（全國通用）高中物理 第十七章 波粒二象性 第4節(jié) 概率波 第5節(jié) 不確定性關(guān)系課件 新人教選修35

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1、物理選修選修3-5 人教版人教版第十七章波粒二象性波粒二象性第四節(jié)概率波第四節(jié)概率波第五節(jié)不確定性關(guān)系第五節(jié)不確定性關(guān)系 學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 目目 標(biāo)標(biāo)了解經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波的基本特征了解經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波的基本特征知道光波和物質(zhì)波都是概率波知道光波和物質(zhì)波都是概率波了解了解“不確定性關(guān)系不確定性關(guān)系”的具體含義的具體含義 知知 識識 導(dǎo)導(dǎo) 圖圖1 1課前預(yù)習(xí)課前預(yù)習(xí)2 2課內(nèi)探究課內(nèi)探究3 3素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升4 4課堂達(dá)標(biāo)課堂達(dá)標(biāo)課課 前前 預(yù)預(yù) 習(xí)習(xí)1經(jīng)典的粒子經(jīng)典的粒子在經(jīng)典物理學(xué)的概念中，在經(jīng)典物理學(xué)的概念中， 粒子有一定的粒子有一定的_大小，有一定的大小，有一定的_，有的還有電荷。其運(yùn)動

2、的基本特征是：任意時刻有確定，有的還有電荷。其運(yùn)動的基本特征是：任意時刻有確定_和和_以及在空間的確定以及在空間的確定_。2經(jīng)典的波經(jīng)典的波經(jīng)典的波在空間中是彌散開來的，其特征是具有經(jīng)典的波在空間中是彌散開來的，其特征是具有_和和_，也，也就是具有就是具有_的周期性。的周期性。知識點(diǎn)知識點(diǎn) 1經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波空間空間質(zhì)量質(zhì)量位置位置速度速度軌道軌道頻率頻率波長波長時空時空1光波是概率波光波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概率光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的，即光子落在明紋處的概率_，落在，落在暗紋處的概率暗紋處的概率_。這就是說，光子在空間出現(xiàn)的概率

3、可以通過波動的規(guī)律。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。所以，從光子的概念上看，光波是一種確定。所以，從光子的概念上看，光波是一種_。2物質(zhì)波也是概率波物質(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)附的，但在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率的大小可以由近出現(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)波也是布導(dǎo)致確定的宏觀結(jié)果，所以物質(zhì)波也是_。知識點(diǎn)知識點(diǎn) 2概率波概率波大大小小概率波概率波不確定不確定波動波動概率波概率波1概念概念在經(jīng)典力學(xué)中，一

4、個質(zhì)點(diǎn)的位置和動量是可以同時在經(jīng)典力學(xué)中，一個質(zhì)點(diǎn)的位置和動量是可以同時_的，在量的，在量子理論建立之后，要同時測出微觀粒子的子理論建立之后，要同時測出微觀粒子的_和和_，是不太可能，是不太可能的。我們把這種關(guān)系叫做不確定性關(guān)系。的。我們把這種關(guān)系叫做不確定性關(guān)系。2表達(dá)式表達(dá)式利用數(shù)學(xué)方法對微觀粒子的運(yùn)動進(jìn)行分析可以知道，如果以利用數(shù)學(xué)方法對微觀粒子的運(yùn)動進(jìn)行分析可以知道，如果以x表示粒子位表示粒子位置的不確定量，以置的不確定量，以p表示粒子在表示粒子在x方向上的動量的不確定量，那么方向上的動量的不確定量，那么xp_式中式中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。是普朗克

5、常量。這就是著名的不確定性關(guān)系，簡稱不確定關(guān)系。知識點(diǎn)知識點(diǎn) 3不確定性關(guān)系不確定性關(guān)系精確測定精確測定位置位置動量動量判一判判一判(1)經(jīng)典的粒子的運(yùn)動適用牛頓第二定律。經(jīng)典的粒子的運(yùn)動適用牛頓第二定律。()(2)經(jīng)典的波在空間傳播具有周期性。經(jīng)典的波在空間傳播具有周期性。()(3)經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波研究對象相同。經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波研究對象相同。()(4)光子通過狹縫后落在屏上的位置是可以確定的。光子通過狹縫后落在屏上的位置是可以確定的。()(5)光子通過狹縫后落在屏上明紋處的概率大些。光子通過狹縫后落在屏上明紋處的概率大些。()(6)電子通過狹縫后運(yùn)動的軌跡是確定的。電子通過狹縫后運(yùn)動

