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2019-2020年高中物理（人教大綱版）第三冊 第二十一章 電子論初步 二、光的波粒二象性(第一課時) ●本節(jié)教材分析 與過去的教材相比，新教材無論是從內(nèi)容編寫還是練習(xí)的設(shè)置上顯然都更加重視對光的本性認(rèn)識的總體方法、宏觀思想如連續(xù)性與分立性思想、概率思想；尊重實(shí)驗(yàn)，打破日常經(jīng)驗(yàn)思想的滲透.即不僅讓學(xué)生知道光具有波粒二象性，同時要通過實(shí)驗(yàn)和舉例讓學(xué)生深刻領(lǐng)會光波不是宏觀觀念中的水波、繩波等機(jī)械波模型，而是一種幾率波.要讓學(xué)生認(rèn)識實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn).人的直接經(jīng)驗(yàn)十分有限，在這種情況下我們就要設(shè)想一種模型，盡管以日常經(jīng)驗(yàn)來衡量，這個模型的行為十分古怪，但是只要能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，它就能夠在一定范圍內(nèi)正確代表所研究的對象. ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識目標(biāo) 1.了解事物的連續(xù)性與分立性是相對的. 2.了解光既具有波動性，又具有粒子性. 3.了解光是一種概率波. 二、能力目標(biāo) 1.能自己舉出實(shí)例理解連續(xù)性與分立性是相對的. 2.能通過日常和實(shí)驗(yàn)事例理解概率的意義. 3.能領(lǐng)會課本的實(shí)驗(yàn)意義. 三、德育目標(biāo) 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn)；體會我們惟有敢于打破舊的傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)才能有所創(chuàng)新、有所發(fā)現(xiàn). ●教學(xué)重點(diǎn) 1.光具有波粒二象性. 2.光是一種概率波. ●教學(xué)難點(diǎn) 1.概率概念. 2.光波是概率波. ●教學(xué)方法 在學(xué)生閱讀課文及《康普頓效應(yīng)》材料的基礎(chǔ)上對分立性和連續(xù)性、概率、光波是概率波等問題展開課堂討論.由學(xué)生回答課本提出的問題，最后由教師歸納，統(tǒng)一認(rèn)識. ●教學(xué)用具 CAI課件 ●課時安排 1 課時 ●教學(xué)過程 一、引入課題 干涉和衍射現(xiàn)象說明了光具有波動性.而光電效應(yīng)現(xiàn)象又無可辯駁地證明了光具有粒子性，這使人們感到困惑，光的面目究竟是什么樣的？我們好像很難在腦子里描繪出光既是粒子又是波的圖景.所以這一節(jié)課我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)關(guān)于光是什么的課題——光的波粒二象性.（板書課題） 二、新課教學(xué) （一）布置學(xué)生閱讀課本.同時思考課本中的“思考與討論”及練習(xí)二的（1）、（2）、（3）［用時15′］ （二）課堂討論 1.分立與連續(xù)是相對的 ［教師］誰能仿照課本的例子舉例說明分立性與連續(xù)性是相對的. ［學(xué)生相互討論］ ［學(xué)生甲］在地上撒一把米，這些米看起來是分立的，如果直接倒幾筐米組成米堆時，測一堆米的體積可以認(rèn)為它是連續(xù)的. ［學(xué)生乙］下雨天，一開始是雨點(diǎn)，是分立的，下大了以后，就變成了連續(xù)的了. ［教師］說的非常好，記得我們學(xué)習(xí)氣體的壓強(qiáng)時打過這個比方.雨下大了以后在傘上將產(chǎn)生持續(xù)的或者說是連續(xù)的壓力，對不對？ ［學(xué)生］對. ［教師］還有嗎？ ［學(xué)生丙］課本的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)曝光量很少時，在膠片上是一個一個的點(diǎn)，這時光看起來是分立的.