高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立学案及答案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立学案及答案，共7页。学案主要包含了粒子的波动性，物质波的实验验证，量子力学的建立，量子力学的应用等内容，欢迎下载使用。

1.了解粒子的波动性，知道物质波的概念.
2.了解什么是德布罗意波，会解释有关现象.
3.了解量子力学的建立过程及其在具体物理系统中的应用．
一、粒子的波动性
1．德布罗意波：每一个运动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称为德布罗意波，也叫物质波．
2．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之间的关系：ν＝eq \f(ε,h)，λ＝eq \f(h,p).
3．对物质波的理解
(1)任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，这种波叫物质波，其波长λ＝eq \f(h,p).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)德布罗意假说是光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．
4．计算物质波波长的方法
(1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv.
(2)根据波长公式λ＝eq \f(h,p)求解．
(3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式．如光子的能量：ε＝hν，动量p＝eq \f(h,λ)；微观粒子的动能：Ek＝eq \f(1,2)mv2，动量p＝mv.
二、物质波的实验验证
1．实验探究思路：干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象．
2．实验验证：1927年戴维孙和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性．
3．说明
除了电子以外，人们陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝eq \f(ε,h)和λ＝eq \f(h,p)关系同样正确．
4．电子、质子、原子等粒子和光一样，也具有波粒二象性．
三、量子力学的建立
四、量子力学的应用
借助量子力学，人们深入认识了微观(填“宏观”或“微观”)世界的组成、结构和属性．
1．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(填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，又促进了天文学和宇宙学的研究．
2．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，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．
3．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．
一、单选题
1．下列说法中正确的是（ ）
A．光子不但具有能量，也具有动量，所以光子只具有粒子性
B．原子核结合能越大，原子核越稳定
C．半衰期不随地球环境的变化而改变
D．发生光电效应时，照射光强度越大，逸出的光电子的最大初动能越大
2．关于物质波下列说法中正确的是（ ）
A．实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是相同本质的物质
B．物质波是概率波，光波是电磁波而不是概率波
C．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
D．粒子的动量越小，其波动性越易观察
3．关于光的波动性与粒子性，下列说法正确的是( )
①大量光子的行为能明显地表现出波动性，而个别光子的行为往往表现出粒子性
②频率越低、波长越长的光子波动性明显，而频率越高波长越短光子的粒子性明显
③光在传播时往往表现出波动性，而光在与物质相互作用时往往显示粒子性
④据光子说，光子的能量是与频率成正比的，这说明了光的波动性与光的粒子性是统一的
A．①②B．①②③C．①④D．①②③④
4．下列说法中正确的是（ ）
A．黑体辐射强度与波长有关，温度升高，各种波长的辐射都有增加，且辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
B．光电效应揭示了光的粒子性，而康普顿效应则反映了光的波动性
C．电子和其他微观粒子，都具有波粒二象性
D．光波是一种概率波。光的波动性是由于光子之间的相互作用引起的，这是光子自身的固有性质
5．以下说法正确的是（ ）
A．微观粒子不能用“轨道”观点来描述粒子的运动，位置和动量不能同时精确测定，
B．微观粒子本身也蕴含波动性，波动波长
C．频率越高的电磁波波动性越强，单个光量子的能量越大
D．光的双缝干涉的亮条纹就是按照波动理论计算的加强区，是光子到达概率大的地方，这是光子间的相互作用的结果
6．为应对某些西方国家对我国的高端技术的打压，我们现在研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”，对芯片制造领域技术突破作出重大贡献，光刻所用光的波长越短，分辨率越高。下列关于光的认识正确的是（ ）
A．少量光子显示粒子性，大量光子只显示出光的波动性
B．光的波长越长，光子的能量越大
C．用某单色光照射金属能使其发生光电效应，产生的光电子的动能有大有小
D．电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时就一定能成为光电子
二、填空题
7．波长为0.02nm的X射线照射人体骨骼，如果该射线光子被骨骼吸收，则对应逸出电子的能量可估算为________eV（保留一位有效数字），若该射线光子被骨骼中的电子散射，则出射的X射线波长有所__________（填“增大”或“减小”）．（可利用数据：普朗克常量，其中真空中的光速，）
三、解答题
8．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长？（中子的质量为1.67×10-27 kg）
参考答案
1．C
【详解】
A．光子不仅具有粒子性，也具有波动性，即波粒二象性，A错误；
B．原子核的比结合能越大，原子核越稳定，B错误；
C．半衰期是放射性元素的固有属性，不随地球环境的变化而改变，C正确；
D．发生光电效应时，照射光频率越高，逸出的光电子的最大初动能越大，D错误。
故选C。
2．D
【详解】
AC．实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，但实物粒子与光子不是同一种物质，AC错误；
B．根据德布罗意的物质波理论，物质波和光波一样都是概率波，B错误；
D．根据德布罗意的物质波理公式
粒子的动量越小，波长越长，其波动性越明显，D正确。
故选D。
3．D
【详解】
①大量光子的行为能明显地表现出波动性，而个别光子的行为往往表现出粒子性，该说法正确；
②频率越低、波长越长的光子波动性明显，而频率越高波长越短光子的粒子性明显，该说法正确；
③光在传播时往往表现出波动性，而光在与物质相互作用时往往显示粒子性，该说法正确；
④据光子说，光子的能量是与频率成正比的，这说明了光的波动性与光的粒子性是统一的，该说法正确；
故选D。
4．C
【详解】
A．根据黑体辐射的规律可知，随温度的升高，相同波长的光辐射强度都会増加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故A错误；
B．光电效应和康普顿效应都揭示了光的粒子性，故B错误；
C．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，故电子和其他微观粒子，都具有波粒二象性，故C正确；
D．波粒二象性是光的根本属性，与光子之间的相互作用无关，故D错误；
故选C。
5．B
【详解】
A．微观粒子的动量和位置不能同时精确确定，这也就是决定不能用“轨道”观点来描述粒子的运动，但
故A错误；
B．微观粒子本身也蕴含波动性，波动波长为，故B正确；
C．频率越高的电磁波能量越大，但波动性越弱，故C错误；
D．在光的双缝干涉中减小光的强度，让光子通过双缝后，光子只能一个接一个地达到光屏，经过足够长时间，仍然发现相同干涉条纹，表明光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，故D错误；
故选B。
6．C
【详解】
A．无论是少量光子还是大量光子，都同时具有粒子性和波动性，故A错误；
B．由
可知，波长越长，光子的能量越小，故B错误；
C．在光电效应中，由于电子脱离金属所做的功不同，由
可知，产生的光电子的动能就有所不同，故C正确；
D．在光电效应中，电子吸收光子后从金属中逸出时，逸出功是电子脱离金属所做功的最小值，所以当电子吸收光子的能量与原有热运动能量之和大于该金属的逸出功时，不一定能成为光电子，故D错误。
故选C。
7． 增大
【详解】
[1]．X射线光子能量很大，可忽略逸出功，则对应逸出电子的能量为X射线光子的能量，所以
[2]．该射线光子被骨骼中的电子散射后，能量变小，由，可得波长增大．
8．4.0×10-10 m，6.63×10-35 m
【详解】
中子的动量为
p1=m1v
子弹的动量为
p2=m2v
据λ=知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为
λ1=，λ2=
将m1=1.67×10-27 kg，v=1×103 m/s，h=6.63×10-34 J·s，m2=1.0×10-2 kg代入上面两式可解得
λ1≈4.0×10-10 m，λ2=6.63×10-35 m