高中物理第十七章波粒二象性4概率波5不確定性關(guān)系學(xué)案新人教版選修

1、4概率波 5不確定性關(guān)系學(xué) 習(xí) 目 標知 識 脈 絡(luò)1.了解經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波的基本特征(重點)2了解并掌握光和物質(zhì)波都是概率波(重點)3知道不確定性關(guān)系的具體含義(重點、難點)概 率 波eq avs4al(先填空)1經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波 (1)經(jīng)典的粒子含義：粒子有一定的空間大小，有一定的質(zhì)量，有的還帶有電荷運動的基本特征：遵從牛頓運動定律，任意時刻有確定的位置和速度，在時空中有確定的軌道(2)經(jīng)典的波 含義：在空間是彌散開來的特征：具有頻率和波長，即具有時空的周期性2概率波(1)光波是一種概率波：光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固定的性質(zhì)，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過

2、波動的規(guī)律確定，所以，光波是一種概率波(2)物質(zhì)波也是概率波：對于電子和其他微觀粒子，單個粒子的位置是不確定的，但在某點附近出現(xiàn)的概率的大小可以由波動的規(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)波也是概率波eq avs4al(再判斷)1經(jīng)典粒子的運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()3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明紋處的概率大些()5電子通過狹縫后運動的軌跡是確定的()eq avs4al(后思考)1對于經(jīng)典的粒子，如果知道其初始位置和初速度，能否確定其任意時刻的位置和速度？【提示】能經(jīng)典粒子的運動規(guī)律符合牛頓運動定律，其運

3、動軌跡也是可以確定的，因此，某時刻的位置和速度也可以確定2是否可以認為光子之間的相互作用使它表現(xiàn)出波動性？【提示】不可以實驗說明：如果狹縫只能讓一個光子通過，曝光時間足夠長，仍然能得到規(guī)則的干涉條紋，說明光的波動性不是光子之間相互作用引起的，是光子本身的一種屬性eq avs4al(合作探討)在光的單縫衍射實驗中，在光屏上放上照相底片，并設(shè)法控制光的強度，盡可能使光子一個一個地通過狹縫，曝光時間短時，可看到膠片上出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子；曝光時間足夠長時，有大量光子通過狹縫，底片上出現(xiàn)一些平行條紋，中央條紋最亮最寬探討1：曝光時間短時，說明什么問題？【提示】少量光子表現(xiàn)出光的粒子性，但其運動規(guī)律

4、與宏觀粒子不同，其位置是不確定的探討2：曝光時間足夠長時，說明什么問題？【提示】大量光子表現(xiàn)出光的波動性，光波強的地方是光子到達的機會多的地方探討3：暗條紋處一定沒有光子到達嗎？【提示】暗條紋處也有光子到達，只是光子到達的幾率特別小，很難呈現(xiàn)出亮度eq avs4al(核心點擊)1正確理解光的波動性光的干涉現(xiàn)象不是光子之間的相互作用使它表現(xiàn)出波動性的，在雙縫干涉實驗中，使光源S非常弱，以致前一個光子到達屏后才發(fā)射第二個光子這樣就排除了光子之間的相互作用的可能性實驗結(jié)果表明，盡管單個光子的落點不可預(yù)知，但長時間曝光之后仍然得到了干涉條紋分布可見，光的波動性不是光子之間的相互作用引起的2光波是一種概

5、率波在雙縫干涉實驗中，光子通過雙縫后，對某一個光子而言，不能肯定它落在哪一點，但屏上各處明暗條紋的不同亮度，說明光子落在各處的可能性即概率是不相同的光子落在明條紋處的概率大，落在暗條紋處的概率小這就是說光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律來確定，因此說光是一種概率波3物質(zhì)波也是概率波對于電子、實物粒子等其他微觀粒子，同樣具有波粒二象性，所以與它們相聯(lián)系的物質(zhì)波也是概率波1下列說法正確的是 ()A概率波就是機械波B物質(zhì)波是一種概率波C概率波和機械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D在光的雙縫干涉實驗中，若有一個光子，則無法定這個光子落在哪個點上E光波是一種概率波【解析】機械波是振動在介質(zhì)

6、中的傳播，而概率波是粒子所到達區(qū)域的機率大小可以通過波動的規(guī)律來確定故其本質(zhì)不同A、C錯，B對；由于光是一種概率波，光子落在哪個點上不能確定D、E對【答案】BDE2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

