概率波 不确定性关系
基础巩固
1.下列说法正确的是( )
A.概率波就是机械波
B.物质波是一种概率波
C.概率波和机械波的本质是一样的,都能发生干涉和衍射现象
D.在光的双缝干涉实验中,若有一个光子,则能确定这个光子落在哪个点上
2.(多选)光通过单缝所发生的现象,用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释,正确的是( )
A.单缝宽,光是沿直线传播,这是因为单缝宽,位置不确定量Δx大,动量不确定量Δp小,可以忽略
B.当能发生衍射现象时,动量不确定量Δp就不能忽略
C.单缝越窄,中央亮纹越宽,是因为位置不确定量越小,动量不确定量大的缘故
D.以上解释都是不对的
3.(多选)关于光的性质,下列叙述中正确的是( )
A.在其他同等条件下,光的频率越高,衍射现象越容易看到
B.频率越高的光,粒子性越显著;频率越低的光,波动性越显著
C.光的波长越长,波动性就越显著;光的波长越短,粒子性就越显著
D.如果让光子一个一个地通过狭缝时,它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动
4.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,底片上只能出现一些不规则的点子;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果有下列认识,其中正确的是( )
A.曝光时间不长时,底片上只能出现一些不规则的点,表现出光的波动性
B.单个光子通过双缝后的落点可以预测
C.只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
5.
如图所示是一个粒子源,产生某种粒子,在其正前方安装只有两条狭缝的挡板,粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光。那么在荧光屏上将看到( )
A.只有两条亮纹
B.有多条明暗相间的条纹
C.没有亮纹
D.只有一条亮纹
6.(多选)电子的运动受波动性的支配,对于氢原子的核外电子,下列说法正确的是( )
A.氢原子的核外电子可以用确定的坐标描述它们在原子中的位置
B.电子绕核运动时,可以运用牛顿运动定律确定它的轨道
C.电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的
D.电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置
7.
如图所示为示波管示意图,电子的加速电压U=104 V,打在荧光屏上电子的位置确定在0.1 mm范围内,可以认为令人满意,则电子的速度是否可以完全确定 是否可以用经典力学来处理 电子质量m=9.1×10-31 kg。
能力提升
1.(多选)在单缝衍射实验中,从微观粒子运动的不确定关系可知( )
A.缝越窄,粒子位置的不确定性越大
B.缝越宽,粒子位置的不确定性越大
C.缝越窄,粒子动量的不确定性越大
D.缝越宽,粒子动量的不确定性越大
2.(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波波长和频率为1 MHz的无线电波的波长,根据表中数据可知( )
比较项 质量/kg 速度/(m·s-1) 波长/m
弹子球 2.0×10-2 1.0×10-2 3.3×10-30
电子(100eV) 9.1×10-31 5.0×106 1.2×10-10
无线电波(1MHz) 3.0×108 3.0×102
A.要检测弹子球的波动性几乎不可能
B.无线电波通常只能表现出波动性
C.电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性
D.只有可见光才有波粒二象性
3.金属晶体中晶格大小的数量级是10-10 m。电子经加速电场加速,形成一电子束,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 (已知电子的电荷量为e=1.6×10-19 C,质量为m=0.90×10-30 kg)
4.在单缝衍射实验中,若单缝宽度是1.0×10-9 m,那么光子经过单缝发生衍射,动量不确定量是多少
5.电视显像管中的电子的加速电压为10 kV,电子枪的枪口直径设为0.01 cm,试求电子射出电子枪后的横向速度的不确定量。
6.质量为10 g的子弹与电子的速率相同,均为500 m/s,测量准确度为0.01%,若位置和速率在同一实验中同时测量,试问它们位置的最小不确定量各为多少 (电子质量m=9.1×10-31 kg)
参考答案:
基础巩固
1.下列说法正确的是( )
A.概率波就是机械波
B.物质波是一种概率波
C.概率波和机械波的本质是一样的,都能发生干涉和衍射现象
D.在光的双缝干涉实验中,若有一个光子,则能确定这个光子落在哪个点上
解析概率波与机械波是两个概念,本质不同;物质波是一种概率波,符合概率波的特点;光的双缝干涉实验中,若有一个光子,这个光子的落点是不确定的,但有概率较大的位置。
答案B
2.(多选)光通过单缝所发生的现象,用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释,正确的是( )
A.单缝宽,光是沿直线传播,这是因为单缝宽,位置不确定量Δx大,动量不确定量Δp小,可以忽略
B.当能发生衍射现象时,动量不确定量Δp就不能忽略
C.单缝越窄,中央亮纹越宽,是因为位置不确定量越小,动量不确定量大的缘故
D.以上解释都是不对的
解析由不确定关系Δx·Δp≥可知,A、B、C均正确。
答案ABC
3.(多选)关于光的性质,下列叙述中正确的是( )
A.在其他同等条件下,光的频率越高,衍射现象越容易看到
B.频率越高的光,粒子性越显著;频率越低的光,波动性越显著
C.光的波长越长,波动性就越显著;光的波长越短,粒子性就越显著
D.如果让光子一个一个地通过狭缝时,它们将严格按照相同的轨道和方向做极有规则的匀速直线运动
解析光的频率越高,波长越短,光的粒子性越显著;光的频率越低,波长越长,光的波动性越显著,A错误,B、C正确;光是一种概率波,光子在空间出现的概率由波动规律决定,每个光子通过狭缝后到达哪个位置是不能确定的,故D错误。
答案BC
4.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,底片上只能出现一些不规则的点子;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果有下列认识,其中正确的是( )
A.曝光时间不长时,底片上只能出现一些不规则的点,表现出光的波动性
B.单个光子通过双缝后的落点可以预测
C.只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
解析少数光子落点不确定,体现了粒子性,大量光子的行为符合统计规律,受波动规律支配,体现了波动性,故只有D正确。
答案D
5.
