高中物理 第5章 波与粒子 5.3 实物粒子的波粒二象性 5.4“基本粒子”与恒星演化教案 鲁科版选修3-5.doc

第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化课标要求知识与技能1.知道实物粒子具有波动性2.了解物质波的内容3.了解不确定性关系的内容4.了解“基本粒子”与恒星演化过程与方法1.了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性2.知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性3.感知人类(科学家)探究宇宙奥秘的过程和方法情感态度与价值观1.通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正2.让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性.课标解读1了解德布罗意物质波假说的内容，知道德布罗意关系式2了解实物粒子和光子一样具有波粒二象性，知道不确定性关系和电子云的概念3知道宇宙大爆炸理论，知道恒星的演化史，了解恒星演化各个阶段的特点和名称4了解基本粒子的多样性及其分类，了解基本粒子间的相互作用，初步了解实验室发现基本粒子的原理和仪器教学地位物质波的概念可结合光的波粒二象性，从对称的角度引起学生对实物粒子是否具有波动性的思考，然后利用德布罗意关系式进行实例计算，使学生认识微观粒子能够表现出波动性，知道通常物体难以表现出波动性的原因，知道物质波也是概率波，从而加深对波粒二象性及概率波的理解，根据微观粒子在其空间不同位置动量是不完全确定的，因而不能用“轨迹”来描述粒子的运动，从而自然进入电子云的学习，使学生了解人们可以用点的疏密表示电子出现的概率分布的方法对恒星演化和粒子物理的教学，可根据书本内容提出一些问题引导学生自学或者组织学生查收相关资料，并以学生主讲的方式与大家交流，提高学生学习的积极性新课导入建议问题导入(1)衍射是波特有的性质对于电子这样的实物粒子能发生衍射现象吗？(2)宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，你想了解宇宙更早期的情况吗？我们必须进行本节课的学习教学流程设计步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】课标解读重点难点1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系2.初步了解粒子物理学的基础知识3.初步了解恒星的演化4.了解人类认识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深入的.1.德布罗意波长和粒子动量的关系(重点)2.构成物质的粒子和宇宙演化的过程(重点)3.理解实物粒子的波粒二象性和不确定性关系及各种微观粒子模型(难点)粒子的波动性及物质波的实验验证1.基本知识(1)德布罗意波实物粒子也具有波动性这种波叫物质波，也称为德布罗意波(2)物质波的波长、频率与粒子能量、动量的关系粒子能量e与相应波的频率之间的关系为eh.动量p与相应波长之间的关系为p.(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衍射现象1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像x射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片2思考判断(1)电子不但具有粒子性也具有波动性()(2)物质波的波长由粒子的大小决定()(3)物质波的波长和粒子运动的动量有关()3探究交流运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难观察到宏观物体的波动性？【提示】由p得，宏观物体动量比微观粒子动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很短，而波长越长波动性越明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性不确定性关系及电子云1.基本知识(1)在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量(2)不确定性关系：xp.式中，x为位置的不确定范围，p为动量的不确定范围，h为普朗克常量(3)此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量(4)电子云定义在原子核周围用点的疏密表示的电子出现的概率分布电子的分布某一空间范围内电子出现概率大的地方点密，电子出现概率小的地方点疏电子云反映了原子核外电子位置的可能性2思考判断(1)无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的()(2)我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置()(3)微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置()3探究交流在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？【提示】粒子出现的位置还是有规律可循的，那就是统计规律，比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出现概率大的位置.“基本粒子”与恒星的演化1.基本知识(1)对粒子的认识过程“基本粒子”：电子、质子和中子曾认为它们是组成物质的基本粒子，后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现k介子和介子及以后发现的超子等(2)粒子的分类：已发现的粒子分为媒介子、轻子和强子三类(3)影响“粒子”的相互作用力引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用(4)夸克模型夸克：强子是由夸克构成的分类：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；它们所带的电荷是电子或质子所带电荷的2/3或1/3.(5)恒星的演化恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚开始发光形成恒星恒星的归宿：聚变反应层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生，恒星的中心密度达到极大，在强大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞恒星的演化过程：原恒星主序星(现在太阳正处于此阶段)红巨星或超新星白矮星、中子星或黑洞2思考判断(1)强子是参与强相互作用的粒子()(2)目前发现的轻子有8种()(3)宇宙将一直会膨胀下去()3探究交流星云是怎样形成恒星的？恒星形成时是怎样发光的？恒星在哪个阶段停留时间最长？【提示】星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度升高当温度上升到一定程度时，开始发光，形成原恒星恒星在主序星阶段停留时间最长.德布罗意波的理解【问题导思】1宏观物体具有波动性吗？2粒子在空间的位置满足什么规律？3光子对应的波和实物粒子的波一样吗？