2018-2019高中物理 第17章 波粒二象性 17.4-17.5 概率波 不確定性關(guān)系課件 新人教版選修3-5.ppt
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4概率波5不確定性關(guān)系,【自主預(yù)習(xí)】1.概率波:(1)經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波:①經(jīng)典的粒子:粒子有一定的_____大小,有一定的_____,有的還具有電荷。其運(yùn)動(dòng)的基本特征是已知初始位置和初始速度,任意時(shí)刻可以確定_____和_____以及在空間的確定_____。,空間,質(zhì)量,位置,速度,軌跡,,②經(jīng)典的波:經(jīng)典的波在空間中是彌散開(kāi)來(lái)的,其特征是具有_____和_____,也就是具有時(shí)空的_______。,頻率,波長(zhǎng),周期性,,(2)概率波:①光是概率波:光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的,即光子落在明紋處的_______,落在暗紋處的_______。這就是說(shuō),光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定,因此從光子概念上看,光波是一種_______。,概率大,概率小,概率波,,②物質(zhì)波也是概率波:對(duì)于電子和其他微觀粒子,單個(gè)粒子的位置是_______的,但在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率的大小可以由_____的規(guī)律確定。對(duì)于大量粒子,這種概率分布導(dǎo)致確定的宏觀結(jié)果,所以物質(zhì)波也是_______。,不確定,波動(dòng),概率波,,2.不確定性關(guān)系:(1)在經(jīng)典力學(xué)中,一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)_________的,在量子理論建立之后,要同時(shí)測(cè)出微觀粒子的_____和_____,是不太可能的。我們把這種關(guān)系叫做不確定性關(guān)系。,精確測(cè)定,位置,動(dòng)量,,(2)如果以Δx表示粒子位置的不確定量,以Δp表示粒子在x方向上的動(dòng)量的不確定量,那么ΔxΔp≥,式中h是普朗克常量。這就是著名的不確定性關(guān)系,簡(jiǎn)稱(chēng)不確定關(guān)系。,,【預(yù)習(xí)小測(cè)】1.(多選)下列各種波屬于概率波的是()A.聲波B.無(wú)線(xiàn)電波C.光波D.物質(zhì)波,,【解析】選C、D。光波的波動(dòng)性具有概率波的規(guī)律,任一運(yùn)動(dòng)的物體均有一種物質(zhì)波與之對(duì)應(yīng),且這種物質(zhì)波也具有概率波的規(guī)律。概率波與機(jī)械波和電磁波的本質(zhì)不同。A、B錯(cuò)誤,C、D項(xiàng)正確。,,2.(多選)以下說(shuō)法正確的是()A.物體都具有波動(dòng)性B.抖動(dòng)細(xì)繩一端,繩上的波就是物質(zhì)波C.通常情況下,質(zhì)子比電子的波長(zhǎng)長(zhǎng)D.核外電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí),并沒(méi)有確定的軌道,,【解析】選A、D。任何物體都具有波動(dòng)性,故A對(duì);對(duì)宏觀物體而言,其波動(dòng)性難以觀測(cè),我們所看到的繩波是機(jī)械波,不是物質(zhì)波,故B錯(cuò);電子的動(dòng)量往往比質(zhì)子的動(dòng)量小,由λ=知,電子的波長(zhǎng)長(zhǎng),故C錯(cuò);核外電子繞核運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是概率問(wèn)題,無(wú)確定的軌道,故D對(duì)。,,3.(多選)以下說(shuō)法正確的是()A.微觀粒子不能用“軌道”觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)B.微觀粒子能用“軌道”觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)C.微觀粒子位置不能精確確定D.微觀粒子位置能精確確定,,【解析】選A、C。微觀粒子的動(dòng)量和位置是不能同時(shí)確定的。這也就決定了不能用“軌道”的觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)(軌道上運(yùn)動(dòng)的粒子在某時(shí)刻具有確定的位置和動(dòng)量),故A正確。由微觀粒子的波粒二象性可知微觀粒子位置不能精確確定,故C正確。,,4.(多選)關(guān)于光的性質(zhì),下列敘述中正確的是()A.在其他同等條件下,光的頻率越高,衍射現(xiàn)象越容易看到B.