7、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，且概率遵循波動規(guī)律，C正確，D錯誤【答案】ABD3在做雙縫干涉實驗中，觀察屏的某處是亮紋，則對某個光子來說到達亮紋處的概率比到達暗紋處的概率_，該光子_到達光屏的任何位置【解析】根據(jù)概率波的含義，一個光子到達亮紋處的概率要比到達暗紋處的概率大得多，但并不是一定能夠到達亮紋處【答案】大可能對光子落點的理解1光具有波動性，光的波動性是統(tǒng)計規(guī)律的結(jié)果，對某個光子我們無法判斷它落到哪個位置，我們只能判斷大量光子的落點

8、區(qū)域2在暗條紋處，也有光子達到，只是光子數(shù)很少3對于通過單縫的大量光子而言，絕大多數(shù)光子落在中央亮紋處，只有少數(shù)光子落在其他亮紋處及暗紋處不 確 定 性 關(guān) 系eq avs4al(先填空)1定義在經(jīng)典物理學(xué)中，一個質(zhì)點的位置和動量是可以同時測定的；在微觀物理學(xué)中，要同時測出微觀粒子的位置和動量是不太可能的，這種關(guān)系叫不確定性關(guān)系2表達式xpeq f(h,4).其中x表示粒子位置的不確定量，用p表示在x方向上動量的不確定量，h是普朗克常量3物理模型與物理現(xiàn)象在經(jīng)典物理學(xué)中，對于宏觀對象，我們分別建立粒子模型和波動模型；在微觀世界里，也需要建立物理模型，像粒子的波粒二象性模型eq avs4al(再

9、判斷)1經(jīng)典的粒子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()eq avs4al(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eq avs4al(合作探討)探討1：對于宏觀物體，我們能同時精確確定其位置和動量嗎？【提示】可以探討2：對于微觀粒子，我們能同時精確確定其位置和

10、動量嗎？【提示】不可以探討3：不確定性關(guān)系是說微觀粒子的位置坐標和動量都測不準，這種說法對嗎？【提示】不對，不確定性關(guān)系是說微觀粒子的位置和動量不能同時測準eq avs4al(核心點擊)1位置和動量的不確定性關(guān)系xpeq f(h,4).由xpeq f(h,4)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2微觀粒子的運動沒有特定的軌道由不確定關(guān)系xpeq f(h,4)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3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

11、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(xué)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4對不確定性關(guān)系xpeq f(h,4)有以下幾種理解，其中正確的是()A微觀粒子的動量不可能確定B微觀粒子的坐標不可能確定C微觀粒子的動量和坐標不可能同時確定D不確定性關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子，也適用于其他宏觀物體E在微觀物理學(xué)中，不可能用“軌跡來描述粒子的運動”【解析】不確定性關(guān)系xpeq f(h,4)表示確定位置、動量的精確

12、度互相制約，此長彼消，當粒子位置的不確定性變小時，粒子動量的不確定性變大；當粒子位置的不確定性變大時，粒子動量的不確定性變小，故不能同時準確確定粒子的動量和坐標不確定性關(guān)系也適用于其他宏觀物體，不過這些不確定量微乎其微【答案】CDE5已知eq f(h,4)5.31035 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m1.0 kg，測定其位置的不確定量為106 m；(2)電子的質(zhì)量me9.01031 kg，測定其位置的不確定量為1010 m(即在原子的數(shù)量級)【解析】(1)m1.0 kg，x1106 m，由xpeq f(h,4)，pmv知v1eq f(h,4x1m)eq f(5.31

13、035,1061.0)m/s5.31029 m/s.(2)me9.01031 kg，x21010 mv2eq f(h,4x2me)eq f(5.31035,10109.01031) m/s5.89105 m/s.【答案】(1)5.31029 m/s(2)5.89105 m/s對不確定性關(guān)系的兩點提醒(1)不確定性關(guān)系xpeq f(h,4)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不計也就是說，宏觀世界中的物體質(zhì)量較大，位置和速度的不確定范圍較小，可同時較精確測出物體的位置和動量(2)在微觀世界中，粒子質(zhì)量較小，不能同時精確地測出粒子的位置和動量，也就不能準確地把握粒子的運