如图所示是一个粒子源,产生某种粒子,在其正前方安装只有两条狭缝的挡板,粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光。那么在荧光屏上将看到( )
A.只有两条亮纹
B.有多条明暗相间的条纹
C.没有亮纹
D.只有一条亮纹
解析由于粒子源产生的粒子是微观粒子,它的运动受波动性支配,对大量粒子运动到达屏上的某点的概率,可以用波的特征进行描述,即产生双缝干涉,在屏上将看到干涉条纹,所以B正确。
答案B
6.(多选)电子的运动受波动性的支配,对于氢原子的核外电子,下列说法正确的是( )
A.氢原子的核外电子可以用确定的坐标描述它们在原子中的位置
B.电子绕核运动时,可以运用牛顿运动定律确定它的轨道
C.电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的
D.电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置
解析微观粒子的波动性是一种概率波,对于微观粒子的运动,牛顿运动定律已经不适用了,所以氢原子的核外电子不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置,电子的“轨道”其实是没有意义的,电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置,综上所述,C、D正确。
答案CD
7.
如图所示为示波管示意图,电子的加速电压U=104 V,打在荧光屏上电子的位置确定在0.1 mm范围内,可以认为令人满意,则电子的速度是否可以完全确定 是否可以用经典力学来处理 电子质量m=9.1×10-31 kg。
解析Δx=10-4m,由ΔxΔpx≥得,动量的不确定量最小值约为Δpx≈5×10-31kg·m/s,其速度不确定量最小值Δv≈0.55m/s。mv2=eU=1.6×10-19×104J=1.6×10-15J,v=6×107m/s,Δv远小于v,电子的速度可以完全确定,可以用经典力学来处理。
答案可以完全确定 可以用经典力学来处理
能力提升
1.(多选)在单缝衍射实验中,从微观粒子运动的不确定关系可知( )
A.缝越窄,粒子位置的不确定性越大
B.缝越宽,粒子位置的不确定性越大
C.缝越窄,粒子动量的不确定性越大
D.缝越宽,粒子动量的不确定性越大
解析由不确定性关系ΔxΔpx≥知缝宽时,位置不确定性越大,则动量的不确定性越小,反之亦然,因此选项B、C正确。
答案BC
2.(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波波长和频率为1 MHz的无线电波的波长,根据表中数据可知( )
比较项 质量/kg 速度/(m·s-1) 波长/m
弹子球 2.0×10-2 1.0×10-2 3.3×10-30
电子(100eV) 9.1×10-31 5.0×106 1.2×10-10
无线电波(1MHz) 3.0×108 3.0×102
A.要检测弹子球的波动性几乎不可能
B.无线电波通常只能表现出波动性
C.电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性
D.只有可见光才有波粒二象性
解析弹子球的波长相对太小,所以检测其波动性几乎不可能,A正确;无线电波波长较长,所以通常表现为波动性,B正确;电子波长与金属晶体尺度差不多,所以能利用金属晶体观察电子的波动性,C正确;由物质波理论知,D错误。
答案ABC
3.金属晶体中晶格大小的数量级是10-10 m。电子经加速电场加速,形成一电子束,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 (已知电子的电荷量为e=1.6×10-19 C,质量为m=0.90×10-30 kg)
解析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eU=mv2①
据德布罗意物质波理论知,电子的德布罗意波长为λ=②
其中p=mv③
解①②③联立方程组可得U=≈153V。
答案153 V
4.在单缝衍射实验中,若单缝宽度是1.0×10-9 m,那么光子经过单缝发生衍射,动量不确定量是多少
解析由题目可知光子位置的不确定量Δx=1.0×10-9m,解答本题需利用不确定性关系。
单缝宽度是光子经过狭缝的不确定量,即Δx=1.0×10-9m,由ΔxΔpx≥有1.0×10-9×Δpx≥,则Δpx≥5.3×10-26kg·m/s。
答案Δpx≥5.3×10-26 kg·m/s
5.电视显像管中的电子的加速电压为10 kV,电子枪的枪口直径设为0.01 cm,试求电子射出电子枪后的横向速度的不确定量。
解析电子的横向位置不确定量Δx=0.01cm,由不确定关系式得
Δvx≥m/s=0.58m/s。
电子经10kV的电压加速后的速度约为v=107m/s,因此v Δvx,也就是电子的运动相对来看仍是相当确定的,波动性不起什么作用。运动的电子仍可看成经典粒子。
答案0.58 m/s
6.质量为10 g的子弹与电子的速率相同,均为500 m/s,测量准确度为0.01%,若位置和速率在同一实验中同时测量,试问它们位置的最小不确定量各为多少 (电子质量m=9.1×10-31 kg)
解析测量准确度也就是速度的不确定性,
故子弹、电子的速度不确定量为Δv=0.05m/s,
子弹动量的不确定量Δp1=5×10-4kg·m/s,
电子动量的不确定量Δp2=4.6×10-32kg·m/s,
由Δx≥,子弹位置的最小不确定量Δx1=m=1.06×10-31m,
电子位置的最小不确定量Δx2=m=1.15×10-3m。
答案1.06×10-31 m 1.15×10-3 m