万物本质的奥秘：波粒二相性[最终定稿]

第一篇：万物本质的奥秘：波粒二相性

万物本质的奥秘：波粒二相性

十分确定地说，今天的科学现代化，90%源自于对一个实验的不断研究，以及由此实验发展出来的科学技术。人们围绕这个实验不断创造出各种各样的电子仪器和高科技产品（卫星、液晶电视等等）。这一实验即是让世界一流科学家对心灵哲学发生根本认识改变的原因，也是领悟心物是如何一体的核心秘密所在。下面，我们即详细论述这个实验——波粒二相性，和理解其带给我们的深远意义。

第一节、光是波 证明1.首先，假定电子（和光子）是一个如台球一样的粒子。而日常中物质粒子——如一个台球的运动是如下情况：

实验1：

当用一个可以发射台球的台球枪对着一道狭缝随机发射许多台球的话，那些正好穿过狭缝的台球就会在单缝隙后面的屏上形成竖着的一道“台球”条纹（也可以说是印迹）。

实验2：

当用这个台球枪对着两道狭缝随机发射许多台球的话，那些正好穿过狭缝的台球就会在两道缝隙后面的屏上形成竖着的两道“台球”条纹。

实验3：

投一个铁球到水池中激起一道水波，当水波穿过带有一条缝隙的挡板后，会由于波所特有的衍射特性，在挡板后面再次形成和扩散出去另一道水波，然后这道波会打在后面的屏上。

实验4：

当再次激起这么一道的水波，在穿过带有两个缝隙的挡板后，由于波所具有的衍射特性，这时会在挡板后面形成两道水波。这两道新形成的水波在交织碰撞后，就会发生“波”所特有的干涉现象——即在挡板后面的屏上形成了以波能量强度（波的振幅）为特征的干涉条纹。

实验5：

用一个可以发射电子的电子枪——这个电子枪与你家的手电筒在原理上一模一样，所以这时也可以看作是一支可以控制发射发光强度的精致的手电筒，对着带有一个缝隙的挡板发射许多电子时，这时就会在后面的屏上看到一道亮的光芒带——如同水波通过一条狭缝发生的情况一样（注：由于对实验所用器材、形式和表述说明的差异性，这时也可认为是出现一道“电子条纹”）。

实验6：

当用电子枪对两条狭缝发射许多电子时，这时就会在后面的屏上看到，如同水波通过两条狭缝产生波的干涉条纹一样，众多的电子在通过两条狭缝后，共同协力形成了干涉条纹的图案。

结果非常清楚而简单：

如果电子是如台球一样的粒子，那么当用台球枪随机向带有两个缝隙的挡板发射台球的时候，在后面的屏上就会出现如实验2中的两道竖向台球排列的条纹(印记)。但是，人们看到的却是如实验4中的水波穿过两个缝隙形成的干涉条纹一样的电子的干涉条纹，所以人们确定电子具有水波的特性——衍射和发生干涉的特性——也就是由于这一特性人们才十分确定地说，电子（光子），是以波的形式在空间中穿行的。

问题是，电子是波这一点有什么奇怪的吗？

因为两道波相撞后会发生干涉现象——波峰与波谷相遇波会消失，波峰与波峰相遇波会被加强，波谷与波谷相遇波谷会更深，所以如果光（电子等同于光子）是波，就会出现两道光照到一个地方会更黑的现象（以上电子的干涉条纹完全证明了这一现象已经发生了），那么我们就得接受如下怪诞的事情：

比如，在夜晚一根针掉在了地上，然后你打开了一支手电筒去找这根针。但是由于手电筒不太亮而看不清楚地面，结果你的一位朋友为了帮助你就用了另一支手电筒同时去照射丢针的那块地面。这时令人惊讶的事情出现了，两道光照射在一起应当更亮才对，但是当两道光共同照在一起的时候，竟然变得毫无光亮使得地上更加黑暗。除非遇到“鬼”，否则怎么会出现这样奇怪的事情呢？（当然，以上这种情况在日常生活中不会出现，因为条件不严格。但是在严格的实验条件下是完全会出现的——这严格实验中还要涉及到同一光源的问题）。

两道光加在一起竟然会变得更黑，让一百年前所有的科学家都无法接受，但是这一现象不是由“鬼”造成的，所以，人们无论怎么不情愿也得接受“两道光加在一起会变得更黑”的现象，即必须接受光是波的事实。

证明2.还有一个我们日常生活中的常见现象可以证明光是波，即我们经常在肥皂泡上看到五颜六色的光彩。白光（如阳光、灯光）是含有所有不同波长，或者叫做含有所有颜色光波的光。当从水膜一边反射回来特定波长光波的波峰和从另一边反射过来的波谷相重合时（即发生波的干涉），对应于这一颜色波长的光波就不会出现在白光中——波峰与波谷相遇相互抵消了，这也如同物质从虚空中消失了。这样当白光中缺少某一波长的光波时，其它波长的光波就会暴露出来，而显现出五颜六色的光芒。如果光是由粒子组成的，那么就绝不会出现这种干涉现象。只有光是波的情况下才会出现这种干涉现象。

第二节、光是粒子

既然确定光是一种波了，世界上的人们就接受这个结论就好了。然而，为什么人们又“无事生非”地去发展出一种理论说“光”不是波而是如台球一样的“粒子”呢？或者说，创造这种学说有什么用呢？ 光是粒子的证明： 证明1.如果一束光照到金属表面的话，就会产生电流，这一现象叫做“光电效应”。这一效应一开始是由德国物理学家赫兹在1887年发现的。但是由于那个时候人们坚信光是一种波，而波是无法把金属中的电子“敲”出来以形成电流的。所以对光电效应一直没有获得过合理的解释。到了1905年爱因斯坦对这一现象做了详细研究，并发表了一篇论文（同年爱因斯坦发表了狭义相对论），说明了光应当是由粒子组成的。如果光是由粒子组成的，光电效应就获得了合理的解释。然而,虽然当时令人极为震惊，但没有人把这篇论文当回事。由于爱因斯坦发表了相对论后名声渐旺，促使一位美国物理学家密立根固执地用10年时间精心设计实验以证明爱因斯坦是错的。结果，他成功地证明自己错了，也使其他每个人都相信爱因斯坦是对的。爱因斯坦由这一论文（而不是相对论）在1922年获得了诺贝尔奖。付出终有回报，第二年，即1923年密立根由于自己证明自己错了的实验同样也获得了诺贝尔奖。至于说到创建这种粒子理论有什么用？最简单的说，它是今天科学技术高速发展的理论支柱。

