2019-2020學(xué)年高中物理 第十七章 波粒二象性 4、5 概率波 不確定性關(guān)系課件 新人教版選修3-5.ppt

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4 5概率波不確定性關(guān)系 一 經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波1 經(jīng)典粒子的特征 1 經(jīng)典物理學(xué)中 粒子有一定的空間大小 具有一定的質(zhì)量 有的還帶有電荷 2 經(jīng)典粒子運動的基本特征 遵從牛頓運動定律 只要已知它們的受力情況及初位置 初速度 從理論上講就可以準(zhǔn)確 唯一地確定以后任一時刻的位置和速度 以及空間中的確定的軌跡 2 經(jīng)典波的特征經(jīng)典的波在空間是彌散開來的 其特征是具有頻率和波長 即具有時間 空間的周期性 在經(jīng)典物理中 波和粒子是兩種完全不同的研究對象 具有非常不同的表現(xiàn) 是不相容的兩個物理屬性 二 概率波1 光波是一種概率波光的波動性不是光子之間相互作用引起的 而是光子自身固有的性質(zhì) 光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定 所以 光波是一種概率波 2 物質(zhì)波也是概率波對于電子和其他微觀粒子 單個粒子的位置是不確定的 但在某點附近出現(xiàn)的概率的大小可以由波動的規(guī)律確定 對于大量粒子 這種概率分布導(dǎo)致確定的宏觀結(jié)果 所以物質(zhì)波也是概率波 三 不確定性關(guān)系1 定義 在經(jīng)典物理學(xué)中 一個質(zhì)點的位置和動量是可以同時測定的 在微觀物理學(xué)中 要同時測出微觀粒子的位置和動量是不太可能的 這種關(guān)系叫不確定性關(guān)系 2 表達(dá)式 x p 其中用 x表示粒子位置的不確定量 用 p表示在x方向上動量的不確定量 h是普朗克常量 自我檢測1 思考辨析 1 微觀粒子不受外力作用時光子就會勻速運動 解析 光子不同于宏觀力學(xué)的粒子 不能用宏觀粒子的牛頓力學(xué)規(guī)律分析光子的運動 答案 2 不確定關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子 也適用于宏觀粒子 解析 不確定性關(guān)系也適用于宏觀粒子 不過這些不確定量微乎其微 答案 3 經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波研究對象相同 解析 經(jīng)典粒子研究對象是粒子模型 經(jīng)典波的研究對象是波動模型 二者研究對象不同 答案 4 電子通過狹縫后落在屏上的位置是可以確定的 解析 電子通過狹縫后運動的軌跡是不確定的 答案 5 光子通過狹縫后落在屏上明紋處的概率大些 解析 光子到達(dá)概率大的地方是亮紋 概率小的地方是暗紋 答案 讀一讀 思一思 辨一辨 議一議 2 探究討論 1 為什么不能用 軌跡 來描述粒子的運動 答案 由不確定性關(guān)系可知 微觀粒子的位置和動量不能同時被確定 也就決定了不能用 軌跡 來描述粒子的運動 2 為什么要有物理模型與物理現(xiàn)象 答案 在經(jīng)典物理學(xué)中 對于宏觀對象 我們分別建立粒子模型和波動模型 在微觀世界里 也需要建立物理模型 像粒子的波粒二象性模型 探究一 探究二 概率波問題探究在我們的生活中會拍很多照片 以前用的照相機是用膠片的照相機 通常我們都認(rèn)為 只是有人和景物發(fā)出或者反射的光波經(jīng)過照相機鏡頭聚焦在底片上形成的 實際上照片上的圖像也是光子撞擊底片 使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的 請你根據(jù)自己對光的理解 說明照相的原理 要點提示 光是一種概率波 在照片的有些地方光子出現(xiàn)的概率大 有些地方光子出現(xiàn)的概率小 在曝光量很小的情況下 在照片上出現(xiàn)的是一些隨機分布的光點 隨著曝光量的增大 圖像逐漸清晰起來 探究一 探究二 知識歸納1 單個粒子運動的偶然性 我們可以知道粒子落在某點的概率 但不能確定落在什么位置 即粒子到達(dá)什么位置是隨機的 是預(yù)先不確定的 2 大量粒子運動的必然性 由波動規(guī)律 我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律 因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言 3 概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一 概率波的主體是光子和實物粒子 體現(xiàn)了粒子性的一面 同時粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律的支配 體現(xiàn)了波動性的一面 所以說 概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在一起 探究一 探究二 4 物質(zhì)波也是概率波對于電子 實物粒子等其他微觀粒子 同樣具有波粒二象性 所以與它們相聯(lián)系的物質(zhì)波也是概率波 也就是說 單個粒子位置是不確定的 具有偶然性 大量粒子運動具有必然性 遵循統(tǒng)計規(guī)律 概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在了一起 探究一 探究二 典例剖析 例題1 多選 在單縫衍射實驗中 中央亮紋的光的強度占從單縫射入的整個光的強度的95 以上 假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫 那么該光子 A 一定落在中央亮紋處B 一定落在亮紋處C 可能落在暗紋處D 落在中央亮紋處的可能性最大解析 根據(jù)光是概率波的理論 一個光子通過單縫落在何處 是不確定的 但落在中央明條紋區(qū)域的概率最大 也有可能落在其他亮條紋和暗條紋處 但落在暗條紋處的概率極小 答案 CD 探究一 探究二 規(guī)律總結(jié) 