《2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 4.4 實物粒子的波粒二象性 4.5 不確定關(guān)系課件 教科版選修3-5.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 4.4 實物粒子的波粒二象性 4.5 不確定關(guān)系課件 教科版選修3-5.ppt（47頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、4 實物粒子的波粒二象性 5 不確定關(guān)系,一、德布羅意波及其實驗探究 1.德布羅意波: 德布羅意提出,實物粒子也具有___________,稱這種波 為物質(zhì)波或德布羅意波。 2.粒子能量與相應(yīng)的波的頻率之間的關(guān)系:______。,波粒二象性,E=hν,3.物質(zhì)波的動量與波長之間的關(guān)系:______。 4.物質(zhì)波的實驗驗證: (1)1926年,戴維孫和革末通過實驗首次發(fā)現(xiàn)了電子的 _________。 (2)1927年,湯姆孫用實驗證明電子在穿過金屬片后像 X射線一樣產(chǎn)生_________,也證實了電子的_______。,衍射現(xiàn)象,衍射現(xiàn)象,波動性,【判一判】 (1)電子的衍射實驗說明電子具有波
2、動性。 ( ) (2)實物粒子具有波動性,而一般運(yùn)動的宏觀物體不具有波動性。 ( ) (3)實物粒子的動量越大,波動性越明顯。 ( ),提示:(1)衍射是波的特性,電子衍射實驗說明電子具有 波動性,(1)正確。 (2)實物粒子和一般運(yùn)動著的物體都具有波動性,只是 一般宏觀物體的波長很小,波動性不明顯,(2)錯誤。 (3)由p= 和λ= ,實物粒子的動量越大,波長越短, 波動性越不明顯,(3)錯誤。,二、電子云 1.定義:用點的_____表示的電子出現(xiàn)的概率分布。 2.電子的分布:某一空間范圍內(nèi)電子出現(xiàn)概率大的地方 點_____,電子出現(xiàn)概率小的地方點_____。電子云反映 了原子核外電子位置的
3、_________。,疏密,密集,稀疏,不確定性,【想一想】電子云表示某一空間范圍內(nèi)電子的密集程度,這種認(rèn)識對嗎?為什么? 提示:不對。電子云表示某一空間范圍內(nèi)電子出現(xiàn)的概率大小的分布規(guī)律,與電子的個數(shù)無關(guān)。,三、不確定關(guān)系 1.在微觀世界中,粒子的_____和_____存在不確定性, 不能_________。 2.不確定關(guān)系:___________,式中____為位置的不確定 范圍,Δpx為動量的不確定范圍,h為普朗克常數(shù)。 3.此式表明,不能同時精確測定一個微觀粒子的位置 和動量。,位置,動量,同時測量,Δx,【想一想】微觀粒子的位置和動量不能同時測量,宏觀物體的位置和動量能否同時測量?為
4、什么? 提示:由于普朗克常數(shù)是一個很小的量,對于宏觀物體來說,其不確定性小到無法進(jìn)行觀測,因此不確定關(guān)系對宏觀物體是不重要的。即宏觀物體的位置和動量是可以同時確定的。,知識點一、對德布羅意波的理解 思考探究:,如圖為運(yùn)動員百米沖刺的照片,思考以下問題: (1)如何計算運(yùn)動員沖刺時的德布羅意波長? (2)如何理解運(yùn)動員的波動性?,【歸納總結(jié)】 1.德布羅意認(rèn)為:任何一個運(yùn)動的物體,小的如電子、 質(zhì)子,大的如行星、太陽,平時所見到的行駛的火車、 流動的人群等,都有一種波與之對應(yīng),稱為德布羅意波, 也叫物質(zhì)波。物質(zhì)波的動量與波長之間的關(guān)系為p= 。,2.德布羅意波和光波一樣,也是概率波,即實物粒子在
5、空間各處出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配。微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)不能用“軌跡”來描述,只能通過大量粒子的運(yùn)動做統(tǒng)計性的描述。因此電子在原子內(nèi)沒有確定的位置,在原子核外任何地方都有可能出現(xiàn),只是概率不同。用點的疏密描繪出來是電子云。,3.根據(jù)德布羅意假說,實物粒子也具有波粒二象性,宏觀物體的動量比較大,所以德布羅意波長很短,波動性不明顯。微觀粒子的德布羅意波長較長,在一些特定環(huán)境下可以觀察到他們的干涉和衍射等波的現(xiàn)象。,【特別提醒】 電子的衍射等現(xiàn)象證明電子具有波動性,也為德布羅意假設(shè)提供了實驗依據(jù)。電子的波動性和粒子性是統(tǒng)一的,并不是相互矛盾的。,【典例探究】 【典例】在一束電子中,電子的動能為200eV
