高中物理人教大纲版第三册 第二十一章 电子论初步 二光的波粒二象性第一课时Word文档格式.docx

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●教学方法

在学生阅读课文及《康普顿效应》材料的基础上对分立性和连续性、概率、光波是概率波等问题展开课堂讨论.由学生回答课本提出的问题，最后由教师归纳，统一认识.

●教学用具

CAI课件

●课时安排

1课时

●教学过程

一、引入课题

干涉和衍射现象说明了光具有波动性.而光电效应现象又无可辩驳地证明了光具有粒子性，这使人们感到困惑，光的面目究竟是什么样的？

我们好像很难在脑子里描绘出光既是粒子又是波的图景.所以这一节课我们将继续学习关于光是什么的课题——光的波粒二象性.（板书课题）

二、新课教学

（一）布置学生阅读课本.同时思考课本中的“思考与讨论”及练习二的

（1）、

（2）、（3）［用时15′］

（二）课堂讨论

1.分立与连续是相对的

［教师］谁能仿照课本的例子举例说明分立性与连续性是相对的.

［学生相互讨论］

［学生甲］在地上撒一把米，这些米看起来是分立的，如果直接倒几筐米组成米堆时，测一堆米的体积可以认为它是连续的.

［学生乙］下雨天，一开始是雨点，是分立的，下大了以后，就变成了连续的了.

［教师］说的非常好，记得我们学习气体的压强时打过这个比方.雨下大了以后在伞上将产生持续的或者说是连续的压力，对不对？

［学生］对.

［教师］还有吗？

［学生丙］课本的实验，当曝光量很少时，在胶片上是一个一个的点，这时光看起来是分立的.曝光量多的时候就变成亮带了，这时又是连续的.

［教师］说的太好了，你分析的很到位.也就是当通过狭缝的光很少时，这时它们就像撒在地上的一把米粒，表现出什么性质？

［学生齐答］粒子性.

［教师］当曝光量很大时表现出…

［学生齐］波动性.

［教师归纳］少量光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性.

2.概率概念

［教师］我们现在来讨论概率的意义，概率表征某一事物出现的可能性.让我们来看看课本的思考题，你们能否举例说明有些事件个别出现时看不出什么规律，而大量出现时则显示出一定的规律性？

［学生热烈讨论，有的则在思考，用时2分钟］

［教师］有想发言的吗？

［学生想不出事例］

［教师启发］课本介绍了在热学一章研究过的伽尔顿板，还记得当时是为分析什么问题？

［学生甲］好像是分子热运动的速率.

［教师］对.我们知道，温度升高时，不一定每个分子运动的速率都增加，但多数分子的速率在某一个值附近.随着温度的升高这一值会向速率大的方向移动，如图21—4也就是说，个别分子的运动是完全无规律的，但对大量分子所做的统计分析却表现出一种规律——即概率规律.

图21—4

［教师］有没有在街上看到过一种小的赌博用的像伽尔顿板的东西？

你用弹簧把玻璃球弹出.球在钉子间运动最后落在哪一个洞里就得到相应的奖品？

［有的学生兴趣盎然地说看过，有人说试过］

［教师］明白吗？

那也是利用了概率的原理，贵一点的奖品总是在球进去概率比较小的那一格.虽然有个别人会拿到，但对大多数人来说，却只能是赔钱的，轮盘赌也是一样.

［学生乙］买彩票也是一样.

［教师］对了，所以我们说勤劳致富的概率才是最大的，像上面说的都是可遇不可求的东西.［学生笑］

［教师］回到我们课本的实验上来，当曝光量很大时，实验就得到了丁图，那些亮条纹就是光子到达概率多的地方，理解了吗？

［学生］理解了.

3.光波是概率波

［教师］让我们首先来想这个问题，光波和机械波有什么不同？

［学生甲］机械波在介质中传播，光波可以在真空中传播.不需要介质.

［教师］对.比如绳波在绳中传播，是靠一部分对另一部分的作用来使振动传播开去的.但是我们能不能这样设想.相邻的光子之间也有一种相互作用从而形成光波呢？

［学生乙］课本已有实验证明了不是这个原因.当每次只让一个光子通过狭缝时，仍然会出现相同的实验结果.

［教师］你对课本领会的很好.那么光波确实是和机械波不同了，但是非常奇妙的是，在光的干涉中那些出现明条纹的地方和利用机械波的干涉公式计算的结果刚好又是相符的，即光子在空间各点出现的可能性的大小，可以用波的规律来描述.从这个意义上来说，我们说光是一种波.但光波的干涉图景实际上并非是水波那样波峰和波峰叠加、波峰和波谷叠加的图景.明条纹只是光子到达概率大的地方.尽管这些人觉得不可思议，但这是实验事实，我们必须接受.

