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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，新教材無論是從內容編寫還是練習的設置上顯然都更加重視對光的本性認識的總體方法、宏觀思想如連續(xù)性與分立性思想、概率思想；尊重實驗，打破日常經(jīng)驗思想的滲透.即不僅讓學生知道光具有波粒二象性，同時要通過實驗和舉例讓學生深刻領會光波不是宏觀觀念中的水波、繩波等機械波模型，而是一種幾率波.要讓學生認識實驗是檢驗真理的惟一標準.人的直接經(jīng)驗十分有限，在這種情況下我們就要設想一種模型，盡管以日常經(jīng)驗來衡量，這個模型的行為十分古怪，但是只要能與實驗結果一致，它就能夠在一定范圍內正確代表所研究的對象. ●教學目標 一、知識目標 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 1.能自己舉出實例理解連續(xù)性與分立性是相對的. 2.能通過日常和實驗事例理解概率的意義. 3.能領會課本的實驗意義. 三、德育目標 通過本節(jié)課的學習，領會實驗是檢驗真理的惟一標準；體會我們惟有敢于打破舊的傳統(tǒng)的經(jīng)驗才能有所創(chuàng)新、有所發(fā)現(xiàn). ●教學重點 1.光具有波粒二象性. 2.光是一種概率波. ●教學難點 1.概率概念. 2.光波是概率波. ●教學方法 在學生閱讀課文及《康普頓效應》材料的基礎上對分立性和連續(xù)性、概率、光波是概率波等問題展開課堂討論.由學生回答課本提出的問題，最后由教師歸納，統(tǒng)一認識. ●教學用具 CAI課件 ●課時安排 1 課時 ●教學過程 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)學習關于光是什么的課題——光的波粒二象性.（板書課題） 二、新課教學 （一）布置學生閱讀課本.同時思考課本中的“思考與討論”及練習二的（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. ［學生相互討論］ ［學生甲］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為它是連續(xù)的. ［學生乙］下雨天，一開始是雨點，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，記得我們學習氣體的壓強時打過這個比方.雨下大了以后在傘上將產生持續(xù)的或者說是連續(xù)的壓力，對不對？ ［學生］對. ［教師］還有嗎？ ［學生丙］課本的實驗，當曝光量很少時，在膠片上是一個一個的點，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？ ［學生齊答］粒子性. ［教師］當曝光量很大時表現(xiàn)出… ［學生齊］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？［學生想不出事例］ ［教師啟發(fā)］課本介紹了在熱學一章研究過的伽爾頓板，還記得當時是為分析什么問題？ ［學生甲］好像是分子熱運動的速率. ［教師］對.我們知道，溫度升高時，不一定每個分子運動的速率都增加，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.球在釘子間運動最后落在哪一個洞里就得到相應的獎品？ ［有的學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，貴一點的獎品總是在球進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.［學生笑］ ［教師］回到我們課本的實驗上來，當曝光量很大時，實驗就得到了丁圖，那些亮條紋就是光子到達概率多的地方，理解了嗎？ ［學生］理解了. 3.光波是概率波 ［教師］讓我們首先來想這個問題，光波和機械波有什么不同？ ［學生甲］機械波在介質中傳播，光波可以在真空中傳播.不需要介質. ［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想.相鄰的光子之間也有一種相互作用從而形成光波呢？ ［學生乙］課本已有實驗證明了不是這個原因.當每次只讓一個光子通過狹縫時，仍然會出現(xiàn)相同的實驗結果. ［教師］你對課本領會的很好.那么光波確實是和機械波不同了，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械波的干涉公式計算的結果剛好又是相符的，即光子在空間各點出現(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概率大的地方.盡管這些人覺得不可思議，但這是實驗事實，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）課堂鞏固訓練 分別讓學生簡述練習二的（1）（2）（3）題［過程略］ （四）知識拓展 為了讓學生更好地體會光的本質，提供一份光的本性認識發(fā)展簡史讓學生閱讀： 光的本性認識史 一部光學說的發(fā)展史，就是人類認識光本性的認識史.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中傳播的波.這是一種典型的機械波觀念，需借助介質，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 兩種觀點的爭論焦點是：光波傳播是否需要介質？（1）尋找這種介質“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，自身攜帶能量，無須借助介質傳播.（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.赫茲又從實驗得到了證實，光的行為與電磁波的行為一致.從而在理論和實驗上證明了光確實是一種電磁波.它揭露出光現(xiàn)象的電磁本質，把光、電、磁統(tǒng)一起來，加深了我們對物質世界的聯(lián)系的認識.光的電磁說是對光的波動說的揚棄，保留了波的特質，拋棄了它機械振動、傳播連續(xù)的成分. 光電效應現(xiàn)象對光的電磁說提出了嚴重的挑戰(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.它帶有明顯的機械運動的痕跡，也無法解釋光的干涉、衍射這些現(xiàn)象.但這個學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械運動的成分，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變、發(fā)展成為光行為的量子化，即光子說，重新恢復了光的粒子性的權威.但是，光子的物質性、不連續(xù)性并非牛頓微粒說意義下的實物粒子，光子沒有靜止質量，就個別光子而言，它與宏觀質點的運動不同，沒有一定的軌道，因而無法對個別光子的行為作出“科學的”預測，它的行為不服從牛頓經(jīng)典力學.光子說使光的粒子性有了新的內容. 5.在對光本性的認識過程中，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說彼此都含有對方的成分，無法劃清界線，更無法絕對獨立，誰都不能說自己就是客觀真理.光學說發(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非此即彼，在另一條件下又承認亦此亦彼.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的圖景.矛盾??！然而是事實.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?；顒臃秶鷥仁菢O可尊敬的東西，但它一跨入廣闊的研究領域，就會遇到驚人的變故.形而上學的思維方式，雖然在相當廣泛、各依對象的性質而大小不同的領域是正當?shù)?，甚至是必要的，可是它每一次遲早都要達到一個界限，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、條件為轉移，所以要對具體問題作具體分析，才能準確把握對象的情況，作出正確的認識. 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)一起來的絕妙實驗，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.這里只有一個質的差別：不能把光波看作宏觀力學中的介質波、連續(xù)波，也不能把光子當作宏觀世界中的實物粒子、質點.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），就必須綜合運用波動觀點和粒子觀點，這是由于二者是光不可分割的的屬性，即波粒二象性.至此，我們終于認識到微觀世界具有的特殊規(guī)律. 三、小結 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)內容 五、板書設計 六、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 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.光子相當于高速運動的質點 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 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，照片上的景像應是________；若曝光時間足夠大，照片上的景象應是________. 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)則分布的點子；明暗相間的干涉條紋