《2018版高中物理 第四章 波粒二象性 4.4 實(shí)物粒子的波粒二象性 4.5 不確定關(guān)系導(dǎo)學(xué)案 教科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2018版高中物理 第四章 波粒二象性 4.4 實(shí)物粒子的波粒二象性 4.5 不確定關(guān)系導(dǎo)學(xué)案 教科版選修3-5（8頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、4實(shí)物粒子的波粒二象性5不確定關(guān)系 目標(biāo)定位1.了解德布羅意假說的內(nèi)容，知道德布羅意波的波長和粒子動量的關(guān)系.2.知道粒子和光一樣具有波粒二象性，了解電子波動性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.3.初步了解不確定關(guān)系的內(nèi)容，感受數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用.一、粒子的波動性1德布羅意波任何一個運(yùn)動的物體都有一種波與它相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波，也稱為德布羅意波2物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式：Eh，p.3電子波動性的實(shí)驗(yàn)證實(shí)(1)最早從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)電子衍射現(xiàn)象的是美國的戴維孫和革末，他們做了電子束在晶體表面上散射的實(shí)驗(yàn)，觀察到了和X射線衍射類似的電子衍射現(xiàn)象，首次證實(shí)了電子的波動性(2)湯姆孫做電子束穿過多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)

2、，也證實(shí)了電子的波動性二、氫原子中的電子云1定義：用點(diǎn)的多少表示的電子出現(xiàn)的概率分布2電子的分布：某一空間范圍內(nèi)電子出現(xiàn)概率大的地方點(diǎn)多，電子出現(xiàn)概率小的地方點(diǎn)少電子云反映了原子核外電子位置的不確定性，說明電子對應(yīng)的波也是一種概率波三、不確定關(guān)系1定義：在經(jīng)典物理學(xué)中，一個質(zhì)點(diǎn)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(dá)式：xpx.其中以x表示粒子位置的不確定量，以px表示粒子在x方向上的動量的不確定量，h是普朗克常量3不確定關(guān)系在微觀世界與宏觀世界中的不同作用在微觀世界里，由于粒子的波動性比較顯著，粒子的不確定關(guān)系表現(xiàn)

3、比較明顯，但在宏觀世界里，由于其德布羅意波長非常小，宏觀粒子的波動性根本無法察覺，所以宏觀物體的不確定關(guān)系不需要考慮預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、對物質(zhì)波的理解1任何物體，小到電子、質(zhì)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?yàn)楹暧^物體對應(yīng)的波長太小的緣故2物質(zhì)波波長的計算公式為，頻率公式為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(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波4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

4、觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波【例1】下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識，正確的解釋是()A任何一個物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運(yùn)動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性答案C解析運(yùn)動的物體才具有波動性，A項(xiàng)錯；宏觀物體由于動量太大，德布羅意波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動性，D項(xiàng)錯；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B項(xiàng)錯；只有C項(xiàng)正確【例2】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(yùn)動，則它們的德布羅意波的波長分別是多大？(

5、中子的質(zhì)量為1.671027 kg，普朗克常量為6.631034 Js)答案4.01010 m6.631035 m解析中子的動量為p1m1v子彈的動量為p2m2v據(jù)知中子和子彈的德布羅意波長分別為1，2聯(lián)立以上各式解得1，2將m11.671027 kg，v103 m/sh6.631034 Js，m21.0102kg代入上面兩式可解得14.01010 m，26.631035 m二、對不確定關(guān)系的理解1單縫衍射現(xiàn)象中，粒子在擋板左側(cè)的位置是完全不確定的，即通過擋板前粒子的位置具有不確定性2單縫衍射現(xiàn)象中，粒子通過狹縫后，在垂直原來運(yùn)動方向的動量是不確定的，即通過擋板后粒子的動量具有不確定性3微觀粒

6、子運(yùn)動的位置不確定量x和動量的不確定量px的關(guān)系式為xpx，其中h是普朗克常量，這個關(guān)系式叫不確定性關(guān)系4不確定性關(guān)系告訴我們，如果要更準(zhǔn)確地確定粒子的位置(即x更小)，那么動量的測量一定會更不準(zhǔn)確(即px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，也不可能用“軌跡”來描述粒子的運(yùn)動【例3】在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，若單縫寬度是1.0109 m，那么光子經(jīng)過單縫發(fā)生衍射，動量不確定量是多少？答案px5.31026 kgm/s解析由題意可知光子位置的不確定量x1.0109 m，解答本題需利用不確定性關(guān)系單縫寬度是光子經(jīng)過狹縫的位置不確定量，即x1.0109 m，由xpx有：1.0109 mp

