高中牛頓第二定律教案
發(fā)表時間：2020-11-25第3節(jié)實物粒子的波粒二象性第4節(jié)“基本粒子”與恒星演化。
第3節(jié)實物粒子的波粒二象性第4節(jié)“基本粒子”與恒星演化
學習目標知識脈絡
1.知道實物粒子具有波動性，會計算物質波的波長，知道電子云，初步了解不確定性關系．(重點、難點)
2.初步了解粒子物理學的基礎知識．(重點)
3.初步了解恒星的演化．(重點)
4.了解人類認識世界的發(fā)展性，體會人類對世界的探究是不斷深入的.
德布羅意假設及其實驗探索
[先填空]
1．德布羅意波
德布羅意提出實物粒子也具有波動性．稱這種波為物質波或德布羅意波．
2．物質波的波長、頻率與粒子能量、動量的關系
(1)粒子能量E與相應波的頻率ν之間的關系為E＝hν.
(2)動量p與相應波長λ之間的關系為p＝hλ.
3．物質波的實驗驗證
(1)1927年，戴維孫和革末通過實驗首次發(fā)現了電子的衍射現象．
(2)1927年，湯姆孫用實驗證明，電子在穿過金屬片后像X射線一樣產生衍射現象，也證實了電子的波動性．
(3)1960年，約恩孫直接做了電子雙縫干涉實驗，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片．
[再判斷]
1．電子不但具有粒子性也具有波動性．(√)
2．物質波的波長由粒子的大小決定．(×)
3．物質波的波長和粒子運動的動量有關．(√)
[后思考]
運動著的宏觀物體具有波動性，為什么我們很難觀察到宏觀物體的波動性？
【提示】由p＝hλ得，λ＝hp，宏觀物體的動量比微觀粒子的動量大得多，運動著的宏觀物體的波長都很短，而波長越長波動性越明顯，所以我們很難觀察到宏觀物體的波動性．
[核心點擊]
1．任何物體，小到電子、質子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故．
2．粒子在空間各處出現的幾率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波．
3．德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是物質波．
1．(多選)以下說法正確的是()
A．宏觀粒子也具有波動性
B．抖動細繩一端，繩上的波就是物質波
C．物質波也是一種概率波
D．物質波就是光波
【解析】任何物體都具有波動性，故A正確．對宏觀物體而言，其波動性難以觀測，我們所看到的繩波是機械波，不是物質波，故B錯誤．物質波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點出現的概率遵循波動規(guī)律，但物質波不是光波，故C正確，D錯誤．
【答案】AC
2．如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等，則它們的________也相等．
【解析】由λ＝hp可知，如果一個電子和一個中子的德布羅意波長相等，則它們的動量p相等．
【答案】動量
3．質量為10g、速度為300m/s在空中飛行的子彈，其德布羅意波長是多少？為什么我們無法觀察出其波動性？
【解析】子彈在空中飛行時的動量
p＝mv＝10×10－3×300kgm/s＝3kgm/s
子彈的德布羅意波長為
λ＝hp＝6.63×10－343m＝2.21×10－34m
由于子彈的德布羅意波長極短，故無法觀察到其波動性．
【答案】2.21×10－34m由于子彈的德布羅意波長極短，無法觀察到其波動性
有關德布羅意波計算的一般方法
(1)計算物體的速度，再計算其動量．如果知道物體動能也可以直接用p＝2mEk計算其動量．
(2)根據λ＝hp計算德布羅意波長．
(3)需要注意的是：德布羅意波長一般都很短，比一般的光波波長還要短，可以根據結果的數量級大致判斷結果是否合理．
(4)宏觀物體的波長小到可以忽略，其波動性很不明顯．
不確定性關系及電子云
[先填空]
1．在微觀世界中，粒子的位置和動量存在不確定性，不能同時測量．
2．不確定性關系：ΔxΔp≥h4π.
