人教课标版高中物理选修3-5第十七章波粒二象性第五节不确定性关系PPT课件.ppt

不确定关系,授课教师：石劲蕾,选修 35 17.5 不确定关系,选修 35 17.5 不确定关系,德布罗意波的统计解释,1926年，德国物理学玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。,玻恩(M. Born. 1882-1970)德国物理 学家。1926年提出波函数的统计意义。为此与博波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享1954年诺贝尔物理学奖。,选修 35 17.5 不确定关系,经典波动与德布罗意波(物质波)的区别,经典的波动(如机械波)是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。 而德布罗意波(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。,在经典力学中，质点（宏观物体或粒子）在任何时刻都有完全确定的位置、动量、能量等。由于微观粒子具有明显的波动性，以致于它的某些成对物理量（如位置坐标和动量、时间和能量等）不可能同时具有确定的量值，微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律。,物质波不是经典波,微观粒子不是经典粒子,选修 35 17.5 不确定关系,光的单缝衍射,若光子是经典粒子,在屏上的落点应在缝的投影之内,激光束,像屏,由于衍射,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经不遵守牛顿运动定律,不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动了,量子论中该怎么理解“衍射”？,选修 35 17.5 不确定关系,以电子单缝衍射为例讨论这个问题,经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。,微观粒子：位置、动量等具有不确定量（概率）。,1、电子衍射中的不确定度,一束电子以速度 v 沿 oy 轴射向狭缝。,电子在中央主极大区域出现的几率最大。,选修 35 17.5 不确定关系,在经典力学中，粒子（质点）的运动状态用位置坐标和动量来描述，而且这两个量都 可以同时准确地予以测定。然而，对于具有二象性的微观粒子来说，是否也能用确定的坐标和确定的动量来描述呢？,以电子单缝衍射为例讨论这个问题,设有一束电子沿y轴射向屏AB上缝宽为b的狭缝，于是，在照相底片CD上，可以观察到衍射图样。如果我们仍用坐标x和动量P来描述这一电子的运动状态，那么，我们不禁要问：一个电子通过狭缝的瞬时，它是从缝上哪一点通过的呢?也就是说，电子通过狭缝的瞬时，其坐标x为多少?显然，这一问题，我们无法准确地回答，因为此时该电子究竟在缝上哪一点通过是无法确定的，即我们不能准确地确定该电子通过狭缝时的坐标。,选修 35 17.5 不确定关系,以电子单缝衍射为例讨论这个问题,只考虑一级衍射:,电子可在缝宽x范围的任意一点通过狭缝，电子坐标不确定量就是缝宽x，电子在 x方向的动量不确定量:,若考虑次级衍射:,选修 35 17.5 不确定关系,同一时刻，由于衍射效应，粒子的速度方向有了改变，缝越小，动量的分量 Px变化越大。,以电子单缝衍射为例讨论这个问题,严格分析计算可得:,微观粒子的“波粒二象” 性的具体体现,选修 35 17.5 不确定关系,(19011976),德国物理学家,量子力学矩阵形式的创建人, 1932年获诺贝尔物理学奖。,经严格证明应为：,（约化普朗克常量）,它的物理意义是，微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量x越小，动量的不确定量P就越大，反之亦然。因此不可能用某一时刻的位置和动量描述其运动状态。轨道的概念已失去意义，经典力学规律也不再适用。,这就是著名的海森伯测不准关系式,海森伯测不准关系式,选修 35 17.5 不确定关系,海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。,海森伯测不准关系式,不确定关系是物质的波粒二象性引起的。,对于微观粒子，我们不能用经典的来描述。,海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。,选修 35 17.5 不确定关系,能量与时间的不确定关系,原子在激发态的平均寿命t 10-8s,相应地所处能级的能量值一定有一不确定量。,称为激发态的能级宽度。,选修 35 17.5 不确定关系,一颗质量为10g 的子弹，具有200ms-1的速率，若其动量的不确定范围为动量的0. 01%(这在宏观范围是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定量范围为多大?,例1.,解: 子弹的动量,动量的不确定范围,由不确定关系式,我们知道，原子核的数量级为10-15m，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，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。,选修 35 17.5 不确定关系,例2 .,一电子具有200 m/s的速率，且动量的不确定范围为动量的0. 01%(这已经足够精确了)，则该电子的位置不确定范围有多大?,解 : 电子的动量为,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,我们知道原子大小的数量级为10-10m，电子则更小。在这种情况下，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实际意义。,选修 35 17.5 不确定关系,微观粒子和宏观物体的特性对比,选修 35 17.5 不确定关系,不确定关系的物理意义和微观本质,1. 物理意义：,微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量 x越小，动量的不确定量Px就越大，反之亦然。,2. 微观本质：,是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。,微观粒子的坐标愈准确( x0) ，动量就愈不准确(px) ；微观粒子的动量愈准确(px0) ，坐标就愈不准确( x) 。 但这里要注意，不确定关系 不是说微观粒子的坐标测不准； 也不是说微观粒子的动量测不准； 更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准； 而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准(确定)。,选修 35 17.5 不确定关系,3.为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准?,不确定关系的物理意义和微观本质,这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量。 这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上讨论可知，不确定关系是自然界的一条客观规律,不是测量技术和主观能力的问题。 不确定关系提供了一个判据： 当不确定关系施加的限制可以忽略时，则可以用经典理论来研究粒子的运动。 当不确定关系施加的限制不可以忽略时，那只能用量子力学理论来处理问题。,不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分