证明2.我们能否定位水波为一个拥有特定方向的点呢？答案是，不能。原因是，波是一个向四周扩散出去的东西，所以就无法被定位。进一步说，如果光是波，天上的星星都将无法被定位，也就是人们无法看到天空中的任何星星。天空将变成什么样呢？如果你看过雨中池塘表面形成的杂乱干涉图案，你就会想象到夜晚的天空应该是一片杂乱的光芒。所以，当星光打到我们的视网膜上时，必须是以粒子形式出现的，只有这样我们才能定位星星的位置。所以最简单地说，光必须是粒子而不是波。

最终，光到底是粒子还是波？几十年前的科学家曾有一段戏言：世界上所有的科学家周一谈光是粒子，而周三谈光是波。经过近百年争论，让世界上最聪明的人们最后达成了共识，这一共识也成为了量子力学的核心奥秘：所有的粒子都是波，而所有的波都是粒子。

第三节、这种即是波、又是粒子的现象说明了什么？生命存在的意义与此有什么关系？

我们延续以上的实验而通过问一个问题就会发现秘密产生的本源：什么情况下光是粒子？什么情况下光是波？

实验7.当科学家在缝隙处放上监视器，再用电子枪向带有两个缝隙的挡板发射许多电子的时候,竟然惊讶地看到，电子们（或者说一道光波）在监视器处突然变成了如台球（即颗粒状）一样的粒子嗖嗖地飞过，而且在后面的屏上不再形成干涉条纹，而是如同在实验2中用台球枪向带有两个缝隙的挡板发射台球时的情况一样，在屏上会形成两道电子条纹。就是说，在缝隙处放上监视器的实验完全证明了电子是个粒子，而且其波的属性立刻消失了。

也即如同在实验2中发射台球的情况一模一样，一个电子粒子一次也只能穿过一个缝隙。即一个电子绝不会像波一样同时穿过两个缝隙。比如说，假如你只发射一个电子，那么如果在缝隙1处看到一个电子通过了，那么在缝隙2就绝不会有电子通过。如果在缝隙2处看到有电子通过了，那么缝隙1处就绝不会有电子通过。

非常清楚地说，如果装上了监视器，电子就变成了一个我们非常熟悉的常识性的状态——它是一个实在的粒子。而且如同实验2中的台球一样，一个电子粒子一次也只能穿过一个缝隙。这个实验非常清楚地证明了，电子是一个点状的粒子。（简短延伸一个问题：即是当你发射1个电子时，你无法通过什么样的规律去预测和确定这个电子是会穿过缝隙1，还是会穿过缝隙2。无法确定即是不能确定，也就是具有不确定性。这就是非常著名的“不确定性定理”。这个定理好像很平凡，实际它所带来的意义极为深奥。爱因斯坦在反对这一定理时曾说过著名的一句话：“上帝不掷股子”（今天早已证明爱因斯坦在这一问题上犯了个错误）。因为这一问题太深奥，尤其与因缘果报的联系，所以先留下这一问题，以后篇章会逐步解析。）

实验8.关键的地方出现了：当科学家一但在缝隙处撤出任何监视器，再发射电子的时候，那么在后面的屏上“干涉条纹”突然又出现了。

因为是看到“干涉条纹”的出现，所以人们又必须认为“电子”是个波。虽然人们撤出了监视器而无法看到两处缝隙处的情况，但通过“干涉条纹”的出现，完全100%地确定，当许多电子在穿过两处缝隙的时候是以波的形式运动的。

实验9.也就说，情况发生了改变，当你没有去“看”的时候，就算是一个电子也是以波的形式在空间中穿行，而且在穿过带有两个缝隙的挡板的时候，也是以波的形式——好像使用了分身术一样，穿过两个缝隙，在后面的屏上显示出干涉效应（这一干涉效应很复杂，以后篇章会进一步论述）。

以上的实验有什么神奇的地方吗？

以以上实验为基础，一个让包括科学家在内的所有人都感到不可思议的现象出现了：

如果在缝隙处放上监视器，每一道电子波都会被逼着显身为一个粒子，在穿过两处缝隙中的一处后打在后面的屏上形成一个亮点。你绝不会看到这个电子会同时穿过两处缝隙：即如果你在缝隙1看到电子，缝隙2就绝不会在有电子通过。如果你在缝隙2看到电子，缝隙1就绝不会有电子通过。这是非常浅显的道理，即是一个显身为粒子的电子绝不会同时穿过两个缝隙。

但是，一但撤除监视器，那么瞬间“粒子”消失了。打在屏幕上的不再是一个粒子，而是干涉条纹。也就是由这个干涉条纹的出现，我们必须承认当电子穿过两处缝隙的时候不再是一个粒子，而是一道波。

也就是说，现在的情况发生了根本的改变，如果你不去看它的时候，这个电子就以波的形式同时穿过来两个孔。更形象地说，即如同一个台球同时穿过了两处缝隙。

核心秘密出现了：更加清楚地说，一个电子在你没有去看它的时候，它是一个球状波。或者再更加清楚地说，一个电子以球状波的虚无的形式存在于宇宙中的任何地方（注意：你、我、石头、玫瑰花瓣、清风，都是由电子组成的）。一旦你去看它了，它就瞬间成为了一个实在的东西——确定为一个实在的点粒子，即由虚无成为物质。为什么会成为一个实在？

