高中物理 第2章 波和粒子 2.4 实物是粒子还是波导学案 沪科版选修3-5.doc

学案4实物是粒子还是波学习目标定位 1.知道实物粒子具有波动性，知道什么是物质波.2.了解物质波也是一种概率波.3.初步了解不确定关系1光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性2光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性3光在传播过程中表现出波动性，在和其它物质作用的过程中表现出粒子性光在传播过程中，在空间各点出现的可能性的大小(概率)，由波动性起主导作用，光是一种概率波4德布罗意波(1)德布罗意波：任何一个运动着的物体，都有一种波与之相伴随这种波称为物质波，也叫德布罗意波(2)物质波的波长、动量关系式：.(3)物质波的实验验证：1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的晶体衍射1927年，汤姆生观察到，电子通过金属薄层做透射实验后形成了衍射环，并计算出相应的波长(4)物质波与光波一样，也是概率波电子落在“亮环”上的概率大，落在“暗环”上的概率小5不确定关系(1)定义：在经典物理学中，物体的位置和动量是可以同时精确地测定的，在微观物理学中，要同时精确测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫不确定关系(2)表达式：xpx.其中用x表示粒子位置的不确定量，用px表示粒子在x方向动量的不确定量，h是普朗克常量(3)此式表明，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，即不可能用“轨道”来描述粒子的运动.一、对物质波的理解问题设计阅读课本，回答：1如何理解德布罗意波？如何理解实验粒子的波粒二象性？2我们观察不到宏观物体波动性的原因是什么？答案见要点提炼要点提炼1任何运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相伴随，这种波称为物质波物质波波长的计算公式为.2德布罗意假说是光的波粒二象性的推广，即光子和实物粒子都既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波3德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波4我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故例1下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是()a任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波bx光的衍射证实了物质波的假设是正确的c电子的衍射证实了物质波的假设是正确的d宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体不具有波动性解析运动着的物体才具有波动性，a项错误宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍有波动性，d项错；x光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，b项错只有c项正确答案c例2如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？(中子的质量为1.671027 kg)解析中子的动量为p1m1v子弹的动量为p2m2v据知中子和子弹的德布罗意波长分别为1，2联立以上各式解得1，2将m11.671027 kg，v103 m/sh6.631034 js，m21.0102 kg代入上面两式可解得14.01010 m，26.631035 m答案4.01010 m6.631035 m二、不确定关系问题设计在经典物理学中，物体的位置和动量是可以同时精确测定的，对于微观粒子，它的位置和动量能同时被精确测定吗？能用“轨道”来描述粒子的运动吗？试以光的衍射为例加以说明答案不能微观粒子的位置和动量不能同时被精确测定在粒子的衍射现象中，设有粒子通过狭缝后落在屏上，狭缝宽度为d(用坐标表示为x)，那么某个粒子通过狭缝时位于缝中的哪一点是不确定的，不确定的范围为x；由于微观粒子具有波动性，经过狭缝后会发生衍射，有些粒子会偏离原来的运动方向跑到了投影位置以外的地方，这就意味着粒子有了与原来运动方向垂直的动量(位于与原运动方向垂直的平面上)又由于粒子落在何处是随机的，所以粒子在垂直于运动方向的动量具有不确定性，不确定量为px.根据xpx知，如果x更小，则px更大，也就是不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动要点提炼1微观粒子运动的位置不确定量x和动量的不确定量px的关系式为xpx，其中h是普朗克常量，这个关系式叫不确定关系2不确定关系告诉我们，如果要更准确地确定粒子的位置(即x更小)，那么动量的测量一定会更不准确(即px更大)，也就是说，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，也不可能用“轨道”来描述粒子的运动例3一颗质量为10 g的子弹，具有200 m/s的速率，若其动量的不确定范围为其动量的0.01%(这在宏观范围是十分精确的)，则该子弹位置的不确定量范围为多大？