6、,忽略相對論效應(yīng),求此電子的德布羅意波波長λ。,【思路點撥】解答本題應(yīng)把握以下兩點: (1)忽略相對論效應(yīng),電子的質(zhì)量認(rèn)為是不變的,動量和動能由經(jīng)典力學(xué)公式求解。 (2)熟記德布羅意波長的計算公式。,【正確解答】忽略相對論效應(yīng),電子的動能為: Ek= mv2 ① 電子的動量為:p=mv ② 電子的德布羅意波長為:λ= ③ 代入數(shù)據(jù)得:λ=8.710-11m 答案:8.710-11m,【過關(guān)訓(xùn)練】 1.(多選)(2015全國卷Ⅱ)實物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是 ( ) A.電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣 B.β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C.人們利用
7、慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu) D.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),E.光電效應(yīng)實驗中,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān),【解析】選A、C、D。電子束通過雙縫裝置后可以形成 干涉圖樣,可以說明電子是一種波,故A正確;β射線在 云室中穿過會留下清晰的徑跡,可以說明β射線是一種 粒子,故B錯誤;人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu), 慢中子衍射說明中子是一種波,故C正確;人們利用電子 顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),利用了電子束的德布羅意 波長短,提高顯微鏡的分辨率,說明電子是一種波,故D,正確;光電效應(yīng)實驗中,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān),說明光是一
8、種粒子,故E錯誤。,2.試估算一個中學(xué)生在跑百米時的德布羅意波的波長。,【解析】估計一個中學(xué)生的質(zhì)量m≈50kg,百米跑時速 度v≈7m/s,則λ= m=1.910-36m。 答案:1.910-36m,知識點二、對不確定關(guān)系的理解 思考探究: 如圖,質(zhì)量為m的小球以初速v0水平拋出,請思考以下問題。,(1)能否同時準(zhǔn)確求出小球經(jīng)過時間t秒后的位置和動量? (2)對于微觀世界的粒子來講,能否同時測量其位置和動量?,【歸納總結(jié)】 1.微觀世界中,粒子的位置和動量存在不確定性。以光的衍射為例,如圖是光的衍射原理圖。,實驗發(fā)現(xiàn):狹縫a越窄,中央的亮條紋b越寬,即光子在與 原來運(yùn)動方向垂直的方向上
9、動量越大;也就是說,位置 測量結(jié)果越精確,動量的測量誤差就越大;位置和動量 的不確定范圍的關(guān)系是:ΔxΔpx≥ 。,2.普朗克常數(shù)在不確定關(guān)系中扮演重要角色。如果h的值可忽略不計,這時物體的位置、動量可同時有確定的值;如果h的值不能忽略,這時不確定關(guān)系也就表現(xiàn)的不可忽略,必須考慮微粒的波粒二象性。h成為劃分經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)的一個界限。,【特別提醒】 不確定關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn),也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn),更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn),而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)。不確定關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律,不是測量技術(shù)和主觀能力的問題。,【典例探究】 【典例】原子大小約