答案是，是你“逼着”它成为实在东西的。没有你的存在，宇宙中任何一个物质都是没有介质的虚无的波。而且，因为有了你的存在，任何的虚无都必须成为实在。

最终，是什么决定一个电子是粒子还是波的？

答：是你！是观察！是一个有意识的人！而这就是实相！这就是心物一体！觉者佛也，心即是佛，如此，既是生命存在的意义！

前几天一位朋友说了这么一段话：

“明艳说：老师这会不会是真的，我们只和我们的想法在一起。这想法包括我的想法，我认为别人的想法，我看世界的想法。最终那只能出自于我的想法、或者也叫念头。也可以说最终我只和我自己在一起。就是我和老师在一起谈话时，那也只能是我和我关于老师的感知在一起。老师的知幻即离方法很好，就是不带判断、解释、分析地觉照，让头脑脱离自己诠释的故事中。”

任何人都无法逃出自己为自己设下的思想的“牢笼”。任何的感知都是分别妄想心，本质上都是幻境——色杂妄想，想象为身，聚缘内摇，趣外奔逸，昏扰扰相，以为心性！

只有禅定才能让你获得真正的灵性自由！而这个自由是个什么状态呢？名为“不动”。

何谓“不动”？佛祖说：“一切众生，种种幻化，皆生如来圆觉妙心；犹如空华，从空而有，幻华虽灭，空性不坏；众生幻心，还依幻灭，诸幻尽灭，觉心不动；依幻说觉，亦名为幻，若说有觉，犹未离幻，说无觉者，亦复如是，是故幻灭，名为不动”。

什么时候你体验到那个“不动”了，什么时候你体验到“生灭灭矣寂灭最乐”了，你就悟道了！

这么一个看起来十分简单平凡的、被称为核心秘密的波粒二象性就带给我们这么点内容吗？回答是否定的。我们刚刚翻开了“新的篇章”。比如，心灵感应是怎么回事？其本质意义又是什么呢？人真的有预测未来的能力吗？你能与一颗100万光年以外的星星有即时的神秘联系吗？当然还有如何开悟。。。

下一篇：继续。。。。。

附录： 在本篇文章完成之际，一位朋友看过后，突然提出一个问题，以下为对话过程：

朋友：如果光是由多个粒子组成的呢？而不是一个粒子就是光。我不太理解这个结论。

朋友：我们以水波来举例：两道水波互相干扰，但是单就水波中的某一点来说，其实只有一个水分子。水波是由多个水分子组成的，所以我理解光是许多个粒子组成的。

高月明：你的理解是错误的。多个粒子是波，一个粒子也是个波，本质上都是波。

朋友：为什么？

高月明：因为实验得到的结果就是这样的。就是说，没有为什么，只有结果，而没有原因。

朋友:既然这样，假如我们不认识，就我单看这篇文章来说，会认为您是错误的。

高月明:恰恰是这点，让科学家迷惑，也是核心秘密所在。朋友:我想，您要考虑的不是科学家的迷惑，而是怎么让读者认同？ 高月明：是的，没有办法，只有接受结果，虽然让人很痛苦！朋友：那我不接受呢？只有离开？ 高月明：但是事实就是如此。

朋友：那从您的角度来说，为什么一定要把无法沟通的东西拿出来？ 高月明：问题是，这不是无法沟通的问题。而是，这就是真实，真实就是这样的！

朋友：如果有人能给“我”解释清楚，我会认同，否则我懒得理会。高月明：你是对的，但却是愚蠢的。

朋友：您要用科学来解释禅定，就要首先让读者认同科学，如果基础不稳，那接下来的东西怎么能让人信服？

高月明：问题是，这就是科学。虽然你不情愿接受这个结果。朋友：您以往写的东西，即使复杂一点，只要认真看就能明白是怎么回事，但这次我觉得解释得不好。

高月明：那里不好？请说。

朋友：就是我们在讨论的这个，您说理论是对的，但是没法解释清楚。高月明：已经解释完毕！

朋友：那“我”为什么要相信您？ 高月明：是啊，我也在想这个问题。

高月明：前几天在博客上有一篇评论你可以借鉴：释明道：“老子曰：上士闻道，勤而行之；中士闻道，若存若亡；下士闻道，大笑之，不笑不足以为道”。朋友：那从我个人来说，最好还是不要拿出这种无法让人理解的事情，世界上顶尖的人太少了，你的读者恰恰是普通人。

高月明：可这是真实，我永远不能把蒙人的东西给大家。朋友：那您就不要说，说了可能会起反作用。高月明：你是说，光不是波，对吧？

朋友：我是说，光是波，但是是由多个粒子组成的波。

高月明：可是你错了！而你今天提出的的确是个问题（我意指“有人会不理解”这个问题）。。。。。

小结：

对于波粒二相性，在过去一百多年中，世界上的最聪明、最杰出的人才在绞尽脑汁创建理论、不断改进实验设施和进行了无数次实验后共同得出的结果就是这样的！（他们也得到了回报，大部分的诺贝尔奖都发给了这些人）。所以，虽然人们不情愿，但也只能接受这个结果。也即，如同单单通过理论研究是根本无法计算出非逻辑的波粒二相性一样，非逻辑的实相也需要你用禅定去佐证。

第二篇：光的波粒二象性教案

光的波粒二象性 教案示例

一、教学目标

1．知识目标

（1）了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

（2）了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题．

（3）了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子性．

（4）了解光是一种概率波．

2．能力目标

培养学生对问题的分析和解决能力，初步建立光与实物粒子的波粒二象性以及用概率描述粒子运动的观念．

3．情感目标

理解人类对光的本性的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识光的本性的．

二、重点、难点分析

1、这一章的内容，贯穿一条主线——人类对光的本性的认识的发展过程．结合各节内容，适当穿插物理学史材料是必要的．这种做法不但可使课堂教学主动活泼，内容丰富，还可以对学生进行唯物辩证思想教育．本节就课本内容，十分简单，学生学起来十分枯燥．课本所提到的内容，都是结论性的，加入一些史料不仅可能而且必要．

