高中物理 第17章 波粒二象性 45 概率波 不确定性关系课件 新人教版选修35.ppt

4概率波5不确定性关系 一 二 三 填一填 练一练 四 一 经典的粒子和经典的波 见课本第40页 1 经典粒子 1 含义 粒子有一定的空间大小 具有一定的质量 有的还带有电荷 2 运动的基本特征 遵从牛顿运动定律 任意时刻有确定的位置和速度 在时空中有确定的轨道 2 经典的波 1 含义 在空间是弥散开来的 2 特征 具有频率和波长 即具有时空的周期性 一 二 三 填一填 练一练 四 二 概率波 见课本第40页 1 光波是一种概率波 光的波动性不是光子之间的相互作用的结果 光子本身的波动性是它固有的性质 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定 所以 从光子的概念上看 光波是一种概率波 2 物质波也是概率波 对于电子和其他微观粒子 单个粒子的位置是不确定的 但是在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定 对于大量粒子 这种概率分布导致确定的宏观结果 所以物质波也是概率波 一 二 三 填一填 练一练 四 三 不确定性关系 见课本第42页 1 定义 在经典物理学中 一个质点的位置和动量是可以同时测定的 在微观物理学中 要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的 我们把这种关系叫不确定性关系 2 表达式 其中用 x表示粒子位置的不确定量 用 p表示在x方向上动量的不确定量 h是普朗克常量 3 由不确定性关系可知 微观粒子的位置和动量不能同时被确定 也就决定了不能用 轨迹 来描述粒子的运动 一 二 三 填一填 练一练 四 四 物理模型与物理现象 见课本第44页 在经典物理学中 对于宏观对象 我们分别建立粒子模型和波动模型 在微观世界里 也需要建立物理模型 像粒子的波粒二象性模型 填一填 练一练 在单缝衍射实验中 若单缝宽度是1 0 10 9m 那么光子经过单缝发生衍射 动量不确定量是 解析 单缝宽度是光子经过狭缝的不确定量 即 x 1 0 10 9m 则 p 0 53 10 25kg m s 答案 p 0 53 10 25kg m s 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一对概率波的进一步理解在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处一定没有光子到达吗 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 1 单个粒子运动的偶然性 我们可以知道粒子落在某点的概率 但不能确定落在什么位置 即粒子到达什么位置是随机的 是预先不确定的 2 大量粒子运动的必然性 由波动规律 我们可以准确地知道大量粒子运动的统计规律 因此我们可以对宏观现象进行预言 3 概率波体现了波粒二象性的和谐统一 概率波的主体是光子和实物粒子 体现了粒子性的一面 同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律的支配 体现了波动性的一面 所以说 概率波将波动性和粒子性统一在一起 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 4 物质波也是概率波对于电子 实物粒子等其他微观粒子 同样具有波粒二象性 所以与它们相联系的物质波也是概率波 也就是说 单个粒子位置是不确定的 具有偶然性 大量粒子运动具有必然性 遵循统计规律 概率波将波动性和粒子性统一在一起 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 例题1 在单缝衍射实验中 中央亮纹的光的强度占从单缝射入的整个光的强度的95 以上 假设现在只让一个光子通过单缝 那么该光子 a 一定落在中央亮纹处b 一定落在亮纹处c 可能落在暗纹处d 落在中央亮纹处的可能性最大解析 根据光是概率波的理论 一个光子通过单缝落在何处 是不确定的 但落在中央明条纹区域的概率最大 也有可能落在其他亮条纹和暗条纹处 但落在暗条纹处的概率极小 答案 cd 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 变式训练1用极微弱的可见光做双缝干涉实验 随着时间的增加 在屏上先后出现如图 a b c 所示的图像 则 a 图像 a 表明光具有粒子性b 图像 c 表明光具有波动性c 用紫外光观察不到类似的图像d 实验表明光是一种概率波 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 解析 图像 a 曝光时间短 通过的光子数很少 呈现粒子性 a正确 图像 c 曝光时间长 通过了大量光子 呈现波动性 b正确 该实验表明光是一种概率波 d正确 紫外线本质和可见光本质相同 也可以发生上述现象 c错误 答案 abd 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究二对不确定性关系的理解对微观粒子的分析能不能用 轨迹 来描述呢 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 1 粒子位置的不确定性 单缝衍射现象中 入射的粒子有确定的动量 但它们可以处于挡板另一侧的任何位置 也就是说 粒子在挡板另一侧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 大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动 而在经过狭缝之后 有些粒子跑到投影位置以外 这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量 由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是随机的 所以粒子在垂直入射方向上的动量也具有不确定性 不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 3 位置和动量的不确定性关系 由可以知道 在微观领域 要准确地确定粒子的位置 动量的不确定性就更大 反之 要准确地确定粒子的动量 那么位置的不确定性就更大 4 微观粒子的运动没有特定的轨道 由不确定关系可知 微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的 这也就决定了不能用 轨迹 的观点来描述粒子的运动 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 5 经典物理和微观物理的区别 1 在经典物理学中 可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动 如果知道质点的加速度 还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量 从而描绘它的运动轨迹 2 在微观物理学中 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 但是 我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 例题2 已知 5 3 10 35j s 试求下列情况中速度测定的不确定量 1 一个球的质量m 1 0kg 测定其位置的不确定量为10 6m 2 电子的质量me 9 0 10 31kg 测定其位置的不确定量为10 10m 即在原子的数量级 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 变式训练2一质量为0 4kg的足球 以10m s的速度飞来 如动量的不确定量为10 求其位置的不确定量 解析 根据m 1 32 10 34m 故其位置的不确定量为大于等于1 32 10 34m 答案 大于等于1 32 10 34m 探究一 探究二 问题导引 名师精讲 典例剖析 1 2 3 4 5 1 关于光的波动性与粒子性 以下说法正确的是 a 爱因斯坦的光子说否定了光的电磁说b 光电效应现象说明了光的粒子性c 光波不同于机械波 它是一种概率波d 光的波动性和粒子性是相互矛盾的 无法统一解析 爱因斯坦的光子说并没有否定电磁说 只是在一定条件下光是体现粒子性的 选项a错误 光电效应说明光具有粒子性 说明光的能量是一份一份的 选项b正确 光波在少量的情况下体现粒子性 大量的情况下体现波动性 所以选项c正确 光的波动性和粒子性不是孤立的 而是有机的统一体 选项d错误 答案 bc 1 2 3 4 5 2 下列说法正确的是 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 根据对不确定关系的理解可知选项a c正确 选项b d错误 答案 ac 1 2 3 4 5 3 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 不确定性关系可知 选项c错误 故选d 答案 d 1 2 3 4 5 4 关于不确定性关系有以下几种理解 正确的是 a 微观粒子的动量不可能确定b 微观粒子的坐标不可能确定c 微观粒子的动量和坐标不可能同时确定d 不确定关系不仅适用于电子和光子等微观粒子 也适用于宏观粒子解析 不确定性关系表示确定位置 动量的精度互相制约 此长彼消 当粒子位置不确定性变小时 粒子动量的不确定性变大 粒子位置不确定性变大时 粒子动量的不确定性变小 故不能同时准确确定粒子的动量和坐标 不确定性关系也适用于宏观粒子 不过这些不确定量微乎其微 答案 cd 1 2 3 4 5 5 选做题 假设质量为10g的子弹与电子的速率相同均为500m s 测量准确度为0 01 若位置和速率在同一