2019-2020年新課標(biāo)人教版3-5選修三17.5《不確定性關(guān)系》WORD教案1.doc

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2019-2020年新課標(biāo)人教版3-5選修三17.5《不確定性關(guān)系》WORD教案1 新課標(biāo)要求 1．內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn) （1）了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 （2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)。知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。 （3）了解康普頓效應(yīng)。 （4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明光的波粒二象性。知道光是一種概率波。 （5）知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性。知道電子云。初步了解不確定性關(guān)系。 （6）通過(guò)典型事例了解人類直接經(jīng)驗(yàn)的局限性。體會(huì)人類對(duì)世界的探究是不斷深入的。 例1 通過(guò)電子衍射實(shí)驗(yàn)，初步了解微觀粒子的波粒二象性，體會(huì)人類對(duì)于物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的不斷深入。 2．活動(dòng)建議 閱讀有關(guān)微觀世界的科普讀物，寫出讀書(shū)體會(huì)。 新課程學(xué)習(xí) 17.5 不確定關(guān)系 ★新課標(biāo)要求 （一）知識(shí)與技能 1．了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)算． 2．了解物理模型與物理現(xiàn)象 （二）過(guò)程與方法 經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 ★教學(xué)重點(diǎn) 不確定關(guān)系的概念 ★教學(xué)難點(diǎn) 對(duì)不確定關(guān)系的定量應(yīng)用 ★教學(xué)方法 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 ★教學(xué)用具： 投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 ★課時(shí)安排 1 課時(shí) ★教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 提問(wèn)：對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)？ 學(xué)生思考、回答：光具有波動(dòng)性和粒子性，是一種概率波。 設(shè)疑：既然光是粒子，那么它的運(yùn)動(dòng)還遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎？還能用質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)嗎？ 點(diǎn)評(píng)：引發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。 教師：回答是否定的。光子的運(yùn)動(dòng)具有不確定性。這節(jié)課我們就來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)。 （二）進(jìn)行新課 1．德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋 1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 （Born ， 1882--1972） 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 展示演示文稿資料：玻恩 點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說(shuō)服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。 2．經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波（物質(zhì)波）的區(qū)別 講述：經(jīng)典的波動(dòng)（如機(jī)械波、電磁波等）是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。而德布羅意波（物質(zhì)波）是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。 3．不確定度關(guān)系（uncertainty relatoin） 經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。 微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。 （1）電子衍射中的不確定度 展示演示文稿資料： 如圖所示，一束電子以速度 v 沿 oy 軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。 講述：在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？ 下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)行討論。 設(shè)有一束電子沿oy軸射向屏AB上縫寬為a的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo)x和動(dòng)量p來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢?也就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo)x為多少?顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。 研究表明： 對(duì)于第一衍射極小， 式中為電子的德布羅意波長(zhǎng)。 電子的位置和動(dòng)量分別用x和p來(lái)表示。 電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為 同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 px變化越大。 分析計(jì)算可得： 式中h為普朗克常量。這就是著名的不確定性關(guān)系，簡(jiǎn)稱不確定關(guān)系。 上式表明： ①許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn)，粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。 ②用單個(gè)粒子重復(fù)，粒子也不在同一位置出現(xiàn)。 例題解析： 例1．一顆質(zhì)量為10g 的子彈，具有200ms-1的速率， 若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大? 解：子彈的動(dòng)量 動(dòng)量的不確定范圍 由不確定關(guān)系式，得子彈位置的不確定范圍 我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的。可見(jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。 例2．一電子具有200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定 范圍為動(dòng)量的0.01%(這已經(jīng)足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大? 解: 電子的動(dòng)量為 動(dòng)量的不確定范圍 由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍 我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義。 4．微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比 宏觀物體 微觀粒子 具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，可用牛頓力學(xué)描述。 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 有概率分布特性，不可能分辨出各個(gè)粒子的軌跡。 體系能量可以為任意的、連續(xù)變化的數(shù)值。 能量量子化 。 不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系 5．不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì) （1）物理意義： 微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量越小，動(dòng)量的不確定量就越大，反之亦然。 （2） 微觀本質(zhì)： 是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。 不確定關(guān)系式表明： ① 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確() ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確() ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確() ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確() 。 但這里要注意，不確定關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)；也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)；更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)；而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。 ② 為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)? 這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量本來(lái)就不同時(shí)具有確定量。這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由以上討論可知，不確定關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律，不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。 ③ 不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)： 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，則可以用經(jīng)典理論來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能用量子力學(xué)理論來(lái)處理問(wèn)題。 （三）課堂小結(jié) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。 點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開(kāi)，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 （四）作業(yè)：“問(wèn)題與練習(xí)”1～4題。 ★教學(xué)體會(huì) 思維方法是解決問(wèn)題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開(kāi)了思維方法和實(shí)踐活動(dòng)，物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。