具有波动性,那么,它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。 (2)实验验证1927年戴维森和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验,得到了　　　的衍射图样,证实了　　　　的波动性。 干涉电子电子(3)说明①后来陆续证实了质子、中子以及原子、分子的　　　　　。对于这些②宏观物体的质量比微观粒子大得多,运动时的　　　　很大,对应的德布罗意波的波长　　　　,根本无法观察到它的波动性。 波长越长越容易衍射 所有物体都具有波动性和粒子性 波动性动量很短二、量子力学的建立与应用1.量子力学的建立(1)普朗克　　　　　　　理论、爱因斯坦　　　　　　　理论、康普顿　　　　理论、玻尔　　　　　　理论以及德布罗意　　　　　　假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。 都是针对一个特定的具体问题,不是统一的普遍性理论 (2)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　 。 统一描述微观世界物理规律的普遍性规律 黑体辐射　光电效应散射氢原子物质波量子力学2.量子力学的应用(1)量子力学推动了核物理和　　　　物理的发展。 (2)量子力学推动了原子、分子物理和　　　　的发展。 (3)量子力学推动了　　　　物理的发展。 粒子光学固体情境链接电子显微镜基于光学显微镜的结构基础,利用了电子在一定加速电压下的波长比可见光波长更短,且可以利用电磁场进行控制的特点,分辨率可以到纳米量级,可以进行原子级别的微观世界的探索。电子显微镜的优点是什么呢?提示 电子显微镜用电子束作为观察的“光”,因为电子束是实物粒子,其物质波波长比可见光波长短得多,在微小结构下可见光会发生衍射而一片模糊,电子束不会,所以用电子显微镜能够观测物质的微观结构,突出体现了电子的波动性。教材拓展阅读教材P92粒子的波动性,想一想一个质量为0.01 kg的子弹,速度是300 m/s,为什么我们看不到它的波动性呢?提示 根据λ= 得子弹的波长为2.21×10-34 m,波长太小了,测不出衍射,所以宏观物体几乎看不到波动性只表现粒子性。易错辨析(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(　　)(2)一切宏观物体都伴随一种波,即物质波。(　　)(3)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。(　　)(4)量子力学是在普朗克、玻尔等人所建立的一个个的具体理论的基础上创立的。(　　)(5)量子力学成为统一描述微观世界物理规律的普遍性理论。(　　)√ × 提示运动的物体才具有波动性。 √ √ √ 重难探究·能力素养全提升探究点一　粒子的波动性如图是电子束穿过铝箔后的衍射图样,结合图样及课本内容回答以下问题。 (1) 德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么?(2) 电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么?要点提示 (1)光的波粒二象性、玻尔氢原子理论及相对论。(2)电子束能发生衍射,说明电子束具有波动性。1.对物质波的理解(1)任何运动的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都与一个对应的物质波相联系,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。(2)粒子在空间各处出现的概率受统计规律支配,不能以宏观观点中的波来理解。(3)德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,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。2.粒子波动性的理解(1)一切运动着的物体都具有波动性,宏观物体观察不到其波动性,但并不否定其具有波动性。(2)电子、质子等实物粒子,具有能量和动量,当和其他物质相互作用时,粒子性起主导作用。(3)在宏观世界中,波与粒子是对立的概念;在微观世界中,波与粒子可以统一。【例1】 如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/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1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s)答案 3.97×10-10 m　6.63×10-35 m 解析 中子的动量为p1=m1v ,子弹的动量为p2=m2v 1.科学家用电子显微镜,即加速电场中的电子,使其表现为波长远小于可见光的波,捕捉到了某病毒的图像。已知电子的质量为9×10-31 kg,电子电荷量的值为1.6×10-19 C,普朗克常量为6.6×10-34 J·s,不考虑相对论效应,则下列说法错误的是(　　)A.电子显微镜的分辨率非常高,是由于电子的德布罗意波长非常短B.电子显微镜与加速电压有关,加速电压越高,则分辨率越低C.若用相同动能的质子代替电子,也能拍摄到该病毒的图像D.德布罗意波长为0.2 nm的电子,可由静止电子通过约37.8 V的电压加速得到B解析 影响电子显微镜分辨率的直接因素是光源的波长,波长越短,加速电压越高,分辨率越高,故A正确,B错误;相同动能的质子和电子,根据探究点二　量子力学的建立和应用如图甲所示,质子束被加速到接近光速;如图乙所示,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?要点提示 经典力学不适用于质子束等微观粒子的研究,量子理论较好地适用于微观世界。(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?要点提示 经典力学对中子星表面的物理规律并不适用,相对论对中子星表面的物理规律适用。1.“量子”的理解科学家在研究物理现象的过程中,发现基本粒子的能量不是连续的,而是类似于楼梯一个台阶一个台阶的,也就是说能量只能一份一份地变化。实际上任何能量变化都是量子化的,只不过在宏观现象中表现不明显,在微观现象中就很容易观察到。量子就是一个不可分割的基本个体。2.量子力学建立的背景19、20世纪之交,人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中,都发现了经典物理学无法解释的现象。这就表明,微观世界的物理规律和宏观世界的物理规律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。3.量子力学与经典力学的比较 4.量子力学的应用量子力学在高速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一,在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中,都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。【例2】 下列描述与“量子计算机”的原理相符的是(　　)A.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B.根据量子力学,人们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C.利用固体的微观结构对电路进行操控,速度和可靠性都远胜过去的电子管,而体积则小得多D.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C解析 科学家们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”。这些器件利用固体的微观结构对电路进行操控,速度和可靠性都远胜过去的电子管,而体积则小得多。靠它们,人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备,C项正确。2.在通往量子论的道路上,一大批物理学家做出了卓越的贡献,下列有关说法错误的是(　　)A.普朗克在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念B.玻尔第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念C.赫兹大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性D.戴维森和G.P.汤姆孙分别通过实验得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性C解析 普朗克在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念,A正确,不符合题意;玻尔第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,B正确,不符合题意;德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性,C错误,符合题意;戴维森和G.P.汤姆孙分别通过实验得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性,D正确,不符合题意。学以致用·随堂检测全达标12341.(量子力学的建立和应用)(多选)20世纪以来,人们发现了一些新的事实,而经典力学却无法解释。经典力学只适用于解决物体的低速运动问题,不能用来处理高速运动问题,只适用于宏观物体,一般不适用于微观粒子。这说明(　 　)A.随着认识的发展,经典力学已成了过时的理论B.人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的C.不同领域的事物各有其本质与规律D.人们应当不断扩展认识,在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律BCD1234解析 人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约,所以形成的看法也都具有一定的局限性,人们只有不断扩展自己的认识,才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律。新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定,只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。A错误,B、C、D正确。12342.(物质的波粒二象性)(2023陕西西安高二月考)关于物质的波粒二象性,下列说法不正确的是(　　)A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的D.实物粒子的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性D1234解析 德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出了物质波的概念,认为一切运动的实物粒子,都具有波粒二象性,A正确,不符合题意,D错误,符合题意;运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道,B正确,不符合题意;波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的,C正确,不符合题意。12343.(物质波波长的理解)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.动能小的物体,其德布罗意波长短C解析 根据λ= 可知,动量大的物体波长短,选项C是正确的。质量大、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。12344.(物质波的波长)德布罗意提出实物粒子具有波动性,与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,其波长与粒子的动量存在某种关系。从静止开始经同一加速电场加速后的氘核和α粒子的德布罗意波波长之比为(　　)A.1∶1 B.1∶2 C. ∶1 D.2∶1D