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新课标高中物理选修新课标高中物理选修3 35 5 第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性 【精品课件，教学帮手】 物物 质质 实物实物 场场 质子质子 电子电子 电场电场 磁场磁场 光是光是传播着的电磁场传播着的电磁场 实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性 【精品课件，教学帮手】 一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波 两种模型：两种模型： 粒子模型粒子模型 经典粒子特征：经典粒子特征： 运动特征：运动特征： 波动模型波动模型 经典波的特征：经典波的特征： 如：如：声音的干涉、衍射现象声音的干涉、衍射现象 如：如：自由落体、电子在电场中偏转自由落体、电子在电场中偏转 有大小、质量、电荷有大小、质量、电荷. . 有有频率、波长，频率、波长，即具有时空的即具有时空的 周期性。周期性。 能确定任意时刻的能确定任意时刻的位置位置和和速度速度以及以及 时空中的确定时空中的确定轨道。轨道。 【精品课件，教学帮手】 波和粒子是两种不同的研究对象，具有非波和粒子是两种不同的研究对象，具有非 常不同的表现，那么，为什么对于光子、电子常不同的表现，那么，为什么对于光子、电子 和质子等粒子又能集它们于一身呢？和质子等粒子又能集它们于一身呢？ 二、概率波二、概率波 双缝干涉现象：双缝干涉现象： 到达明纹的光子数多，到达明纹的光子数多， 到达暗纹的光子数少。到达暗纹的光子数少。 是否可以认为：是否可以认为： 是光子之间的相互作用是光子之间的相互作用使它表现出了波动性，使它表现出了波动性， 而不是光子本身就具有波动性呢？而不是光子本身就具有波动性呢？ 【精品课件，教学帮手】 【精品课件，教学帮手】 问题：问题：一个光子通过狭缝后到底落在屏上的一个光子通过狭缝后到底落在屏上的 哪一点呢？哪一点呢？ 19261926年德国物理学家波年德国物理学家波 恩指出：恩指出：光子落在明处的概光子落在明处的概 率大，落在暗处的概率小。率大，落在暗处的概率小。 光子在空间出现的概率光子在空间出现的概率 可以通过波动的规律确定，可以通过波动的规律确定， 所以从光子的概念上看，所以从光子的概念上看，光光 波是一种概率波波是一种概率波. . 玻恩玻恩 19541954年诺年诺 贝尔物理学奖贝尔物理学奖 【精品课件，教学帮手】 1 1、对概率波的验证对概率波的验证电子的双缝衍射电子的双缝衍射 1) 1) 用足够强的电子束进行双缝衍射用足够强的电子束进行双缝衍射 结果与光的双缝衍射一样：结果与光的双缝衍射一样： 出现了明暗相间的衍射条纹，体现电子出现了明暗相间的衍射条纹，体现电子 的波动性。的波动性。 衍射条纹掩饰了电子的粒子性衍射条纹掩饰了电子的粒子性 未能体现电子在空间分布的概率性质。未能体现电子在空间分布的概率性质。 【精品课件，教学帮手】 2) 2) 用非常弱的电子束进行双缝衍射用非常弱的电子束进行双缝衍射 开始电子打在屏幕上的位置是任意的开始电子打在屏幕上的位置是任意的 随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束 在短时间形成的一样在短时间形成的一样 单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布 电子运动的概率具有确定的规律电子运动的概率具有确定的规律波动规律波动规律 7 7个电子个电子100100个电子个电子 30003000 20000200007000070000 【精品课件，教学帮手】 2 2、物质波是不是经典波？、物质波是不是经典波？ 经典的波是介质中质元共同振动形成的，经典的波是介质中质元共同振动形成的， 实际存在实际存在于空间的一种波动。于空间的一种波动。 双缝衍射中，每个电子的分布是随机的双缝衍射中，每个电子的分布是随机的 ，完全不确定的。但屏幕上出现的是强弱连，完全不确定的。但屏幕上出现的是强弱连 续分布的条纹（整体性）。续分布的条纹（整体性）。 物质波是一种概率波。简单的说，是为物质波是一种概率波。