趙順法

一、教材分析

本節(jié)教材涉及物質(zhì)波概念的建立和物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等知識，突出科學(xué)家探索物質(zhì)波的歷程和類比思維方法的運(yùn)用，是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維教育的好題材，在教學(xué)中要使學(xué)生能從科學(xué)家的工作中感悟科學(xué)探究，特別是科學(xué)家如何向固有的觀念、認(rèn)識挑戰(zhàn)，提出大膽的猜想和假說，如何尋找有效的方法加以驗(yàn)證。

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了光的粒子性和波動性，但是實(shí)物粒子同時具有波動性和粒子性學(xué)生較難理解，在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)的波動性和粒子性是互不相容的，二者是兩種不同的研究對象，波和粒子這兩個概念是互相排斥的，所以實(shí)物粒子波動性的理解是教學(xué)的難點(diǎn)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過實(shí)驗(yàn)分析，了解光的波粒二象性的內(nèi)容，感受微觀粒子運(yùn)動的復(fù)雜性。

2.知道實(shí)物粒子具有波動性，領(lǐng)會對稱的研究方法，感悟科學(xué)家的探究精神。

3.通過對物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容的學(xué)習(xí)，感受實(shí)驗(yàn)研究這一重要的研究方法。

4.通過對科學(xué)漫步的閱讀，感受科學(xué)的成就推動了技術(shù)的進(jìn)步。

三、教學(xué)過程

1.辯證統(tǒng)一——光的波粒二象性

圍繞如下幾個問題展開：

問題一：前面我們學(xué)習(xí)了許多關(guān)于光的知識，光到底是什么？你的依據(jù)又是什么？

學(xué)生回答后教師歸納：光有波的性質(zhì)，我們稱為光的波動性，光有粒子的性質(zhì)，我們稱為光的粒子性；光既有波動性，又有粒子性，即光具有波粒二象性。光真可謂“橫看成嶺側(cè)成峰”！

問題二：光的這兩種性質(zhì)有無聯(lián)系？它們的關(guān)系又是怎樣？

上節(jié)學(xué)習(xí)中知道一份光子的動量、能量的基本關(guān)系式，如圖1：左側(cè)是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量；右側(cè)是描述物質(zhì)的波動性的典型物理量。普朗克常數(shù)h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。

問題三：光是那么的熟悉，那么的親切，可人類對光的認(rèn)識構(gòu)成了一部科學(xué)史詩，揭開它的廬山真面目，認(rèn)識它的波動性和粒子性真難！為什么全面認(rèn)識光的性質(zhì)那么難？

教師指出：光有波粒二象性是一種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但光不是經(jīng)典意義上的粒子，也不是經(jīng)典意義上的波，需要借助事實(shí)去想象。光有時表現(xiàn)出波動性，有時表現(xiàn)出粒子性，它們均反映了光的本質(zhì)的一個側(cè)面。這在宏觀世界看是矛盾的現(xiàn)象，在微觀世界，卻是統(tǒng)一的，在光身上，我們看到了波動性與粒子性的統(tǒng)一、連續(xù)性與間斷性的統(tǒng)一。

【設(shè)計意圖】借助圖片展示、結(jié)合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的討論，以及教師的啟發(fā)性講述，幫助學(xué)生根據(jù)事實(shí)去想象、理解和把握光的多面性。

2.類比假說——粒子波動性的提出

教師講述：當(dāng)時的許多科學(xué)家對光具有波粒二象性還持懷疑態(tài)度時，有一位當(dāng)時正在大學(xué)讀博士的學(xué)生卻更大膽，提出實(shí)物粒子也有波動性，甚至宏觀物體也有波動性。到底是怎么回事呢？

學(xué)生帶著下列問題閱讀37頁第二框（粒子的波動性）內(nèi)容：

（1）誰大膽地將光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子？

（2）假說的要點(diǎn)是什么？

（3）物質(zhì)波的頻率、波長公式是什么？

（4）他提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性，屬于一種什么樣的思維方法？

深入認(rèn)識如下問題：

問題一：德布羅間提出的假說的要點(diǎn)是什么？

實(shí)物粒子既具有粒子性，又具有波動性，是粒子性和波動性的統(tǒng)一；質(zhì)量為m的自由粒子以速率v運(yùn)動時，它的粒子性表現(xiàn)在具有能量ε和動量p，它的波動性表現(xiàn)在具有頻率ν和波長λ。

問題二：什么是實(shí)物粒子？

物理學(xué)把物質(zhì)形態(tài)分為兩大類：實(shí)物和場，如圖2所示。場和實(shí)物一樣是一種客觀存在，具有一些相同的（能量、質(zhì)量、動量等）物質(zhì)基本屬性。但（場）又有不同（于實(shí)物）的特性。

問題三：什么是物質(zhì)波？

與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波——實(shí)物粒子的波動既不是機(jī)械波也不是電磁波，被稱為德布羅意波或物質(zhì)波。比如，他提出了電子也是一種波，他還預(yù)言，電子束穿過小孔時也會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

如果用能量ε和動量p來表征實(shí)物粒子的粒子性，則可用頻率v和波長λ來表示實(shí)物粒子的波動性。v=，λ=，其中λ為德布羅意波長，h為普朗克常量，p為粒子動量。認(rèn)為任何一個運(yùn)動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與它對應(yīng)。

