歡迎進(jìn)入物理課堂 第3節(jié)光的波粒二象性第4節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性第5節(jié)不確定關(guān)系 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第5節(jié) 課前自主學(xué)案 課標(biāo)定位 1 知道康普頓效應(yīng) 理解康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(zhì)波假說(shuō) 知道一切實(shí)物粒子都具有波粒二象性 4 理解不確定關(guān)系 了解不確定關(guān)系在微觀世界與宏觀世界中的不同作用 課標(biāo)定位 課前自主學(xué)案 一 康普頓效應(yīng) 光的波粒二象性1 內(nèi)容 康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí) 發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中 除原波長(zhǎng)外 還有波長(zhǎng)隨散射角的增大而 的譜線 X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng) 的現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng) 2 意義 康普頓效應(yīng)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(dòng)量 p 增大 變長(zhǎng) 粒子 動(dòng)量 h 有一位記者曾向英國(guó)物理學(xué)家 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布拉格請(qǐng)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(gè)波 星期二 四 六它是一個(gè)粒子 星期天物理學(xué)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(dòng)性 粒子性 波動(dòng)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(dá)屏上光的強(qiáng)度不同 每個(gè)同頻率光子都帶有相同的一份能量 光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于光子的數(shù)目 明紋處到達(dá)的光子數(shù)多 暗紋處到達(dá)的光子數(shù)少 可見(jiàn)光子落在各點(diǎn)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(dòng)的規(guī)律去確定 所以說(shuō)光波是一種 波 概率 2 實(shí)驗(yàn)探究圖4 3 1中甲是用很弱的光源做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的裝置 乙圖的曝光時(shí)間最短 顯示出光的 丙 丁圖中光子到達(dá)的區(qū)域正好是波通過(guò)雙縫后發(fā)生干涉時(shí)的 區(qū)域 表明光具有 粒子性 明條紋 波動(dòng)性 圖4 3 1 如果使光源更微弱 使同一時(shí)刻只有一個(gè)光子飛向感光屏 不同曝光時(shí)間攝得的照片仍和乙 丙 丁相同 表明波動(dòng)性是光子本身的屬性 三 德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)及波長(zhǎng)實(shí)物粒子像光子一樣 也具有 粒子的能量 與動(dòng)量p跟它對(duì)應(yīng)的頻率 與波長(zhǎng) 之間遵從的關(guān)系為 p 波粒二象性 h 四 電子波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)證實(shí) 氫原子中的電子云1 物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 得到了電子的衍射圖樣 證實(shí)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(dòng) 五 不確定關(guān)系1 微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征不再遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律 不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的 和 不可能用 來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng) 微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能通過(guò) 做統(tǒng)計(jì)性的描述 2 不確定關(guān)系 位置 動(dòng)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(dòng)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(duì)象學(xué)習(xí)和研究經(jīng)典物理學(xué)時(shí) 就可以完全不涉及實(shí)物粒子的波動(dòng)性 不確定關(guān)系是對(duì)物體在多大程度上要考察其波動(dòng)性作了最精確的概括 普朗克 核心要點(diǎn)突破 一 對(duì)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(dòng)量和能量 1 當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí) 表現(xiàn)出粒子的性質(zhì) 2 少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性 3 頻率高 波長(zhǎng)短的光 粒子性特征顯著 2 光的波動(dòng)性的含義光的波動(dòng)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(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小 概率 可用波動(dòng)規(guī)律描述 1 足夠能量的光 大量光子 在傳播時(shí) 表現(xiàn)出波的性質(zhì) 2 頻率低 波長(zhǎng)長(zhǎng)的光 波動(dòng)性特征顯著 3 光的波動(dòng)性 粒子性是統(tǒng)一的 1 光的粒子性并不否定光的波動(dòng)性 光既具有波動(dòng)性 又具有粒子性 波動(dòng)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(shuō)明光的各種行為 特別提醒 光子說(shuō)并不否認(rèn)光的電磁說(shuō) 