式中，Δx為位置的不確定范圍，Δp為動量的不確定范圍，h為普朗克常量．
3．此式表明，不能同時精確測定一個微觀粒子的位置和動量．
4．電子云
(1)定義
在原子核周圍用點的疏密表示的電子出現的概率分布．
(2)電子的分布
某一空間范圍內電子出現概率大的地方點密，電子出現概率小的地方點疏．電子云反映了原子核外電子位置的可能性．
[再判斷]
1．無論宏觀世界還是微觀世界，粒子的位置都是確定的．(×)
2．我們可以根據電子的運動軌跡判斷電子的出現位置．(×)
3．微觀世界中不可以同時測量粒子的動量和位置．(√)
[后思考]
在微觀物理學中，我們不可能同時準確地知道某個粒子的位置和動量，那么粒子出現的位置是否就是無規(guī)律可循的？
【提示】粒子出現的位置還是有規(guī)律可循的，那就是統(tǒng)計規(guī)律，比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出現概率大的位置．
[核心點擊]
1．粒子位置的不確定性：單縫衍射現象中，入射的粒子有確定的動量，但它們可以處于擋板左側的任何位置，也就是說，粒子在擋板左側的位置是完全不確定的．
2．粒子動量的不確定性
(1)微觀粒子具有波動性，會發(fā)生衍射．大部分粒子到達狹縫之前沿水平方向運動，而在經過狹縫之后，有些粒子跑到投影位置以外．這些粒子具有與其原來運動方向垂直的動量．
(2)由于哪個粒子到達屏上的哪個位置是完全隨機的，所以粒子在垂直方向上的動量也具有不確定性，不確定量的大小可以由中央亮條紋的寬度來衡量．
3．位置和動量的不確定性關系：ΔxΔp≥h4π
由ΔxΔp≥h4π可以知道，在微觀領域，要準確地確定粒子的位置，動量的不確定性就更大；反之，要準確地確定粒子的動量，那么位置的不確定性就更大．
4．微觀粒子的運動沒有特定的軌道：由不確定關系ΔxΔp≥h4π可知，微觀粒子的位置和動量是不能同時被確定的，這也就決定了不能用“軌跡”的觀點來描述粒子的運動．
5．經典物理和微觀物理的區(qū)別
(1)在經典物理學中，可以同時用位置和動量精確地描述質點的運動，如果知道質點的加速度，還可以預言質點在以后任意時刻的位置和動量，從而描繪它的運動軌跡．
(2)在微觀物理學中，不可能同時準確地知道粒子的位置和動量．因而也就不可能用“軌跡”來描述粒子的運動．但是，我們可以準確地知道大量粒子運動時的統(tǒng)計規(guī)律．
4．(多選)關于不確定性關系ΔxΔp≥h4π有以下幾種理解，正確的是()【導學號：64772067】
A．微觀粒子的動量不可確定
B．微觀粒子的位置不可確定
C．微觀粒子的動量和位置不可同時確定
D．不確定性關系不僅適用于電子和光子等微觀粒子，也適用于宏觀物體
【解析】由ΔxΔp≥h4π可知，當粒子的位置不確定性小時，粒子動量的不確定性大；反之，當粒子的位置不確定性大時，粒子動量的不確定性?。什荒芡瑫r測量粒子的位置和動量，故A、B錯，C對．不確定性關系是自然界中的普遍規(guī)律，對微觀粒子的影響顯著，對宏觀物體的影響可忽略，故D正確．
【答案】CD
5．已知h4π＝5.3×10－35Js，試求下列情況中速度測定的不確定量．
(1)一個球的質量m＝1.0kg，測定其位置的不確定量為10－6m.
(2)電子的質量m＝9.0×10－31kg，測定其位置的不確定量為10－10m．(即在原子的數量級)
【解析】(1)m＝1.0kg，Δx1＝10－6m，
由ΔxΔp≥h4π，Δp＝mΔv知
Δv1＝h4πΔ1xm＝5.3×10－3510－6×1.0m/s＝5.3×10－29m/s.
(2)me＝9.0×10－31kg，
Δx2＝10－10m
Δv2＝h4πΔx2me
＝5.3×10－3510－10×9.0×10－31m/s
＝5.89×105m/s.
【答案】(1)5.3×10－29m/s(2)5.89×105m/s
對不確定性關系的三點提醒
(1)在宏觀世界中物體的質量與微觀世界中粒子的質量相比較，相差很多倍．
(2)根據計算的數據可以看出，宏觀世界中的物體的質量較大，位置和速度的不確定量較小，可同時較精確地測出物體的位置和動量．
(3)在微觀世界中粒子的質量較小，不能同時精確地測出粒子的位置和動量，不能準確把握粒子的運動狀態(tài)．
“基本粒子”與恒星的演化
[先填空]
1．對粒子的認識過程
(1)“基本粒子”：電子、質子和中子．曾認為它們是組成物質的基本粒子，后來又認識到“基本粒子”的復雜內部結構．
(2)新粒子：1932年發(fā)現了正電子，1937年發(fā)現了μ子，1947年發(fā)現k介子和π介子及以后發(fā)現的超子等．
2．粒子的分類：已發(fā)現的粒子分為媒介子、輕子和強子三類．
3．影響“粒子”的相互作用力
引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用．
4．夸克模型
(1)夸克：強子是由夸克構成的．
(2)分類：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克；它們所帶的電荷是電子或質子所帶電荷的2/3或1/3.
