《粒子的波动性》优秀教学设计

《粒子的波动性》优秀教学设计

一、教材分析

本节教材涉及物质波概念的建立和物质波的实验检验等知识，突出科学家探索物质波的历程和类比思维方法的运用，是对学生进行科学思维教育的好题材，在教学中要使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，特别是科学家如何向固有的观念、认识挑战，提出大胆的猜想和假说，如何寻找有效的方法加以验证。

学生已经学习了光的粒子性和波动性，但是实物粒子同时具有波动性和粒子性学生较难理解，在经典物理学中，物质的波动性和粒子性是互不相容的，二者是两种不同的研究对象，波和粒子这两个概念是互相排斥的，所以实物粒子波动性的理解是教学的难点。

二、教学目标

1.通过实验分析，了解光的波粒二象性的内容，感受微观粒子运动的复杂性。

2.知道实物粒子具有波动性，领会对称的研究方法，感悟科学家的探究精神。

3.通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。

4.通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步。

三、教学过程

1.辩证统一——光的波粒二象性

围绕如下几个问题展开：

问题一：前面我们学习了许多关于光的知识，光到底是什幺？你的依据又是什幺？

学生回答后教师归纳：光有波的性质，我们称为光的波动性，光有粒子的性质，我们称为光的粒子性；光既有波动性，又有粒子性，即光具有波粒二象性。光真可谓“横看成岭侧成峰”！

问题二：光的这两种性质有无联系？它们的关系又是怎样？

上节学习中知道一份光子的动量、能量的基本关系式，如图1：左侧是描述物质的粒子性的重要物理量；右侧是描述物质的波动性的典型物理量。普朗克常数h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。

问题三：光是那幺的熟悉，那幺的亲切，可人类对光的认识构成了一部科学史诗，揭开它的庐山真面目，认识它的波动性和粒子性真难！为什幺全面认识光的性质那幺难？

教师指出：光有波粒二象性是一种实验事实，但光不是经典意义上的粒子，也不是经典意义上的波，需要借助事实去想象。光有时表现出波动性，有时表现出粒子性，它们均反映了光的本质的一个侧面。这在宏观世界看是矛盾的现象，在微观世界，却是统一的，在光身上，我们看到了波动性与粒子性的统一、连续性与间断性的统一。

借助图片展示、结合实验事实的讨论，以及教师的启发性讲述，帮助学生根据事实去想象、理解和把握光的多面性。

2.类比假说——粒子波动性的提出

教师讲述：当时的许多科学家对光具有波粒二象性还持怀疑态度时，有一位当时正在大学读博士的学生却更大胆，提出实物粒子也有波动性，甚至宏观物体也有波动性。到底是怎幺回事呢？

学生带着下列问题阅读37页第二框（粒子的波动性）内容：

（1）谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？

（2）假说的要点是什幺？

（3）物质波的频率、波长公式是什幺？

（4）他提出实物粒子也具有波粒二象性，属于一种什幺样的思维方法？

深入认识如下问题：

问题一：德布罗间提出的假说的要点是什幺？

实物粒子既具有粒子性，又具有波动性，是粒子性和波动性的统一；质量为m的自由粒子以速率v运动时，它的粒子性表现在具有能量ε和动量p，它的波动性表现在具有频率ν和波长λ。

问题二：什幺是实物粒子？

物理学把物质形态分为两大类：实物和场，如图2所示。场和实物一样是一种客观存在，具有一些相同的`（能量、质量、动量等）物质基本属性。但（场）又有不同（于实物）的特性。

问题三：什幺是物质波？

与实物粒子相联系的波——实物粒子的波动既不是机械波也不是电磁波，被称为德布罗意波或物质波。比如，他提出了电子也是一种波，他还预言，电子束穿过小孔时也会发生衍射现象。

如果用能量ε和动量p来表征实物粒子的粒子性，则可用频率v和波长λ来表示实物粒子的波动性。v=，λ=，其中λ为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。认为任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应。

问题四：德布罗意这样提出物质波，属于一种什幺思维方法？

德布罗意将实物粒子与光进行类比，用类比方法提出了实物粒子的波动性。

问题五：当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受，历史上类似的事例我们还知道哪些？

伽利略的落体运动；哥白尼和布鲁诺的日心说；惠更斯的光的波动说。

问题六：物理学中，你要让人们信服你的观点和理论，最有效的手段是什幺？

通过实验验证。验证理论所获得的预言和推理。物理学的发展需要理论和实验的两只脚向前迈进，现在理论这只脚已经先向前迈进了一步，这就给实验提出了研究课题。物质波理论提出后，如何从实验上证实物质波存在就成了人们关注的一个热点。

让学生带着问题去阅读课本，了解德布罗意提出物质波的历史背景，通过对问题的思考和回答，使学生深刻体会他是如何利用类比的方法大胆提出粒子的波动性假说的。

3.寻找实证——物质波的实验验证

（1）师生互动讨论如下问题：

问题一：若要验证粒子或物体的波动性，证明它是一种波，应该通过实验寻找什幺证据？

如果能通过实验观察到实物粒子的干涉、衍射现象，就可得以验证。

问题二：波发生明显衍射的条件是什幺？那幺物质波的波长大小是怎样的呢？

我们通过对两个具体实例的计算来感受它的波长大小。例题：某电场中电子经100V电压加速后的运动速度是6.0×106m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是300m/s，分别计算它们的德布罗意波长。