曝光量多的時候就變成亮帶了，這時又是連續(xù)的. ［教師］說的太好了，你分析的很到位.也就是當(dāng)通過狹縫的光很少時，這時它們就像撒在地上的一把米粒，表現(xiàn)出什么性質(zhì)？ ［學(xué)生齊答］粒子性. ［教師］當(dāng)曝光量很大時表現(xiàn)出… ［學(xué)生齊］波動性. ［教師歸納］少量光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性. 2.概率概念 ［教師］我們現(xiàn)在來討論概率的意義，概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性.讓我們來看看課本的思考題，你們能否舉例說明有些事件個別出現(xiàn)時看不出什么規(guī)律，而大量出現(xiàn)時則顯示出一定的規(guī)律性？ ［學(xué)生熱烈討論，有的則在思考，用時2分鐘］ ［教師］有想發(fā)言的嗎？［學(xué)生想不出事例］ ［教師啟發(fā)］課本介紹了在熱學(xué)一章研究過的伽爾頓板，還記得當(dāng)時是為分析什么問題？ ［學(xué)生甲］好像是分子熱運(yùn)動的速率. ［教師］對.我們知道，溫度升高時，不一定每個分子運(yùn)動的速率都增加，但多數(shù)分子的速率在某一個值附近.隨著溫度的升高這一值會向速率大的方向移動，如圖21—4也就是說，個別分子的運(yùn)動是完全無規(guī)律的，但對大量分子所做的統(tǒng)計分析卻表現(xiàn)出一種規(guī)律——即概率規(guī)律. 圖21—4 ［教師］有沒有在街上看到過一種小的賭博用的像伽爾頓板的東西？你用彈簧把玻璃球彈出.球在釘子間運(yùn)動最后落在哪一個洞里就得到相應(yīng)的獎品？ ［有的學(xué)生興趣盎然地說看過，有人說試過］ ［教師］明白嗎？那也是利用了概率的原理，貴一點(diǎn)的獎品總是在球進(jìn)去概率比較小的那一格.雖然有個別人會拿到，但對大多數(shù)人來說，卻只能是賠錢的，輪盤賭也是一樣. ［學(xué)生乙］買彩票也是一樣. ［教師］對了，所以我們說勤勞致富的概率才是最大的，像上面說的都是可遇不可求的東西.［學(xué)生笑］ ［教師］回到我們課本的實(shí)驗(yàn)上來，當(dāng)曝光量很大時，實(shí)驗(yàn)就得到了丁圖，那些亮條紋就是光子到達(dá)概率多的地方，理解了嗎？ ［學(xué)生］理解了. 3.光波是概率波 ［教師］讓我們首先來想這個問題，光波和機(jī)械波有什么不同？ ［學(xué)生甲］機(jī)械波在介質(zhì)中傳播，光波可以在真空中傳播.不需要介質(zhì). ［教師］對.比如繩波在繩中傳播，是靠一部分對另一部分的作用來使振動傳播開去的.但是我們能不能這樣設(shè)想.相鄰的光子之間也有一種相互作用從而形成光波呢？ ［學(xué)生乙］課本已有實(shí)驗(yàn)證明了不是這個原因.當(dāng)每次只讓一個光子通過狹縫時，仍然會出現(xiàn)相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. ［教師］你對課本領(lǐng)會的很好.那么光波確實(shí)是和機(jī)械波不同了，但是非常奇妙的是，在光的干涉中那些出現(xiàn)明條紋的地方和利用機(jī)械波的干涉公式計算的結(jié)果剛好又是相符的，即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小，可以用波的規(guī)律來描述.從這個意義上來說，我們說光是一種波.但光波的干涉圖景實(shí)際上并非是水波那樣波峰和波峰疊加、波峰和波谷疊加的圖景.明條紋只是光子到達(dá)概率大的地方.盡管這些人覺得不可思議，但這是實(shí)驗(yàn)事實(shí)，我們必須接受. 4.歸納光具有波動性也具有粒子性，但它既不是宏觀觀念的波，也不是宏觀觀念中的粒子. （三）課堂鞏固訓(xùn)練 分別讓學(xué)生簡述練習(xí)二的（1）（2）（3）題［過程略］ （四）知識拓展 為了讓學(xué)生更好地體會光的本質(zhì)，提供一份光的本性認(rèn)識發(fā)展簡史讓學(xué)生閱讀： 光的本性認(rèn)識史 一部光學(xué)說的發(fā)展史，就是人類認(rèn)識光本性的認(rèn)識史.