简单的说，是为 了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法 。 【精品课件，教学帮手】 3 3、微观粒子是不是经典粒子？、微观粒子是不是经典粒子？ 经典粒子双缝衍射经典粒子双缝衍射 子弹可以看作是经典粒子子弹可以看作是经典粒子 假想用机关枪扫射双缝假想用机关枪扫射双缝A A和和B B，屏幕屏幕C C收集收集 子弹数目子弹数目 【精品课件，教学帮手】 1) 1) 将狭缝将狭缝 B B 挡住挡住 子弹通过子弹通过 A A 在屏幕在屏幕 C C 上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类似于单缝衍射的中央主极大 P P1 1 子弹落在中央主极大范围的概率分布子弹落在中央主极大范围的概率分布 【精品课件，教学帮手】 2) 2) 将狭缝将狭缝A A 挡住挡住 子弹通过子弹通过 B B 在屏幕在屏幕 C C 上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类似于单缝衍射的中央主极大 P P2 2 子弹落在中央主极大范围的概率分布子弹落在中央主极大范围的概率分布 【精品课件，教学帮手】 3) A3) A和和B B狭缝同时打开狭缝同时打开 子弹是子弹是经典粒子经典粒子 原来通过原来通过A A狭缝的子弹狭缝的子弹 还是通过还是通过A A 原来通过原来通过B B狭缝的子弹狭缝的子弹 还是通过还是通过B B 屏幕屏幕C C上子弹分布概率上子弹分布概率 两个狭缝同时打开，每颗两个狭缝同时打开，每颗 子弹也不会有新的选择！子弹也不会有新的选择！ 【精品课件，教学帮手】 电子双缝衍射电子双缝衍射 电子枪发射出的电子，在屏幕电子枪发射出的电子，在屏幕P P上观察电上观察电 子数目子数目 1) 1) 将狭缝将狭缝B B挡住挡住 电子通过狭缝电子通过狭缝A A 在屏幕在屏幕C C有一定分布有一定分布 类似于单缝衍射类似于单缝衍射 的中央主极大的中央主极大 【精品课件，教学帮手】 2) 2) 将狭缝将狭缝A A挡住挡住 电子通过狭缝电子通过狭缝B B在屏幕在屏幕C C上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类似于单缝衍射的中央主极大 【精品课件，教学帮手】 3 3）A A和和B B狭缝同时打开狭缝同时打开 如果如果电子是经典粒子电子是经典粒子 原来通过原来通过A A狭缝的电子狭缝的电子 还是通过还是通过A A 原来通过原来通过B B狭缝的电子狭缝的电子 还是通过还是通过B B 屏幕上电子的概率分布屏幕上电子的概率分布 【精品课件，教学帮手】 屏幕屏幕C C 实际观察到类似光的双缝衍射条纹实际观察到类似光的双缝衍射条纹 屏幕屏幕C C上电子的概率分布上电子的概率分布 只开一个狭缝和同时开两个狭缝只开一个狭缝和同时开两个狭缝 电子运动的方向具有随机性电子运动的方向具有随机性 A A和和B B狭缝同时打开狭缝同时打开 电子似乎电子似乎“ “知道知道” ” 两个狭缝都打开！两个狭缝都打开！ 【精品课件，教学帮手】 双缝和屏幕之间双缝和屏幕之间 到底发生了什么？到底发生了什么？ 屏幕上电子的分布屏幕上电子的分布 有了新的概率分布有了新的概率分布 电子电子 不是经典粒子不是经典粒子 【精品课件，教学帮手】 德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释 19261926年，德国物理学玻恩年，德国物理学玻恩 ( (BornBorn , , 1882-1972) 1882-1972) 提出了提出了概率波概率波，认为，认为单个单个 微观粒子微观粒子在何处出现有一定的在何处出现有一定的偶然性偶然性( ( 不确定性不确定性) )，但是，但是大量粒子大量粒子在空间何处在空间何处 出现的空间分布却服从出现的空间分布却服从一定的统计规律一定的统计规律 。粒子在某点出现的概率的大小可由。粒子在某点出现的概率的大小可由波波 动规律动规律确定。确定。 