5．恒星的演化
(1)恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云團，進一步凝聚開始發(fā)光形成恒星．
(2)恒星的歸宿：聚變反應層級遞進地在恒星內發(fā)生，直到各種熱核反應不再發(fā)生，恒星的中心密度達到極大，在強大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞．
(3)恒星的演化過程：原恒星→主序星(現在太陽正處于此階段)→紅巨星或超新星→白矮星、中子星或黑洞．
[再判斷]
1．強子是參與強相互作用的粒子．(√)
2．目前發(fā)現的輕子有8種．(×)
3．宇宙將一直會膨脹下去．(×)
[后思考]
星云是怎樣形成恒星的？恒星形成時是怎樣發(fā)光的？恒星在哪個階段停留時間最長？
【提示】星云在外界影響下聚集，某些區(qū)域在引力作用下開始向內收縮，密度不斷增加，星云團中引力勢能轉化為內能，溫度升高．當溫度上升到一定程度時，開始發(fā)光，形成原恒星．恒星在主序星階段停留時間最長．
[核心點擊]
1．新粒子的發(fā)現及特點
發(fā)現時間1932年1937年1947年20世紀60年代后
新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子
基本特點質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反比質子的質量小質量介于電子與核子之間其質量比質子大
2.粒子的分類
分類參與的相互作用發(fā)現的粒子備注
強子參與強相互作用質子、中子、介子、超子強子有內部結構，由“夸克”構成；強子又可分為介子和重子
輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)現內部結構
媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用
3.夸克的分類
夸克有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷是電子或質子所帶電荷的23或13.每種夸克都有對應的反夸克．
4．兩點提醒
(1)質子是最早發(fā)現的強子，電子是最早發(fā)現的輕子，τ子的質量比核子的質量大，但力的性質決定了它屬于輕子．
(2)粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子，它們相遇時會發(fā)生“湮滅”，即同時消失而轉化成其他的粒子．
6．(多選)關于粒子，下列說法正確的是()
A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子
B．強子中也有不帶電的粒子
C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論
D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位
【解析】由于質子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A錯誤，B正確；夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋23e和－e3，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確．
【答案】BD
7．在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質十分特別，因此在實驗中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中11H的核反應，間接地證實了中微子的存在．
(1)中微子與水中的11H發(fā)生核反應，產生中子(10n)和正電子(0＋1e)，即中微子＋11H―→10n＋0＋1e.
可以判定，中微子的質量數和電荷數分別是________．(填寫選項前的字母)
A．0和0B．0和1
C．1和0D．1和1
(2)上述核反應產生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即0＋1e＋0－1e―→2γ.已知正電子和電子的質量都為9.1×10－31kg，反應中產生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不可能只轉變?yōu)橐粋€光子，原因是________．
(3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質波波長的大?。?br> 【解析】(1)發(fā)生核反應前后，粒子的質量數和電荷數均不變，據此可知中微子的質量數和電荷數都是0，A正確．
(2)產生的能量是由于質量虧損．兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個光子的能量為E2，代入數據得E2＝8.2×10－14J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故如果只產生一個光子是不可能的，因為此過程遵循動量守恒定律．
(3)物質波的波長為λ＝hp，要比較波長需要將中子和電子的動量用動能表示出來即p＝2mEk，因為mnme，所以pnpe，故λnλe.