讓我們再次作一個簡略的回顧，肯定比第一課有更深刻的理解. 光的干涉、衍射有力地證明光是一種波.但它是一種什么性質(zhì)的波呢？ 兩種不同的光波理論 1.惠更斯的波動說——把光看作是某種在介質(zhì)中傳播的波.這是一種典型的機(jī)械波觀念，需借助介質(zhì)，且波是連續(xù)的. 2.麥克斯韋的電磁說——把光波看作是一種電磁波 兩種觀點(diǎn)的爭論焦點(diǎn)是：光波傳播是否需要介質(zhì)？（1）尋找這種介質(zhì)“以太”的徹底失?。ū緛頍o一物，何來自尋煩）.（2）電磁波本身就是物質(zhì)，自身攜帶能量，無須借助介質(zhì)傳播.（3）但還有另一個主要問題還未解決，光波是否就是電磁波？麥克斯韋的電磁場理論證明了電磁場的速度等于光速，并由此看到了兩者間的聯(lián)系.赫茲又從實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)，光的行為與電磁波的行為一致.從而在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了光確實(shí)是一種電磁波.它揭露出光現(xiàn)象的電磁本質(zhì)，把光、電、磁統(tǒng)一起來，加深了我們對物質(zhì)世界的聯(lián)系的認(rèn)識.光的電磁說是對光的波動說的揚(yáng)棄，保留了波的特質(zhì)，拋棄了它機(jī)械振動、傳播連續(xù)的成分. 光電效應(yīng)現(xiàn)象對光的電磁說提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，使我們不得不再回到微粒說方面來. 3.牛頓的微粒說——把光看作沿直線傳播的粒子流.它帶有明顯的機(jī)械運(yùn)動的痕跡，也無法解釋光的干涉、衍射這些現(xiàn)象.但這個學(xué)說中仍含有其合理的成分，這就是光的粒子性. 4.愛因斯坦拋棄了牛頓微粒說中機(jī)械運(yùn)動的成分，吸收了（對方——波動說）電磁輻射量子化的研究成果，把電磁輻射量子化轉(zhuǎn)變、發(fā)展成為光行為的量子化，即光子說，重新恢復(fù)了光的粒子性的權(quán)威.但是，光子的物質(zhì)性、不連續(xù)性并非牛頓微粒說意義下的實(shí)物粒子，光子沒有靜止質(zhì)量，就個別光子而言，它與宏觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動不同，沒有一定的軌道，因而無法對個別光子的行為作出“科學(xué)的”預(yù)測，它的行為不服從牛頓經(jīng)典力學(xué).光子說使光的粒子性有了新的內(nèi)容. 5.在對光本性的認(rèn)識過程中，惠更斯的波動說和牛頓的微粒說是相互排斥、相互對立的.后來發(fā)展成為光的電磁說和光子說.人們發(fā)現(xiàn)，這兩種相互對立的學(xué)說彼此都含有對方的成分，無法劃清界線，更無法絕對獨(dú)立，誰都不能說自己就是客觀真理.光學(xué)說發(fā)展到此，已無法逃避辯證的綜合.中國有句古話，叫做兩極相通.人們終于明白，光的波動性的粒子性，不過是光這一客觀事物矛盾對立的兩個方面，它們共存于光這個統(tǒng)一體中，是矛盾的對立統(tǒng)一，彼此以對方存在為前提，這就是光的波粒二象性.它排除了非此即彼的形而上學(xué)觀念（這正是形式邏輯的重大特征?。?，建立了亦此亦彼的辯證觀念，即在一定條件下承認(rèn)非此即彼，在另一條件下又承認(rèn)亦此亦彼.對光來說，一定條件下（大量光子、傳播過程、低頻率光）波動性上升為矛盾主要方面，則波動性顯著；而在另一條件下（個別光子、光與物質(zhì)作用、同頻率光子）粒子性上升為矛盾主要方面，則粒子性顯著.所謂彼一時也，此一時也，在微觀世界里也存在著.在宏觀物體來說不可思議的波粒二象性，在微觀世界里卻是真實(shí)的圖景.矛盾?。∪欢鞘聦?shí).只有辯證思維才可以把握.恩格斯曾經(jīng)指出：“常識在它自己的日?；顒臃秶鷥?nèi)是極可尊敬的東西，但它一跨入廣闊的研究領(lǐng)域，就會遇到驚人的變故.