【精品课件，教学帮手】 光子在某处出现的概率由光在该处的光强决定光子在某处出现的概率由光在该处的光强决定 I I 大大 光子出现概率大光子出现概率大I I小小 光子出现概率小光子出现概率小 概率波概率波体现了波粒二象性的和谐统一体现了波粒二象性的和谐统一 单缝衍射单缝衍射 光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成 正比正比 【精品课件，教学帮手】 根据经典物理学，如果我们已知一根据经典物理学，如果我们已知一 物体的初始位置和初始速度，就可以准物体的初始位置和初始速度，就可以准 确地确定以后任意时刻的位置和速度。确地确定以后任意时刻的位置和速度。 但是在微观世界中，由于微观粒子但是在微观世界中，由于微观粒子 具有波动性，具有波动性，其坐标和动量不能同时确其坐标和动量不能同时确 定。我们不能用经典的方法来描述它的定。我们不能用经典的方法来描述它的 粒子性。粒子性。 海森伯，海森伯，德国著名的德国著名的 现代物理学家。现代物理学家。 新课标高中物理选修新课标高中物理选修3 35 5 第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性 【精品课件，教学帮手】 、光的单缝衍射、光的单缝衍射 激 光 束 像屏 由于衍射由于衍射，落点会超出单缝投影的范围，落点会超出单缝投影的范围 ，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已 经不遵守牛顿运动定律，经不遵守牛顿运动定律，不能同时用粒子的不能同时用粒子的 位置和动量位置和动量来描述粒子的运动了。来描述粒子的运动了。 【精品课件，教学帮手】 屏上各点的亮度反映屏上各点的亮度反映 了粒子到达该点的概率。了粒子到达该点的概率。 1、粒子在挡板左侧动 量确定，但位置完全 不确定。 2、在单缝处，位置不 确定范围是：缝宽 a=x 3、在缝后x方向有动 量，也不确定：px 入射入射 粒子粒子 【精品课件，教学帮手】 若减小缝宽若减小缝宽 位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽 ，所以，所以 x x 方向动量的不确定量变大。方向动量的不确定量变大。 2 2、海森伯不确定关系、海森伯不确定关系 19271927年海森伯提出：粒子在某方向上的年海森伯提出：粒子在某方向上的 坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘 积必不小于普朗克常数。积必不小于普朗克常数。 所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可 见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对 宏观物体来说没有实际意义。宏观物体来说没有实际意义。 例例1 1. .一颗质量为一颗质量为1010g g 的子弹，具有的子弹，具有200m200ms s-1 -1的速率， 的速率， 若其动量的不确定范围为动量的若其动量的不确定范围为动量的0. 0. 01%(01%(这在宏观范围这在宏观范围 是十分精确是十分精确) )，则该子弹位置的不确定量范围为多大，则该子弹位置的不确定量范围为多大? ? 解解: : 子弹的动量子弹的动量 动量的不确定范围动量的不确定范围 由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围 电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿 倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有 实际意义。实际意义。 例例2 .2 . 一电子具有一电子具有200 m/s200 m/s的速率，动量的不确定的速率，动量的不确定 范围为动量的范围为动量的0. 0. 01%(01%(这已经足够精确了这已经足够精确了) )，则该电子，则该电子 的位置不确定范围有多大的位置不确定范围有多大? ? 解解 : : 电子的动量为电子的动量为 动量的不确定范围动量的不确定范围 由不确定关系式，得电子位置的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围 【精品课件，教学帮手】 海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子 坐标和动量坐标和动量不能同时确定不能同