【答案】見解析
處理新粒子問題的方法
核反應過程中新生成的粒子和實物粒子一樣，也能產生物質波，它們之間發(fā)生相互作用時，同樣遵循動量守恒定律等力學規(guī)律，所以應熟練地掌握物理知識和物理規(guī)律，并靈活應用．
學業(yè)分層測評(十五)
(建議用時：45分鐘)
學業(yè)達標]
1．下列說法中正確的是()
A．夸克模型說明電子電荷量是最小的電荷單元
B．目前已經發(fā)現了自由態(tài)的夸克
C．目前發(fā)現的夸克有8種
D．每種夸克都有對應的反夸克
【解析】夸克模型指出目前發(fā)現了6種夸克，每種夸克都有對應的反夸克，所以C錯誤，D正確；夸克所帶電荷量小于電子電荷量，但還沒有發(fā)現自由態(tài)的夸克，這就是夸克的“禁閉”，所以A、B錯．
【答案】D
2．關于宇宙和恒星的演化，下列說法正確的是()
A．宇宙已經停止演化
B．恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定
C．當溫度達到一定值時，恒星內發(fā)生氦聚變，亮度減弱
D．恒星最終都會演化為黑洞
【解析】目前宇宙的演化仍在進行，A錯．恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定，B對．恒星內由氫聚變轉變?yōu)楹ぞ圩儠r，亮度增加，C錯．根據最終質量的不同恒星最終演化為白矮星或中子星或黑洞，D錯．
【答案】B
3．(多選)關于物質波，下列認識正確的是()
A．任何運動的物體(質點)都伴隨一種波，這種波叫物質波
B．X射線的衍射實驗，證實了物質波假設是正確的
C．電子的衍射實驗，證實了物質波假設是正確的
D．宏觀物質盡管可以看成物質波，但它們不具有干涉、衍射等現象
【解析】據德布羅意物質波理論，任何一個運動的物體，小到電子、質子，大到行星、太陽，都有一種波與之相對應，這種波就叫物質波，可見，A選項正確；由于X射線本身就是一種波，而不是實物粒子，故X射線的衍射現象，并不能證實物質波理論的正確性，故B選項錯誤；電子是一種實物粒子，電子的衍射現象表明運動著的實物粒子具有波動性，故C選項正確；由電子穿過鋁箔的衍射實驗知，少量電子穿過鋁箔后所落位置是散亂的，無規(guī)律的，但大量電子穿過鋁箔后所落的位置呈現出衍射圖樣，即大量電子的行為表現出電子的波動性，干涉、衍射是波的特有現象，只要是波，都會發(fā)生干涉、衍射現象，故D選項錯誤．
【答案】AC
4．(多選)電子的運動受波動性的支配，對氫原子的核外電子，下列說法正確的是()
【導學號：64772068】
A．電子繞核運動的“軌道”其實是沒有意義的
B．電子軌道只不過是電子出現的概率比較大的位置
C．電子繞核運動時電子邊運動邊振動
D．電子在核外的位置是不確定的
【解析】根據電子的波粒二象性，其在某時刻出現的位置不能確定，但其在某點出現的概率受波動規(guī)律支配，所以A、B、D正確，C錯誤．
【答案】ABD
5．(多選)光通過單縫所發(fā)生的現象，用位置和動量的不確定性關系的觀點加以解釋，正確的是()
A．單縫寬，光是沿直線傳播，這是因為單縫寬，位置不確定量Δx大，動量不確定量Δp小，可以忽略
B．當能發(fā)生衍射現象時，動量不確定量Δp就不能忽略
C．單縫越窄，中央亮紋越寬，是因為位置不確定量越小，動量不確定量越大的緣故
D．當發(fā)生明顯衍射現象時，位置的不確定量Δx不能忽略
【解析】光在傳播過程中的位置和動量的不確定關系為ΔxΔp≥h4π.發(fā)生衍射時Δx0，所以Δp不能忽略，故B對．縫越寬Δp越小，縫越窄Δp越大，所以A、C正確．
【答案】ABC
6．(多選)為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干涉實驗中將光屏換成照相底片，并設法減弱光的強度，下列說法正確的是()
A．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的狹縫，如果時間足夠長，底片上將出現雙縫干涉圖樣
B．使光子一個一個地通過雙縫干涉實驗裝置的狹縫，如果時間足夠長，底片上將出現不太清晰的雙縫干涉圖樣
C．大量光子的運動規(guī)律顯示出光的粒子性
D．個別光子的運動顯示出光的粒子性
【解析】單個光子運動具有不確定性，大量光子落點的概率分布遵循一定規(guī)律，顯示出光的波動性．使光子一個一個地通過雙縫，如果時間足夠長，底片上會出現明顯的干涉圖樣，A正確，B、C錯誤；由光的波粒二象性知，個別光子的運動顯示出光的粒子性，D正確．
【答案】AD
7．目前普遍認為，質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的，u夸克帶電荷量為23e，d夸克的帶電荷量為－13e，e為元電荷，那么質子是由____________個u夸克和________個d夸克組成的，中子是由________個u夸克和________個d夸克組成的．
【解析】質子帶電量為e，應由2個u夸克和1個d夸克組成，中子帶電量為0，應由1個u夸克和2個d夸克組成．
【答案】2112
8．估算運動員跑步時的德布羅意波長．為什么我們觀察不到運動員的波動性？
【解析】設運動員的質量m＝60kg，運動員跑步時速度約為v＝10m/s，則其德布羅意波長為：
λ＝hp＝hmv＝6.63×10－3460×10m≈1.1×10－36m.
