物理：第3、4、5節(jié)《光的波粒二象性》《實物粒子的波粒二象性》《不確定關系》課件

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歡迎進入物理課堂 第3節(jié)光的波粒二象性第4節(jié)實物粒子的波粒二象性第5節(jié)不確定關系 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 第5節(jié) 課前自主學案 課標定位 1 知道康普頓效應 理解康普頓效應實驗現(xiàn)象 2 知道光具有波粒二象性 且光是概率波 3 理解德布羅意物質波假說 知道一切實物粒子都具有波粒二象性 4 理解不確定關系 了解不確定關系在微觀世界與宏觀世界中的不同作用 課標定位 課前自主學案 一 康普頓效應 光的波粒二象性1 內(nèi)容 康普頓在研究石墨對X射線的散射時 發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中 除原波長外 還有波長隨散射角的增大而 的譜線 X射線經(jīng)物質散射后波長 的現(xiàn)象稱為康普頓效應 2 意義 康普頓效應深入地揭示了光的 性的一面 表明光子除了具有能量之外還具有 因此光具有波粒二象性 3 光子的能量和動量 p 增大 變長 粒子 動量 h 有一位記者曾向英國物理學家 諾貝爾獎獲得者布拉格請教 光是波還是粒子 布拉格幽默地答道 星期一 三 五它是一個波 星期二 四 六它是一個粒子 星期天物理學家休息 你是如何理解布拉格的回答的 提示 光既不同于宏觀觀念的粒子 又不同于宏觀觀念的波 但光既具有粒子性 又具有波動性 粒子性 波動性是光本身的屬性 思考感悟 二 光是一種概率波1 概率波在雙縫干涉圖樣中 條紋的明暗表示到達屏上光的強度不同 每個同頻率光子都帶有相同的一份能量 光的強度對應于光子的數(shù)目 明紋處到達的光子數(shù)多 暗紋處到達的光子數(shù)少 可見光子落在各點的概率是不一樣的 光子落在明紋處的概率大 落在暗紋處的概率小 即光子在空間出現(xiàn)的概率可以用波動的規(guī)律去確定 所以說光波是一種 波 概率 2 實驗探究圖4 3 1中甲是用很弱的光源做雙縫干涉實驗的裝置 乙圖的曝光時間最短 顯示出光的 丙 丁圖中光子到達的區(qū)域正好是波通過雙縫后發(fā)生干涉時的 區(qū)域 表明光具有 粒子性 明條紋 波動性 圖4 3 1 如果使光源更微弱 使同一時刻只有一個光子飛向感光屏 不同曝光時間攝得的照片仍和乙 丙 丁相同 表明波動性是光子本身的屬性 三 德布羅意物質波假說及波長實物粒子像光子一樣 也具有 粒子的能量 與動量p跟它對應的頻率 與波長 之間遵從的關系為 p 波粒二象性 h 四 電子波動性的實驗證實 氫原子中的電子云1 物質波的實驗驗證1927年戴維孫和G P 湯姆孫分別利用 做了電子束衍射的實驗 得到了電子的衍射圖樣 證實了電子的 性 2 電子云 在氫原子中 電子在原子核周圍出現(xiàn)的概率密度 出現(xiàn)在某處單位體積中的概率大小 分布的情況被形象化地叫做電子云 晶體 波動 五 不確定關系1 微觀粒子運動的基本特征不再遵守牛頓運動定律 不可能同時準確地知道粒子的 和 不可能用 來描述粒子的運動 微觀粒子的運動狀態(tài)只能通過 做統(tǒng)計性的描述 2 不確定關系 位置 動量 軌跡 概率 以 x表示粒子位置的不確定量 以 p表示粒子在x方向上的動量的不確定量 那么 x px 式中h是 常量 3 以宏觀世界為研究對象學習和研究經(jīng)典物理學時 就可以完全不涉及實物粒子的波動性 不確定關系是對物體在多大程度上要考察其波動性作了最精確的概括 普朗克 核心要點突破 一 對光的波粒二象性的理解1 光的粒子性的含義粒子的含義是 不連續(xù) 一份一份 的 光的粒子即光子 不同于宏觀概念的粒子 但也具有動量和能量 1 當光同物質發(fā)生作用時 表現(xiàn)出粒子的性質 2 少量或個別光子易顯示出光的粒子性 3 頻率高 波長短的光 粒子性特征顯著 2 光的波動性的含義光的波動性是光子本身的一種屬性 它不同于宏觀的波 它是一種概率波 即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小 概率 可用波動規(guī)律描述 1 足夠能量的光 大量光子 在傳播時 表現(xiàn)出波的性質 2 頻率低 波長長的光 波動性特征顯著 3 光的波動性 粒子性是統(tǒng)一的 1 光的粒子性并不否定光的波動性 光既具有波動性 又具有粒子性 