10、為10-10m,求原子中電子速度不確定量的最小值。 【思路點撥】解答本題應(yīng)把握以下兩點: (1)先確定電子位置的不確定范圍。 (2)再應(yīng)用不確定關(guān)系式求速度的不確定量。,【正確解答】原子大小即電子的位置不確定量的最小 值 Δx=10-10m 故Δpx≥ kgm/s =5.310-25kgm/s 則:Δv= ≥6105m/s 答案:6105m/s,【總結(jié)提升】不確定關(guān)系的測量意義 宏觀物體如子彈,其位置的不確定范圍是微不足道的。而微觀物體如電子位置的不確定范圍比原子的大小要大幾億倍,可見宏觀物體的動量和位置都能精確地確定,但要企圖精確地確定電子這樣的微觀粒子的位置和動量已是沒有實際意義。
11、,【過關(guān)訓(xùn)練】 已知電子的質(zhì)量me=9.010-31kg,測定其速度的不確定量為4103m/s,則該電子的位置不確定范圍有多大?,【解析】電子動量的不確定范圍 Δpx=meΔvx =9.010-314103kgm/s =3.610-27kgm/s 由不確定關(guān)系公式得電子位置的不確定范圍 Δx≥,=1.510-8m 答案:1.510-8m,【溫馨提示】 當(dāng)微觀粒子的速度遠(yuǎn)小于光速時,其相對論效應(yīng)并不明顯,其波動性也不明顯,一般都可以按照經(jīng)典的力學(xué)理論處理。,【拓展例題】考查內(nèi)容:經(jīng)典力學(xué)處理電子運(yùn)動的誤差 彩色電視機(jī)中從電子槍發(fā)射出來的電子經(jīng)過加速電壓 加速后射向熒光屏,此加速電壓達(dá)到104V,
12、則電子的動 能Ek=qU=104eV,電子的速度 =5.9107m/s,這是我們用經(jīng)典的力學(xué)方法計算出來的, 電子是微觀粒子,此速度已經(jīng)約等于光速的 ,經(jīng)典力 學(xué)的處理方法是否還合理呢?要不要考慮微觀粒子的二,象性?電子軌跡還能是直線嗎?速度會不會有很大誤差? 【思路點撥】解答本題應(yīng)把握以下兩點: (1)考慮相對論效應(yīng)計算電子的速度,并與經(jīng)典理論結(jié)果比較。 (2)計算德布羅意波的波長,討論是否考慮電子的波動性。,【正確解答】設(shè)電子的運(yùn)動質(zhì)量為m,靜質(zhì)量為m0 由相對論相關(guān)公式得: mc2=m0c2+Ek=m0c2+eU, m=m0,代入數(shù)據(jù)可得電子的速度 v=5.8107m/s. 這個速度和用
13、經(jīng)典理論計算的結(jié)果5.9107m/s相差無幾,誤差不大. 根據(jù)德布羅意物質(zhì)波假設(shè),電子的物質(zhì)波波長為:,一個原子的直徑數(shù)量級是10-10m,也就是說電子只有在遇到比原子直徑還小的障礙物或小孔才會產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象。顯像管內(nèi)的空間對于電子來講是一個廣闊的空間,電子的軌跡仍可認(rèn)為是直線。由于電子的波動性而使圖像像點產(chǎn)生模糊完全不必考慮。 答案:見解析,不確定關(guān)系的理解技巧 不確定關(guān)系ΔxΔp≥ 是自然界的普遍規(guī)律,對微 觀世界的影響顯著,對宏觀世界的影響可忽略不計。也 就是說,宏觀世界中的物體質(zhì)量較大,位置和速度的不 確定范圍較小,可同時較精確測出物體的位置和動量; 在微觀世界中,粒子質(zhì)量較小,不
14、能同時精確地測出粒,子的位置和動量,也就不能準(zhǔn)確地把握粒子的運(yùn)動狀態(tài)了。,【案例展示】(多選)對不確定關(guān)系ΔxΔp≥ 有以 下幾種理解,其中正確的是 ( ) A.微觀粒子的動量不可能確定 B.微觀粒子的坐標(biāo)不可能確定 C.微觀粒子的動量和坐標(biāo)不可能同時確定 D.不確定關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子,也適 用于其他宏觀粒子,【正確解答】選C、D。不確定關(guān)系ΔxΔp≥ 表示確 定位置、動量的精確度互相制約,此長彼消,當(dāng)粒子位 置的不確定性變小時,粒子動量的不確定性變大;當(dāng)粒 子位置的不確定性變大時,粒子動量的不確定性變小。 故不能同時準(zhǔn)確確定粒子的動量和坐標(biāo)。不確定關(guān)系 也適用于其他宏觀物體,不過這些不確定量微乎其微。,【易錯分析】本題易錯選項及錯誤原因分析如下:,
2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 4.4 實物粒子的波粒二象性 4.5 不確定關(guān)系課件 教科版選修3-5.ppt