4.归纳光具有波动性也具有粒子性，但它既不是宏观观念的波，也不是宏观观念中的粒子.

（三）课堂巩固训练

分别让学生简述练习二的

（1）

（2）（3）题［过程略］

（四）知识拓展

为了让学生更好地体会光的本质，提供一份光的本性认识发展简史让学生阅读：

光的本性认识史

一部光学说的发展史，就是人类认识光本性的认识史.让我们再次作一个简略的回顾，肯定比第一课有更深刻的理解.

光的干涉、衍射有力地证明光是一种波.但它是一种什么性质的波呢？

两种不同的光波理论

1.惠更斯的波动说——把光看作是某种在介质中传播的波.这是一种典型的机械波观念，需借助介质，且波是连续的.

2.麦克斯韦的电磁说——把光波看作是一种电磁波

两种观点的争论焦点是：

光波传播是否需要介质？

（1）寻找这种介质“以太”的彻底失败（本来无一物，何来自寻烦）.

（2）电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传播.（3）但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？

麦克斯韦的电磁场理论证明了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系.赫兹又从实验得到了证实，光的行为与电磁波的行为一致.从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波.它揭露出光现象的电磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系的认识.光的电磁说是对光的波动说的扬弃，保留了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成分.

光电效应现象对光的电磁说提出了严重的挑战，使我们不得不再回到微粒说方面来.

3.牛顿的微粒说——把光看作沿直线传播的粒子流.它带有明显的机械运动的痕迹，也无法解释光的干涉、衍射这些现象.但这个学说中仍含有其合理的成分，这就是光的粒子性.

4.爱因斯坦抛弃了牛顿微粒说中机械运动的成分，吸收了（对方——波动说）电磁辐射量子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、发展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了光的粒子性的权威.但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量，就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作出“科学的”预测，它的行为不服从牛顿经典力学.光子说使光的粒子性有了新的内容.

5.在对光本性的认识过程中，惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、相互对立的.后来发展成为光的电磁说和光子说.人们发现，这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成分，无法划清界线，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理.光学说发展到此，已无法逃避辩证的综合.中国有句古话，叫做两极相通.人们终于明白，光的波动性的粒子性，不过是光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性.它排除了非此即彼的形而上学观念（这正是形式逻辑的重大特征！

），建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下承认非此即彼，在另一条件下又承认亦此亦彼.对光来说，一定条件下（大量光子、传播过程、低频率光）波动性上升为矛盾主要方面，则波动性显著；

而在另一条件下（个别光子、光与物质作用、同频率光子）粒子性上升为矛盾主要方面，则粒子性显著.所谓彼一时也，此一时也，在微观世界里也存在着.在宏观物体来说不可思议的波粒二象性，在微观世界里却是真实的图景.矛盾啊！

然而是事实.只有辩证思维才可以把握.恩格斯曾经指出：

“常识在它自己的日常活动范围内是极可尊敬的东西，但它一跨入广阔的研究领域，就会遇到惊人的变故.形而上学的思维方式，虽然在相当广泛、各依对象的性质而大小不同的领域是正当的，甚至是必要的，可是它每一次迟早都要达到一个界限，一超过这个界限，它就要变成片面的、狭隘的，并且陷入不可解决的矛盾，…（《反杜林论》P19）

一切都依时间、地点、条件为转移，所以要对具体问题作具体分析，才能准确把握对象的情况，作出正确的认识.

6.

（1）光子说并没有否定电磁说.光子有能量E=hν=hc/λ，光子有动量p=hν/c=h/λ，E、p是粒子特征，ν、λ是波的特征.它们共同揭示了光的波粒二象性，在这两个公式中，光的波粒二象性被很好地统一起来.彼此含有对方的成分，无法分开.

（2）课文P251介绍了一个光的波粒二象性怎样统一起来的绝妙实验，从中得出个别光子的行为粒子性显著，大量光子的行为波动性显著.可见，对于宏观物体来说不可想象的波粒二象性，在微观世界中却是不可避免的事实.这里只有一个质的差别：

不能把光波看作宏观力学中的介质波、连续波，也不能把光子当作宏观世界中的实物粒子、质点.随着研究对象的不同，我们的观念、方法也要变，宏观现象和微观现象的研究方法、理解方式是很不相同的.