6、的軌跡是確定的。()CD想一想想一想在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，某光子打在光屏上的落點(diǎn)能預(yù)測嗎？大量的光子打在在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，某光子打在光屏上的落點(diǎn)能預(yù)測嗎？大量的光子打在光屏上的落點(diǎn)是否有規(guī)律？請用概率波的觀點(diǎn)解釋雙縫干涉圖樣的形成。光屏上的落點(diǎn)是否有規(guī)律？請用概率波的觀點(diǎn)解釋雙縫干涉圖樣的形成。答案：答案：在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，某個光子打在光屏上的落點(diǎn)根本不能預(yù)在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，某個光子打在光屏上的落點(diǎn)根本不能預(yù)測，但大量光子打在光屏上將形成明暗相間的干涉條紋，這說明光子落在各點(diǎn)測，但大量光子打在光屏上將形成明暗相間的干涉條紋，這說明光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的，光子落在明條紋處的概率大，落在

7、暗條紋處的概率小，光的概率是不一樣的，光子落在明條紋處的概率大，落在暗條紋處的概率小，光子在空間出現(xiàn)的概率遵循波動規(guī)律，所以光波是一種概率波。子在空間出現(xiàn)的概率遵循波動規(guī)律，所以光波是一種概率波。課課 內(nèi)內(nèi) 探探 究究如圖所示是雙縫干涉的圖樣，我們?nèi)绾斡霉獾牟６笮詠斫忉屇?？如圖所示是雙縫干涉的圖樣，我們?nèi)绾斡霉獾牟６笮詠斫忉屇?？探究一對概率波的理解探究一對概率波的理解提示：提示：圖圖a中表示曝光時間很短的情況，在膠片上出現(xiàn)的是隨機(jī)分布的光中表示曝光時間很短的情況，在膠片上出現(xiàn)的是隨機(jī)分布的光點(diǎn)。延長膠片曝光的時間，就會出現(xiàn)如圖點(diǎn)。延長膠片曝光的時間，就會出現(xiàn)如圖b所示的圖樣。從圖中可以

8、看出，光子所示的圖樣。從圖中可以看出，光子在某些條形區(qū)域出現(xiàn)的概率增大，這些區(qū)域是光波通過雙縫后產(chǎn)生相干振動加在某些條形區(qū)域出現(xiàn)的概率增大，這些區(qū)域是光波通過雙縫后產(chǎn)生相干振動加強(qiáng)的區(qū)域；而落在其他一些條形區(qū)域的概率很小，這些區(qū)域是光波通過雙縫后強(qiáng)的區(qū)域；而落在其他一些條形區(qū)域的概率很小，這些區(qū)域是光波通過雙縫后產(chǎn)生相干振動減弱的區(qū)域。曝光的時間越長，圖樣就越清晰產(chǎn)生相干振動減弱的區(qū)域。曝光的時間越長，圖樣就越清晰(如如c圖所示圖所示)，這說，這說明，可以用光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率，來解釋光的干涉圖樣，即認(rèn)為光是一明，可以用光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率，來解釋光的干涉圖樣，即認(rèn)為光是一種概率波。種

9、概率波。1單個粒子運(yùn)動的偶然性單個粒子運(yùn)動的偶然性我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不確定的。子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不確定的。2大量粒子運(yùn)動的必然性大量粒子運(yùn)動的必然性由波動規(guī)律，我們可以準(zhǔn)確地知道，大量粒子運(yùn)動時的統(tǒng)計規(guī)律，因此我由波動規(guī)律，我們可以準(zhǔn)確地知道，大量粒子運(yùn)動時的統(tǒng)計規(guī)律，因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言。們可以對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言。3概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一概率波體現(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

