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)動的基本特征是已知初始位置和初始速度,任意時刻可以確定_____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來的,其特征是具有_____和_____,也就是具有時空的_______。,頻率,波長,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,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(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:對于電子和其他微觀粒子,單個粒子的位置是_______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,概率波,,2.不確定性關(guān)系:(1)在經(jīng)典力學(xué)中,一個質(zhì)點(diǎn)的位置和動量是可以同時_________的,在量子理論建立之后,要同時測出微觀粒子的_____和_____,是不太可能的。我們把這種關(guān)系叫做不確定性關(guān)系。,精確測定,位置,動量,,(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,簡稱不確定關(guān)系。,,【預(yù)習(xí)小測】1.(多選)下列各種波屬于概率波的是()A.聲波B.無線電波C.光波D.物質(zhì)波,,【解析】選C、D。光波的波動性具有概率波的規(guī)律,任一運(yùn)動的物體均有一種物質(zhì)波與之對應(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錯誤,C、D項(xiàng)正確。,,2.(多選)以下說法正確的是()A.物體都具有波動性B.抖動細(xì)繩一端,繩上的波就是物質(zhì)波C.通常情況下,質(zhì)子比電子的波長長D.核外電子繞核運(yùn)動時,并沒有確定的軌道,,【解析】選A、D。任何物體都具有波動性,故A對;對宏觀物體而言,其波動性難以觀測,我們所看到的繩波是機(jī)械波,不是物質(zhì)波,故B錯;電子的動量往往比質(zhì)子的動量小,由λ=知,電子的波長長,故C錯;核外電子繞核運(yùn)動的規(guī)律是概率問題,無確定的軌道,故D對。,,3.(多選)以下說法正確的是()A.微觀粒子不能用“軌道”觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動B.微觀粒子能用“軌道”觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動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。微觀粒子的動量和位置是不能同時確定的。這也就決定了不能用“軌道”的觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動(軌道上運(yùn)動的粒子在某時刻具有確定的位置和動量),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,波動性越顯著,,C.光的波長越長,波動性就越顯著;光的波長越短,粒子性就越顯著D.如果讓光子一個一個地通過狹縫時,它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)則的勻速直線運(yùn)動,,【解析】選B、C。光的頻率越高,波長越短,光的粒子性越顯著;光的頻率越低,波長越長,光的波動性越顯著,A錯誤,B、C正確;光是一種概率波,光子在空間出現(xiàn)的概率由波動規(guī)律決定,每個光子通過狹縫后到達(dá)哪個位置是不能確定的,故D錯誤。,主題一概率波【互動探究】探究點(diǎn)1光是一種概率波如圖是光發(fā)生雙縫干涉時的圖樣,請結(jié)合此圖分析以下問題。,,(1)光的強(qiáng)度減弱時,光子的數(shù)目減少,衍射圖樣是否會消失?提示:不會消失,光子數(shù)目減少時,絕大多數(shù)光子通過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)由此你對光的波動性有何認(rèn)識?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,請分析以下問題:,(1)由甲、乙、丙三圖樣的比較,你對物質(zhì)波又有什么深刻認(rèn)識?提示:①物質(zhì)波發(fā)生雙縫干涉時不論實(shí)物粒子數(shù)目的多少,某些區(qū)域落入的實(shí)物粒子的個數(shù)總是較多,而另一區(qū)域落入實(shí)物粒子的個數(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象,具有明顯不同的表現(xiàn)。但通過進(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、頻率,粒子具有波動性,只是粒子性更明顯;分析水波、繩子抖出的波等一系列機(jī)械波問題時,也認(rèn)為波上的各個質(zhì)點(diǎn)在上下振動的同時,能量向外傳播,即認(rèn)為波中有粒子,波是粒子的振動向外傳播的結(jié)果。,(3)你對概率波是怎樣理解的?提示:光和物質(zhì)都具有波粒二象性,單個光子顯示粒子性,而大量光子顯示波動性。單個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)來解釋物質(zhì)波,也可以說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;同時粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配,體現(xiàn)了波動性的一面,所以說,概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在一起。,2.光的波動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,以至它在前一個光子到達(dá)屏幕之后才發(fā)射第二個光子,這樣就排除了光子之間相互作用的可能性。,(2)盡管單個光子的落點(diǎn)不可預(yù)知,但是長時間曝光之后仍然可以得到明暗相間的條紋,可見,光的波動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)動規(guī)律,以下說法正確的是()A.電子如果不表現(xiàn)波動性,則無法用軌跡來描述它們的運(yùn)動,其規(guī)律遵循牛頓定律B.電子如果不表現(xiàn)波動性,則可以用軌跡來描述它們的運(yùn)動,其規(guī)律遵循波動規(guī)律,C.電子如果表現(xiàn)波動性,則無法用軌跡來描述它們的運(yùn)動,空間分布的概率遵循波動規(guī)律D.電子如果表現(xiàn)波動性,則可以用軌跡來描述它們的運(yùn)動,其規(guī)律遵循牛頓定律,,【解題指南】(1)電子無論是表現(xiàn)出波動性還是表現(xiàn)出粒子性,都與經(jīng)典的波和經(jīng)典的粒子不同,沒有確定的軌跡,不遵循牛頓運(yùn)動定律。(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規(guī)律。,,【解析】選C。電子的運(yùn)動屬于概率波,少量電子表現(xiàn)出粒子性,不遵循牛頓運(yùn)動定律,無法用軌跡描述其運(yùn)動,A、B錯。