問題四：德布羅意這樣提出物質(zhì)波，屬于一種什么思維方法？

德布羅意將實(shí)物粒子與光進(jìn)行類比，用類比方法提出了實(shí)物粒子的波動性。

問題五：當(dāng)時這一觀點(diǎn)超出了人們的想象，不被人們所接受，歷史上類似的事例我們還知道哪些？

伽利略的落體運(yùn)動；哥白尼和布魯諾的日心說；惠更斯的光的波動說。

問題六：物理學(xué)中，你要讓人們信服你的觀點(diǎn)和理論，最有效的手段是什么？

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證理論所獲得的預(yù)言和推理。物理學(xué)的發(fā)展需要理論和實(shí)驗(yàn)的兩只腳向前邁進(jìn)，現(xiàn)在理論這只腳已經(jīng)先向前邁進(jìn)了一步，這就給實(shí)驗(yàn)提出了研究課題。物質(zhì)波理論提出后，如何從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)物質(zhì)波存在就成了人們關(guān)注的一個熱點(diǎn)。

【設(shè)計意圖】讓學(xué)生帶著問題去閱讀課本，了解德布羅意提出物質(zhì)波的歷史背景，通過對問題的思考和回答，使學(xué)生深刻體會他是如何利用類比的方法大膽提出粒子的波動性假說的。

3.尋找實(shí)證——物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）師生互動討論如下問題：

問題一：若要驗(yàn)證粒子或物體的波動性，證明它是一種波，應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)尋找什么證據(jù)？

如果能通過實(shí)驗(yàn)觀察到實(shí)物粒子的干涉、衍射現(xiàn)象，就可得以驗(yàn)證。

問題二：波發(fā)生明顯衍射的條件是什么？那么物質(zhì)波的波長大小是怎樣的呢？

我們通過對兩個具體實(shí)例的計算來感受它的波長大小。例題：某電場中電子經(jīng)100V電壓加速后的運(yùn)動速度是6.0×106m/s；質(zhì)量為10g的一顆子彈的運(yùn)動速度是300m/s，分別計算它們的德布羅意波長。

由此可知：宏觀低速運(yùn)動的物體，其物質(zhì)波波長很小，可忽略其波動效應(yīng)。宏觀物體的德布羅意波長小到實(shí)驗(yàn)難以測量的程度，因此宏觀物體僅表現(xiàn)出粒子性。

問題三：回顧觀察光的衍射實(shí)驗(yàn)，可見光波長，400～700nm，我們用零點(diǎn)幾毫米的縫或孔觀察到了衍射現(xiàn)象，電子波長小幾百幾千倍，縫也要小幾百倍，這樣的縫無法做到，怎么辦呢？

進(jìn)一步啟發(fā)：宏觀物體中不可能找到這樣的小孔小縫或障礙物。我們在初中熱學(xué)學(xué)過的分子的直徑的數(shù)量級，分子間有空隙嗎？緊密排列的分子間距多大？能否讓電子通過分子間縫隙而發(fā)生衍射現(xiàn)象？

其實(shí)早在1912年（德布羅意之前12年），德國物理學(xué)家勞厄就已經(jīng)提議用晶體中排列規(guī)則的物質(zhì)微粒作為衍射光柵來檢驗(yàn)x光的波動性（如圖3），實(shí)驗(yàn)獲得了成功，證明x光是電磁波。而電子的波長與x光的波長具有相近的數(shù)量級，所以德布羅意提出用晶體做電子衍射實(shí)驗(yàn)。

教師點(diǎn)撥：電子的德布羅意波長與分子直徑相當(dāng)，電子束照到晶體上，兩晶格的狹縫可使電子發(fā)生明顯的衍射。

（2）教師展示歷史上的探究歷程，1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動性。

實(shí)驗(yàn)陸續(xù)證明了質(zhì)子、中子及原子、分子的波動性，而且對這些粒子，λ=關(guān)系依然正確。德布羅意的設(shè)想最終都得到了完全的證實(shí)。實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識到德布羅意的物質(zhì)波理論是正確的，而且為物質(zhì)波理論奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1929年，他榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎。戴維孫和湯姆孫1937年獲諾貝爾獎。奧地利物理學(xué)家薛定諤接受了德布羅意的觀點(diǎn)，并提出了波動方程，創(chuàng)立了量子力學(xué)。所以德布羅意也是量子力學(xué)的奠基人之一。

【設(shè)計意圖】通過問題層次啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生一起去尋找驗(yàn)證物質(zhì)波理論的證據(jù)，通過問題啟發(fā)和歷史探究介紹相結(jié)合，讓學(xué)生了解物質(zhì)波的驗(yàn)證歷程，再次體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)科學(xué)理論是否正確的標(biāo)準(zhǔn)。

4.反思回眸——梳理粒子波動性的探究歷程

教師小結(jié)：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們了解了光有波粒二象性，它既具有粒子性，又具有波動性。在不同條件下表現(xiàn)出不同的特性。同時知道了實(shí)物粒子也有波粒二象性，它也有波動性，其對應(yīng)的波稱之為物質(zhì)波。學(xué)了這節(jié)課，從科學(xué)家的工作中你對科學(xué)探究有何感悟、啟發(fā)？對物質(zhì)世界有何認(rèn)識？或給你最深的感觸是什么？請同學(xué)們談?wù)?。如何向固有觀念挑戰(zhàn)，提出大膽猜想和假說？如何尋找有效的方法加以驗(yàn)證？

引導(dǎo)學(xué)生回顧科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程（如圖4），指出實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論是否正確的重要途徑，難以理解的粒子的波動性，并且實(shí)際條件不允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如何創(chuàng)造條件進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)探索，體會其中的奇妙之處。

【設(shè)計意圖】回顧本節(jié)課的歷史探究過程，讓學(xué)生體會和理解科學(xué)研究的一般方法，同時讓學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)家的科學(xué)精神。