1任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太 阳都具有波动性，波长.由于宏观物体的波长太小，其波动性不易观察到2物质波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率服从波动规律3德布罗意假说是光的波粒二象性的推动，实物粒子和光子都既具有粒子性，又具有波动性与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的是物质波质量为1 000 kg的小汽车以v40 m/s的速度在高速公路上行驶，试估算小汽车的德布罗意波的波长【审题指导】解答此题时应注意以下两点：(1)计算出小汽车的动量(2)根据德布罗意波的动量与波长关系式计算波长【解析】小汽车的动量为pmv1 00040 kgm/s4104 kgm/s小汽车的德布罗意波波长为 m1.71038 m.【答案】1.71038 m1(2013江苏高考)如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的_也相等a速度b动能c动量d总能量【解析】根据，知电子和中子的动量大小相等，选项c正确【答案】c对不确定性关系的理解【问题导思】1粒子位置是无法判定的吗？2粒子的运动有没有特定的轨道？3动量和位置具有什么样的不确定性关系？1粒子位置的不确定性如果准确地测量出粒子的动量，那么粒子所处的位置是完全不确定的2粒子动量的不确定性微观粒子具有波动性，会发生衍射在衍射现象中，某个粒子到达屏上的位置是不确定的，所以粒子在垂直于入射方向上的动量也具有不确定性3位置和动量的不确定性关系xp.4微观粒子的运动没有特定的轨道在经典物理学中，可以同时用质点的位置和动量精确地描述它的运动而且如果知道了质点的加速度，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，从而描述它的轨迹但是，在微观物理学中，不确定关系告诉我们，如果要准确地确定粒子的位置，那么动量的测量一定会不准确，也就是说，不可能同时准确地知道单个粒子的位置和动量，因而也就不可能用轨迹来描述这一粒子的运动，但是我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律一个宏观系统总是包含着大量粒子，因此我们仍然能够对宏观现象进行预言已知5.31035 js.试求下列情况中速度测定的不确定量(1)一个球的质量m1.0 kg，测定其位置的不确定量为106m.(2)电子的质量me9.01031 kg，测定其位置的不确定量为1010 m(即在原子的数量级)【解析】(1)当m1.0 kg，x106 m时，由xp，pmv知v1 m/s5.31029 m/s.(2)当me9.01031 kg，x1010 m时v2 m/s5.89105 m/s.【答案】(1)大于等于5.31029 m/s(2)大于等于5.89105 m/s2一颗质量为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了)，则该子弹位置的不确定范围为多大？【解析】子弹的动量为pmv0.01200 kgm/s2.0 kgm/s动量的不确定范围为p0.01%p1.01042.0 kgm/s2.0104 kgm/s由不确定关系式xp，得子弹位置的不确定范围x m2.61031 m【答案】见解析易错案例警示不理解不确定 性关系的意义导致错误关于不确定性关系xp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不确定性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【正确解答】由xp可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小故不能同时测量粒子的位置和动量，故a、b错，c对不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽略，故d正确【答案】cd【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：易错选项错误原因a不清楚粒子位置和粒子动量的不确定性关系，误认为微观粒子的动量不可能确定b不知道当粒子位置的不确定性变小时，粒子动量的不确定性变大；当粒子位置的不确定性变大时，粒子动量的不确定性变小误认为微观粒子的坐标不可能确定.【备课资源】(教师用书独具)黑洞的产生黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质由于高质量而产生的力量，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去黑洞开始吞噬恒星的外壳，但黑洞并不能吞噬如此多的物质，黑洞会释放一部分物质，射出两道纯能量伽马射线也可以简单地理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生聚变由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定由于聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素氦元素接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成直至铁元素生成，该恒星便会坍塌这是由于铁元素相当稳定不能参与聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，就再不能逃出跟白矮星和中子星一样，黑洞可能也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积无限小、密度无限大的星体而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出“黑洞”诞生了.1关于德布罗意波，下列说法正确的是()a所有物体不论其是否运动，都有对应的德布罗意波b任何一个运动着的物体都有一种波和它对应，这就是德布罗意波c运动着的电场、磁场没有相对应的德布罗意波d只有运动着的微观粒子才有德布罗意波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的德布罗意波【解析】任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，即物质波也叫德布罗意波这里物体是指由实物粒子组成的物体，而物质分实物和场故b正确【答案】b2关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是()a宇宙已经停止演化b恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定c当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度减弱d恒星最终都会演化为黑洞【解析】目前宇宙的演化仍在进行，a错恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，b对恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，c错根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，d错【答案】b3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