高中物理 5.3 实物粒子的波粒二象性同步课件 鲁科版选修35.ppt

第3节实物粒子的波粒二象性 1 了解德布罗意假论的实验探索 2 理解实物粒子具有波粒二象性及不确定性关系的具体含义 一 德布罗意的假设 德布罗意波 任何一个 的物体都有一种波与它相对应 这种波叫 也称为德布罗意波 德布罗意关系 粒子能量e与相应的波的频率 之间的关系为 动量p与相应波长 之间的关系为 上述关系称为德布罗意关系 两式中的h为 通过普朗克常量把 和 联系起来 物质波的波长 频率关系式 运动 物质波 e h 普朗克常量 粒子性 波动性 干涉 衍射是波特有的现象 如果实物粒子具有波动性 则在一定条件下 也应该能发生干涉和衍射现象 实验验证 1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了 的实验 得到了电子的 证实了电子的波动性 2 宏观物体的质量比微观粒子大得多 运动时的动量很大 对应的德布罗意波的波长就很小 根本无法观察到它的波动性 二 德布罗意假说的实验探索 实验探究思路 电子 束衍射 衍射图样 三 不确定性关系 微观粒子运动的基本特征 不再遵守 定律 不可能同时准确地知道粒子的 和 不可能用 来描述粒子的运动 微观粒子的运动状态只能通过 做统计性的描述 牛顿运动 位置 动量 轨迹 概率 为了形象描述电子的分布情况 人们在原子核周围画一些疏密不同的点 若某一空间范围内电子出现的概率大 则这里的点就 若某一空间的范围内电子出现的概率小 则这里的点就 这种用点的 表示的电子出现的 分布 称为电子云 四 电子云 密集 稀疏 疏密 概率 一 对德布罗意假说的理解 温馨提示 1 普朗克常量h很小 而宏观物体的动量p都比较大 所以宏观物体的德布罗意波的波长都很小 2 物质波也是概率波 在一般情况下 对于电子和其他微观粒子 不能用确定的坐标来描述它们的位置 因此也无法用轨迹描述它的运动 但是它们在空间各处出现的概率是受波动规律支配的 3 我们平时所看到的宏观物体 其运动时 我们看不到它们的波动性 但也有一个波长与之对应 例如飞行子弹的波长为10 34m 这个波长实在是太小了 4 波粒二象性是微观粒子的特殊规律 一切微观粒子都存在波动性 宏观物体也存在波动性 只是波长太小 难以观测 5 对于光 先有波动性 即 和 其后在量子理论中引入光子的能量e和动量p来补充它的粒子性 反之 对于实物粒子 则先有粒子性 即e和p 再引用德布罗意波 即 和 的概念来补充它的波动性 不过要注意这里所谓波动和粒子 实际上仍然都是经典物理学的概念 所谓补充仅是形式上的 综上所述 德布罗意的推想基本上是爱因斯坦关于波粒二象性理论 光粒子由波伴随着 的一种推广 使之包括了所有的物质微观粒子 不确定性关系是微观粒子的波粒二象性及粒子的空间分布遵从统计规律的必然结果 微观粒子的位置坐标测得越准确 即 x越小 则动量就越不准确 即 p越大 微观粒子的动量测得越准确 即 p越小 则位置坐标就越不准确 即 x越大 注意不确定性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 二 对不确定关系的理解 不确定性关系表明 对任何物体都成立 并不是因为测量技术和主观能力而使微观粒子的坐标和动量不能同时测准 当不确定性关系施加的限制可以忽略时 则可以用经典力学理论来研究粒子的运动 当不确定性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 不确定性关系是自然界的一条客观规律 不确定性关系提供了一个依据 一颗质量为5kg的炮弹 1 以200m s的速度运动时 它的德布罗意波长为多大 2 若要使它的德布罗意波长与波长是400nm的紫光波长相等 则它必须以多大的速度运动 典例1 对物质波的理解与计算 答案 1 6 63 10 37m 2 3 3 10 28m s 关于物质波 下列认识中错误的是 a 任何运动的物体 质点 都伴随一种波 这种波叫物质波b x射线的衍射实验 证实了物质波假设是正确的c 电子的衍射实验 证实了物质波假设是正确的d 宏观物体尽管可以看作物质波 但它们不具有干涉 衍射等现象解析根据德布罗意物质波理论可知 任何一个运动的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都有一种波与之相对应 这种波就叫物质波 可见 a选项是正确的 由于x射线本身就是一种波 而不是实物粒子 故x射线的衍射现象并不能证实物质波理论的正确性 即b选项错误 电子 变式1 是一种实物粒子 电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性 故c选项是正确的 由电子穿过铝箔的衍射实验知 少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的 无规律的 但大量电子穿过铝箔后落的位置则呈现出衍射图样 即大量电子的行为表现出电子的波动性 干涉 衍射是波的特有现象 只要是波 都会发生干涉 衍射现象 故选项d错误 综合以上分析知 本题应选b d 答案bd 一颗质量为10g的子弹 具有200m s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范围为多大 解析子弹的动量为p mv 0 01 200kg m s 2 0kg m s动量的不确定范围 p 0 01 p 1 0 10 4 2 0kg m s 2 0 10 4kg m s答案大于或等于2 6 10 31m 典例2 不确定性关系的应用 借题发挥我们知道 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 不确定性关系对宏观物体来说没有实际意义 一电子具有200m s的速率 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 解析电子的动量为p mv 9 1 10 31 200kg m s 1 8 10 28kg m s动量的不确定范围 p 0 01 p 1 0 10 4 1 8 10 28kg m s 1 8 10 32kg m s由不确定性关系式 得电子位置的不确定范围答案大于或等于2 9 10 3m 变式2 质量为60kg的运动员 百米赛跑的成绩为10s 试估算运动员的德布罗意波的波长 解析因为是估算题 可认为运动员匀速运动 速度v 10m s 答案1 1 10 36m 对物质波的理解与计算 1 下述说法正确的是 a 宏观物体的动量和位置可准确测定b 微观粒子的动量和位置可准确测定c 微观粒子的动量和位置不可同时准确测定d 宏观粒子的动量和位置不可同时准确测定解析宏观物体在经典力学中 位置和动量可以同时精确测定 在量子理论建立之后 微观粒子的动量和位置要同时测出是不可能的 答案ac 对不确定性关系的理解 2 关于不确定性关系 下列说法正确的是 a 在微观世界中 粒子的位置和动量存在一定的不确定性 不能同时测量b 自然界中的任何物体的动量和位置之间都存在不确定性c 海森堡不确定性关系说明粒子的位置和动量存在一定的不确定性 都不能测量 3 解析微观世界中 粒子的位置和动量存在一定的不确定性 不能同时测量 a正确 如果同时测量某个微观粒子的位置和