大量電子表現(xiàn)出波動性,無法用軌跡描述其運(yùn)動,可確定電子在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率,且概率波遵循波動規(guī)律,C對、D錯。,【探究訓(xùn)練】1.(多選)(2018聊城高二檢測)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中,下列說法正確的是()A.使光子一個一個地通過狹縫,如果時間足夠長,底片上將會顯示衍射圖樣B.單個光子通過狹縫后,底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C.光子通過狹縫的運(yùn)動路線是直線D.光的波動性是大量光子運(yùn)動的規(guī)律,【解析】選A、D。個別或少數(shù)光子表現(xiàn)出光的粒子性,大量光子表現(xiàn)出光的波動性,如果時間足夠長,通過狹縫的光子數(shù)也就足夠多,粒子的分布遵從波動規(guī)律,底片上將會顯示出衍射圖樣,A、D選項(xiàng)正確。單個光子通過狹縫后,路徑是隨機(jī)的,底片上也不會出現(xiàn)完整的衍射圖樣,B、C選項(xiàng)錯。,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光強(qiáng)的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫,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,對于一個光子通過單縫后落在何處,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,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.粒子的動量越大,其波動性越易觀察D.粒子的動量越小,其波動性越易觀察,,【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)動時波動性較明顯,而少量粒子運(yùn)動時粒子性較明顯。,,主題二不確定性關(guān)系【互動探究】,,如圖甲是光的單縫衍射圖樣,乙是粒子衍射示意圖線。根據(jù)兩圖回答:(1)對比圖甲中兩圖,思考微觀粒子的運(yùn)動是否遵從牛頓定律?,,提示:如果光子在運(yùn)動過程中不受力,根據(jù)牛頓定律,光子應(yīng)做勻速直線運(yùn)動,如圖甲(a),而由于光的衍射可知,光子實(shí)際運(yùn)動發(fā)生了偏差,如圖甲(b),故光子運(yùn)動并不遵從牛頓定律,即微觀粒子的運(yùn)動不能類似于質(zhì)點(diǎn)確定其位置及動量。,,(2)圖乙中狹縫寬度變小,通過狹縫粒子的位置不確定性減小,而粒子動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,即粒子動量的不確定性變大。,,(3)單個粒子的運(yùn)動情況可否預(yù)知?粒子出現(xiàn)的位置是否無規(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)知單個粒子的實(shí)際運(yùn)動情況,但粒子出現(xiàn)的位置并不是無規(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)既然單個粒子的運(yùn)動情況不可預(yù)知,為什么還要研究粒子的運(yùn)動規(guī)律?提示:由不確定性關(guān)系可知,我們不能準(zhǔn)確預(yù)知單個粒子的實(shí)際運(yùn)動情況,但是大量粒子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是可以準(zhǔn)確預(yù)知的,可以從宏觀上對一個系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和控制。,,(5)你對位置和動量的不確定性關(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)確地測定粒子的位置,動量的不確定性就變大;反之,要準(zhǔn)確確定粒子的動量,那么位置的不確定性就變大。如將狹縫變成寬縫,粒子的動量能被精確測定(可認(rèn)為此時不發(fā)生衍射),但粒子通過縫的位置的不確定性卻增大了;反之取狹縫Δx→0,粒子的位置測定精確了,但衍射范圍會隨Δx的減小而增大,這時動量的測定就更加不準(zhǔn)確了。,,【探究總結(jié)】1.位置和動量的不確定性關(guān)系:(1)在微觀領(lǐng)域,要準(zhǔn)確地測定粒子的位置,動量的不確定性就更大;反之,要準(zhǔn)確確定粒子的動量,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,粒子的動量能被精確測定(可認(rèn)為此時不發(fā)生衍射),但粒子通過縫的位置的不確定性卻增大了;反之狹縫越小,粒子的位置測定精確了,但衍射范圍會隨狹縫的減小而增大,這時動量的測定就更加不準(zhǔn)確了。,,2.微觀粒子的運(yùn)動沒有特定的軌道:(1)由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知,微觀粒子的位置和動量是不能同時被確定的,這也就決定了不能用“軌道”的觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動,因?yàn)椤败壍馈睂?yīng)的粒子某時刻應(yīng)該有確定的位置和動量,但這是不符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律的。,,(2)微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài),不能像宏觀物體的運(yùn)動那樣通過確定的軌跡來描述,而是只能通過概率波進(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,對微觀世界的影響顯著,對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、動量的精度互相制約,此長彼消。當(dāng)粒子位置不確定性變小時,粒子動量的不確定性變大;粒子位置不確定性變大時,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),不確定性關(guān)系也適用于其他宏觀粒子,不過這些不確定量微乎其微,故C、D正確。,,【探究訓(xùn)練】1.(多選)(2018煙臺高二檢測)光通過單縫所發(fā)生的現(xiàn)象,用位置和動量的不確定關(guān)系的觀點(diǎn)加以解釋,正確的是()A.單縫寬,光沿直線傳播,是因?yàn)閱慰p越寬,位置不確定量Δx越大,動量不確定量Δp越大的緣故,,B.單縫寬,光沿直線傳播,是因?yàn)閱慰p越寬,位置不確定量Δx越大,動量不確定量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,動量不確定量Δp越小,所以光沿直線傳播,B正確;單縫越窄,位置不確定量Δx越小,動量不確定量Δp越大,所以中央亮紋越寬,D正確。,,2.(2018漳州高二檢測)一電子具有200m/s的速率,動量的不確定范圍是0.01%,我們確定該電子位置時,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)動的依據(jù)(1)微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律不再滿足牛頓定律。(2)微觀粒子的運(yùn)動滿足不確定性關(guān)系,即微觀粒子位置不確定性越小,而動量的不確定性越大。,【課堂小結(jié)】,