頻率越高的光,粒子性越顯著;頻率越低的光,波動(dòng)性越顯著,,C.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),波動(dòng)性就越顯著;光的波長(zhǎng)越短,粒子性就越顯著D.如果讓光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫時(shí),它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),,【解析】選B、C。光的頻率越高,波長(zhǎng)越短,光的粒子性越顯著;光的頻率越低,波長(zhǎng)越長(zhǎng),光的波動(dòng)性越顯著,A錯(cuò)誤,B、C正確;光是一種概率波,光子在空間出現(xiàn)的概率由波動(dòng)規(guī)律決定,每個(gè)光子通過(guò)狹縫后到達(dá)哪個(gè)位置是不能確定的,故D錯(cuò)誤。,主題一概率波【互動(dòng)探究】探究點(diǎn)1光是一種概率波如圖是光發(fā)生雙縫干涉時(shí)的圖樣,請(qǐng)結(jié)合此圖分析以下問(wèn)題。,,(1)光的強(qiáng)度減弱時(shí),光子的數(shù)目減少,衍射圖樣是否會(huì)消失?提示:不會(huì)消失,光子數(shù)目減少時(shí),絕大多數(shù)光子通過(guò)狹縫后仍落在明紋區(qū)。,(2)在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處一定沒(méi)有光子到達(dá)嗎?提示:在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處也有光子到達(dá),只是光子數(shù)量“特別少”,很難呈現(xiàn)出亮度。(3)由此你對(duì)光的波動(dòng)性有何認(rèn)識(shí)?提示:光是一種概率波。,探究點(diǎn)2物質(zhì)波是一種概率波如圖是電子干涉條紋,請(qǐng)分析以下問(wèn)題:,(1)由甲、乙、丙三圖樣的比較,你對(duì)物質(zhì)波又有什么深刻認(rèn)識(shí)?提示:①物質(zhì)波發(fā)生雙縫干涉時(shí)不論實(shí)物粒子數(shù)目的多少,某些區(qū)域落入的實(shí)物粒子的個(gè)數(shù)總是較多,而另一區(qū)域落入實(shí)物粒子的個(gè)數(shù)總是較少。②物質(zhì)波仍是一種概率波。,,(2)經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波是完全不同的兩件事,但是在現(xiàn)代物理當(dāng)中卻是統(tǒng)一的,如何認(rèn)識(shí)這種統(tǒng)一呢?,提示:在經(jīng)典物理學(xué)中,雖然粒子和波是兩種不同的研究對(duì)象,具有明顯不同的表現(xiàn)。但通過(guò)進(jìn)一步的分析不難看出,經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波是相互聯(lián)系、不可分割的。光具有波粒二象性;實(shí)物也有德布羅意波長(zhǎng)、頻率,粒子具有波動(dòng)性,只是粒子性更明顯;分析水波、繩子抖出的波等一系列機(jī)械波問(wèn)題時(shí),也認(rèn)為波上的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在上下振動(dòng)的同時(shí),能量向外傳播,即認(rèn)為波中有粒子,波是粒子的振動(dòng)向外傳播的結(jié)果。,(3)你對(duì)概率波是怎樣理解的?提示:光和物質(zhì)都具有波粒二象性,單個(gè)光子顯示粒子性,而大量光子顯示波動(dòng)性。單個(gè)光子傳播的方向是不確定的,但大量光子在空間某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率大小可以由波動(dòng)性確定,這種概率分布導(dǎo)致了宏觀的確定結(jié)果,同樣可以用這一觀點(diǎn)來(lái)解釋物質(zhì)波,也可以說(shuō)大量粒子是按照波的概率分布而形成了波。,【探究總結(jié)】1.概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一:概率波的主體是光子、實(shí)物粒子,體現(xiàn)了粒子性的一面;同時(shí)粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配,體現(xiàn)了波動(dòng)性的一面,所以說(shuō),概率波將波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一在一起。,2.光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的:(1)在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,光源非常弱,以至它在前一個(gè)光子到達(dá)屏幕之后才發(fā)射第二個(gè)光子,這樣就排除了光子之間相互作用的可能性。