2、本节中学生初步接触量子化、二象性、概率波等概念，由于没有直接的生活经验，所以在教学中要重点让学生体会这些概念．

三、主要教学过程

光学现象是与人类的生产和日常生活密切相关的．人类在对光学现象、规律的研究的同时，也开始了对光本性的探究．

到了17世纪，人类对光的本性的认识逐渐形成了两种学说．

（一）光的微粒说

一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于1675年曾提出：“光是一群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接一个地发射出来”．用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方便的．

在解释光的反射和折射现象时，同样十分简便．当光射到两种介质的界面时，要发生反射和折射．在解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其相互作用，使微粒的速度的竖直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和方向均不发生变化（因为在这一方向上没有相互作用），就可以准确地得出光在反射时，反射角等于入射角这一与实验事实吻合的结论．

说到折射，笛卡儿曾用类似的假设，成功地得出了入射角正弦与折射角正弦之比为一常数的结论．但当光从光疏介质射向光密介质时，发生的是近法线折射，即入射角大，折射角小．这时，必须假设光在光密介质的传播速度较光在光疏介质中的传播速度大才行．

一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射．何种情况发生反射，何种情况下又发生折射呢？微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难．为此，牛顿提出了著名的“猝发理论”．他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每隔相等的间隔（等时或等距）内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易透过下一个折射面，而在它（相继）两次复发之间容易被这个面所反射”，“我将把任何一条光线返回到倾向于反射（的状态）称它为‘容易反射的猝发’，而把它返回到倾向于透射（的状态）称它为‘容易透射的猝发’，并且把每一次返回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔’”．如果说“猝发理论”还能解释反射和折射的话，那么，以微粒说解释两束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了．

（二）光的波动说

关于光的本性，当时还存在另一种观点，即光的波动说．认为光是某种振动，以波的形式向四周围传播．其代表人物是荷兰物理学家惠更斯．他认为，光是由发光体的微小粒子的振动在弥漫于一切地方的“以太”介质中传播过程，而不是像微粒说所设想的像子弹和箭那样的运动．他指出：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，光射线在传播中一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点：当我们看到发光的物体时，决不可能是由于从它所发生的物质，像穿过空气的子弹和箭一样，通过物质迁移所引起的”．他把光比作在水面上投入石块时产生的同心圆状波纹．发光体中的每一个微粒把振动，通过“以太”这种介质向周围传播，发出一组组同心的球面波．波面上的每一点，又可以此点为中心，再向外传播子波．当然，这样的观点解释同时发生反射和折射，比微粒说的“猝发理论”方便得多，以水波为例，水波在传播时，反射与折射可以同时发生．一列水波在与另一列水波相遇时，可以毫无影响的相互通过．

惠更斯用波动说还解释了光的反射和折射．但他在解释光自光疏介质射向光密介质的近法线折射时，需假设光在光密介质中的传播速度较小．现代光速的测定表明，波动说在解释折射时依据的假设是正确的：光在光密介质中传播时光速较小．但在17世纪时，光速的测量尚在起步阶段，谁是谁非，没有定论．

当然，光的波动说在解释光的直进性和何以能在传播时，会在不透明物体后留下清晰的影子等问题也遇到困难．

可见，光的微粒说和波动说在解释光学现象时，都各有成功的一面，但都不能完满地解释当时所了解的各种光学现象．

在其后的100多年中，主要由于牛顿的崇高地位及声望，因而微粒说一直占主导地位，波动说发展很缓慢．人类对光本性的认识，还期待新的现象的发现．直到19世纪初，人们发现了光的干涉现象，进一步研究了光的衍射现象．干涉和衍射是波动的重要特征，从而光的波动说得到迅速发展．人类对光的本性的认识达到一个新的阶段．

（三）牛顿理论中的波动性思想

作为一代物理学大师的牛顿，是提倡了微粒说，但他却并不排斥波动说．他根据他所做过的大量实验和缜密的思考，提出了不少卓越的、富有启发性的思想．在关于颜色的见解上，他提出“不同种类的光线，是否引起不同大小的振动，并按其大小而激起不同的颜色感觉，正像空气的振动按其大小而激起不同的声音感觉一样？而且是否特别是那些最易折射的光线激起最短的振动以造成深紫色的感觉，最不易折射的光线激起最长的振动，以造成深红色的感觉，而介于两者之间的各种光线激起各种中间大小的振动而造成中间颜色的感觉？”

他同时还提出：“扔一块石头到平静的水面中，由此激起的水波将在石头落水的地方持续一段时间，并从这里以同心圆的形式在水面上向远处传播．空气用力撞击所激起的振动和颤动也将持续少许时间，并从撞击处以同心球的形式传播到远方，与此相似，当光线射到任何透明体的表面并在那里折射或反射时，是不是因此就要在反射或折射介质中入射点的地方，激起振动和颤动的波，而且这种振动总能在那里发生并从那里传播出去．”

在解释光现象中，牛顿还多次提出了周期性的概念．而具有周期性，也是波动的一个重要特征．提出波动说的惠更斯却否认振动或波动的周期性．因此，对牛顿来说，在他的微粒说理论中包含有波动说的合理因素．究竟谁是谁非，牛顿认为“我只是对尚待发现的光和它对自然结构的那些效果开始作了一些分析，对它作了几点提示，而把这些提示留待那些好奇的人们进一步去用实验和观察来加以证明和改进．”牛顿的严谨，兼收并蓄的科学态度是值得我们学习的，恐怕这也是他成为物理学大师的原因之一．

（四）理解光的波粒二象性

1、动画（参考媒体资料中的动画“光的波粒二象性”）：当我们用很弱的光做双缝干涉实验时，将感光胶片放在屏的位置上，会看到什么样的照片呢？为什么会有这种现象？

分析图片：

结论：

1、左侧图片清晰的显示了光的粒子性．

2、光子落在某些条形区域内的可能性较大（对于波的干涉即为干涉加强区），说明光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释．

