4.5 粒子的波动性和量子理论的建立 教学设计 高中物理人教版（2019）选择性必修第三册

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教 学 设 计课题：粒子的波动性和量子理论的建立一、核心素养教学目标及深度学习教学策略1.教学目标：物理观念：知道德布罗意波的波长和粒子动量关系（G2），了解量子力学的建立过程（G1）。科学思维：知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性，通过实验现象比较分析实物粒子的运动特性，逐步验证德布罗意波的观点（S2、S3）。科学探究：了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性(T2)科学态度与责任：了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正(Z1)。通过相关理论的实验验证，逐步形成严谨求实的科学态度（Z2）。通过了解电子衍射实验，了解创造条件来进行有关物理实验的方法。2.教学重点：实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。3．针对教学难点，深度学习教学策略教学难点：实物粒子的波动性的理解。学生比较一个中学生在跑百米时与电子运动时的德布罗意波长，通过策略A活动与体验，体会宏观与微观物质德布罗意波的差别。以德布罗意论文中所提的观点，通过策略D迁移与创造，推动学生提出问题、寻找证据并进行解释。教学过程(表格描述)教学环节主要教学活动设置意图新课导入环节一：新课导入复习导入：光的波粒二象性结合之前学习的光的干涉、衍射、偏振证明光是一种波;光电效应、康普顿效应等证明光是一种粒子，即光具有波粒二象性;提问：实物粒子是否具有光相同的性质?引出本节课课题：：粒子的波动性和量子力学的建立。了解物理学历史的发展过程，引入波粒二象性的概念粒子的波动性德布罗意（De·Broglie），法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1924年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。一个质量为m的实物粒子以速率ʋ 运动时，即具有以能量ε和动量 p所描述的粒子性，同时也具有以频率v 和波长 λ所描述的波动性。例题1：试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波长。解：一个中学生的质量大约为m ≈ 50 kg，百米跑时的速度约为 ʋ ≈7m/s，由德布罗意关系可得：例题2：某电子动能εk=100eV，求它对应的德布罗意波长10的负10次方米这个数量级，和宏观物体人跑步对应的德布罗意波长为10的负36次方米相比，可就大了很多。了解德布罗意假说如何验证德布罗意的观点由于德布罗意这篇名为《波和粒子》论文中，所提的物质波这个观点的独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？ 请同学们进行大胆的猜想和假设：如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性，体会科学家以实验为基础的科学探究方法。物质波的实验验证五、量子力学的建建立六、量子力学的应用1927年，戴维森用单晶晶体完成电子束衍射实验，验证电子具有波动性。1927年，G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）用多晶晶体完成电子束衍射实验。与戴维森共获1937年诺贝尔物理学奖。1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。他们建立的理论被称为矩阵力学。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程，使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。 1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。 随后数年，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，它被称为量子力学。1927年第五届索尔维会议参加者合影1.借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性2.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展3.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 4.量子力学推动了固体物理的发展了解电子衍射、干涉的实验，领会理论与实验验证的关系。知道汤姆孙父子两代的成就。介绍量子力学的建立过程介绍量子力学现阶段的技术应用七、课堂小结总结本节课的主要内容