总之，要理解多种频率的电磁波（或者说各种频率的光子），就必须综合运用波动观点和粒子观点，这是由于二者是光不可分割的的属性，即波粒二象性.至此，我们终于认识到微观世界具有的特殊规律.

三、小结

1.光波有一定的频率和波长.光子有一定的能量和动量，是矛盾对立的统一体，彼此含有对方的成分（E=hν=h）

2.光在传播过程中波动性显著，在与物质作用时粒子性表现显著；

大量光子的效果显示出波动性，个别光子的效果则显示出粒子性；

频率越低的光，波动性越显著，频率越高的光，粒子性越显著.

四、布置作业：

阅读课本该节内容

五、板书设计

六、本节优化训练设计

1.下列说法不正确的是

A.光是一种电磁波

B.光是一种概率波

C.光子相当于高速运动的质点

D.光的直线传播只是宏观近似规律

2.下列说法中正确的是

A.有的光是波，有的光是粒子

B.光子与电子是同样一种粒子

C.光的波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成是微观概念的粒子

D.光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著

3.下列关于光具有波粒二象性的叙述中，正确的是

A.光的波粒二象性学说是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说而得出的

B.光既具有波动性又具有粒子性，二者是统一的

C.大量光子产生的效果往往显示出波动性

D.光的频率越高时波动性越明显

4.在下列现象中，说明光具有波动性的是

A.光的直线传播

B.光的衍射

C.光的干涉

D.光电效应

5.如图21—5所示，从烛焰P发出的光，穿过圆孔A射到屏M上，烛焰长比P到A的距离小得多，当A孔直径较大时，在屏M上将看到了一个亮圆斑，慢慢减小A孔的直径，直至约0.2mm，在这过程中，屏上将依次看到的典型物理现象是________；

继续减小A孔直径，使A孔缩小到只能使光子一个个地通过，放置照相底片.在曝光时间较短的条件下，照片上的景像应是________；

若曝光时间足够大，照片上的景象应是________.

图21—5

参考答案：

1.C2.D3.BC4.BC5.烛焰的倒立的像，衍射条纹；

不规则分布的点子；

明暗相间的干涉条纹

2019-2020年高中物理（人教大纲版）第二册第十五章磁场六、回旋加速器（第一课时）

回旋加速器是用来使带电粒子加速的仪器，它的内部存在着互相垂直的两个场——交变电场（电势差为U）和匀强磁场（磁感应强度为B），交变电场用来使带电粒子加速，而匀强磁场只用来使带电粒子旋转，回旋加速器的名称即由此而来.它的优点在于能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速.回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒，这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半，两个D形盒之间留一个狭缝，在中心附近放有粒子源，交变电场就加在两个D形盒之间的狭缝处，而匀强磁场则垂直于D形盒的底面.为了保证粒子在匀强磁场中每转半圈都正好赶上适合的电场方向而被加速，要求高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动周期相同，当然这其中忽略了带电粒子被加速所需的时间.根据它的工作原理，回旋加速器一次可以同时加速一束同种带电粒子，加速后这束带电粒子的能量都相同.

但是，回旋加速器也有不利的一面，因为粒子在能量很高的情况下，它运动的速度接近光速，按照爱因斯坦的狭义相对论，这时粒子的质量也将发生变化，从而影响粒子在磁场中回旋一周所用的时间，使得交变电场的频率与带电粒子运动的频率不再一致，这也就破坏了加速器的工作条件.因此要进一步提高粒子的能量就必须采用其他的加速方法，希望学生掌握好现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器.

1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理.

2.知道加速器的基本用途.

通过回旋加速器的教学，培养学生运用物理知识分析和解决实际问题的能力.

1.通过介绍两种加速器的利和弊，培养学生用辩证的思想认识事物.

2.回旋加速器是一种高科技的实验设备，通过该问题的学习，培养学生的学习兴趣，开阔学生的视野.

回旋加速器的工作原理.

回旋加速器的加速条件.

对比法、电教法、探究法

实物投影仪、投影片

1课时

一、引入新课

［师］在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律.怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢？

这就要用到一种叫加速器的实验设备.同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏.

［生］加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？

［师］这就是今天我们要学习的课题.让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧！

1.直线性加速器

［师］先请同学们思考：

用什么方法可以加速带电粒子？

［生］可以利用电场来加速.

［师］投影出示图，根据图示条件，带电粒子被加速后获得了多少能量？

［生］根据动能定理带电粒子获得的动能Ek=mv2=qU.

［师］回答正确.由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法？

［生］带电粒子一定，即q、m一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差.

