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第十七章波粒二象性第3节粒子的波动性目标篇预习篇考点篇栏目链接学习目标1．通过实验分析，了解光的波粒二象性的内容，感受微观粒子运动的复杂性．2．知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探求精神．3．通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法．4．通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步．知识点一光的波粒二象性目标篇预习篇考点篇栏目链接1．光的波粒二象性的特征．(1)波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性．(2)光子的能量：ε＝hν.(3)光子的动量：p＝hλ.注：物理量ε和p描述光的粒子性，物理量ν和λ描述光的波动性，h架起了粒子性与波动性的桥梁．目标篇预习篇考点篇栏目链接2．光的波动性与粒子性的统一．(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，粒子性得到充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加大的情况下，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．目标篇预习篇考点篇栏目链接(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ε＝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．综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立的．3．从微观的角度理解光的波动性和粒子性．光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观世界的观念来认识，必须从微观的角度建立起光的行为图景．认识光的波粒二象性，需要明确的是：爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”是两个完全不相同的概念；同样，麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念，其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别．►尝试应用1．关于光的波粒二象性的下列说法中，不正确的是(B)A．光既有波动性，又有粒子性B．光表现出波动性时就不具有粒子性，光表现出粒子性时就不具有波动性C．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性D．光有粒子性，但不能把光子等同于质点，光有波动性，但不能把光等同于宏观的机械波解析：光的波粒二象性是光的属性，是一个有机整体．大量光子显示波动性，个别光子显示粒子性．目标篇预习篇考点篇栏目链接知识点二物质波1．德布罗意波：任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波．2．波的频率：ν＝εh；波的波长：λ＝hp.注：ε为粒子的能量，p为粒子的动量．3．物质波的实验验证．(1)验证物质波是否存在的思路．人们知道，干涉、衍射是波动性质的特有表现．如果实物粒子具有波动性的话，在一定条件下，也该发生衍射现象．为了证实粒子具有波动性质，我们先估计一下实物粒子波长的数量级，看看它实现衍射所需要的条件，对质量为1g、速度为1cm/s的物体来说，它的波长为λ＝＝6.6×10－27cm.这么小的波长，比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性．而一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，德布罗意波长约为0.12nm，因此有可能观察到电子的波动性．h1g×1cm/s(2)物质波的实验验证．1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似下图的衍射图样，从而证实了电子的波动性．他们为此获得了1973年的诺贝尔物理学奖►尝试应用2．下列说法中正确的是(C)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的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性解析：任何一个运动的物体都具有波动性，但因为宏观物体的德布罗意波波长很短，所以很难看到它的衍射和干涉现象，所以C项对，B、D项错；物质波不同于宏观意义上的波，故A项错．题型一对光的波粒二象性的理解关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是()A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性B．光波频率越高，粒子性越明显C．能量越大的光子其波动性越显著D．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性E．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显目标篇预习篇考点篇栏目链接【审题指导】光子既具有波动性又具有粒子性，波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义．波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量．个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．频率越大的光，光子的能量越大，粒子性越显著，频率越小的光，光子的能量越小，波动性越显著。解析：光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；目标篇预习篇考点篇栏目链接个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D、E说法正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B说法正确、C说法错误．答案：C点评：本题要注意光的波粒二象性指光波同时具有波和粒子的双重性质，但有时候表现为波动性，有时候表现为粒子性．目标篇预习篇考点篇栏目链接►变式训练1．下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是(C)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；目标篇预习篇考点篇栏目链接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，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．题型二对物质波的理解(多选)下列关于物质波的认识中正确的是()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．物质波是一种概率波【审题指导】物质波，又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配，一切运动的物体才有物质波．目标篇预习篇考点篇栏目链接解析：任何一个运动着的物体，小到电子质子大到行星太阳，都有一种波与之对应这种波称为物质波，所以要物体运动时才有物质波．故A选项正确．衍射现象是一切波的性质特征．X射线是原子的外层电子受激发而发出一种电磁波，不是物质波．故B选项错误．电子是实物粒子，衍射是波特有的，所以电子束的衍射图样证实了德布罗意物质波的假设是正确的．故C选项正确．物质波，又称德布罗意波，是概率波，指空间中某点某时刻可能出现的几率，其中概率的大小受波动规律的支配．故D选项正确．答案：ACD►变式训练2．关于物质波，下列认识错误的是(BD)A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的D．宏观物体对应的德布罗意波尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象解析：X射线衍射实验验证了X射线是电磁波，B错误．宏观物体对应的德布罗意波也具有干涉、衍射现象，只不过现象不明显，D错误．