2019-2020学年高中物理 第5章 波与粒子 第3节 实物粒子的波粒二象性 第4节 “基本粒子”与恒星演化教学案 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(重点难点)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 学生用书p70一、德布罗意波及其实验探究德布罗意波德布罗意提出，实物粒子也具有波动性，称这种波为物质波或德布罗意波粒子能量与相应的波的频率之间的关系：eh物质波的动量与波长之间的关系：p物质波的实验验证(1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的衍射现象(2)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(3)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1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小，而波长越小波动性越不明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性二、不确定性关系与电子云不确定性关系(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电子云(1)定义：用点的疏密表示的电子出现的概率分布(2)电子的分布：某一空间范围内电子出现概率大的地方点密集，电子出现概率小的地方点稀疏电子云反映了原子核外电子位置的不确定性2既然位置与动量具有不确定性，为什么宏观物体的位置和动量可以同时测量？提示：由于普朗克常量是一个很小的量，对于宏观物体来说，其不确定性小到无法进行观测，因此不确定性关系对宏观物体是不重要的即宏观物体的位置和动量是可以同时确定的三、基本粒子与恒星演化基本粒子(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不可再分的基本粒子后来又认识到“基本”粒子的复杂内部结构人们对“基本”粒子的认识不断深化，逐渐形成了研究构成物质的基本单元和它们之间相互作用的学科粒子物理学微观粒子虽小，仍然具有复杂的结构(2)影响“基本粒子”的相互作用：引力相互作用、电磁力相互作用、强力相互作用、弱力相互作用(3)“基本粒子”家族：按粒子参与相互作用的性质来分类，可以将其分为媒介子、轻子和强子三种类型(4)“基本粒子”的探测：加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具恒星演化(1)宇宙起源：宇宙大爆炸学说认为，宇宙起源于一个“奇点”该奇点爆炸后宇宙不断膨胀，宇宙温度不断降低，经过几十亿年的冷却，宇宙物质形成了星云星际物质密集成云的地方，往往正是恒星诞生的摇篮(2)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、中子星或黑洞3星云是怎样形成原恒星的，恒星在哪个阶段停留的时间最长？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理解德布罗意波学生用书p71任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小粒子能量e与相应的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，上述关系称为德布罗意关系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根据德布罗意假说，实物粒子也具有波粒二象性，宏观物体的动量比较大，所以德布罗意波波长很短，波动性不明显微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定环境下可以观察到他们的干涉和衍射等波的现象(1)德布罗意波也是一种概率波，单个物体的运动具有偶然性，大量物体的运动具有必然性(2)德布罗意波的波动性与粒子性是和谐的统一关于物质波，下列认识错误的是()a任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波bx射线的衍射实验，验证了物质波假设是正确的c电子的衍射实验，验证了物质波假设是正确的d宏观物质尽管可以看成物质波，同样具有干涉、衍射等现象思路点拨 由德布罗意的物质波假设的内容及实验探究进行分析判断解析据德布罗意物质波理论，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选项正确；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，故b选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故c选项正确；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所落的位置呈现出衍射图样，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d选项正确答案b对不确定性关系的理解学生用书p72微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性以光的衍射为例，如图是光的衍射原理图实验发现：狭缝隙a越窄，中央的亮条纹b越宽，即光子与原来运动方向垂直的动量越大也就是说，位置测量结果越精确，动量的测量误差就越大；位置的不确定范围和动量的不确定范围的关系是：xp.普朗克常量在不确定性关系中扮演着重要角色，如果h的值可忽略不计，这时物体的位置、动量可同时有确定的值，如果h的值不能忽略，这时不确定性关系也就表现的不可忽略，必须考虑微粒的波粒二象性h成为划分经典物理学和量子力学的一个界限不确定性关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果除位置和动量的不确定性关系外，还有其他不确定性关系，如时间和能量的不确定性关系：et.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不确定性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106 m.(2)电子的质量me9.11031 kg，测定其位置的不确定量为1010 m(即原子的数量级)思路点拨 利用海森堡不确定关系xp计算速度测定的不确定量v.解析(1)m1.0 kg，x106 m，由xp，pmv知v1 m/s5.31029 m/s.(2)me9.11031 kg，x1010 mv2 m/s5.8105 m/s.答案(1)5.31029 m/s(2)5.8105 m/s对“基本粒子”及恒星演化的认识学生用书p72发现了原子核内部结构后，人们一度认为电子、质子、中子是组成物质的“基本粒子”而后来发现质子和中子有着更复杂的内部结构，随着科学家们的研究，逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子和电子组成的，所以电子、质子、中子并不是组成世界的最小微粒“基本粒子”参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子；强子有内部结构，由“夸克”粒子构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用玻色子传递弱相互作用胶子传递强相互作用夸克夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的或.