波動性 粒子性都是光的本身屬性 只是在不同條件下的表現(xiàn)不同 2 只有從波粒二象性的角度 才能統(tǒng)一說明光的各種行為 特別提醒 光子說并不否認光的電磁說 1 按光子說 光子的能量E h 其中 表示光的頻率 即表示了波的特征 2 從光子說或電磁說推導光子動量以及光速都得到一致的結論 即時應用 即時突破 小試牛刀 1 關于光的波粒二象性 不正確的說法是 A 光的頻率越高 光子的能量越大 粒子性越顯著B 光的波長越長 光子的能量越小 波動性越顯著C 頻率高的光子不具有波動性 波長較長的光子不具有粒子性D 個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性 大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性 解析 選C 光具有波粒二象性 但在不同情況下表現(xiàn)不同 頻率越高 波長越短 粒子性愈強 反之波動性明顯 個別光子易顯示粒子性 大量光子顯示波動性 故A B D正確 C錯誤 二 對概率波的理解1 單個粒子運動的偶然性我們可以知道粒子落在某點的概率 但不能預言粒子落在什么位置 即粒子到達什么位置是隨機的 是預先不確定的 2 大量粒子運動的必然性由波動規(guī)律 我們可以準確地知道 大量粒子運動時的統(tǒng)計規(guī)律 因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進行預言 3 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 特別提醒 1 德布羅意波是一種概率波 是指在一般情況下 無法準確描述粒子的位置 無法用軌跡描述粒子的運動 粒子在空間某點出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配 2 德布羅意波不同于宏觀的機械波 更不能理解為粒子做曲線運動 即時應用 即時突破 小試牛刀 2 在光的雙縫干涉實驗中 在光屏上放上照相底片并設法減弱光子流的強度 盡可能使光子一個一個地通過狹縫 在曝光時間不長和曝光時間足夠長的兩種情況下 其實驗結果是 若曝光時間不長 則底片上出現(xiàn)一些無規(guī)則的點 若曝光時間足夠長 則底片上出現(xiàn)干涉條紋 這一實驗結果證明了光具有波動性 這一實驗結果否定了光具有粒子性 A 對B 對C 對D 對答案 A 三 對德布羅意物質波的理解1 任何物體 小到電子 質子 大到行星 太陽都存在波動性 我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性 是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故 2 德布羅意波是一種概率波 粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配 不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波 3 德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣 使之包括了所有的物質粒子 即光子與實物粒子都具有粒子性 又都具有波動性 與光子對應的波是電磁波 與實物粒子對應的波是物質波 特別提醒 光和實物粒子都具有波粒二象性 對于波粒二象性的理解 應注意 1 在宏觀現(xiàn)象中 波與粒子是對立的概念 而在微觀世界中 波與粒子可以統(tǒng)一 2 這里所說的粒子性和波動性 既不是宏觀觀念的波 也不是宏觀觀念的粒子 光具有波粒二象性是指光在傳播過程中和同物質作用時分別表現(xiàn)出波和粒子的特性 即時應用 即時突破 小試牛刀 3 下列說法中正確的是 A 質量大的物體 其德布羅意波長小B 速度大的物體 其德布羅意波長小C 動量大的物體 其德布羅意波長小D 動能大的物體 其德布羅意波長小答案 C 四 正確理解不確定關系1 不確定關系是微觀粒子具有波粒二象性的必然結果 除位置和動量的不確定關系外 還有其他不確定關系 如時間和能量的不確定關系 E t 2 普朗克常量是不確定關系中的重要角色 如果h的值可忽略不計 這時物體的位置 動量可同時有確定的值 如果h不能忽略 這時必須考慮微粒的波粒二象性 h成為劃分經(jīng)典物理學和量子力學的一個界線 即時應用 即時突破 小試牛刀 4 關于不確定關系 x px 有以下幾種理解 正確的是 A 微觀粒子的動量不可確定B 微觀粒子的位置不可確定C 