,(2)盡管單個(gè)光子的落點(diǎn)不可預(yù)知,但是長(zhǎng)時(shí)間曝光之后仍然可以得到明暗相間的條紋,可見(jiàn),光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的,而是光子自身固有的性質(zhì)。,【典例示范】關(guān)于電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以下說(shuō)法正確的是()A.電子如果不表現(xiàn)波動(dòng)性,則無(wú)法用軌跡來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng),其規(guī)律遵循牛頓定律B.電子如果不表現(xiàn)波動(dòng)性,則可以用軌跡來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng),其規(guī)律遵循波動(dòng)規(guī)律,C.電子如果表現(xiàn)波動(dòng)性,則無(wú)法用軌跡來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng),空間分布的概率遵循波動(dòng)規(guī)律D.電子如果表現(xiàn)波動(dòng)性,則可以用軌跡來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng),其規(guī)律遵循牛頓定律,,【解題指南】(1)電子無(wú)論是表現(xiàn)出波動(dòng)性還是表現(xiàn)出粒子性,都與經(jīng)典的波和經(jīng)典的粒子不同,沒(méi)有確定的軌跡,不遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律。(2)只能確定電子在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率,且概率的空間分布情況遵循波動(dòng)規(guī)律。,,【解析】選C。電子的運(yùn)動(dòng)屬于概率波,少量電子表現(xiàn)出粒子性,不遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律,無(wú)法用軌跡描述其運(yùn)動(dòng),A、B錯(cuò)。大量電子表現(xiàn)出波動(dòng)性,無(wú)法用軌跡描述其運(yùn)動(dòng),可確定電子在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率,且概率波遵循波動(dòng)規(guī)律,C對(duì)、D錯(cuò)。,【探究訓(xùn)練】1.(多選)(2018聊城高二檢測(cè))在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中,下列說(shuō)法正確的是()A.使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上將會(huì)顯示衍射圖樣B.單個(gè)光子通過(guò)狹縫后,底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣C.光子通過(guò)狹縫的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)是直線(xiàn)D.光的波動(dòng)性是大量光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,【解析】選A、D。個(gè)別或少數(shù)光子表現(xiàn)出光的粒子性,大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),通過(guò)狹縫的光子數(shù)也就足夠多,粒子的分布遵從波動(dòng)規(guī)律,底片上將會(huì)顯示出衍射圖樣,A、D選項(xiàng)正確。單個(gè)光子通過(guò)狹縫后,路徑是隨機(jī)的,底片上也不會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣,B、C選項(xiàng)錯(cuò)。,2.(多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中,中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)單縫,那么該光子()A.一定落在中央亮紋處B.一定落在亮紋處C.可能落在暗紋處D.落在中央亮紋處的可能性最大,【解析】選C、D。由于光是一種概率波,對(duì)于一個(gè)光子通過(guò)單縫后落在何處,是不可確定的,但概率最大的是落在中央亮紋處,可達(dá)到95%以上。當(dāng)然也可落在其他亮紋處,還可能落在暗紋處,不過(guò),落在暗紋處的概率很小,故C、D正確。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)下列關(guān)于物質(zhì)波的說(shuō)法中正確的是()A.實(shí)物粒子與光子一樣都具有波粒二象性,所以實(shí)物粒子與光子是本質(zhì)相同的物體B.