得出：光波是一种概率波，概率表征某一事物出现的可能性．

2、让学生回忆在研究分子热运动时做过的伽尔顿板实验：

教师总结：伽尔顿板实验中，单个小球下落的位置是不确定的,但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大．

3、思考与讨论：

（书中的思考）根据你的理解，说明概率的意义，举出几个日常生活中的或科学中的事例，说明哪些事件是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．

教师总结：

生活中，涉及概率统计的事件很多，例如：在研究分子热运动时，研究单个分子的运动是毫无意义的，需要研究的是大量分子整体表现出来的规律，这叫做统计规律．

4、让我们换一个角度思考——仍然考虑双缝干涉实验

当光源和感光胶片之间不可能同时有两个和多个光子时，长时间曝光得到的照片仍然和光源很强、曝光时间较短时一样，则光的波动性不是光子之间的相互作用引起的．

结论：波动性是光子本身的一种属性

（五）方法总结

光既表现出波动性，又表现出粒子性，由于微观世界的某些属性与宏观世界不同，而我们的经验仅局限于宏观物体的运动．在生活中找不到一个既具有粒子性、又具有波动性的物理模型帮助我们研究光子的规律．

随着人类认识的范围不断扩大，不可能直接感知的事物出现在我们的眼前，需要我们建立新的模型，提出新的理论来进行研究，对于一种模型，只要能与实验结果一致，它就能在一定范围内表示所研究对象的规律．

四、例题分析（参考备课资料中的典型例题）

五、教学说明

人类对自然的探索精神，是激励学生学习的动力．自本节起，其后的物理各章节中，包含了大量的物理学史内容．充分利用这些宝贵资料，恰当结合教材内容，既能充分激发学生学习兴趣，又可以自然地对学生进行辩证唯物主义思想教育，以利于对学生的科学素质和创造性精神的培养．

典型例题

例1光的_________和___________现象说明光具有波动性，__________现象说明光具有粒子性．我们无法只用其中一种观点说明光的一切行为，因而认为光具有__________性．

答案：干涉，衍射，光电效应，波粒二象

例2根据光与水波的类比，试解释在浅海滩边，不论海中波浪向什么方向传播，当到达岸边时为什么总是沿着大约垂直于岸的方向传来？提示：波在浅水中传播时，水越浅，波速越小．

分析：因为光从光疏介质向光密介质传播时，光的传播速度减小，折射角小于入射角，折射线向法线靠拢．如果光在折射率逐渐递增的连续介质中传播，可以设想把连续介质分成许多薄层，光从折射率较小的薄层逐渐进入折射率较大的薄层时，折射线会越来越向法线靠拢，最终趋向于接近法线的方向．

从深处向海滩边传播的水波，波速也逐渐减小，根据与光的类比，仿佛进入折射率逐渐增大的介质，所以它的传播方向跟垂直海岸的方向线之间的夹角也逐渐减小，最终必将沿着大约垂直海岸的方向传来，并且，这个结果与海浪向什么方向传播无关．

水波与光波的类比可用图表示．

讨论：惠更斯通过光波与水波等类比提出光的波动说时，由于当时还无法深刻认识到光的本性，从类比得一个错误的结论，认为光跟声波一样是纵波．这样，也就无法用波动说解释横波所特有的偏振等光现象．因此，在当年关于光的本性的论战中显得被动，再加上牛顿在科学界的崇高威望，很长一段时期中微粒说处于主导地位．

例3光既具有波动性，又具有粒子性。大量光子表现出的_________强，少量光子表现出的________强；频率高的光子表现出的_________强，频率低的光子表现出的_________强．

答案：波动性，粒子性，粒子性，波动性

第三篇：高三物理教案——《光的波粒二象性》

交流教案

会员交流资料

光的波粒二象性

教学目标

1．知识目标

1)了解事物的连续性与分立性是相对的.2)了解光既具有波动性,又具有粒子性.3)也解光是一种概率波.2．能力目标。

结合数学知识理解物理原理的综合迁移能力.3.德育目标

结合物理学史使学生了解到科学理论的建立过程,渗透科学研究方法的教育.重点难点分析：

光的一种概率波是重点；理解光子的波动规律是难点。教学设计思路：

引导学生认识概率的概念.光波和机械波在本质上完全不同.决定光子在空间不同位置出现概率的规律表现为波的规律,我们在这种意义上说光是一种波.在课本图22—3的实验中，光子在和感光胶片作用时的表现和通常的粒子一样，在通过狭缝时却和我们印象中的波一样，这点是很不容易接受的．但是，要说明，实验是检验真理的唯一标准，人的直接经验十分有限，在这种情况下我们就要设想一种模型，尽管以日常经验来衡量，这个模型的行为十分古怪，但是只要能与实验结果一致，它就能够在一定范围内正确代表所研究的对象．

本节的阅读材料《康普顿效应》和上节的阅读材料《热辐射和普朗克的量子说》对于理解量子化、波粒二象性等概念都有帮助，指导学生认真阅读． 教学媒体: 课件 教学过程：

（一）引入新课

光的本质是什么?有谁能够讲一讲你在这方面所了解到的内容?

