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17.3粒子的波动性17.4概率波17.5 不确定性关系
【学习目标】
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.会用不确定性关系的公式分析简单问题.
【知识探究】
一、光的波粒二象性
[导学探究] (1)什么现象体现出了光的波动性?什么现象体现了光的粒子性?
(2)光的波动性和粒子性矛盾吗?
[知识梳理]
1.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.21*cnjy*com
(2)光子的能量ε=________,光子的动量p=________.
(3)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有________二象性.
2.对光的波粒二象性的理解
(1)________光子产生的效果显示出波动性;________光子产生的效果显示出粒子性.(填“大量”或“个别”)2·1·c·n·j·y
(2)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,________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________性起主导作用,因此称光波为概率波.(填“粒子”或“波动”)
(3)频率______、波长______的光,波动性特征显著,而频率______、波长______的光,粒子性特征显著.
(4)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ε=hν揭示了光的________性和________性之间的密切联系.
[即学即用] 有关光的本性,下列说法正确的是( )
A.光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.光只有波动性,无粒子性
D.由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
二、物质波 概率波
[导学探究] 德布罗意认为任何运动着的物体均具有波动性,可是我们观察运动着的汽车,并未感觉到它的波动性,你如何理解该问题?谈谈自己的认识.
[知识梳理] 对物质波的认识
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λ=________,ν=________.
2.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.
3.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________波,与实物粒子对应的波是________波.www.21-cn-jy.com
4.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.【来源:21·世纪·教育·网】
(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ν=________和λ=________关系同样正确.www-2-1-cnjy-com
5.物质波也是一种概率波.
[即学即用] (多选)根据物质波理论,以下说法中正确的是( )
A.微观粒子有波动性,宏观物体没有波动性
B.宏观物体和微观粒子都具有波动性
C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长
D.速度相同的质子和电子相比,电子的波动性更为明显
三、不确定性关系
[知识梳理]
1.微观粒子运动的基本特征:不再遵守____________定律,不可能同时准确地知道粒子的________和________,不可能用“轨迹”来描述粒子的运动,这种关系叫做不确定性关系.微观粒子的运动状态只能通过________做统计性的描述.21·世纪*教育网
2.单缝衍射现象中,粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的,即通过挡板前粒子的位置具有__________性,粒子通过狭缝后,在垂直原来运动方向的动量是不确定的,即通过挡板后粒子的动量具有__________性.
3.微观粒子运动的位置不确定量Δx和动量的不确定量Δp的关系式为____________,其中h是________________.
4.不确定性关系告诉我们,如果要更准确地确定粒子的位置(即Δx更小),那么动量的测量一定会______(即Δp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.
[即学即用] 从衍射的规律可以知道,狭缝越窄,屏上中央亮条纹就越宽,由不确定性关系ΔxΔp≥,判断下列说法正确的是( )
A.入射的粒子有确定的动量,射到屏上粒子就有准确的位置
B.狭缝的宽度变小了,因此粒子的不确定性也变小了
C.更窄的狭缝可以更准确地测得粒子的位置,但粒子动量的不确定性却更大了
D.可以同时确定粒子的位置和动量
【典例精析】
一、对光的波粒二象性的认识
例1 (多选)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
总结提升
1.理解光的波粒二象性是光的本性.
2.知道哪些现象体现出光的波动性,哪些现象体现出光的粒子性.
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
例3 电子经电势差为U=200 V的电场加速,电子质量m0=9.110-31 kg,求此电子的德布罗意波长.【来源:21cnj*y.co*m】
归纳总结
德布罗意波长的计算
(1)首先计算物体的速度,再计算其动量.如果知道物体动能也可以直接用p=计算其动量.
(2)再根据λ=计算德布罗意波长.