這個波長極短，因而觀察不到運動員的波動性．
【答案】見解析
能力提升]
9．(多選)下列說法中正確的是()
A．光的波粒二象性，就是由牛頓的微粒說和惠更斯的波動說組成的
B．光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋的光的電磁說
C．光子說并沒有否定光的電磁說，在光子能量ε＝hν中，頻率ν表示波的特征，ε表示粒子的特征
D．光波和物質波都是概率波
【解析】牛頓的微粒說認為光是由物質微粒組成的，惠更斯的波動說認為光是機械波，都是從宏觀現象中形成的觀念，故A錯誤；光子說并沒有否定光的電磁說，光子能量公式ε＝hν，體現了其粒子性和波動性，B錯誤，C正確；光波和物質波都是概率波，D正確．
【答案】CD
10．(1)如圖531所示是一個粒子源，產生某種粒子，在其正前方安裝只有兩條狹縫的擋板，粒子穿過狹縫打在前方的熒光屏上使熒光屏發(fā)光．那么在熒光屏上將看到________．
圖531
(2)一電子具有200m/s的速率，動量的不確定范圍是0.01%，我們確定該電子位置時，有多大的不確定范圍？(電子質量為9.1×10－31kg)【導學號：64772069】
【解析】(1)由于粒子源產生的粒子是微觀粒子，它的運動受波動性支配，對大量粒子運動到達屏上某點的概率，可以用波的特征進行描述，即產生雙縫干涉，在屏上將看到干涉條紋．
(2)由不確定性關系ΔxΔp≥h4π得電子位置的不確定范圍Δx≥h4πΔp＝6.63×10－344×3.14×9.1×10－31×200×0.01%m＝2.90×10－3m.
【答案】(1)明暗相間的干涉條紋(2)2.90×10－3m
11．如圖532所示為示波管示意圖，電子的加速電壓U＝104V，打在熒光屏上電子的位置確定在0.1mm范圍內，可以認為令人滿意，則電子的速度是否可以完全確定？是否可以用經典力學來處理？電子質量m＝9.1×10－31kg.
圖532
【解析】Δx＝10－4m，由ΔxΔp≥h4π得，動量的不確定量最小值約為Δp≈5×10－31kgm/s，其速度不確定量最小值Δv≈0.55m/s.12mv2＝eU＝1.6×10－19×104J＝1.6×10－15J，v＝6×107m/s，Δv遠小于v，電子的速度可以完全確定，可以用經典力學來處理．
【答案】可以完全確定可以用經典力學來處理
精選閱讀
--光的波粒二象性
一名優(yōu)秀的教師在教學方面無論做什么事都有計劃和準備，作為高中教師就要精心準備好合適的教案。教案可以讓學生們能夠更好的找到學習的樂趣，幫助高中教師緩解教學的壓力，提高教學質量。高中教案的內容要寫些什么更好呢？以下是小編為大家精心整理的“--光的波粒二象性”，但愿對您的學習工作帶來幫助。
教學目標
（1）知道光具有波粒二象性。
（2）知道概率波的概念。
教學建議
教材分析
分析一：教材先總結前面所學知識，提出光具有波粒二象性，并進一步指出光波是一種概率波：大量光子表現出的波動性強，少量光子表現出的粒子性強；頻率高的光子表現出的粒子性強，頻率低的光子表現出的波動性強。
分析二：教材中內容要求較低，學生掌握部分以記憶為主。
教法建議
建議：可以由教師提出思考問題，學生再閱讀課本自學，最后學生回答問題，有不明白的地方由教師解釋。
--示例
光的波粒二象性
教學重點：光具有波粒二象性
教學難點：對波粒二象性的理解
示例：
由教師提出思考問題（光波能干涉和衍射，說明光具有波動性；而光電效應又說明光具有粒子性，那么光波到底是波還是粒子呢？），學生再閱讀課本自學，最后學生回答思考問題，有不明白的地方由教師解釋。
探究活動
題目：光學發(fā)展史
組織：個人
方案：科普論文
評價：科普性
高三物理教案：《物粒子的波粒二象性》教學設計
實物粒子的波粒二象性
三維教學目標
1、知識與技能
(1)了解光既具有波動性，又具有粒子性;
(2)知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性;
(3)知道德布羅意波的波長和粒子動量關系。
(4)了解不確定關系的概念和相關計算;
2、過程與方法
(1)了解物理真知形成的歷史過程;
(2)了解物理學研究的基礎是實驗事實以及實驗對于物理研究的重要性;
(3)知道某一物質在不同環(huán)境下所表現的不同規(guī)律特性。
3、情感、態(tài)度與價值觀
(1)通過學生閱讀和教師介紹講解，使學生了解科學真知的得到并非一蹴而就，需要經過一個較長的歷史發(fā)展過程，不斷得到糾正與修正;
(2)通過相關理論的實驗驗證，使學生逐步形成嚴謹求實的科學態(tài)度;
(3)通過了解電子衍射實驗，使學生了解創(chuàng)造條件來進行有關物理實驗的方法。
教學重點：實物粒子和光子一樣具有波粒二象性，德布羅意波長和粒子動量關系。
教學難點：實物粒子的波動性的理解。
教學方法：學生閱讀-討論交流-教師講解-歸納總結。
教學用具：課件：PP演示文稿(科學家介紹，本節(jié)知識結構)。多媒體教學設備
(一)引入新課
提問：前面我們學習了有關光的一些特性和相應的事實表現，那么我們究竟怎樣來認識光的本質和把握其特性呢?(光是一種物質，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現出不同特性，分別舉出有關光的干涉衍射和光電效應等實驗事實)。
我們不能片面地認識事物，能舉出本學科或其他學科或生活中類似的事或物嗎?