物質(zhì)波和光波都是概率波C.粒子的動(dòng)量越大,其波動(dòng)性越易觀察D.粒子的動(dòng)量越小,其波動(dòng)性越易觀察,,【解析】選B、D。實(shí)物粒子雖然與光子具有某些相同的現(xiàn)象,但實(shí)物粒子是實(shí)物,而光則是傳播著的電磁波,其本質(zhì)不同;物質(zhì)波和光波都是概率波;又由λ=可知,p越小,λ越大,波動(dòng)性越明顯,正確選項(xiàng)為B、D。,,【通法悟道】解答概率波應(yīng)注意的兩點(diǎn)(1)概率波是光波和物質(zhì)波具有的特性,而機(jī)械波不是概率波。(2)大量粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)性較明顯,而少量粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)粒子性較明顯。,,主題二不確定性關(guān)系【互動(dòng)探究】,,如圖甲是光的單縫衍射圖樣,乙是粒子衍射示意圖線(xiàn)。根據(jù)兩圖回答:(1)對(duì)比圖甲中兩圖,思考微觀粒子的運(yùn)動(dòng)是否遵從牛頓定律?,,提示:如果光子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受力,根據(jù)牛頓定律,光子應(yīng)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),如圖甲(a),而由于光的衍射可知,光子實(shí)際運(yùn)動(dòng)發(fā)生了偏差,如圖甲(b),故光子運(yùn)動(dòng)并不遵從牛頓定律,即微觀粒子的運(yùn)動(dòng)不能類(lèi)似于質(zhì)點(diǎn)確定其位置及動(dòng)量。,,(2)圖乙中狹縫寬度變小,通過(guò)狹縫粒子的位置不確定性減小,而粒子動(dòng)量的不確定性如何變化?提示:由于狹縫變窄,粒子干涉圖樣變寬,即粒子動(dòng)量的不確定性變大。,,(3)單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況可否預(yù)知?粒子出現(xiàn)的位置是否無(wú)規(guī)律可循?提示:由不確定性關(guān)系可知,我們不能準(zhǔn)確預(yù)知單個(gè)粒子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,但粒子出現(xiàn)的位置并不是無(wú)規(guī)律可循,我們可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律知道粒子在某點(diǎn)出現(xiàn)的概率。,,(4)既然單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況不可預(yù)知,為什么還要研究粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?提示:由不確定性關(guān)系可知,我們不能準(zhǔn)確預(yù)知單個(gè)粒子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,但是大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是可以準(zhǔn)確預(yù)知的,可以從宏觀上對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和控制。,,(5)你對(duì)位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系ΔxΔp≥是怎樣理解的?,,提示:由ΔxΔp≥可以知道,在微觀領(lǐng)域,要準(zhǔn)確地測(cè)定粒子的位置,動(dòng)量的不確定性就變大;反之,要準(zhǔn)確確定粒子的動(dòng)量,那么位置的不確定性就變大。如將狹縫變成寬縫,粒子的動(dòng)量能被精確測(cè)定(可認(rèn)為此時(shí)不發(fā)生衍射),但粒子通過(guò)縫的位置的不確定性卻增大了;反之取狹縫Δx→0,粒子的位置測(cè)定精確了,但衍射范圍會(huì)隨Δx的減小而增大,這時(shí)動(dòng)量的測(cè)定就更加不準(zhǔn)確了。,,【探究總結(jié)】1.位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系:(1)在微觀領(lǐng)域,要準(zhǔn)確地測(cè)定粒子的位置,動(dòng)量的不確定性就更大;反之,要準(zhǔn)確確定粒子的動(dòng)量,那么位置的不確定性就更大。,,(2)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中,如將狹縫變成寬縫,粒子的動(dòng)量能被精確測(cè)定(可認(rèn)為此時(shí)不發(fā)生衍射),但粒子通過(guò)縫的位置的不確定性卻增大了;反之狹縫越小,粒子的位置測(cè)定精確了,但衍射范圍會(huì)隨狹縫的減小而增大,這時(shí)動(dòng)量的測(cè)定就更加不準(zhǔn)確了。,,2.