高中物理第十七章波粒二象性4概率波5不确定性关系课件2新人教版选修35

4概率波5不确定性关系(guānxì)第一页，共43页。一、经典的粒子(lìzǐ)和经典的波1.经典粒子(lìzǐ):(1)含义:粒子(lìzǐ)有一定的_________,具有一定的_____,有的还带有_____。(2)运动的基本特征:遵从_____________,任意时刻有确定的位置和_____,在时空中有确定的_____。空间(kōngjiān)大小质量(zhìliàng)电荷牛顿运动定律速度轨道第二页，共43页。2.经典的波:(1)含义:在空间是_________的。(2)特征(tèzhēng):具有_____和_____,即具有时空的_______。弥散(mísàn)开来频率(pínlǜ)波长周期性第三页，共43页。【判一判】(1)经典的粒子的运动适用牛顿第二定律。()(2)经典的波在空间传播具有周期性。()(3)经典的粒子和经典的波研究对象相同。()提示:(1)√。牛顿运动定律适用于经典物理。(2)√。由于振动(zhèndòng)周期性、波动双向性等导致经典的波在空间传播具有周期性。(3)×。经典粒子研究对象是粒子模型,经典波的研究对象是波动模型,二者研究对象不同。第四页，共43页。二、概率波1.光波是一种概率波:光的波动性不是光子之间的_________引起的,而是光子自身_____的性质,光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定,所以,光波是一种概率波。2.物质波也是概率波:对于电子(diànzǐ)和其他微观粒子,单个粒子的位置是_______的,但在某点附近出现的概率的大小可以由_____的规律确定。对于大量粒子,这种概率分布导致确定的宏观结果,所以物质波也是概率波。相互作用固有(gùyǒu)不确定(quèdìng)波动第五页，共43页。【判一判】(1)光子通过狭缝后落在屏上的位置(wèizhi)是可以确定的。()(2)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些。()(3)电子通过狭缝后运动的轨迹是确定的。()提示:(1)×。光子通过狭缝后落在屏上的位置(wèizhi)是不能确定的。(2)√。光子到达地方概率大的,出现亮纹,概率小的出现暗纹。(3)×。电子通过狭缝后运动的轨迹是不确定的。第六页，共43页。三、不确定性关系1.定义:在经典物理学中,一个质点的位置和动量是可以同时测定的;在微观物理学中,要同时测出微观粒子(lìzǐ)的位置和动量是不太可能的,这种关系叫_________关系。2.表达式:_______≥。其中用Δx表示粒子(lìzǐ)位置的不确定量,用Δp表示在x方向上动量的不确定量,h是普朗克常量。不确定性ΔxΔp第七页，共43页。【想一想】对微观粒子的运动分析能不能用“轨迹”来描述?提示:微观粒子的运动遵循不确定关系,也就是说,要准确确定粒子的位置,动量(或速度)的不确定量就更大;反之,要准确确定粒子的动量(或速度),位置的不确定量就更大,也就是说不可能同时准确地知道(zhīdào)粒子的位置和动量。因而不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。第八页，共43页。一、对概率(gàilǜ)波的进一步理解思考探究:1949年,前苏联物理学家费格尔曼做了一个非常精确的弱电子流衍射实验,如图所示是实验得到的衍射图样,衍射图样的结果说明了什么?第九页，共43页。提示:电子几乎是一个一个地通过双缝,底片上出现一个一个的点,显示出电子具有粒子性。开始(kāishǐ)时底片上的点子无规律分布,随着电子数的增多,逐渐形成典型的双缝衍射图样。该实验说明衍射图样不是电子相互作用的结果,而是来源于单个电子具有的波动性。衍射图样是大量电子出现概率的统计结果,衍射图样说明每个电子到达底片上各点有一定的概率,所以德布罗意波是概率波。第十页，共43页。【归纳总结】1.单个粒子运动的偶然性:我们可以知道粒子落在某点的概率,但不能预言粒子落在什么位置,即粒子到达什么位置是随机的,是预先不能确定的。2.大量粒子运动的必然性:由波动规律我们可以准确(zhǔnquè)地知道大量粒子运动时的统计规律,因此我们可以对宏观现象进行预言。第十一页，共43页。3.概率波体现了波粒二象性的和谐统一:概率波的主体是光子、实物(shíwù)粒子,体现了粒子性的一面;同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配,体现了波动性的一面,所以说概率波将波动性和粒子性统一在一起。第十二页，共43页。【特别提醒】(1)在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达,只是光子数量“特别少”,很难呈现出亮度。(2)要理解(lǐjiě)统计规律,对统计规律的认识是理解(lǐjiě)概率波的前提。第十三页，共43页。