教科版选修35 光的波粒二象性 实物粒子的波粒二象性 不确定关系 课件（33张）.pptx

第四章 波粒二象性 目标定位 1 知道光的波粒二象性 理解其对立统一的关系 2 了解德布罗意波和概率波 知道它们都遵循统计规律 3 会用不确定关系的公式分析简单问题 学案3光的波粒二象性学案4实物粒子的波粒二象性学案5不确定关系 知识探究 自我检测 一 光的波粒二象性概率波 知识探究 问题设计 1 什么现象体现出了光的波动性 什么现象体现出了光的粒子性 答案大量光子在传播过程中显示出波动性 比如干涉和衍射 当光与物质发生作用时 显示出粒子性 如光电效应 康普顿效应 2 光的波动性和粒子性矛盾吗 答案不矛盾 光具有波粒二象性 要点提炼 1 康普顿效应x射线经物质散射后波长的现象 2 光的波粒二象性 1 光的干涉和衍射现象说明光具有性 效应和效应说明光具有粒子性 2 光子的能量 光子的动量p 3 光子既有粒子的特征 又有波的特征 即光具有二象性 变长 波动 光电 康普顿 h 波粒 3 对光的波粒二象性的理解 1 大量光子产生的效果显示出波动性 个别光子产生的效果显示出粒子性 2 光子的能量与其对应的频率成正比 而频率是描述波动性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系 3 频率低 波长长的光 波动性特征显著 而频率高 波长短的光 粒子性特征显著 4 光在传播时体现出波动性 在与其他物质相互作用时体现出粒子性 光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体 4 光是一种概率波光子和电子 质子等实物粒子一样 具有能量和动量 和其他物质相互作用时 粒子性起主导作用 在光的传播过程中 光子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 因此称光波为概率波 二 德布罗意物质波假说1 任何运动着的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都有一种波与它相对应 这种波叫物质波 又叫德布罗意波 物质波波长 频率的计算公式为 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 德布罗意波长太的缘故 小 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 即具有波粒二象性 与光子对应的波是 与实物粒子对应的波是波 3 物质波的实验验证 1 1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了衍射的实验 从而证实了的波动性 2 人们陆续证实了质子 中子以及原子 分子的波动性 对于这些粒子 德布罗意给出的 和 关系同样正确 波动性 电磁波 物质 电子束 电子 三 不确定关系 问题设计 在经典物理学中 一个质点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 轨迹 来描述粒子的运动吗 试以光的衍射为例加以说明 答案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a 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 x px 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 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 其中h是 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 即 px更大 也就是说 不可能同时准确地知道粒子的和 也不可能用 轨迹 来描述粒子的运动 要点提炼 x px 普朗克常量 更不准确 位置 动量 典例精析 一 对光的波粒二象性的认识 例1对光的认识 以下说法中正确的是 a 个别光子的行为表现出粒子性 大量光子的行为表现出波动性b 高频光是粒子 低频光是波c 光表现出波动性时 就不具有粒子性了 光表现出粒子性时 就不再具有波动性了 d 光的波粒二象性应理解为 在某种场合下光的波动性表现得明显 在另外某种场合下 光的粒子性表现明显解析个别光子的行为表现为粒子性 大量光子的行为表现为波动性 光与物质相互作用 表现为粒子性 光的传播表现为波动性 光的波动性与粒子性都是光的本质属性 频率高的光粒子性强 频率低的光波动性强 光的粒子性表现明显时仍具有波动性 因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律 故正确选项为a d 答案ad 二 对物质波的理解例2下列关于德布罗意波的认识 正确的解释是 a 光波是一种物质波b x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 但仍具有波动性 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 三 对概率波的理解例3物理学家做了一个有趣的实验 在双缝干涉实验中 在光屏处放上照相底片 若减弱光的强度 使光子只能一个一个地通过狭缝 实验结果表明 如果曝光时间不太长 底片上只出现一些不规则的点子 如果曝光时间足够长 底片上就出现了规则的干涉条纹 对这个实验结果下列认识正确的是 a 曝光时间不长时 光子的能量太小 底片上的条纹看不清楚 故出现不规则的点子b 单个光子的运动表现出波动性c 干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方d 只有大量光子的行为才能表现出波动性解析光是一种概率波 对于一个光子通过单缝落在何处 是不确定的 但概率最大的是中央亮纹处 可达95 以上 还可能落到暗纹处 不过落在暗纹处的概率最小 注意暗纹处并非无光子到达 故c d选项正确 答案cd 四 对不确定关系的应用例4设子弹的质量为0 01kg 枪口直径为0 5cm 试求子弹射出枪口时横向速度的不确定量 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 px m vx 由不确定关系公式得子弹射出枪口时横向速度的不确定量 答案1 06 10 30m s 课堂要点小结 自我检测 1 光的波粒二象性 下列有关光的波粒二象性的说法中 正确的是 a 有的光是波 有的光是粒子b 光子与电子是同样的一种粒子c 光的波长越长 其波动性越显著 波长越短 其粒子性越显著d 大量光子的行为往往表现出粒子性 1 2 3 解析一切光都具有波粒二象性 光的有些行为 如干涉 衍射 表现出波动性 有些行为 如光电效应 表现出粒子性 所以 不能说有的光是波 有的光是粒子 虽然光子与电子都是微观粒子 都具有波粒二象性 但电子是实物粒子 有静止质量 光子不是实物粒子 没有静止质量 电子是以实物形式存在的物质 光子是以 1 2 3 场形式存在的物质 所以 不能说光子与电子是同样的一种粒子 光的波粒二象性的理论和实验表明 大量光子的行为表现出波动性 个别光子的行为表现出粒子性 光的波长越长 衍射性越好 即波动性越显著 光的波长越短 其光子能量越大 个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应 所以其粒子性就很显著 故选项c正确 a b d错误 答案c 1 2 3 2 对物质波的理解 利用金属晶格 大小约10 10m 作为障碍物观察电子的衍射图样 方法是使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 普郎克常量为h 则下列说法中正确的是 1 2 3 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越大 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 1 2 3 解析得到电子的衍射图样 说明电子具有波动性 a正确 1 2 3 1 2 3 由公式 可知 加速电压越大 电子的波长越小 衍射现象越不明显 用相同动能的质子替代电子 质子的波长小 其衍射现象不如电子的衍射现象明显 故c d错误 答案ab 3 对概率波的理解 在单缝衍射实验中 中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95 以