10、粒子在某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。動性和粒子性統(tǒng)一在一起。特別提醒：特別提醒：(1)在雙縫干涉和單縫衍射的暗紋處也有光子到達(dá)，只是光子數(shù)在雙縫干涉和單縫衍射的暗紋處也有光子到達(dá)，只是光子數(shù)“特別少特別少”。(2)要理解統(tǒng)計規(guī)律，對統(tǒng)計規(guī)律的認(rèn)識是理解概率波的前提。要理解統(tǒng)計規(guī)律，對統(tǒng)計規(guī)律的認(rèn)識是理解概率波的前提。(多選多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮

11、紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個光強(qiáng)的個光強(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一定落在中央亮紋處B一定落在亮紋處一定落在亮紋處C可能落在暗紋處可能落在暗紋處D落在中央亮紋處的可能性最大落在中央亮紋處的可能性最大典例典例 1CD解題指導(dǎo)：解題指導(dǎo)：(1)概率大小只表明事件發(fā)生的可能性，實(shí)際情況如何，則不確概率大小只表明事件發(fā)生的可能性，實(shí)際情況如何，則不確定。定。(2)大量光子的行為易表現(xiàn)出光的波動性，少量光子的行為易表現(xiàn)出粒子大量光子的行為易表現(xiàn)出光的波動性，少量光子的行為易表現(xiàn)出粒子性。性。解析：解析：根據(jù)光

12、的概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不可根據(jù)光的概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)95%以上。當(dāng)然也可落在其他以上。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選項正選項正確。確。對點(diǎn)訓(xùn)練對點(diǎn)訓(xùn)練1下列說法正確的是下列說法正確的是()A概率波就是機(jī)械波概率波就是機(jī)械波B物質(zhì)波是一種概率波物質(zhì)波是一種概率波C概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生

13、干涉和衍射現(xiàn)象D在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個光子，則能確定這個光子落在哪個在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個光子，則能確定這個光子落在哪個點(diǎn)上點(diǎn)上解析：解析：概率波與機(jī)械波是兩個概念，本質(zhì)不同；物質(zhì)波是一種概率波，符概率波與機(jī)械波是兩個概念，本質(zhì)不同；物質(zhì)波是一種概率波，符合概率波的特點(diǎn)；光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個光子，這個光子的落點(diǎn)是不合概率波的特點(diǎn)；光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個光子，這個光子的落點(diǎn)是不確定的，但有概率較大的位置。故確定的，但有概率較大的位置。故B正確。正確。B對微觀粒子的分析能不能用對微觀粒子的分析能不能用“軌跡軌跡”來描述呢？來描述呢？提示：提示：微觀粒子的運(yùn)動遵循不確定

14、關(guān)系，也就是說，要準(zhǔn)確確定粒子的位微觀粒子的運(yùn)動遵循不確定關(guān)系，也就是說，要準(zhǔn)確確定粒子的位置，動量置，動量(或速度或速度)的不確定量就更大；反之，要準(zhǔn)確確定粒子的動量的不確定量就更大；反之，要準(zhǔn)確確定粒子的動量(或速度或速度)，位置的不確定量就更大，也就是說不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量。位置的不確定量就更大，也就是說不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量。因而不可能用因而不可能用“軌跡軌跡”來描述粒子的運(yùn)動。來描述粒子的運(yùn)動。探究二對不確定性關(guān)系的理解探究二對不確定性關(guān)系的理解1粒子位置的不確定性粒子位置的不確定性單縫衍射現(xiàn)象中，入射的粒子有確定的動量，但它們可以處于擋板左側(cè)的單縫衍射

15、現(xiàn)象中，入射的粒子有確定的動量，但它們可以處于擋板左側(cè)的任何位置，也就是說，粒子在擋板左側(cè)的位置是完全不確定的。任何位置，也就是說，粒子在擋板左側(cè)的位置是完全不確定的。2粒子動量的不確定性粒子動量的不確定性(1)微觀粒子具有波動性，會發(fā)生衍射。大部分粒子到達(dá)狹縫之前沿水平方微觀粒子具有波動性，會發(fā)生衍射。大部分粒子到達(dá)狹縫之前沿水平方向運(yùn)動，而在經(jīng)過狹縫之后，有些粒子跑到投影位置以外。這些粒子具有與其向運(yùn)動，而在經(jīng)過狹縫之后，有些粒子跑到投影位置以外。這些粒子具有與其原來運(yùn)動方向垂直的動量。原來運(yùn)動方向垂直的動量。(2)由于哪個粒子到達(dá)屏上的哪個位置是完全隨機(jī)的，所以粒子在垂直方向由于哪個粒子