确实，对光的本质的认识，在物理学发展史上有着曲折的过程，而且有过激烈的争论．争论的焦点为——光到底是粒子还是波．而且都试图把光的本性归结到自己的观点之中，但事实未能使人们如愿．

光的干涉、衍射雄辩地说明光是一种波，光电效应等现象又无可非议地说明光是粒子(当然这里的波已不再是惠更斯提出的在“以太”中传播的弹性脉动波，而这里的粒子也不再是牛顿微粒说中的弹性粒子，而是光子)，最终人们不得不承认，光既有波动性又有粒子性，即光具有波粒二象性这样一个事实．

（二）新课活动

一、光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性．

为了更好地说明光具有波粒二象性，让我们循着前人的足迹来回顾一下有关

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会员交流资料的实验．

介绍实验：用微弱的光照射双缝，并使光通过双缝到达光屏(感光胶片)，在照射时间不。太长的情况下，胶片上的点迹是随机、散落而且是毫无规律的．这个事实说明了光是“一份一份”的粒子．

1、光是粒子(光子)．

对于随机散落的光子，随着照射时间的延长，胶片上的痕迹表现出光在某个区域落脚的可能性较大，而在另一些区域分布较少的规律性分布。该分布的情况恰好与用强光照射(此时可认为光是连续的)形成干涉条纹的情况相吻合，这种规律性与波动的规律一致．所以我们说光是一种波．

2、光是一种波．

单个光子的随机性与大量光子的规律性也体现了对事物认识的一个重要观点，这就是：

3、分立性与连续性是相对的．

光子的行为服从统计规律．干涉加强处表示光子到达的数目多，从统计的观点来看就是光子在该处出现的概率大，干涉减弱处表示光子到达的数目少，也就是光子在该处出现的概率小．这种概率的大小服从波动规律，因此我们把光波叫做概率波．光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可以用波动规律来描述。

引导学生谈对概率的理解。

4、光是一种概率波。

从经典物理学的角度上讲，波动应该是质点间相互作用的结果．在这里，光子具有波动性就应该是光子与光子作用的结果．但人们发现在上述双缝实验中，假使光很弱，弱到光子一个一个地射向胶片(这时排除了光子间有相互作用)，在照射时间足够长时，底片上最终还是形成了干涉图样，这说明波动性不是由于光子间相互作用引起的，而是单个光子的固有属性． 更有趣的是，尽管让光子一个一个地通过狭缝，如果挡住一个缝，干涉条纹不再出现，好像一个独立运动的光子能“知道”另一个狭缝的存在似的．这一点似乎让人不可思议，其实这也说明波动性恰是光子的固有特性。

二、建立模型是科学研究的需要.模型的正确与否要看其能否正确反映研究对象的客观规律．

阅读教材第49页最后两段．

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这部分内容告诉我们，对微观领域不能抱着宏观的、固有的模式去理解，而应建立一个全新的模型．只要该模型能正确地代表研究对象，很好地解释其现象和规律，则可承认其正确性．光的波粒二象性正是这样一个“古怪”而被事实证明是正确的模型．

（三）小结

i.微粒性与波动性的相互联系与渗透。ii.波动性与微粒性互相转化。iii.用概率的思想理解光波。

（四）巩固练习

1、对于光的波粒二象性的说法中，正确的是()

A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子

B．光子与电子是同样一种粒子，光波与机械波同样是一种波

巳光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的

D．光是一种波，同时也是一种粒子．光子说并未否定电磁说，在光子能量E=hν中，频率，ν仍表示的是波的特性

2、用功率Po=1W的光源，照射寓光源r=1m处的某块金属薄片．已知光源发出的波长λ=600nm的单色光，试计算：

(1)每单位时间内打到金属板／m2面积上的光子数．

(2)若取该金属原子半径r1=0.5×10-10m，则金属表面上每个原子平均需要用多少时间才能接收到一个光子?

（五）布置作业

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第四篇：06波粒二象性读书提纲答案

《波粒二象性》读书提纲答案

1、一般材料的物体辐射电磁波与哪些因数有关？黑体呢？

2、画出黑体辐射辐射强度随着温度变化关系图，并用语言说说随着温度升高辐射的两条特点。

3、简述普朗克的量子论。

4、波特有的现象有哪些？

5、谁最先发现光电效应现象？谁研究了光电效应现象？

6、光电效应的四条实验规律是什么？

7、爱因斯坦对光电效应的解释是什么？

8、什么叫康普顿效应？康普顿效应能说明什么问题？实验的现象是散射光的波长会发生怎样的变化？如何解释？

9、哪些现象能说明光具有粒子性？

10、以光的双缝干涉为例说说光是概率波的原因？

11、谁最先提出一切实物粒子都具有波粒二象性？物质波的波长如何计算？什么实验能说明实物粒子具有波动性。

12、列举汤姆孙父子的贡献。

13、光学显微镜分辨率的受到什么限制而无法提高？

14、现在较为先进的显微镜是什么显微镜？如何提高分辨率的？

15、写出爱因斯坦光电方程，并说说各个物理量的含义，并画出图像。

16、按照频率减小的顺序写出电磁波谱。并写出各个波段产生机理，和主要特点及应用。

17、列举密立根的贡献。

18、在什么情况下光表现出很强的粒子性，在什么情况下光表现出很强的波动性？

19、在微观物理学中可否用轨迹来描述粒子的运动？为什么？

20、联系宏观和微观的桥梁是什么？联系波动性和粒子性的桥梁是？

《波粒二象性》读书提纲答案

1、一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外还与材料的种类及表面情况有关。

黑体辐射只与温度有关。

2、见3-5课本P28，随着温度的升高，各种波长的辐射都增强，峰值向波长较短的方向移动。

3、普朗克认为电磁波的发射和接收时是一份一份不连续的能量子：E=hν其中E为能量子

h为普朗克常量ν为电磁波的频率。

4、波特有的现象有：干涉、衍射、多普勒效应等。

5、赫兹在研究电磁波的发射与接收时最早发现光电效应现象。P.勒纳德 J.J.汤姆孙研究了

光电效应规律。

－

6、光电效应的四条规律是（1）存在极限频率（2）瞬时性，时间小于109s（3）存在反向

遏止电压且只与入射光的频率有关（4）存在饱和电流

7、（1）选择性吸收：只吸收频率符合条件的光子，所以存在极限频率（无法通过积累来

实现）（2）一对一，即一个电子只吸收一个光子形成光电子，所以具有瞬时性（无法通过积累来实现）；也是具有饱和电流的根本原因，受到入射光子数目的限制（3）爱因斯坦光电方程EK=hν－W0且Ue=EK（W0为该金属的逸出功；U为反向遏止电压；EK最大初动能）所以Ue= hν－W0所以反向遏止电压唯一地取决于入射光的频率而与该频率入射光的强弱无关。（图见3-5课本P31的17.2-3）

