高中物理 第2章 波和粒子 2_3 光是波還是粒子2_4實物是粒子還是波教師用書 滬科版選修3-5

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2.3　光是波還是粒子 2.4　實物是粒子還是波 學 習 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.理解光既具有波動性又有粒子性的觀點，知道光是一種概率波.(重點) 2.理解實物粒子和光一樣都具有波粒二象性，知道德布羅意波，會計算其波長.(重點) 3.會從能量、動量、波長、頻率的角度分析波和粒子之間的聯(lián)系.(難點) 4.了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計算.(難點) 光 的 波 粒 二 象 性 [先填空] 1.光的本性 光是波，同時也是粒子，即光具有波粒二象性. 2.光是一種概率波. 3.光子的能量和動量的公式E＝hν和p＝是光的波粒二象性的反映，式中h把描寫光的粒子性的能量E、動量p，與描寫光的波動性的頻率ν、波長λ緊密聯(lián)系了起來. [再判斷] 1.光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性.(√) 2.光子數(shù)量越大，其粒子性越明顯.() 3.光具有粒子性，但光子又不同于宏觀觀念的粒子.(√) [后思考] 認識光的波粒二象性，應(yīng)從微觀角度還是宏觀角度？ 【提示】　應(yīng)從微觀的角度建立光的行為圖像，認識光的波粒二象性. [核心點擊] 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(zhì)發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì). (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(zhì). (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、粒子性都是光的本質(zhì)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，才能說明光的各種行為. 1.關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是 (　　) A.關(guān)于光的本性，牛頓提出“微粒說”.惠更斯提出“波動說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性 B.光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子 C.光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性 D.光電效應(yīng)說明光具有粒子性 E.波粒二象性是光的屬性 【解析】　光的波動性指大量光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動說中宏觀意義下的機械波，光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒.某現(xiàn)象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現(xiàn)象.某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個現(xiàn)象.要區(qū)分說法和物理史實與波粒二象性之間的關(guān)系.C、D、E正確，A、B錯誤. 【答案】　CDE 2.關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是 (　　) A.大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B.光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子 C.光在傳播時波動性顯著，而與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著 D.高頻光是粒子，低頻光是波 E.波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著 【解析】　光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，E正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著，B錯誤C正確；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，D錯誤. 【答案】　ACE (1)光既有波動性又有粒子性，二者是統(tǒng)一的. (2)光表現(xiàn)為波動性，只是光的波動性顯著，粒子性不顯著而已. (3)光表現(xiàn)為粒子性，只是光的粒子性顯著，波動性不顯著而已. 德 布 羅 意 波 及 實 驗 驗 證 [先填空] 1.德布羅意波 任何一個運動著的物體，都有一種波與它相伴隨.這種波稱為物質(zhì)波，也叫德布羅意波. 2.物質(zhì)波的波長、動量關(guān)系式 λ＝. 3.物質(zhì)波的實驗驗證 1927年戴維孫和革末分別利用晶體做了電子衍射的實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性. 4.物質(zhì)波的本性 物質(zhì)波與光波一樣，也是概率波. 5.德布羅意理論的意義 波粒二象性揭示了物質(zhì)世界的普遍屬性，啟示人們在對電子這類微觀粒子進行研究時，不能再局限在經(jīng)典物理學的框架內(nèi)，從而為量子力學的建立奠定了堅實的基礎(chǔ). [再判斷] 1.一切宏觀物體都伴隨一種波，即物質(zhì)波.() 2.湖面上的水波就是物質(zhì)波.() 3.電子的衍射現(xiàn)象證實了實物粒子具有波動性.(√) [后思考] 既然德布羅意提出了物質(zhì)波的概念，為什么我們生活中卻體會不到？ 【提示】　平時所見的宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子的質(zhì)量大得多，運動的動量很大，由λ＝可知，它們對應(yīng)的物質(zhì)波波長很小，因此，無法觀察到它們的波動性. [核心點擊] 1.物質(zhì)的分類 (1)由分子、原子、電子、質(zhì)子及由這些粒子組成的物質(zhì). (2)“場”也是物質(zhì)，像電場、磁場、電磁場這種看不見的，不是由實物粒子組成的，而是一種客觀存在的特殊物質(zhì). 2.物質(zhì)波的普遍性 任何物體，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(yīng)的波長太小的緣故. 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. 4.求解物質(zhì)波波長的方法 (1)根據(jù)已知條件，寫出宏觀物體或微觀粒子動量的表達式p＝mv. (2)根據(jù)波長公式λ＝求解. (3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動量的不同表達式.