16、到達(dá)屏上的哪個位置是完全隨機(jī)的，所以粒子在垂直方向上的動量也具有不確定性，不確定量的大小可以由中央亮條紋的寬度來衡量。上的動量也具有不確定性，不確定量的大小可以由中央亮條紋的寬度來衡量。5經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別(1)在經(jīng)典物理學(xué)中，可以同時用位置和動量精確地描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，如果在經(jīng)典物理學(xué)中，可以同時用位置和動量精確地描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，如果知道質(zhì)點(diǎn)的加速度，還可以預(yù)言質(zhì)點(diǎn)在以后任意時刻的位置和動量，從而描繪知道質(zhì)點(diǎn)的加速度，還可以預(yù)言質(zhì)點(diǎn)在以后任意時刻的位置和動量，從而描繪它的運(yùn)動軌跡。它的運(yùn)動軌跡。(2)在微觀物理學(xué)中，不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量。因而也就在

17、微觀物理學(xué)中，不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量。因而也就不可能用不可能用“軌跡軌跡”來描述粒子的運(yùn)動。但是，我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運(yùn)來描述粒子的運(yùn)動。但是，我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運(yùn)動時的統(tǒng)計規(guī)律。動時的統(tǒng)計規(guī)律。典例典例 2答案：答案：(1)5.31029m/ /s(2)5.89(2)5.8910105 5m/ /s對點(diǎn)訓(xùn)練對點(diǎn)訓(xùn)練2(多選多選)光通過單縫所發(fā)生的現(xiàn)象，用位置和動量的不確定光通過單縫所發(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，正確的是關(guān)系的觀點(diǎn)加以解釋，正確的是()A單縫越寬，光沿直線傳播，是因?yàn)閱慰p越寬，位置不確定量單縫越寬，光沿直線傳播，是因?yàn)閱慰p越寬

18、，位置不確定量x越大，越大，動量不確定量動量不確定量p越大的緣故越大的緣故B單縫越寬，光沿直線傳播，是因?yàn)閱慰p越寬，位置不確定量單縫越寬，光沿直線傳播，是因?yàn)閱慰p越寬，位置不確定量x越大，越大，動量不確定量動量不確定量p越小的緣故越小的緣故C單縫越窄，中央亮紋越寬，是因?yàn)閱慰p越窄，位置不確定量單縫越窄，中央亮紋越寬，是因?yàn)閱慰p越窄，位置不確定量x越小，越小，動量不確定量動量不確定量p越小的緣故越小的緣故D單縫越窄，中央亮紋越寬，是因?yàn)閱慰p越窄，位置不確定量單縫越窄，中央亮紋越寬，是因?yàn)閱慰p越窄，位置不確定量x越小，越小，動量不確定量動量不確定量p越大的緣故越大的緣故BD素素 養(yǎng)養(yǎng) 提提 升升易

19、錯點(diǎn)：不能正確理解不確定性關(guān)系易錯點(diǎn)：不能正確理解不確定性關(guān)系(多選多選)以下說法正確的是以下說法正確的是()A微觀粒子不能用微觀粒子不能用“軌道軌道”觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動B微觀粒子用微觀粒子用“軌道軌道”觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動C微觀粒子位置不能精確確定微觀粒子位置不能精確確定D微觀粒子位置能精確確定微觀粒子位置能精確確定案案 例例AC易錯分析：易錯分析：受經(jīng)典力學(xué)規(guī)律的影響，沒有正確理解不確定性關(guān)系。因?yàn)樵谑芙?jīng)典力學(xué)規(guī)律的影響，沒有正確理解不確定性關(guān)系。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)概念中，一個粒子的位置和動量是可以同時精確測定的，因而錯選經(jīng)典力學(xué)概念中，一個粒子的位置和動量是可以同時精確測定的，因而錯選B、D。正確解答：正確解答：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用“軌道軌道”的觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動，故的觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動，故A項正確。由微觀粒子的波粒二象性項正確。由微觀粒子的波粒二象性可知微觀粒子的位置不能精確確定，故可知微觀粒子的位置不能精確確定，故C項正確。項正確。