8、散射光的波长变长的现象称为康普顿效应，康普顿效应说明光子具有能量也具有动量。

9、光电效应和康普顿效应都能说明光子具有粒子性。

10、图见3-5课本P41图17.4-2，少数光子的运动表现出粒子性随机性；大量光子的运动表

现为波动性，明条纹处说明光子到达的几率多一些，暗条纹处说明光子到达的几率低一些。所以说光是概率波。

11、德布罗意最先提出物质波的概念，从而说明实物粒子和光子一样具有波粒二象性。λ=h/p.电子的衍射实验说明实物粒子具有波动性。

12、J.J.汤姆孙（父）研究光的效应规律，发现电子为原子的组成部分，打破了原子不可再分的神话；G.P.汤姆孙（子）电子束的衍射实验，证明运动的实物粒子具有波动性。

13、衍射现象。

14、电子显微镜，减小波长从而减小入射光的衍射现象。

15、爱因斯坦光电方程EK=hν－W0（W0为该金属的逸出功EK最大

初动能；ν入射光的频率）图像为倾斜直线，斜率为普朗克常量，－W横轴截距为极限频率，纵轴截距为逸出功的相反数。

16、γ射线（原子核能级跃迁产生的，示踪原子，光刀）、X射线（原子内层电子受到激发产生的，拍片、透视）、紫外线（原子外层电子受到激发产生的，具有显著的荧光效应、杀灭细菌）、可见光（原子外层电子受到激发产生的）、红外线（原子外层电子受到激发产生的，具有显著的热效应）、电磁波（振荡电路产生的）。

17、油滴实验，较为精确的测定了电子的带电量，说明带体的带电量总是元电荷的整数倍，说明电量也是量子化的。较为精确的测定普朗克常量，验证了光电方程的正确性。

18、碰撞时（如光电效应、康普顿效应）、少量光子、频率较高的光子表现为粒子性；传播时、大量光子、频率较低的光子表现为波动性。

19、不能，不确定关系（见3-5课本P43）

20、联系宏观和微观的桥梁是阿伏伽德罗常数；联系波动性和粒子性的桥梁是普朗克常量。

第五篇：关于微观粒子波粒二象性的讨论

关于微观粒子波粒二象性的讨论

关于光,现代读工科的人大致都知道光有波粒二象性;从量子物理中,不仅光,微观粒子都具有波粒二象性;宏观物质物质由微观粒子组成,也会表现出波粒二象性.一个名显的例子就是,物质大致都会辐射出一定频率的光谱,能过接收光谱可以分析物质.如军事上的红外追踪,夜视等技术.这从观念上是有点难以理解,活生生的人怎么就能波动了呢.但是理论上就是这样的.一般说来质量大的物质表现出强的粒子性,质量小的粒子表现出波动性.象光子这样的小质量,就是波动我典型,象宏观物质就是粒子的典型.微观粒子的波粒二象性不是同时能表现出来的,这就是不确定原理.这里量子物理我理论基础.玻尔认为不确定性原理是由于波粒二象性决定的;得布罗意说，任何物质都具有波的性质，同时具有粒子的性质，你不可能同时对这两种性质进行观察，你作为一个粒子来检测它时，会遗漏它作为波的性质；同样，你检验它波的性质，就会遗漏它粒子的特征。这和人的品格有多么相似呀.世界上大体上没有绝对的好人与坏人.人在一定的情况下是好人,在另外的情况下又是坏人.也就是说人既是好人又是坏人．在一个人某些情况下你只能看到他好的一面，在另外的情况下只能看到他坏的一面；或者在一些人看来，他是好的，另外的人则相反．但是事实上他确实是好人与坏人的混合体．这样的例子太多了，以至于所有人都能知道．说到这里，好象又有哲学的味道．

罗素看来对哲学作出了比较好的解释：＂哲学，就我对这个词的理解来说，乃是某种介乎神学与科学之间的东西。它和神学一样，包含着人类对于那些迄今仍为确切的知识所不能肯定的事物的思考；但是它又象科学一样是诉之于人类的理性而不是诉之于权威的，不管是传统的权威还是启示的权威。一切·确·切·的知识——我是这样主张的——都属于科学；一切涉及超乎确切知识之外的·教·条都属于神学。但是介乎神学与科学之间还有一片受到双方攻击的无人之域；这片无人之域就是哲学。＂

再回过头来看量子物理学，量子物理一定不是神学，那它是确切的知道吗．如果从量子力学的三大支柱来说，似乎是确切的．但是，就象量子物理简史中提到的，量子物理的解释就象上帝投骰子一样不确定，似乎没有确定．从这一方面来说，就是哲学．更有意思的是，根据量子物理，如果人们意识是想测量微观粒子的粒子性，它就表现出粒子性．如果人们意识是想测微观粒子的波动性，它就表现出波动性，这简直就是哲学．科学研究出来的竟是哲学问题．这说明了，就象罗素所理解的那样，量子力学其实还在发展之中．只能从物理现象上去解释，如果从理论上去解释，就要数学和物理学的共同进展了．电子的波动性和粒子性的统一

电子衍射的实验，无可争辩地证明了电子这种实物微粒的运动确实具有波动性，这种波动性和宏观的波有相似的地方，例如：都是实物或场的某种性质在空间和时间方面周期性的扰动的表现。究竟怎样把以连续分布于空间为特征的波动