解析子弹的动量pmv0.01200 kgm/s2 kgm/s，动量的不确定范围px0.01 %p2104 kgm/s；由不确定关系xpx，得子弹位置的不确定范围x m2.61031 m答案见解析实物是粒子还是波1下列关于物质波的说法中正确的是()a实物粒子具有粒子性，在任何条件下都不可能表现出波动性b宏观物体不存在对应波的波长c电子在任何条件下都能表现出波动性d微观粒子在一定条件下能表现出波动性答案d2关于不确定关系xpx有以下几种理解，正确的是()a微观粒子的动量不可确定b微观粒子的位置不可确定c微观粒子的动量和位置不可同时确定d不确定关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体答案cd解析本题主要考查不确定关系xpx的理解，不确定关系表示确定位置、动量的精度相互制约，此长彼消，当粒子的位置不确定更小时，粒子动量的不确定更大；反之亦然，故不能同时准确确定粒子的位置和动量，不确定关系是自然界中的普遍规律，对微观世界的影响显著，对宏观世界的影响可忽略，故c、d正确3一质量为450 g的足球以10 m/s的速度在空中飞行；一个初速度为零的电子，通过电压为100 v的加速电场试分别计算它们的德布罗意波长答案1.471034 m1.21010 m解析物体的动量pmv，其德布罗意波长.足球的德布罗意波长1 m1.471034 m电子经电场加速后，速度增加为v2，根据动能定理有m2veu，p2m2v2该电子的德布罗意波长2 m1.21010 m4设子弹的质量为0.01 kg，枪口直径为0.5 cm，试求子弹射出枪口时横向速度的不确定量答案1.061030 m/s解析枪口直径可以当作子弹射出枪口位置的不确定量x，由于pxmvx，由不确定关系式得子弹射出枪口时横向速度的不确定量vx m/s1.061030 m/s基础题1在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是()a弱光衍射实验b电子束在晶体上的衍射实验c弱光干涉实验 d以上都不正确答案b解析由课本知识知，最早证明德布罗意波假说的是电子束在晶体上的衍射实验2下列说法中正确的是()a质量大的物体，其德布罗意波长小b速度大的物体，其德布罗意波长小c动量大的物体，其德布罗意波长小d动能大的物体，其德布罗意波长小答案c解析由德布罗意假说得德布罗意波长，式中h为普朗克常量，p为运动物体的动量，可见p越大，越小；p越小，越大故c正确，a、b、d错误3下列物理实验中，能说明粒子具有波动性的是()a通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，证明了爱因斯坦方程的正确性b通过测试多种物质对x射线的散射，发现散射射线中有波长变大的成分c通过电子双缝实验，发现电子的干涉现象d利用晶体做电子束衍射实验，证实了电子的波动性答案cd解析干涉和衍射是波特有的现象由于x射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故x射线有波长变大的成分，并不能证实物质波理论的正确性，即a、b并不能说明粒子的波动性，证明粒子的波动性只能是c、d.4一个电子被加速后，以极高的速度在空间运动，关于它的运动，下列说法中正确的是()a电子在空间做匀速直线运动b电子上下左右颤动着前进c电子运动轨迹是正弦曲线d无法预言它的路径答案d解析根据概率波的知识可知，某个电子在空间中运动的路径我们无法确定，只能根据统计规律确定大量电子的运动区域故选项d正确5对于微观粒子的运动，下列说法中正确的是()a不受外力作用时光子就会做匀速运动b光子受到恒定外力作用时就会做匀变速运动c只要知道电子的初速度和所受外力，就可以确定其任意时刻的速度d运用牛顿力学无法确定微观粒子的运动规律答案d解析光子不同于宏观力学的粒子，不能用宏观粒子的牛顿力学规律分析光子的运动，选项a、b错误；根据概率波、不确定关系可知，选项c错误，故选d.6为了观察晶体的原子排列，可以采用下列方法：(1)用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像(由于电子的物质波波长很短，能防止发生明显衍射现象，因此电子显微镜的分辨率高)；(2)利用x射线或中子束得到晶体的衍射图样，进而分析出晶体的原子排列则下列分析中正确的是()a电子显微镜所利用的是，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多b电子显微镜中电子束运动的速度应很小c要获得晶体的x射线衍射图样，x射线的波长要远小于原子的尺寸d中子的物质波的波长可以与原子尺寸相当答案ad解析由题目所给信息“电子的物质波波长很短，能防止发生明显衍射现象”及发生衍射现象的条件可知，电子的物质波的波长比原子尺寸小得多，a项正确；由公式知，当电子的速度很小时，动量p很小，电子的物质波波长会很长，显然，不满足题意，b错误；由信息“利用x射线或中子束得到晶体的衍射图样”及发生衍射现象的条件可知，中子的物质波或x射线的波长与原子尺寸相当，c项错误，d项正确能力题7用显微镜观看细微结构时，由于受到衍射现象的影响而观察不清，因此观察越细小的结构，就要求波长越短，波动性越弱在加速电压值相同的情况下，电子显微镜与质子显微镜的分辨本领，下列判定正确的是()a电子显微镜分辨本领较强b质子显微镜分辨本领较强c两种显微镜分辨本领相同d两种显微镜分辨本领不便比较答案b解析原子或中子在电场中加速由动能定理得eumv2，又由物质波公式得，所以经相同电压加速后的质子与电子相比，质子的物质波波长短，波动性弱，从而质子显微镜分辨本领较强，即b选项正确8在单缝衍射实验中，若单缝宽度是1.0109m，那么光子经过单缝发生衍射，动量的不确定量是_答案0.531025 kgm/s解析单缝宽度是光子经过狭缝的不确定量，即x1.0109m，由xpx有1.0109px，则px0.531025kgm/s9质量为10 g的子弹，以300 m/s的速度射向靶子，试计算此子弹位置的不确定范围(设其动量的不确定范围为0.02%)答案大于或等于8.81032 m解析pxmv0.02%101033000.02102kgms16104kgms1由xpx知，位置的不确定范围是x m8.81032 m.10已知电子的质量为me9.