【典例示范】(多选)在单缝衍射实验中,中央(zhōngyāng)亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上。假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子()A.一定落在中央(zhōngyāng)亮纹处B.一定落在亮纹处C.可能落在暗纹处 D.落在中央(zhōngyāng)亮纹处的可能性最大第十四页，共43页。【解题探究(tànjiū)】(1)概率波遵守什么规律?提示:概率波遵守统计规律。(2)某一光子落到哪个点上是确定的吗?提示:单个光子是不能确定落在哪个点上的,我们只能得出大量光子的落点区域。第十五页，共43页。【正确解答(jiědá)】选C、D。根据光的概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处,可达95%以上。当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故C、D选项正确。第十六页，共43页。【过关训练】1.(多选)下列各种波属于概率波的是()A.声波 B.无线电波 C.光波 D.物质波【解析】选C、D。光波的波动性具有(jùyǒu)概率波的规律,任一运动的物体均有一种物质波与之对应,且这种物质波也具有(jùyǒu)概率波的规律。概率波与机械波和电磁波的本质不同。第十七页，共43页。2.(2015·广州高二检测)一个电子被加速后,以极高的速度在空间(kōngjiān)运动,关于它的运动,下列说法中正确的是()A.电子在空间(kōngjiān)做匀速直线运动B.电子上下左右颤动着前进C.电子运动轨迹是正弦曲线D.无法预言它的路径第十八页，共43页。【解析】选D。根据概率波的知识可知,某个(mǒuɡè)电子在空间中运动的路径我们无法确定,只能根据统计规律确定大量电子的运动区域。故选项D正确。第十九页，共43页。【补偿训练】1.(多选)在做双缝干涉实验中,在观察屏的某处是亮纹,则对光子到达观察屏的位置,下列说法正确的是()A.到达亮纹处的概率比到达暗纹处的概率大B.到达暗纹处的概率比到达亮纹处的概率大C.对于某一光子,它可能到达光屏的任何(rènhé)位置D.以上说法均有可能第二十页，共43页。【解析】选A、C。根据概率波的含义,一个光子到达亮纹处的概率要比到达暗纹处的概率大得多,但并不是一定能够到达亮纹处,并且光子可能到达光屏上的任何(rènhé)位置,故A、C正确。第二十一页，共43页。2.(多选)关于光的波粒二象性,以下说法正确的是()A.光有时是波,有时是一种粒子B.光子(guāngzǐ)和质子、电子等是一样的粒子C.大量光子(guāngzǐ)易显出波动性,少量光子(guāngzǐ)易显出粒子性D.紫外线、X射线和γ射线中,γ射线的粒子性最强,紫外线的波动性最显著第二十二页，共43页。【解析】选C、D。波动性和粒子性是光同时具备的两种性质,只是有时光易显示出波动性,有时光易显示出粒子性,A选项错误;光是一种概率波,大量光子易显示出波动性,少量光子易显示出粒子性,故C选项正确;在紫外线、X射线和γ射线中,紫外线的波长最长,最易发生衍射(yǎnshè)和干涉现象,波动性最强,而γ射线波长最短,最不容易发生干涉和衍射(yǎnshè)现象,因而其波动性最弱,粒子性最强,D选项正确;光虽然具有粒子性,第二十三页，共43页。每一份就是一个光子,但光子与电子、质子等实物粒子不同,前者没有一定的形状,而后者有一定的形状,前者在真空中的速度总是不变的,而后者却以低于光速的速度运动,且速度可以不断变化。我们说光具有粒子性,只是说光是一份一份的,是不连续(liánxù)的,并不是说光子与质子、电子等实物粒子是一样的粒子,故B选项错误。第二十四页，共43页。二、对不确定关系的理解思考探究:为什么说普朗克常量h是划分经典物理学和量子力学的一个界线?提示:普朗克常量是不确定关系中的重要角色,如果普朗克常量h的值可忽略不计,这时物体的位置、动量可同时有确定的值,如果h不能忽略,这时必须考虑微粒(wēilì)的波粒二象性。所以h成为划分经典物理学和量子力学的一个界线。第二十五页，共43页。【归纳总结】1.粒子(lìzǐ)位置的不确定性:单缝衍射现象中,入射的粒子(lìzǐ)有确定的动量,但它们可以处于挡板左侧的任何位置,也就是说,粒子(lìzǐ)在挡板左侧的位置是完全不确定的。第二十六页，共43页。2.粒子动量的不确定性:(1)微观粒子具有波动性,会发生衍射。大部分粒子到达(dàodá)狭缝之前沿水平方向运动,而在经过狭缝之后,有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。(2)由于哪个粒子到达(dàodá)屏上的哪个位置是完全随机的,所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性,不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。