(二)進行新課
1、光的波粒二象性
講述光的波粒二象性，進行歸納整理。
(1)我們所學的大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和連續(xù)性是相對的，是不同條件下的表現，光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律。
(2)光子在空間各點出現的概率遵從波動規(guī)律，物理學中把光波叫做概率波。
2、光子的能量與頻率以及動量與波長的關系。
=
提問：作為物質的實物粒子(如電子、原子、分子等)是否也具有波動性呢?
3、粒子的波動性
提問：誰大膽地將光的波粒二象性推廣到實物粒子?只是因為他大膽嗎?(法國科學家德布羅意考慮到普朗克能量子和愛因斯坦光子理論的成功，大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子。)
(1)德布羅意波：實物粒子也具有波動性，這種波稱之為物質波，也叫德布羅意波。
(2)物質波波長： =
提問：各物理量的意義?( 為德布羅意波長，h為普朗克常量，p為粒子動量)
閱讀課本有關內容，為什么德布羅意波觀點很難通過實驗驗證?又是在怎樣的條件下使實物粒子的波動性得到了驗證?
4、物質波的實驗驗證
提問：粒子波動性難以得到驗證的原因?(宏觀物體的波長比微觀粒子的波長小得多，這在生活中很難找到能發(fā)生衍射的障礙物，所以我們并不認為它有波動性，作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長為10-10m數量級，找與之相匹配的障礙物也非易事)
例題：某電視顯像管中電子的運動速度是4.0×107m/s;質量為10g的一顆子彈的運動速度是200m/s。分別計算它們的德布羅意波長。(根據公式 計算得1.8×10-11m和3.3×10-34m)
電子波動性的發(fā)現者——戴維森和小湯姆遜
電子波動性的發(fā)現,使得德布羅意由于提出實物粒子具有波動性這一假設得以證實，并因此而獲得1929年諾貝爾物理學獎，而戴維森和小湯姆遜由于發(fā)現了電子的波動性也同獲1937年諾貝爾物理學獎。
閱讀有關物理學歷史資料，了解物理學有關知識的形成建立和發(fā)展的真是過程。(應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神)
電子衍射實驗：1927年，兩位美國物理學家使電子束投射到鎳的晶體上，得到了電子束的衍射圖案，從而證實了德布羅意的假設。除了電子以外，后來還陸續(xù)證實了質子、中子以及原子、分子的波動性。
提問：衍射現象對高分辨率的顯微鏡有影響否?如何改進?(顯微鏡的分辨本領)
5、德布羅意波的統(tǒng)計解釋
1926年，德國物理學玻恩 (Born ， 1882--1972) 提出了概率波，認為個別微觀粒子在何處出現有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。
6、經典波動與德布羅意波(物質波)的區(qū)別
經典的波動(如機械波、電磁波等)是可以測出的、實際存在于空間的一種波動。而德布羅意波(物質波)是一種概率波。簡單的說，是為了描述微觀粒子的波動性而引入的一種方法。
7、不確定度關系(uncertainty relatoin)
經典力學：運動物體有完全確定的位置、動量、能量等。微觀粒子：位置、動量等具有不確定量(概率)。
(1)電子衍射中的不確定度
如圖所示，一束電子以速度 v 沿 oy 軸射向狹縫。電子在中央主極大區(qū)域出現的幾率最大。在經典力學中，粒子(質點)的運動狀態(tài)用位置坐標和動量來描述，而且這兩個量都可以同時準確地予以測定。然而，對于具有二象性的微觀粒子來說，是否也能用確定的坐標和確定的動量來描述呢?