［师］但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏.我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢？

［生甲］我想是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们.

［师］根据学生回答，投影出示图.大家认为这种设想有道理吗？

［生乙］我认为有道理.这样一来，每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到Ek=nqU,只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量.

［师］说得对.采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗？

［生丙］这个方案不可能获得高能量的带电粒子！

［师］你发现什么问题了吗？

［生丙］从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用.

［师］丙同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢？

［生］…

［师］（进一步启发）请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？

［生］采用静电屏蔽.

［师］对.我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示.这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响.

［师］再让我们讨论一下电源.为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压，将左上图改画成右上图所示.如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A正B负，你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗？

［生］不可能.因为按这样的极性，带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽.

［师］说得很对.我们有什么方法可解决这个矛盾呢？

［生］如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了.

［师］好主意！

你能对照右上图具体说明一下这“及时”的含义吗？

［生］设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速.同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性…

［师］分析正确.可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；

并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在.那么，如何做到这一点呢？

如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗？

［生甲］不能满足.因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它每次穿越的时间就会越来越短.如要保证同步，电源频率应该越来越高才行.

［师］谁还有不同的见解呢？

［生乙］我认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了.

［师］甲、乙两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件.在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案.很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度.那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢？

这个问题稍微复杂一点，有兴趣的同学在课后可以继续讨论.通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出了一台加速器的雏形了，这样的加速器我们把它称之什么加速器呢？

［生］直线加速器.

［师］北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长200多米的直线加速器.这类加速器固然有其优点，但它的设备一字儿排开，往往很长.于是，我们自然会想到：

能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢？

［生］展开激烈的讨论.

［师］如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还能再次返回，那就好了.用什么方法才能使粒子自动返回呢？

［生］外加磁场！

利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速.

［师］好，这的确是个巧妙的设想.这也正是我们要讨论的第二种加速器——回旋加速器.

2.回旋加速器

［师］投影出示图，如左下图所示.设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率v0垂直进入匀强磁场中.如果它在电场和磁场的协同配合下，不断地得到加速，你能大致画出粒子的运动轨迹吗？

请每位同学都动手试试.

［生］作图.

［师］巡回指导，并请一位同学把画出的轨迹投影在屏幕上，如右上图所示.

［师］同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了.请同学们思考以下几个问题：

［问题1］从画出的轨迹看，是一条半径越来越大的许多半圆连成的曲线，这是什么缘故？

［生］根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r=，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此半径也相应增大.

［问题2］为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？

［生］要采用交变电源，且必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步.具体地说，正粒子以速度v0进入磁场，当它运动半周后到达A1时，电源极性应是“A正A′负”，粒子被电场加速，速度从v0增加到v1.然后粒子继续在磁场中运动半周，当它到达A2′时，电源极性又及时地变为“A负A′正”，使粒子再次加速，速率从v1增加到v2…

［师］回答正确.从刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确，同时它们又配合默契：

电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件.

［问题3］随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？

［生］不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T=，与运动速率无关.

［师］说得对.对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的.有了这一条，我们就可免去随时调整电源频率以求同步的麻烦，为回旋加速提供了极大的便利.早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了回旋加速器，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理学奖.

［问题4］观察挂图，回旋加速器主要由哪几部分构成？

［生］D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等.

［问题5］两个空心的D形金属盒是它的核心部分，同学们能说出它的作用吗？

［生甲］这两个D形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场.

［师］谁还有补充吗？

［生乙］它还起到静电屏蔽的作用，使带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动.

［问题6］两个D形盒之间的缝宽些行不行？

［生］如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略.而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也随之变化，这就破坏了同步条件.如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦.

［师］说得很对.看来同学们对回旋加速器的原理和结构已有一定的了解.

［问题7］带电粒子的最高能量与哪些因素有关？

［生甲］与加速电场的电压有关.由公式Ek=qU可知，电压值大了，粒子获得的能量也大.

［生乙］与D形盒的半径有关.D形盒的半径越大，粒子回旋加速的次数就越多，粒子具有的能量也越大.

［生丙］与磁场的磁感应强度有关.根据公式R=可知，B值越大，粒子回旋半径越小，回旋加速的次数就越多，从而获得更大的能量.

［师］同学们能发表不同的见解，这很好.究竟谁是谁非呢？

在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带电粒子能达到的最大速率为vm=，则相应的最高能量为Em=mvm2=.这就告诉我们，对于给定的带电粒子来说，它所能获得的最高能量与D形电极半径的平方成正比，与磁感应强度的平方成正比，而与加速电压无直接关系.

讲到这里，