資源簡介

4.5粒子的波動性和量子力學的建立 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本節內容比較少主要由物質波和量子力學的建立量大部分組成。物質波的概念使我們對自然界的認識又上升了一個層次，更加豐富了學生的世界觀。在驗證物質波的教學中，要求學生認識實驗技術手段與科學發現的關系。能夠進一步了解驗證物理理論的基本方法——實驗。量子力學的與我們的生活息息相關，知識大家不知道這就是量子力學罷了，教學時注意舉例子來豐富學生的見識。
【教學目標】
（一）教學目標
物理觀念：知道德布羅意波，光有波動性和粒子性、量子力學等基本觀點和相關實驗證據。
科學思維：掌握光的波粒二象性，理解其對立統一關系；并能應用波粒二象性解釋有關現象，提高分析、推理能力。
科學探究：通過學習電子衍射、與干涉的探究，學會觀察與討論，并能得出實驗結論，提高動腦能力。
科學態度與責任：學習科學家們探究物質波、建立量子力學的艱辛，堅持實事求是的科學態度，激發學習科學的興趣。
【教學重難點】
（一）教學重難點
教學重點：實物粒子的波粒二象性，實驗驗證物質波，量子力學的建立。
教學難點：實物粒子的波粒二象性，實驗驗證物質波。
【新課導入】
（一）新課導入
通過對雙縫干涉、光電效應等一系列問題的研究，人們終于認識到光既有粒子性，又有波動性。
我們已經認識到如電子、質子等實物粒子是具有粒子性的，那么，實物粒子是否也會同時具有波動性呢
【新課講解】
（一）粒子的波動性
光的波粒二象性
光具有能量、動量，表明光具有粒子性。光又具有波長、頻率，表明光具有波動性。比較：p=與ε=hν：Ｐ與ε是描述粒子性的，λ、ν是描述波動性的，h則是連接粒子和波動的橋梁
德布羅意波（物質波）
1924年，德布羅意(due de Broglie, 1892-1960)大膽地設想，對于光子的波粒二象性會不會也適用于實物粒子。
他提出：一切實物粒子都有具有波粒二象性。即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯系。能量E、動量為p的粒子與頻率為v、波長為的波相聯系：p=與ε=hν
1、德布羅意波
這種和實物粒子相聯系的波稱為德布羅意波(物質波或概率波),其波長稱為德布羅意波長。
2、一切實物粒子都有波動性。
大量實驗都證實了：質子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都具有波動性，并都滿足德布羅意關系。
一顆質量為0.01kg的子彈、速度為500m/s,其波長為1.3×10－34m
計算結果表明，子彈的波長小到實驗難以測量的程度，宏觀物體的物質波波長非常小，所以很難表現出其波動性。所以，宏觀物體只表現出粒子性。
只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動性根本測不出來。
（一）物質波的實驗驗證
1927年湯姆孫觀察了電子束透過多晶薄片的衍射現象.
1961年,C.約恩孫讓電子束通過單縫、多縫的衍射圖樣.
（一）量子力學的建立
量子力學的建立
情境探究
如圖甲,質子束被加速到接近光速;如圖乙,中子星是質量、密度非常大的星體。請思考:
(1)經典力學是否適用于質子束的運動規律 如何研究質子束的運動規律
(2)經典力學是否適用于中子星表面的物理規律 如何研究中子星表面的物理規律
在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學家的共同努力下,描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來,它被稱為量子力學。
（一）量子力學的應用
量子力學的應用
量子力學的創立是物理學歷史上的一次重要革命。它和相對論共同構成了20世紀以來物理學的基礎。
推動了核物理和粒子物理的發展。人們認識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質結構。而粒子物理學的發展又促進了天文學和宇宙學的研究。
推動了原子、分子物理和光學的發展。人們認識了原子的結構,以及原子、分子和電磁場相互作用的方式。
推動了固體物理的發展。人們了解了固體中電子運行的規律,并弄清了為什么固體有導體、絕緣體和半導體之分。利用半導體的獨特性質發明了晶體管等各類固態電子器件,并結合激光光刻技術制造了大規模集成電路,俗稱“芯片”。
量子力學的應用還有很多。毫不夸張地說，在過去的近一百年中，量子力學極大地推動了人類的進步。“一步一重天，百步上云端”，人類探索自然的步伐不會停息，量子力學必將在這個征途上繼續發揮巨大的基礎性作用。
【板書】
（一）板書
一、粒子的波動性
1、波粒二象性
2、物質波
二、物質波的實驗驗證
1、電子干涉現象
2、電子束衍射現象
三、量子力學的建立和應用
【課后反思】
（一）課后反思
量子力學的誕生是上世紀的物理界的一件大事，它并不是一個人努力的結果，而是群英薈萃的結果。在學習量子力學時，可能學生會感到困惑，為什么不像牛頓力學一樣就有具體的公式呢？其實量子力學也有公式的，只是比較多，也不是一個人的，如本節的物質波的兩個關系式。那么在講量子力學時就有必要講重新梳理本章書例出現過的科學家，已經他們的理論。讓學生有一個清晰的脈絡。最后介紹量子力學在生活中的應用。

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