形而上學(xué)的思維方式，雖然在相當(dāng)廣泛、各依對象的性質(zhì)而大小不同的領(lǐng)域是正當(dāng)?shù)模踔潦潜匾?，可是它每一次遲早都要達(dá)到一個界限，一超過這個界限，它就要變成片面的、狹隘的，并且陷入不可解決的矛盾，…（《反杜林論》P19) 一切都依時間、地點(diǎn)、條件為轉(zhuǎn)移，所以要對具體問題作具體分析，才能準(zhǔn)確把握對象的情況，作出正確的認(rèn)識. 6.（1）光子說并沒有否定電磁說.光子有能量E=hν=hc/λ，光子有動量p=hν/c=h/λ，E、p是粒子特征，ν、λ是波的特征.它們共同揭示了光的波粒二象性，在這兩個公式中，光的波粒二象性被很好地統(tǒng)一起來.彼此含有對方的成分，無法分開. （2）課文P251介紹了一個光的波粒二象性怎樣統(tǒng)一起來的絕妙實(shí)驗(yàn)，從中得出個別光子的行為粒子性顯著，大量光子的行為波動性顯著.可見，對于宏觀物體來說不可想象的波粒二象性，在微觀世界中卻是不可避免的事實(shí).這里只有一個質(zhì)的差別：不能把光波看作宏觀力學(xué)中的介質(zhì)波、連續(xù)波，也不能把光子當(dāng)作宏觀世界中的實(shí)物粒子、質(zhì)點(diǎn).隨著研究對象的不同，我們的觀念、方法也要變，宏觀現(xiàn)象和微觀現(xiàn)象的研究方法、理解方式是很不相同的. 總之，要理解多種頻率的電磁波（或者說各種頻率的光子），就必須綜合運(yùn)用波動觀點(diǎn)和粒子觀點(diǎn)，這是由于二者是光不可分割的的屬性，即波粒二象性.至此，我們終于認(rèn)識到微觀世界具有的特殊規(guī)律. 三、小結(jié) 1.光波有一定的頻率和波長.光子有一定的能量和動量，是矛盾對立的統(tǒng)一體，彼此含有對方的成分（ E=hν=h) 2.光在傳播過程中波動性顯著，在與物質(zhì)作用時粒子性表現(xiàn)顯著；大量光子的效果顯示出波動性，個別光子的效果則顯示出粒子性；頻率越低的光，波動性越顯著，頻率越高的光，粒子性越顯著. 四、布置作業(yè)： 閱讀課本該節(jié)內(nèi)容 五、板書設(shè)計 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計 1.下列說法不正確的是 A.光是一種電磁波 B.光是一種概率波 C.光子相當(dāng)于高速運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn) D.光的直線傳播只是宏觀近似規(guī)律 2.下列說法中正確的是 A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子與電子是同樣一種粒子 C.光的波粒二象性是指既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成是微觀概念的粒子 D.光的波長越長，其波動性越顯著，波長越短，其粒子性越顯著 3.下列關(guān)于光具有波粒二象性的敘述中，正確的是 A.光的波粒二象性學(xué)說是綜合了牛頓的微粒說和惠更斯的波動說而得出的 B.光既具有波動性又具有粒子性，二者是統(tǒng)一的 C.大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性 D.光的頻率越高時波動性越明顯 4.在下列現(xiàn)象中，說明光具有波動性的是 A.光的直線傳播 B.光的衍射 C.光的干涉 D.光電效應(yīng) 5.如圖21—5所示，從燭焰P發(fā)出的光，穿過圓孔A射到屏M上，燭焰長比P到A的距離小得多，當(dāng)A孔直徑較大時，在屏M上將看到了一個亮圓斑，慢慢減小A孔的直徑，直至約0.2 mm，在這過程中，屏上將依次看到的典型物理現(xiàn)象是________；繼續(xù)減小A孔直徑，使A孔縮小到只能使光子一個個地通過，放置照相底片.在曝光時間較短的條件下，照片上的景像應(yīng)是________；若曝光時間足夠大，照片上的景象應(yīng)是________. 圖21—5 參考答案：1.C 2.D 3.BC 4.BC 5.燭焰的倒立的像，衍射條紋；不規(guī)則分布的點(diǎn)子；明暗相間的干涉條紋