(3)需要注意的是:德布罗意波长一般都很短,比一般的光波波长还要短,可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理.21·cn·jy·com
三、对概率波的理解
例4 (多选)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;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( )2-1-c-n-j-y
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
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
归纳总结
解决本题的关键是要明确对概率波的认识,知道概率波的规律就是统计规律,单个光子是不能确定落在哪个点上的,我们只能得到大量光子的落点区域.【出处:21教育名师】
四、对不确定性关系的理解
例5 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?(电子质量为m=9.110-31kg,结果保留三位有效数字)【版权所有:21教育】
规律总结
理解不确定性关系时应注意的问题
(1)对子弹这样的宏观物体,不确定量是微不足道的,对测量准确性没有任何限制,但对微观粒子却是不可忽略的.21教育名师原创作品
(2)在微观世界中,粒子质量较小,不能同时精确地测出粒子的位置和动量,也就不能准确地把握粒子的运动状态.21*cnjy*com
【达标检测】
1.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
2.(多选)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
3.(多选)利用金属晶格(大小约10-10 m)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λ=
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
4.(多选)关于不确定性关系ΔxΔp≥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.不确定关系不仅适用于电子和光子等微观粒子,也适用于宏观物体
答案精析
知识探究
一、
导学探究 (1)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)不矛盾,光具有波粒二象性.
知识梳理 1.(1)波动 光电 康普顿 (2)hν (3)波粒
2.(1)大量 个别 (2)粒子 波动 (3)低 长 高 短
(4)粒子 波动
即学即用 D [19世纪初,人们成功地在实验室中观察到了光的干涉、衍射现象,这属于波的特征,微粒说无法解释这些现象;但19世纪末又发现了光电效应,这种现象波动说不能解释,证明光具有粒子性,因此,光既具有波动性,又具有粒子性,但光不同于宏观的机械波和粒子,波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现,是两个不同侧面,不同属性,我们无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性,选项D正确.]
二、
导学探究 波粒二象性是微观粒子的特殊规律,一切微观粒子都存在波动性,宏观物体(汽车)也存在波动性,只是因为宏观物体质量大,动量大,波长短,难以观测.
知识梳理 1.p 2.小 3.波动性 电磁 物质
4.(1)电子束 电子 (2)
即学即用 BD [一切运动的物体都有一种物质性与它对应,所以宏观物体和微观粒子都具有波动性,A错误,B正确;宏观物体的物质波波长很短,不易观察到它的波动性,C错误;速度相同的质子与电子相比,电子质量小,由λ==知电子的物质波波长更长,所以电子的波动性更明显,D正确.]21世纪教育网版权所有
三、
知识梳理 1.牛顿运动 位置 动量 概率 2.不确定 不确定 3.Δx·Δp≥ 普朗克常量 4.更不准确 位置 动量21cnjy.com
即学即用 C [由ΔxΔp≥知,狭缝变小了,即Δx减小了,Δp变大,即动量的不确定性变大,故C正确,A、B、D错误.]
典例精析
例1 AD [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.]
例2 C [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.]
例3 8.6910-2 nm
解析 已知m0v2=Ek=eU
p=
Ek=
所以λ==
把U=200 V,m0=9.110-31 kg,
代入上式解得λ≈8.6910-2 nm.
例4 CD [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.]
例5 1.0610-31 m 1.1510-3 m
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=0.05 m/s,子弹的动量的不确定量Δp1=510-4 kg·m/s,电子动量的不确定量Δp2≈4.610-32 kg·m/s,由Δx≥,子弹位置的最小不确定量Δx1= m≈1.0610-31 m,电子位置的最小不确定量Δx2= m≈1.1510-3 m.
达标检测
1.C [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,A错误.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,光子是以场形式存在的物质,所以B错误.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,其粒子性越显著,故选项C正确,D错误.]21教育网
2.CD [根据光波是概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处.当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故C、D选项正确.]
3.AB [得到电子的衍射图样,说明电子具有波动性,A正确;
由德布罗意波长公式λ=
而动量p==
两式联立得λ=,B正确;
由公式λ=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.]
4.CD [本题主要考查对不确定性关系ΔxΔp≥的理解,不确定性关系表示位置、动量的精度相互制约,此长彼消,当粒子的位置不确定性更小时,粒子动量的不确定性更大;反之亦然,故不能同时准确确定粒子的位置和动量,不确定性关系是自然界中的普遍规律,对微观世界的影响显著,对宏观世界的影响可忽略,故C、D正确.]
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