第二十七页，共43页。3.位置和动量的不确定性关系:ΔxΔp≥。由ΔxΔp≥可以知道,在微观领域,要准确地确定粒子的位置,动量的不确定性就更大;反之,要准确地确定粒子的动量,那么位置的不确定性就更大。4.微观粒子的运动没有特定的轨道:由不确定关系ΔxΔp≥可知(kězhī),微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的,这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动。第二十八页，共43页。5.经典(jīngdiǎn)物理和微观物理的区别:(1)在经典(jīngdiǎn)物理学中,可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动,如果知道质点的加速度,还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量,从而描绘它的运动轨迹。(2)在微观物理学中,不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。但是,我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律。第二十九页，共43页。【特别提醒】(1)在宏观世界(hóngguānshìjiè)中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较,相差很多倍。(2)根据计算的数据可以看出,宏观世界(hóngguānshìjiè)中的物体的质量较大,位置和速度的不确定量较小,可同时较精确地测出物体的位置和动量。(3)在微观世界中粒子的质量较小,不能同时精确地测出粒子的位置和动量,不能准确把握粒子的运动状态。第三十页，共43页。【典例示范】已知=5.3×10-35J·s,试求下列情况中速度测定的不确定(quèdìng)量,并根据计算结果,讨论在宏观和微观世界中进行测量的不同情况。(1)一个球的质量m=1.0kg,测定其位置的不确定(quèdìng)量为10-6m。(2)电子的质量m=9.0×10-31kg,测定其位置的不确定(quèdìng)量为10-10m。(即在原子的数量级)第三十一页，共43页。【解题探究】如何求解速度(sùdù)测定的不确定量?提示:根据不确定性关系ΔxΔp≥,先求动量的不确定性关系,再由Δp=mΔv,计算速度(sùdù)测量的不确定性关系。第三十二页，共43页。【正确(zhèngquè)解答】(1)m=1.0kg,Δx=10-6m,由ΔxΔp≥,Δp=mΔv知Δv1==5.3×10-29m/s(2)me=9.0×10-31kg,Δx=10-10mΔv2==5.89×105m/s第三十三页，共43页。【过关训练】1.经150V电压加速的电子束,沿同一方向射出,穿过(chuānɡuò)铝箔后射到其后的屏上,则()A.所有电子的运动轨迹均相同B.所有电子到达屏上的位置坐标均相同C.电子到达屏上的位置坐标可用牛顿运动定律确定D.电子到达屏上的位置受波动规律支配,无法用确定的坐标来描述它的位置第三十四页，共43页。【解析】选D。电子被加速(jiāsù)后其德布罗意波长λ=≈1×10-10m,穿过铝箔时发生衍射。选项D正确。第三十五页，共43页。2.(多选)(2015·杭州高二检测)根据不确定性关系ΔxΔp≥判断下列说法正确的是()A.采取办法提高测量Δx精度时,Δp的精度下降B.采取办法提高测量Δx精度时,Δp的精度上升(shàngshēng)C.Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关D.Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关第三十六页，共43页。【解析】选A、D。不确定性关系表明(biǎomíng)无论采用什么方法试图确定坐标和相应动量中的一个,必然引起另一个较大的不确定性,这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关。无论怎样改善测量仪器和测量方法,都不可能逾越不确定性关系所给出的限度,故A、D正确。第三十七页，共43页。【补偿(bǔcháng)训练】质量为m的粒子被限制在x=-到x=的区域内运动,在它朝x轴正方向运动时,其动量测量值的最小不确定量Δp=。【解析】Δx=l,由ΔxΔp≥知,Δp=。答案:第三十八页，共43页。【规律方法】关于粒子的波动性(1)在经典物理学中,波和粒子是两种完全不同的研究对象,具有非常不同的表现,是不相容的两个物理对象。(2)物质波是一种概率波,但不能将实物粒子的波动性等同于宏观(hóngguān)的机械波,更不能理解为粒子做曲线运动。第三十九页，共43页。(3)不确定性关系ΔxΔp≥是自然界的普遍规律,对微观世界的影响(y