微觀粒子的動量和位置不可同時確定D 不確定性關系不僅適用于電子和光子等微觀粒子 也適用于宏觀物體 解析 選CD 由 x px 可知 當粒子的位置不確定性小時 粒子動量的不確定性大 反之 當粒子的位置不確定性大時 粒子動量的不確定性小 故不能同時測量粒子的位置和動量 故A B錯 C對 不確定性關系是自然界中的普遍規(guī)律 對微觀粒子的影響顯著 對宏觀世界的影響可忽略 故D正確 課堂互動講練 對于光的行為 下列說法正確的是 A 個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B 光的波動性是光子本身的一種屬性 不是光子之間的相互作用引起的C 光表現(xiàn)出波動性時 就不具有粒子性了 光表現(xiàn)出粒子性時 就不具有波動性了D 光的波粒二象性應理解為 在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯 在另外某種場合下 光的粒子性表現(xiàn)明顯 精講精析 個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)為波動性 A選項正確 光與物質作用 表現(xiàn)為粒子性 光的傳播表現(xiàn)出波動性 光的波動性與粒子性都是光的本質屬性 因為波動性表現(xiàn)為粒子的分布概率 光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性 因為大量粒子的個別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律 B D選項正確 答案 ABD 方法總結 光的波粒二象性是指光具有波動性 又具有粒子性 有時波動性更明顯 有時粒子性則更明顯 但是 波動性和粒子性是不可分割的 是從不同角度所觀察到的不同性質 變式訓練1下列說法正確的是 A 有的光是波 有的光是粒子B 光子與電子是同樣的一種粒子C 光的波長越長 其波動性越顯著 波長越短 其粒子性越顯著D 射線具有顯著的粒子性 不具有波動性解析 選C 光同時具有波動性和粒子性 只是在有的情況下波動性更顯著 有的情況下粒子性更顯著 波長越長 波動性就更顯著 粒子性就越不明顯 波長越短 粒子性就更顯著 波動性就越不明顯 只有C選項正確 在驗證光的波粒二象性的實驗中 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 光子通過狹縫的運動路線是直線D 光的波動性是大量光子運動的規(guī)律 精講精析 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選項正確 單個光子通過狹縫后 路徑是隨機的 底片上也不會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 B C選項錯 答案 AD 變式訓練2在單縫衍射實驗中 中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95 以上 假設現(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CD 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95 以上 當然也可能落在其他亮紋處 還可能落在暗紋處 只不過落在暗紋處的概率很小而已 故只有C D正確 金屬晶體中晶格大小的數(shù)量級是10 10m 電子經(jīng)加速電場加速 形成電子束 電子束照射該金屬晶體時 獲得明顯的衍射圖樣 問這個加速電場的電壓約為多少 已知電子的電荷量為e 1 6 10 19C 質量為m 0 90 10 30kg 答案 153V 變式訓練3利用金屬晶格 大小約10 10m 作為障礙物觀察電子的衍射圖樣 方法是讓電子通過電場加速后 讓電子束照射到金屬晶格上 從而得到電子的衍射圖樣 已知電子質量為m 電荷量為e 初速度為0 加速電壓為U 普朗克常量為h 則下列說法中正確的是 A 該實驗說明了電子具有波動性B 實驗中電子束的德布羅意波長為 C 加速電壓U越大 電子的衍射現(xiàn)象越明顯D 若用相同動能的質子替代電子 衍射現(xiàn)象將更加明顯 加速電壓越大 電子的波長越小 衍射現(xiàn)象就越不明顯 用相同動能的質子替代電子 質子的波長變小 衍射現(xiàn)象相比電子更不明顯 故C D錯誤 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全