下面我們以電子通過單縫衍射為例來進行討論。
設有一束電子沿oy軸射向屏AB上縫寬為a的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們仍用坐標x和動量p來描述這一電子的運動狀態(tài)，那么，我們不禁要問：一個電子通過狹縫的瞬時，它是從縫上哪一點通過的呢?也就是說，電子通過狹縫的瞬時，其坐標x為多少?顯然，這一問題，我們無法準確地回答，因為此時該電子究竟在縫上哪一點通過是無法確定的，即我們不能準確地確定該電子通過狹縫時的坐標。
研究表明：
對于第一衍射極小， 式中 為電子的德布羅意波長。電子的位置和動量分別用x和p來表示。電子通過狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為 ，同一時刻，由于衍射效應，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動量的分量 px變化越大。
分析計算可得： 式中h為普朗克常量。這就是著名的不確定性關系，簡稱不確定關系。
上式表明：
①許多相同粒子在相同條件下實驗，粒子在同一時刻并不處在同一位置。
②用單個粒子重復，粒子也不在同一位置出現。
例題解析：
例1：一顆質量為10g 的子彈，具有200m?s-1的速率，若其動量的不確定范圍為動量的0. 01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大?
解：子彈的動量
動量的不確定范圍
由不確定關系式 ，得子彈位置的不確定范圍
我們知道，原子核的數量級為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢娮訌椀膭恿亢臀恢枚寄芫_地確定，不確定關系對宏觀物體來說沒有實際意義。
例2：一電子具有200 m/s的速率，動量的不確定范圍為動量的0.01%(這已經足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大?
解 : 電子的動量為：
動量的不確定范圍
由不確定關系式，得電子位置的不確定范圍
我們知道原子大小的數量級為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見企圖精確地確定電子的位置和動量已是沒有實際意義。
8、微觀粒子和宏觀物體的特性對比
宏觀物體 微觀粒子
具有確定的坐標和動量，可用牛頓力學描述。 沒有確定的坐標和動量，需用量子力學描述。
有連續(xù)可測的運動軌道，可追蹤各個物體的運動軌跡。 有概率分布特性，不可能分辨出各個粒子的軌跡。
體系能量可以為任意的、連續(xù)變化的數值。 能量量子化 。
不確定度關系無實際意義 遵循不確定度關系
9、不確定關系的物理意義和微觀本質
(1)物理意義：
微觀粒子不可能同時具有確定的位置和動量。粒子位置的不確定量 越小，動量的不確定量 就越大，反之亦然。
(2) 微觀本質：是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計規(guī)律的必然結果。
不確定關系式表明：
① 微觀粒子的坐標測得愈準確( ) ，動量就愈不準確( ) ;微觀粒子的動量測得愈準確( ) ，坐標就愈不準確( ) 。但這里要注意，不確定關系不是說微觀粒子的坐標測不準;也不是說微觀粒子的動量測不準;更不是說微觀粒子的坐標和動量都測不準;而是說微觀粒子的坐標和動量不能同時測準。
② 為什么微觀粒子的坐標和動量不能同時測準?這是因為微觀粒子的坐標和動量本來就不同時具有確定量。這本質上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。由以上討論可知，不確定關系是自然界的一條客觀規(guī)律，不是測量技術和主觀能力的問題。
③ 不確定關系提供了一個判據：當不確定關系施加的限制可以忽略時，則可以用經典理論來研究粒子的運動。當不確定關系施加的限制不可以忽略時，那只能用量子力學理論來處理問題。
光的波粒二象性
教學目標
（1）知道光具有波粒二象性。
（2）知道概率波的概念。
教學建議
教材分析
分析一：教材先總結前面所學知識，提出光具有波粒二象性，并進一步指出光波是一種概率波：大量光子表現出的波動性強，少量光子表現出的粒子性強；頻率高的光子表現出的粒子性強，頻率低的光子表現出的波動性強。