14、動狀態(tài)了學(xué)業(yè)分層測評(八) (建議用時：45分鐘) 學(xué)業(yè)達標1有關(guān)經(jīng)典物理學(xué)中的粒子，下列說法正確的是()A有一定的大小，但沒有一定的質(zhì)量B有一定的質(zhì)量，但沒有一定的大小C既有一定的大小，又有一定的質(zhì)量D有的粒子還有電荷E可以用軌跡來描述它的運動【解析】根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于粒子的理論定義得C、D、E正確【答案】CDE2關(guān)于經(jīng)典波的特征，下列說法正確的是()A具有一定的頻率，但沒有固定的波長B具有一定的波長，但沒有固定的頻率C既具有一定的頻率，也具有固定的波長D同時還具有周期性E在空間是彌散開來的【解析】根據(jù)經(jīng)典波的定義和特點進行分析可以得到C、D、E正確【答案】CDE3在單縫衍射實驗中，從微觀粒

15、子運動的不確定關(guān)系可知()A不可能準確地知道單個粒子的運動情況B縫越窄，粒子位置的不確定性越大C縫越寬，粒子位置的不確定性越大D縫越窄，粒子動量的不確定性越大E縫越寬，粒子動量的不確定性越大【解析】由不確定性關(guān)系xpeq f(h,4)知縫寬時，位置不確定性越大，則動量的不確定性越小，反之亦然，因此選項A、C、D正確【答案】ACD41927年戴維孫和革末完成了電子衍射實驗，該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一如圖1741所示的是該實驗裝置的簡化圖，下列說法正確的是()圖1741A亮條紋是電子到達概率大的地方B該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的C該實驗再次說明光子具有波動性D該實驗說明實物粒子具有

16、波動性E該實驗說明電子的運動可以用軌跡來描述【解析】亮條紋是電子到達概率大的地方，該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的及實物粒子具有波動性，該實驗不能說明光子具有波動性，選項C、E說法不正確【答案】ABD5對于微觀粒子的運動，下列說法中不正確的是()A不受外力作用時光子就會做勻速運動B光子受到恒定外力作用時就會做勻變速運動C只要知道電子的初速度和所受外力，就可以確定其任意時刻的速度D運用牛頓力學(xué)無法確定微觀粒子的運動規(guī)律E微觀粒子具有波動性【解析】光子不同于宏觀力學(xué)的粒子，不能用宏觀粒子的牛頓力學(xué)規(guī)律分析光子的運動，選項A、B錯誤；根據(jù)概率波、不確定關(guān)系可知，選項C錯誤【答案】ABC6如圖1742所示

17、，用單色光做雙縫干涉實驗P處為亮條紋，Q處為暗條紋，不改變單色光的頻率，而調(diào)整光源使其極微弱，并把單縫調(diào)至只能使光子一個一個地過去，那么過去的某一光子()圖1742A一定到達P處B一定到達Q處C可能到達Q處 D可能到達P處E可能到達O處【解析】單個光子的運動路徑是不可預(yù)測的【答案】CDE7紫外線光子的動量為eq f(h,c).一個靜止的O3吸收了一個紫外線光子后將向什么方向運動？【解析】由動量守恒定律知，吸收了紫外線光子的O3分子與光子原來運動方向相同【答案】見解析8如圖1743所示是一個粒子源，產(chǎn)生某種粒子，在其正前方安裝只有兩條狹縫的擋板，粒子穿過狹縫打在前方的熒光屏上使熒光屏發(fā)光那么在熒

18、光屏上將看到什么現(xiàn)象？圖1743【解析】由于粒子源產(chǎn)生的粒子是微觀粒子，它的運動受波動性支配，對大量粒子運動到達屏上的某點的概率，可以用波的特征進行描述，即產(chǎn)生雙縫干涉，在屏上將看到干涉條紋【答案】見解析能力提升9下表列出了幾種不同物體在某種速度下的德布羅意波波長和頻率為1MHz的無線電波的波長，由表中數(shù)據(jù)可知 ()質(zhì)量/kg速度(ms1)波長/m彈子球2.01021.01023.31030電子(100 eV)9.010315.01061.21010無線電波(1 MHz)3.01083.3102A.要檢測彈子球的波動性幾乎不可能B無線電波通常情況下只表現(xiàn)出波動性C電子照射到金屬晶體上能觀察到波動性D只有可見光才有波動性E只有無線電波才