1 在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處也有光子到達(dá) 只是光子數(shù)量 特別少 很難呈現(xiàn)出亮度 2 要理解統(tǒng)計規(guī)律 對統(tǒng)計規(guī)律的認(rèn)識是理解概率波的前提 探究一 探究二 變式訓(xùn)練1 多選 用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗 隨著時間的增加 在屏上先后出現(xiàn)如圖 a b c 所示的圖像 則 A 圖像 a 表明光具有粒子性B 圖像 c 表明光具有波動性C 用紫外光觀察不到類似的圖像D 實驗表明光是一種概率波 探究一 探究二 解析 圖像 a 曝光時間短 通過的光子數(shù)很少 呈現(xiàn)粒子性 A正確 圖像 c 曝光時間長 通過了大量光子 呈現(xiàn)波動性 B正確 該實驗表明光是一種概率波 D正確 紫外線本質(zhì)和可見光本質(zhì)相同 也可以發(fā)生上述現(xiàn)象 C錯誤 答案 ABD 探究一 探究二 不確定性關(guān)系問題探究海森堡于1927年提出不確定性原理 這個理論說 你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度 粒子位置的不確定性 必然大于 一樣 不確定性原理涉及很多深刻的哲學(xué)問題 用海森堡自己的話說 在因果律的陳述中 即 若確切地知道現(xiàn)在 就能預(yù)見未來 所得出的并不是結(jié)論 而是前提 我們不能知道現(xiàn)在的所有細(xì)節(jié) 是一種原則性的事情 你認(rèn)為 對微觀粒子的分析能不能用 軌跡 來描述呢 探究一 探究二 要點提示 微觀粒子的運動遵循不確定關(guān)系 也就是說 要準(zhǔn)確確定粒子的位置 動量 或速度 的不確定量就更大 反之 要準(zhǔn)確確定粒子的動量 或速度 位置的不確定量就更大 也就是說不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量 因而不可能用 軌跡 來描述粒子的運動 探究一 探究二 知識歸納1 粒子位置的不確定性 單縫衍射現(xiàn)象中 入射的粒子有確定的動量 但它們可以處于擋板另一側(cè)的任何位置 也就是說 粒子在擋板另一側(cè)的位置是完全不確定的 2 粒子動量的不確定性 微觀粒子具有波動性 會發(fā)生衍射 大部分粒子到達(dá)狹縫之前沿水平方向運動 而在經(jīng)過狹縫之后 有些粒子跑到投影位置以外 這些粒子具有與其原來運動方向垂直的動量 由于哪個粒子到達(dá)屏上的哪個位置是隨機的 所以粒子在垂直入射方向上的動量也具有不確定性 不確定量的大小可以由中央亮條紋的寬度來衡量 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例題2 已知 5 3 10 35J s 試求下列情況中速度測定的不確定量 1 一個球的質(zhì)量m 1 0kg 測定其位置的不確定量為10 6m 2 電子的質(zhì)量me 9 0 10 31kg 測定其位置的不確定量為10 10m 即在原子的數(shù)量級 解析 1 m 1 0kg x1 10 6m 2 me 9 1 10 31kg x2 10 10m 同理得 v2 5 8 105m s 答案 1 5 3 10 29m s 2 5 8 105m s 探究一 探究二 規(guī)律總結(jié)對不確定性關(guān)系的理解不確定性關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn) 也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn) 更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn) 而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn) 探究一 探究二 變式訓(xùn)練2質(zhì)量為m 6 64 10 27kg的 粒子通過寬度為a 0 1mm的狹縫后 其速度的不確定量約為多少 若其速度v 3 107m s 它能否看成經(jīng)典粒子 1 2 3 4 1 在做雙縫干涉實驗時 發(fā)現(xiàn)100個光子中有96個通過雙縫后打到了觀察屏上的b處 則b處可能是 A 亮紋B 暗紋C 既有可能是亮紋也有可能是暗紋D 以上各種情況均有可能解析 按波的概率分布的特點去判斷 由于大部分光子都落在b點 故b處一定是亮紋 選項A正確 答案 A 1 2 3 4 2 多選 下列說法中正確的是 A 光是一種電磁波B 光是一種概率波C 光子相當(dāng)于高速運動的質(zhì)點D 光的直線傳播只是宏觀近似規(guī)律解析 光是一種電磁波 是電磁波譜中頻率 或波長 很窄的一部分 A正確 光又是概率波 單個光子的運動純屬偶然 而大量光子的運動受波動規(guī)律支配 B正確 光子是能量粒子 不能看成高速運動的質(zhì)點 C錯誤 因光波長很短 比一般物體的尺寸小得多 所以光的衍射非常弱 可看成直線傳播 它只是一種近似規(guī)律 D正確 答案 ABD 1 2 3 4 3 多選 下列說法正確的是 A 宏觀物體的動量和位置可準(zhǔn)確測定B 微觀粒子的動量和位置可準(zhǔn)確測定C 微觀粒子的動量和位置不可同時準(zhǔn)確測定D 宏觀物體的動量和位置不可同時準(zhǔn)確測定解析 由不確定性關(guān)系知 宏觀物體的不確定量較小 一般認(rèn)為其動量和位置確定 答案 AC 1 2 3 4 4 多選 下列對物理模型和物理現(xiàn)象的關(guān)系理解正確的是 A 物理模型應(yīng)與日常經(jīng)驗相吻合 并能解釋物理現(xiàn)象B 物理模型可以與日常經(jīng)驗相悖 但應(yīng)與實驗結(jié)果一致C 物理模型不能十分古怪 讓人難以理解D 只要物理模型與實驗結(jié)果一致 它在一定范圍內(nèi)就能正確代表研究的對象解析 建立物理模型的目的就是能解釋物理現(xiàn)象 與實驗結(jié)果符合 而不是符合人的日常經(jīng)驗 選項B D正確 答案 BD