如光子的能量：E＝hν，動量p＝；宏觀粒子的動能：Ek＝mv2，動量p＝mv. 3.下列說法中正確的是 (　　) A.物質(zhì)波屬于機械波 B.物質(zhì)波與機械波有本質(zhì)區(qū)別 C.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性 D.德布羅意認為，任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波和它對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波 E.宏觀物體運動時，雖看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，但宏觀物體運動時仍具有波動性 【解析】　物質(zhì)波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質(zhì)不同，A錯誤B正確；宏觀物體也具有波動性，只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯，看不出來，C錯誤E正確；德布羅意認為，任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波和它對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波，D正確. 【答案】　BDE 4.關(guān)于電子的運動規(guī)律，以下說法不正確的是 (　　) A.電子如果表現(xiàn)粒子性，則無法用軌跡來描述它們的運動，其運動遵循牛頓運動定律 B.電子如果表現(xiàn)粒子性，則可以用軌跡來描述它們的運動，其運動遵循牛頓運動定律 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動，其運動遵循牛頓運動定律 E.電子如果表現(xiàn)出粒子性，則無法用軌跡來描述它們的運動，其運動也不遵循牛頓運動定律 【解析】　由于運動對應(yīng)的物質(zhì)波是概率波，少量電子表現(xiàn)出粒子性，無法用軌跡描述其運動，也不遵循牛頓運動定律，A、B錯誤，E正確；大量電子表現(xiàn)出波動性，無法用軌跡描述其運動，可確定電子在某點附近出現(xiàn)的概率，且分布的概率遵循波動規(guī)律，C正確，D錯誤. 【答案】　ABD 5.如果一個中子和一個質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運動，則它們的德布羅意波的波長分別是多長？(中子的質(zhì)量為1.6710－27 kg) 【導(dǎo)學號：67080019】 【解析】　中子的動量為p1＝m1v， 子彈的動量為p2＝m2v， 據(jù)λ＝知中子和子彈的德布羅意波的波長分別為 λ1＝，λ2＝ 聯(lián)立以上各式解得：λ1＝，λ2＝ 將m1＝1.6710－27 kg，v＝1103 m/s，h＝6.6310－34 Js，m2＝1.010－2 kg代入上面兩式可解得 λ1＝4.010－10 m，λ2＝6.6310－35 m. 【答案】　4.010－10 m　6.6310－35 m 宏觀物體波動性的三點提醒 (1)一切運動著的物體都具有波動性，宏觀物體觀察不到其波動性，但并不否定其波動性. (2)要注意大量光子、個別光子、宏觀物體、微觀粒子等相關(guān)概念的區(qū)別. (3)在宏觀世界中，波與粒子是對立的概念；在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一. 不 確 定 性 關(guān) 系 [先填空] 1.在微觀世界中，在對粒子位置和動量進行測量時，精確度存在一個基本極限，不可能同時準確地知道粒子的位置和動量. 2.不確定性關(guān)系 ΔxΔpx≥. 式中，Δx為位置的不確定范圍，Δpx為動量的不確定范圍，h為普朗克常量. [再判斷] 1.宏觀物體可以同時確定位置和動量.(√) 2.微觀粒子可以同時確定位置和動量.() 3.對于微觀粒子，不可能同時準確地知道其位置和動量.(√) [后思考] 對微觀粒子的運動分析能不能用“軌跡”來描述？ 【提示】　不能.微觀粒子的運動遵循不確定關(guān)系，也就是說，要準確確定粒子的位置，動量(或速度)的不確定量就更大；反之，要準確確定粒子的動量(或速度)，位置的不確定量就更大，也就是說不可能同時準確地知道粒子的位置和動量.因而不可能用“軌跡”來描述微觀粒子的運動. [核心點擊] 1.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 (1)微觀粒子具有波動性，會發(fā)生衍射.大部分粒子到達狹縫之前沿水平方向運動，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動方向垂直的動量. (2)由于哪個粒子到達屏上的哪個位置是完全隨機的，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. 3.位置和動量的不確定性關(guān)系：ΔxΔpx≥ 由ΔxΔpx≥可以知道，在微觀領(lǐng)域，要準確地確定粒子的位置，動量的不確定性就更大；反之，要準確地確定粒子的動量，那么位置的不確定性就更大. 4.微觀粒子的運動沒有特定的軌道：由不確定關(guān)系ΔxΔpx≥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“軌跡”的觀點來描述粒子的運動. 6.關(guān)于不確定性關(guān)系ΔxΔpx≥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(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子，也適用于宏觀物體 E.微觀世界粒子的質(zhì)量較小，不能準確把握粒子的運動狀態(tài) 【解析】　由ΔxΔpx≥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、E對.不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律，對微觀粒子的影響顯著，對宏觀物體的影響可忽略，故D正確. 【答案】　CDE 7.已知＝5.310－35 Js，試求下列情況中速度測定的不確定量. (1)一個球的質(zhì)量m＝1.0 kg，測定其位置的不確定量為10－6 m； (2)電子的質(zhì)量m＝9.010－31 kg，測定其位置的不確定量為10－10 m.(即在原子的數(shù)量級) 【解析】　(1)m＝1.0 kg，Δx1＝10－6 m， 由ΔxΔpx≥，Δp＝mΔv知 Δv1＝＝ m/s＝5.310－29 m/s. (2)me＝9.010－31 kg， Δx2＝10－10 m Δv2＝ ＝ m/s ＝5.89105 m/s. 【答案】　(1)5.310－29 m/s　(2)5.89105 m/s 經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別 (1)在經(jīng)典物理學中，可以同時用位置和動量精確地描述質(zhì)點的運動，如果知道質(zhì)點的加速度，還可以預(yù)言質(zhì)點在以后任意時刻的位置和動量，從而描繪它的運動軌跡. (2)在微觀物理學中，不可能同時準確地知道粒子的位置和動量.因而也就不可能用“軌跡”來描述粒子的運動.但是，我們可以準確地知道大量粒子運動時的統(tǒng)計規(guī)律.