性和以分立分布为特征的粒子性统一起来呢？波恩提出了较为合理的“统计解释”。

玻恩概率波

光和微观粒子的波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人困惑的问题，至今不能说问题已经完全解决（卢瑟福的α粒子散射实验证明物质的结构是核式的（这种模型被称为核式结构模型），原子如此，光子、电子、质子、大到天体都有自己的核心，都有绕核心运动的物质存在，每个核式结构体在运动中由于核式结构的特点，都做具有波动的直线运动，都有测不准的因素（不确定性原理）存在，都有量子化的物理特征，各有能级的存在，各有特定的能量吸收才可以发生跃迁。张各高中物理教师提出的自己的观点，欢迎指正）1926年M.玻恩提出概率波解释，较好地解决了这个问题。按照概率波解释，描述粒子波动性所用的波函数Ψ(x、y、z、t)是概率波，而不是什么具体的物质波；波函数的绝对值的平方

|ψ|2=ψ*ψ表示时刻t在x、y、z处出现的粒子的概率密度，ψ*表示ψ 的共轭波函数。在电子通过双孔的干涉实验中，|ψ|2=|ψ1+ψ2|2=|ψ1|2+|ψ2|2+ψ1*ψ2+ψ1ψ2*，强度|ψ|2大的地方出现粒子的概率大，相应的粒子数多，强度弱的地方，|ψ|2小，出现粒子的概率小，相应的粒子数少，ψ1*ψ2+ψ1ψ2*正是反映干涉效应的项，不管实验是在粒子流强度大的条件下做的，还是粒子流很弱，让粒子一个一个地射入，多次重复实验，两者所得的干涉条纹结果是相同的。

在粒子流很弱、粒子一个一个地射入多次重复实验中显示的干涉效应表明，微观粒子的波动性不是大量粒子聚集的性质，单个粒子即具有波动性。于是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在双孔实验中双孔又是同时起作用的，因此，对于微观粒子谈论它的运动轨道是没有意义的。由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵从的运动规律不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。

目前，人们对于物质波的本质，即它究竟有粒子的何种性质的扰动产生的，没有象经典的机械波或电磁波那样了解得具体。有待于对微观内部结构作进一步深入研究的基础上再来加深探索。不过，说电子等的运动有波性，决不能理解为一个电子象波那样分布于一个一定大小的空间区域，或理解为电子在空间的振动。目前，只能把它理解为电子运动时，它在空间不同区域出现的几率是由其波动性所控制的。此外，当我们说到电子等实物微粒具有粒子性时，也要注意到在某种条件下，它的运动规律是无法用经典力学规律来解释的。例如，从经典力学的“质点”观点看来，电子（即可以是大量的，也可近乎独立发射的）在同样条

件下，通过晶体应该到达照相底片上的同一点，而不应该有衍射现象。这就是说，在这些条件下电子是没有确定的轨道的，并不遵循牛顿力学定律，只表现有一定的与波的强度成正比的几率分布规律。这就是由“不确定关系”所精确地表达的。

目前还无实验显明单一粒子无波动性，即便某一理论证明波是大量粒子的统计分布，也无法否定单一粒子波动性，因为这在逻辑上是讲不通的，也无法说明大量粒子的统计分布中波的真正来源。

对单一粒子，比如氢原子，其核外电子亦是没有确定的轨道的，怎能说单一的电子没有波动性呢？其实，正是电子自身的波动性决定了其几率分布！

再有，如果说单一粒子无波动性，那么从质能关系上看，作为表征运动的能量概念，粒子的能量E=MC2中的能量是什么呢？它反映了什么运动呢？其所确切对应的Ｅ＝ｈν中ν的是什么含义呢？

还有，实验表明，一个粒子自身也可以产生干涉，单个“电子实体”如何通

过双缝？难道一个粒子同时可以通过两个缝？几率波是数学波，而电子波有真实的物理作用，数学波与物理实在的关系如何处理？

毫不奇怪，一个粒子同样具有“波粒二相性”--物质是运动的，没有不运动的物质，因此运动是物质的根本属性；而该属性在微观状态上必定表现为波动性。一个粒子表现为一条穿越时空的河，同时进入两个狭缝是必须的。不要把一个粒子想象为一个鸡蛋，粒子是一个电磁场的存在形式，电磁震荡是它的存在方式而这种粒子性是震荡中的一个态，通过狭逢的是另一个态，那个态是电磁波能的态，是粒子的质量转化为电磁波能的态，而波能态是可以同时绕过两个狭缝的。光的波粒二象性

状态。波函数具有叠加性，即，它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时，波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。

之所以在日常生活中观察不到物体的波动性，是因为他们的质量太大，导致特征波长比可观察的限度要小很多，因此可能发生波动性质的尺度在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之，对于基本粒子来说，它们的质量和尺度决定了它们的行为主要是由量子力学所描述的，因而与我们所习惯的图景相差甚远。德布罗意假设

爱因斯坦提出光的粒子性后，路易·维克多·德布罗意做了逆向思考，他在论文中写到：19世纪以来，只注重了光的波动性的研究，而忽略了粒子性的研究，在实物粒子的研究方面，是否犯了相反的错误呢？1924年，他又注意到原子中电子的稳定运动需要引入整数来描写，与物理学中其他涉及整数的现象如干涉和振动简正模式之间的类似性，由此构造了德布罗意假设，提出正如光具有波粒二象性一样，实物粒子也具有波粒二象性。他将这个波长λ和动量p联系为：λ=h/p=h/mv

m：质量 v：速度 h：普朗克常数

这是对爱因斯坦等式的一般化，因为光子的动量为p = E / c（c为真空中的光速），而λ = c / ν。

德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实。在贝尔实验室Clinton Joseph Davisson和Lester Halbert Germer以低速电子束射向镍单晶获得电子经单晶衍射，测得电子的波长与德布罗意公式一致。在阿伯丁大学，G·P汤姆孙以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹，确凿证实了电子的波动性；以后又有其他实验观测到氦原子、氢分子以及中子的衍射现象，微观粒子的波动性已被广泛地证实。根据微观粒子波动性发展起来的电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为探测物质微观结构和晶体结构分析的有力手段。

德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。汤姆孙和戴维逊因为他们的实验工作共享了1937年诺贝尔物理学奖。