每种夸克都有对应的反夸克恒星的演化(1)恒星演化过程(2)恒星的归宿恒星的归宿与恒星的最终质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为e，e为电子所带电量的大小如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l1.51015 m试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)思路点拨 根据库仑定律进行计算解析质子带e的电量，故它是由2个上夸克和1个下夸克组成的按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，如图上夸克与上夸克之间的静电力应为fuukk代入数值，得fuu46 n，为斥力上夸克与下夸克之间的静电力应为fudkk代入数值，得fud23 n，为引力答案见解析下列关于粒子的说法正确的是()a轻子是不参与相互作用的粒子b现代实验已发现了轻子的内部结构c中子是发现最早的强子d夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位解析：选d.轻子是不参与强相互作用的粒子，但有可能受其他相互作用的影响如电子受弱相互作用的影响，a错目前还没发现轻子的内部结构，b错质子是发现最早的强子，c错夸克带电荷为元电荷的倍或倍，这说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故d正确关于德布罗意波长的计算学生用书p73一颗质量为5.0 kg的炮弹，(1)以200 m/s的速度运动时，它的德布罗意波长为多大？(2)假设它以光速运动，它的德布罗意波长为多大？(3)若要使它的德布罗意波长与波长是400 nm的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？思路点拨 利用德布罗意关系式进行计算解析(1)炮弹的德布罗意波长为1 m6.631037 m.(2)它以光速运动时的德布罗意波长为2 m4.421043 m.(3)由得：v m/s3.321028 m/s.答案见解析随堂检测 学生用书p74下列说法中错误的是()a夸克模型说明电子电量不再是最小的电荷单元b目前已经发现了自由态的夸克c目前发现的夸克有6种d每种夸克都有对应的反夸克解析：选b.夸克所带电量小于电子电量，但远没有发现自由态的夸克这就是夸克的“禁闭”，a对b错；夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，c、d均正确关于不确定性关系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不确定性关系仅适用于电子和光子等微观粒子解析：选c.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错误(多选)利用金属晶格(大小约1010 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为u，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是()a该实验说明了电子具有波动性b实验中电子束的德布罗意波长为c加速电压u越小，电子的衍射现象越明显d若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显解析：选abc.得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性，a正确；由德布罗意波波长公式，而动量p，两式联立得，b正确；从公式可知，加速电压越小，电子的波长越大，衍射现象就越明显，c正确；用相同动能的质子替代电子，质子的波长变小，衍射现象相比电子不明显，故d错误金属晶体中晶格大小的数量级是1010 m电子经加速电场加速，形成电子束，电子束照射该金属晶体时，获得明显的衍射图样问这个加速电场的电压约为多少？(已知电子的电荷量e1.61019 c，质量m0.901030 kg)解析：据发生明显衍射的条件可知，当运动电子的德布罗意波波长与晶格大小差不多时，可以得到明显的衍射现象设加速电场的电压为u，电子经电场加速后获得的速度为v，对加速过程由动能定理得eumv2据德布罗意物质波理论知，电子的德布罗意波长其中pmv解联立方程组可得u153 v.答案：153 v课时作业 学生用书p109(独立成册)一、单项选择题下列说法正确的是()a物质波属于机械波b只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性c德布罗意认为，任何一个运动着的物体小到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对应，这种波叫物质波d宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性解析：选c.物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，故正确答案为c.氢原子处在不同的能级时，具有不同形状的电子云，这些电子云是()a电子运动时辐射的电磁波b电子运动轨道的形状c反映电子在各处出现的概率分布d电子衍射产生的图样解析：选c.电子的运动并没有确定的轨道，电子云是电子在各处出现的概率分布图关于粒子，下列说法正确的是()a电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子b强子都是带电的粒子c夸克模型是探究三大类粒子结构的理论d夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位解析：选d.由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故a、b错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为e和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故c错误，d正确在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近已知中子质量m1.671027 kg，普朗克常量h6.631034 js，可以估算德布罗意波长1.821010 m的热中子动能的数量级为()a1017 j b1019 jc1021 j d1024 j解析：选c.根据德布罗意波理论中子动量p，中子动能ek，代入数据可以估算出数量级，选项c正确现代物理学认为，光和实物粒子都具有波粒二象性下列事实中突出体现波动性的是()a一定频率的光照射到锌板上，光的强度越大，单位时间内锌板上发射的光电子就越多b质量为10 3 kg、速度为102 m/s的小球，其德布罗意波长约为1028 m，不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹c人们常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同d以上说法均不能体现波动性解析：选c.光电效应现象证明光的粒子性宏观物体小球的波长极小，能清晰观察到轨迹，说明宏观物体的粒子性利用热中子研究晶体的结构正体现了实物粒子的波动性根据德布罗意波的概念，下列说法正确的是()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动能小的物体，其德布罗意波长小解析：选c.根据可知，动量大的物体波长小，选项c是正确的质量大或速度大或动能小，都不能确定其动量大小，所以其他三个选项错误故正确答案为c.如图所示，中子内有一个电荷量为e的上夸克和两个电荷量为e的下夸克，这一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图所示，在给出的四幅图中，能正确表示出夸克所受的静电作用力的是()解析：选b.本题考查的是库仑力的大小和方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个力的作用电荷量为e的上夸克受两个下夸克的吸引力，合力的方向一定向下，对其中一个下夸克受力分析如图所示，由于f1的水平分力与f2大小相等，方向相反，故f1与f2的合力竖直向上故正确答案为b.二、多项选择题下列说法正确的是()a微观粒子不能用“轨道”观点来描述粒子的运动b微观粒子能用“轨道”观点来描述粒子的运动c微观粒子的位置不能精确确定 d微观粒子的位置能精确确定解析：选ac.微观粒子的动量和位置是不能同时确定的，这也就决定了不能用“轨道”的观点来描述粒子的运动(轨道上运动的粒子在某时刻具有确定的位置和动量)，故a正确，b错误；由微观粒子的波粒二象性或不确定关系可知，微观粒