7、x.得px5.31026 kgm/s.針對訓(xùn)練一顆質(zhì)量為10 g的子彈，具有200 m/s的速率，若其動量的不確定范圍為其動量的0.01%(這在宏觀范圍是十分精確的)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大？答案2.61031 m解析子彈的動量pmv0.01200 kgm/s2 kgm/s，動量的不確定范圍px0.01 %p2104 kgm/s；由不確定關(guān)系xpx，得子彈位置的不確定范圍x m2.61031 m.對物質(zhì)波的理解1一顆質(zhì)量為10 g的子彈，以200 m/s的速度運(yùn)動著，則由德布羅意理論計算，要使這顆子彈發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，那么障礙物的尺寸為()A3.01010 m B1.81011 m

8、C3.01034 m D無法確定答案C解析 m3.321034 m，故能發(fā)生明顯衍射的障礙物尺寸應(yīng)為選項(xiàng)C.2下列說法中正確的是()A物質(zhì)波屬于機(jī)械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C德布羅意認(rèn)為任何一個運(yùn)動的物體，小到電子、質(zhì)子、中子，大到行星、太陽都有一種波與之相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波D宏觀物體運(yùn)動時，看不到它的衍射和干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動時不具有波動性答案C解析任何一個運(yùn)動的物體都具有波動性，但因?yàn)楹暧^物體的德布羅意波波長很短，所以很難看到它的衍射和干涉現(xiàn)象，所以C項(xiàng)對，B、D項(xiàng)錯；物質(zhì)波不同于宏觀意義上的波，故A項(xiàng)錯對不確定性關(guān)系的理解3(多選)根據(jù)不確定性關(guān)系xp

9、x，判斷下列說法正確的是()A采取辦法提高測量x精度時，px的精度下降B采取辦法提高測量x精度時，px的精度上升Cx與px測量精度與測量儀器及測量方法是否完備有關(guān)Dx與px測量精度與測量儀器及測量方法是否完備無關(guān)答案AD解析不確定關(guān)系表明，無論采用什么方法試圖確定位置坐標(biāo)和相應(yīng)動量中的一個，必然引起另一個較大的不確定性，這樣的結(jié)果與測量儀器及測量方法是否完備無關(guān)，無論怎樣改善測量儀器和測量方法，都不可能逾越不確定關(guān)系所給出的限度故A、D正確4電子的質(zhì)量me9.01031 kg，測定其速度的不確定量為2106 m/s，則該電子位置的不確定量范圍為多大(5.31035 Js)答案x29.4 m解析

10、由不確定關(guān)系xpx及pxmv知x m29.4 m.(時間：60分鐘)題組一對粒子波粒二象性的理解1下列關(guān)于物質(zhì)波說法中正確的是()A實(shí)物粒子具有粒子性，在任何條件下都不可能表現(xiàn)出波動性B宏觀物體不存在對應(yīng)波的波長C電子在任何條件下都能表現(xiàn)出波動性D微觀粒子在一定條件下能表現(xiàn)出波動性答案D2在歷史上，最早證明了德布羅意波存在的實(shí)驗(yàn)是()A弱光衍射實(shí)驗(yàn) B電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)C弱光干涉實(shí)驗(yàn) D以上都不正確答案B解析由課本知識知，最早證明德布羅意波假說的是電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)3下列說法中正確的是()A物質(zhì)波屬于機(jī)械波B只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C德布羅意認(rèn)為任何一個運(yùn)動

11、的物體，小到電子、質(zhì)子、中子，大到行星、太陽都有一種波與之相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波D宏觀物體運(yùn)動時，看不到它的衍射和干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動時不具有波動性答案C解析物質(zhì)波是由實(shí)物粒子的運(yùn)動形式，而機(jī)械波是由組成物體的質(zhì)點(diǎn)做周期性運(yùn)動形成，故A錯；不論是微觀粒子，還是宏觀物體，只要它們運(yùn)動，就有與之對應(yīng)的物質(zhì)波，故B、D均錯，C對4下列說法中正確的是()A質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長短B速度大的物體，其德布羅意波長短C動量大的物體，其德布羅意波長短D動能大的物體，其德布羅意波長短答案C解析由物質(zhì)波的波長，得其只與物體的動量有關(guān)，動量越大其波長越短5一個電子被加速后，以極高的速度在空間運(yùn)動，關(guān)于它