1 按光子說(shuō) 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(shuō)或電磁說(shuō)推導(dǎo)光子動(dòng)量以及光速都得到一致的結(jié)論 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 關(guān)于光的波粒二象性 不正確的說(shuō)法是 A 光的頻率越高 光子的能量越大 粒子性越顯著B(niǎo) 光的波長(zhǎng)越長(zhǎng) 光子的能量越小 波動(dòng)性越顯著C 頻率高的光子不具有波動(dòng)性 波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子不具有粒子性D 個(gè)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(dòng)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(zhǎng)越短 粒子性愈強(qiáng) 反之波動(dòng)性明顯 個(gè)別光子易顯示粒子性 大量光子顯示波動(dòng)性 故A B D正確 C錯(cuò)誤 二 對(duì)概率波的理解1 單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)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(dòng)的必然性由波動(dòng)規(guī)律 我們可以準(zhǔn)確地知道 大量粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 因此我們可以對(duì)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)一概率波的主體是光子 實(shí)物粒子 體現(xiàn)了粒子性的一面 同時(shí)粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配 體現(xiàn)了波動(dòng)性的一面 所以說(shuō) 概率波將波動(dòng)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(wú)法準(zhǔn)確描述粒子的位置 無(wú)法用軌跡描述粒子的運(yùn)動(dòng) 粒子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配 2 德布羅意波不同于宏觀的機(jī)械波 更不能理解為粒子做曲線運(yùn)動(dòng) 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 在光屏上放上照相底片并設(shè)法減弱光子流的強(qiáng)度 盡可能使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫 在曝光時(shí)間不長(zhǎng)和曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)的兩種情況下 其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是 若曝光時(shí)間不長(zhǎng) 則底片上出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則的點(diǎn) 若曝光時(shí)間足夠長(zhǎng) 則底片上出現(xiàn)干涉條紋 這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了光具有波動(dòng)性 這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了光具有粒子性 A 對(duì)B 對(duì)C 對(duì)D 對(duì)答案 A 三 對(duì)德布羅意物質(zhì)波的理解1 任何物體 小到電子 質(zhì)子 大到行星 太陽(yáng)都存在波動(dòng)性 我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性 是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(dòng)規(guī)律支配 不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來(lái)理解德布羅意波 3 德布羅意假說(shuō)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(dòng)性 與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波 與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波 特別提醒 光和實(shí)物粒子都具有波粒二象性 對(duì)于波粒二象性的理解 應(yīng)注意 1 在宏觀現(xiàn)象中 波與粒子是對(duì)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(shuō)的粒子性和波動(dòng)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(guò)程中和同物質(zhì)作用時(shí)分別表現(xiàn)出波和粒子的特性 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 下列說(shuō)法中正確的是 A 質(zhì)量大的物體 其德布羅意波長(zhǎng)小B 速度大的物體 其德布羅意波長(zhǎng)小C 動(dòng)量大的物體 其德布羅意波長(zhǎng)小D 動(dòng)能大的物體 其德布羅意波長(zhǎng)小答案 C 四 正確理解不確定關(guān)系1 不確定關(guān)系是微觀粒子具有波粒二象性的必然結(jié)果 除位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系外 還有其他不確定關(guān)系 如時(shí)間和能量的不確定關(guān)系 E t 2 普朗克常量是不確定關(guān)系中的重要角色 如果h的值可忽略不計(jì) 這時(shí)物體的位置 動(dòng)量可同時(shí)有確定的值 如果h不能忽略 這時(shí)必須考慮微粒的波粒二象性 h成為劃分經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)的一個(gè)界線 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 4 關(guān)于不確定關(guān)系 x px 有以下幾種理解 正確的是 A 微觀粒子的動(dòng)量不可確定B 微觀粒子的位置不可確定C 微觀粒子的動(dòng)量和位置不可同時(shí)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 解析 選CD 由 x px 可知 當(dāng)粒子的位置不確定性小時(shí) 