分析二：教材中內容要求較低，學生掌握部分以記憶為主。
教法建議
建議：可以由教師提出思考問題，學生再閱讀課本自學，最后學生回答問題，有不明白的地方由教師解釋。
--示例
光的波粒二象性
教學重點：光具有波粒二象性
教學難點：對波粒二象性的理解
示例：
由教師提出思考問題（光波能干涉和衍射，說明光具有波動性；而光電效應又說明光具有粒子性，那么光波到底是波還是粒子呢？），學生再閱讀課本自學，最后學生回答思考問題，有不明白的地方由教師解釋。
探究活動
題目：光學發(fā)展史
組織：個人
方案：科普論文
評價：科普性
實物是粒子還是波
【課題】2.4實物是粒子還是波
【教學目標】
【知識與技能】
（1）知道實物粒子和光子一樣具有波粒二象性；
（2）了解德布羅意波長和粒子動量關系；
（3）了解電子衍射與物質波及量子力學；
（4）了解不確定關系的概念和相關計算；
【過程與方法】
（1）了解物理真知形成的歷史過程；
（2）了解物理學研究的基礎是實驗事實以及實驗對于物理研究的重要性；
（3）知道某一物質在不同環(huán)境下所表現的不同規(guī)律特性。
【情感、態(tài)度與價值觀】
（1）使學生了解科學真知的得到并非一蹴而就，需要經過一個較長的歷史發(fā)展過程，人類的認識不斷得到糾正、修正或完善；
（2）了解電子衍射實驗，體驗科學假設對實踐的指導意義；
（3）體驗和理解量子力學是新的物理模型與數學的結合的產物。
【教學重點】
實物粒子和光子一樣具有波粒二象性，德布羅意波長和粒子動量關系。
【教學難點】
對實物粒子的波動性的理解。
【教學方法】
學生閱讀－討論交流－教師講解
【教學過程】
引入新課
光的波粒二象性理論告訴我們：光是電磁波，同時又是光子。
這表明場與實物并非涇渭分明。
法國物理學家德布羅意從相反的思路思考，在1923年為自己提出了這樣的課題：電子、質子、中子，甚至原子等實物粒子是否也具有波動性呢？他進行了大膽的聯想和推測。
德布羅意波
1、學生閱讀教材P.40
了解德布羅意當時是怎樣思考的，了解德布羅意提出的新觀點；
指導學生明確德布羅意提出的假設的內容，建立德布羅意波的概念，了解德布羅意波長和粒子動量關系。
2、隨堂練習與思考
教材P.41案例：
先指導學生思考與解答，然后看書閱讀例題解答。
3、德布羅意波的波長特點以及德布羅意的預言
通過案例分析可以看出，電子的德布羅意波長數量級在10-10m。要觀察到電子的衍射現象，目前實驗室中普通的狹縫的寬度（10-4m）還是太寬了，因此用這樣的狹縫去觀察電子的衍射現象，我們無法看到電子的明顯的衍射現象。
如果要觀測到足球的波動性，那么所有狹縫寬度的數量級應該小到10-23m，這顯然我們無能為力，甚至覺得有些荒謬。
但微觀粒子的質量和動量都很小，其德布羅意波長要比足球長得多。
所以德布羅意在1923年就預言：電子束從很小的孔穿過能夠呈現出衍射現象。
實驗事故導致的重大發(fā)現
指導學生閱讀教材：P.42
1、美國物理學家戴維孫1925年研究電子散射時的發(fā)現；
2、英國物理學家湯姆生1927年完成了電子的衍射實驗，并且根據衍射測出的波長與德布羅意波理論計算的波長相吻合。
他們的實驗令人信服的證明了德布羅意理論，他們分享了1937年的諾貝爾物理學獎。
物質波，又一種概率波
指導學生閱讀理解
1、物質波與光波一樣，也是概率波。
2、圖片：電子衍射圖樣、中子衍射圖樣。
3、德布羅意波的統(tǒng)計解釋：
1926年，德國物理學玻恩（Born，1882--1972）提出了概率波，認為個別微觀粒子在何處出現有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律?！傲良y”處是電子出現概率大的地方，“暗紋”處是電子出現概率小的地方。
4、量子力學在這一時期應運而生：
了解薛定諤和海森伯提出的波動力學和矩陣力學。
不確定關系
指導學生閱讀教材：P.43
1、了解測不準關系的含義；
它表明：對粒子的位置和動量進行測量時，精確度存在一個基本極限。不可能同時準確地粒子的位置和動量。
2、了解經典力學中的“軌道”與量子力學中的“電子云”
【課后作業(yè)】
1、閱讀：教材資源
信息瀏覽P.40《“滿紙荒唐言”的機遇》
信息瀏覽P.43《原子請你排好隊》
2、思考、討論與練習：
教材P.44《家庭作業(yè)與活動》1、2、3