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道:(1)由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知,微觀粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)被確定的,這也就決定了不能用“軌道”的觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng),因?yàn)椤败壍馈睂?duì)應(yīng)的粒子某時(shí)刻應(yīng)該有確定的位置和動(dòng)量,但這是不符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律的。,,(2)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不能像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)那樣通過(guò)確定的軌跡來(lái)描述,而是只能通過(guò)概率波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性的描述。,,【典例示范】(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系ΔxΔp≥有以下幾種理解,正確的是()A.微觀粒子的動(dòng)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(dòng)量和坐標(biāo)不可能同時(shí)確定D.不確定性關(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,,【解題指南】(1)不確定性關(guān)系表達(dá)式為ΔxΔp≥。(2)不確定性關(guān)系是自然界的普遍規(guī)律,對(duì)微觀世界的影響顯著,對(duì)宏觀世界的影響可忽略。,,【解析】選C、D。不確定性關(guān)系ΔxΔp≥表示確定位置、動(dòng)量的精度互相制約,此長(zhǎng)彼消。當(dāng)粒子位置不確定性變小時(shí),粒子動(dòng)量的不確定性變大;粒子位置不確定性變大時(shí),粒子動(dòng)量的不確定性變小。故不能同時(shí)準(zhǔn)確確定粒子的動(dòng)量和坐標(biāo),不確定性關(guān)系也適用于其他宏觀粒子,不過(guò)這些不確定量微乎其微,故C、D正確。,,【探究訓(xùn)練】1.(多選)(2018煙臺(tái)高二檢測(cè))光通過(guò)單縫所發(fā)生的現(xiàn)象,用位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系的觀點(diǎn)加以解釋,正確的是()A.單縫寬,光沿直線(xiàn)傳播,是因?yàn)閱慰p越寬,位置不確定量Δx越大,動(dòng)量不確定量Δp越大的緣故,,B.單縫寬,光沿直線(xiàn)傳播,是因?yàn)閱慰p越寬,位置不確定量Δx越大,動(dòng)量不確定量Δp越小的緣故C.單縫越窄,中央亮紋越寬,是因?yàn)閱慰p越窄,位置不確定量Δx越小,動(dòng)量不確定量Δp越小的緣故D.單縫越窄,中央亮紋越寬,是因?yàn)閱慰p越窄,位置不確定量Δx越小,動(dòng)量不確定量Δp越大的緣故,,【解析】選B、D。由粒子位置不確定量Δx與粒子動(dòng)量不確定量Δp的不確定關(guān)系:ΔxΔp≥可知,單縫越寬,位置不確定量Δx越大,動(dòng)量不確定量Δp越小,所以光沿直線(xiàn)傳播,B正確;單縫越窄,位置不確定量Δx越小,動(dòng)量不確定量Δp越大,所以中央亮紋越寬,D正確。,,2.(2018漳州高二檢測(cè))一電子具有200m/s的速率,動(dòng)量的不確定范圍是0.01%,我們確定該電子位置時(shí),有多大的不確定范圍?(電子質(zhì)量為9.110-31kg),,【解析】由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥得:電子位置的不確定范圍Δx≥=2.9010-3m。答案:Δx≥2.9010-3m,【通法悟道】分析微觀粒子運(yùn)動(dòng)的依據(jù)(1)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不再滿(mǎn)足牛頓定律。(2)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足不確定性關(guān)系,即微觀粒子位置不確定性越小,而動(dòng)量的不確定性越大。,【課堂小結(jié)】,- 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- 2018-2019高中物理 第17章 波粒二象性 17.4-17.5 概率波 不確定性關(guān)系課件 新人教版選修3-5 2018 2019 高中物理 17 二象性 17.4 17.5 概率 不確定 性關(guān)系
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