粒子動(dòng)量的不確定性大 反之 當(dāng)粒子的位置不確定性大時(shí) 粒子動(dòng)量的不確定性小 故不能同時(shí)測(cè)量粒子的位置和動(dòng)量 故A B錯(cuò) C對(duì) 不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律 對(duì)微觀粒子的影響顯著 對(duì)宏觀世界的影響可忽略 故D正確 課堂互動(dòng)講練 對(duì)于光的行為 下列說(shuō)法正確的是 A 個(gè)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(dòng)性B 光的波動(dòng)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(dòng)性時(shí) 就不具有粒子性了 光表現(xiàn)出粒子性時(shí) 就不具有波動(dòng)性了D 光的波粒二象性應(yīng)理解為 在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 在另外某種場(chǎng)合下 光的粒子性表現(xiàn)明顯 精講精析 個(gè)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(dòng)性 A選項(xiàng)正確 光與物質(zhì)作用 表現(xiàn)為粒子性 光的傳播表現(xiàn)出波動(dòng)性 光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性 因?yàn)椴▌?dòng)性表現(xiàn)為粒子的分布概率 光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性 因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律 B D選項(xiàng)正確 答案 ABD 方法總結(jié) 光的波粒二象性是指光具有波動(dòng)性 又具有粒子性 有時(shí)波動(dòng)性更明顯 有時(shí)粒子性則更明顯 但是 波動(dòng)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(zhì) 變式訓(xùn)練1下列說(shuō)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(zhǎng)越長(zhǎng) 其波動(dòng)性越顯著 波長(zhǎng)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(dòng)性解析 選C 光同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性 只是在有的情況下波動(dòng)性更顯著 有的情況下粒子性更顯著 波長(zhǎng)越長(zhǎng) 波動(dòng)性就更顯著 粒子性就越不明顯 波長(zhǎng)越短 粒子性就更顯著 波動(dòng)性就越不明顯 只有C選項(xiàng)正確 在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中 下列說(shuō)法正確的是 A 使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫 如果時(shí)間足夠長(zhǎng) 底片上將會(huì)顯示衍射圖樣B 單個(gè)光子通過(guò)狹縫后 底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣C 光子通過(guò)狹縫的運(yùn)動(dòng)路線是直線D 光的波動(dòng)性是大量光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 精講精析 個(gè)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(dòng)性 如果時(shí)間足夠長(zhǎng) 通過(guò)狹縫的光子數(shù)也就足夠多 粒子的分布遵從波動(dòng)規(guī)律 底片上將會(huì)顯示出衍射圖樣 A D選項(xiàng)正確 單個(gè)光子通過(guò)狹縫后 路徑是隨機(jī)的 底片上也不會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣 B C選項(xiàng)錯(cuò) 答案 AD 變式訓(xùn)練2在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中 中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95 以上 假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)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(duì)于一個(gè)光子通過(guò)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)95 以上 當(dāng)然也可能落在其他亮紋處 還可能落在暗紋處 只不過(guò)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(jí)是10 10m 電子經(jīng)加速電場(chǎng)加速 形成電子束 電子束照射該金屬晶體時(shí) 獲得明顯的衍射圖樣 問(wèn)這個(gè)加速電場(chǎng)的電壓約為多少 已知電子的電荷量為e 1 6 10 19C 質(zhì)量為m 0 90 10 30kg 答案 153V 變式訓(xùn)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(guò)電場(chǎng)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(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(shuō)法中正確的是 A 該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了電子具有波動(dòng)性B 實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長(zhǎng)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(dòng)能的質(zhì)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(zhǎng)越小 衍射現(xiàn)象就越不明顯 用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子 質(zhì)子的波長(zhǎng)變小 衍射現(xiàn)象相比電子更不明顯 故C D錯(cuò)誤 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全