12、的運(yùn)動，下列說法中正確的是()A電子在空間做勻速直線運(yùn)動B電子上下左右顫動著前進(jìn)C電子運(yùn)動軌跡是正弦曲線D無法預(yù)言它的路徑答案D解析根據(jù)概率波的知識可知，某個電子在空間中運(yùn)動的路徑我們無法確定，只能根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律確定大量電子的運(yùn)動區(qū)域故選項(xiàng)D正確6對于微觀粒子的運(yùn)動，下列說法中正確的是()A不受外力作用時光子就會做勻速運(yùn)動B光子受到恒定外力作用時就會做勻變速運(yùn)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(yùn)用牛頓力學(xué)無法確定微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律答案D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(yùn)動，選項(xiàng)A、B錯誤；根據(jù)概率波、不確定關(guān)系可知，選項(xiàng)C錯誤，故

13、選D.7關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法中不正確的是()A不僅光子具有波粒二象性，一切運(yùn)動的微粒也具有波粒二象性B運(yùn)動的微觀粒子與光子一樣，當(dāng)它們通過一個小孔時，都沒有特定的運(yùn)動軌道C波粒二象性中的波動性，是大量光子和高速運(yùn)動的微觀粒子的行為，這種波動性與機(jī)械波在本質(zhì)上是相同的D波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運(yùn)動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的答案C解析不能將微觀粒子的波動性和粒子性看成宏觀概念中的波和粒子，它們在本質(zhì)上是不相同的8(多選)利用金屬晶格(大小約1010 m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是使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

14、子質(zhì)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(shí)驗(yàn)說明了電子具有波動性B實(shí)驗(yàn)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(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯答案AB解析得到電子的衍射圖樣，說明電子具有波動性，A正確；由德布羅意波長公式而動量p兩式聯(lián)立得，B正確；由公式可知，加速電壓越大，電子的波長越小，衍射現(xiàn)象越不明顯；用相同動能的質(zhì)子替代電子，質(zhì)子的波長小，其衍射現(xiàn)象不如電子的衍射現(xiàn)象明顯故C、D錯誤題組二對不確定性關(guān)系的理解9(多選)由不確定性關(guān)系可以得出的結(jié)論是()A如果動量的不確定范圍越小，則與它對應(yīng)位置坐標(biāo)

15、的不確定范圍就越大B如果位置坐標(biāo)的不確定范圍越小，則動量的不確定范圍就越大C動量和位置坐標(biāo)的不確定范圍之間的關(guān)系不是反比例函數(shù)D動量和位置坐標(biāo)的不確定范圍之間有唯一的確定關(guān)系答案ABC10(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系xpx有以下幾種理解，其中正確的是()A微觀粒子的動量不可確定B微觀粒子的位置坐標(biāo)不可確定C微觀粒子的動量和位置不可能同時確定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答案CD解析本題主要考查對不確定性關(guān)系xpx的理解，不確定性關(guān)系表示確定位置、動量的精度相互制約，此長彼消，當(dāng)粒子的位置不確定性小時，粒子動量的不確定性大；反之亦然故不能同時準(zhǔn)確確定粒子的位置和動

16、量不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律，對微觀世界的影響顯著，對宏觀世界的影響不可忽略，故C、D正確11經(jīng)150 V電壓加速的電子束，沿同一方向射出，穿過鋁箔后射到其后的屏上，則()A所有電子的運(yùn)動軌跡均相同B所有電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)均相同C電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)可用牛頓運(yùn)動定律確定D電子到達(dá)屏上的位置受波動規(guī)律支配，無法用確定的坐標(biāo)來描述它的位置答案D解析電子被加速后其德布羅意波長11010m，穿過鋁箔時發(fā)生衍射12已知5.31035Js，試求下列情況中速度測定的不確定量，并根據(jù)計算結(jié)果，討論在宏觀和微觀世界中進(jìn)行測量的不同情況(1)一個球的質(zhì)量m1.0 kg，測定其位置的不確定量為106m；(2)電子的質(zhì)量me9.11031kg，測定其位置的不確定量為1010 m.答案見解析解析(1)球的速度測定的不確定量vm/s5.31029m/s這個速度不確定量在宏觀世界中微不足道，可認(rèn)為球的速度是確定的，其運(yùn)動遵從經(jīng)典物理學(xué)理論(2)原子中電子的速度測定的不確定量vm/s5.8105 m/s這個速度不確定量不可忽略，不能認(rèn)為原子中的電子具有確定的速度，其運(yùn)動不能用經(jīng)典物理學(xué)理論處理8