第4、5节 概率波+不确定性关系+学案 Word版含答案

第4、5节概率波__不确定性关系
1.经典的粒子具有一定的质量，占有一定的空间；经典的波具有时空周期性。
2.光波是概率波，物质波也是概率波。
3.经典力学中，质点的位置和动量可以同时测定，量子力学中，微观粒子的位置和动量具有不确定性，表达式为：ΔxΔp≥。
一、经典的粒子和经典的波
1．经典粒子的特征
(1)经典物理学中，粒子有一定的空间大小，具有一定的质量，有的还带有电荷。
(2)经典粒子运动的基本特征：遵从牛顿运动定律，只要已知它们的受力情况及初位置、初速度，从理论上讲就可以准确地确定以后任一时刻的位置和速度，进而在空间中描绘出确定的轨迹。
2．经典波的特征
经典的波在空间是弥散开来的，其特征是具有频率和波长，即具有时间、空间的周期性。
在经典物理中，波和粒子是两种完全不同的研究对象，具有非常不同的表现，是不相容的两个物理属性。
二、概率波
1．光波是一种概率波
光的波动性不是光子之间相互作用引起的，而是光子自身固有的性质，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，光波是一种概率波。
2．物质波也是概率波
对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。
三、不确定性关系
1．定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的；在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫不确定性关系。
2．表达式：ΔxΔp≥。其中用Δx表示粒子位置的不确定量，用Δp表示在x方向上动量的不确定量，h是普朗克常量。
1．自主思考——判一判
(1)经典的粒子的运动适用牛顿第二定律。(√)
(2)经典的波在空间传播具有周期性。(√)
(3)经典的粒子和经典的波研究对象相同。(×)
(4)光子通过狭缝后落在屏上的位置是可以确定的。(×)
(5)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些。(√)
(6)电子通过狭缝后运动的轨迹是确定的。(×)
2．合作探究——议一议
对微观粒子的运动分析能不能用“轨迹”来描述？
提示：微观粒子的运动遵循不确定关系，也就是说，要准确确定粒子的位置，动量(或速度)的不确定量就更大；反之，要准确确定粒子的动量(或速度)，位置的不确定量就更大，也就是说不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。
对概率波的理解
1．单个粒子运动的偶然性：我们可以知道粒子落在某点的概率，但不能预言粒子落在什么位置，即粒子到达什么位置是随机的，是不能预先确定的。
2．大量粒子运动的必然性：由波动规律我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言。
3．概率波体现了波粒二象性的和谐统一：概率波的主体是光子、实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配，体现了波动性的一面，所以说概率波将波动性和粒子性统一在一起。
1．[多选]在双缝干涉实验中出现的明暗条纹说明了(　　)
A．光具有波动性　　　 　B．光具有粒子性
C．光波是一种概率波 D．以上说法全都错误
解析：选AC　双缝干涉实验中出现的明条纹和暗条纹，说明了光子落点具有一定的概率，即符合概率波的规律，并说明光具有波动性。
2．[多选]为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是(　　)
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
解析：选AC　单个光子的运动具有不确定性，但其落点的概率分布还是遵循一定的统计规律的，根据统计规律可以显示出光的波动性的一面。选项A、C正确。
3．[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
解析：选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，是不可确定的，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。
对不确定性关系的理解
1．粒子位置的不确定性
单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的。
2．粒子动量的不确定性
(1)微观粒子具有波动性，会发生衍射。大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。
(2)由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。
3．位置和动量的不确定性关系：ΔxΔp≥
由ΔxΔp≥可以知道，在微观领域，要准确地确定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确地确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大。
4．微观粒子的运动没有特定的轨道
由不确定关系ΔxΔp≥可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动。
5．经典物理和微观物理的区别
(1)在经典物理学中，可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动，如果知道质点的加速度，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，从而描绘它的运动轨迹。
(2)在微观物理学中，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。但是，我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律。
[典例]　已知＝5.3×10－35 J·s，试求下列情况中速度测定的不确定量。
(1)一个球的质量m＝1.0 kg，测定其位置的不确定量为10－6 m。
(2)电子的质量m＝9.0×10－31 kg，测定其位置的不确定量为10－10 m。(即在原子的数量级)
[解析]　(1)m＝1.0 kg，Δx＝10－6 m，
由ΔxΔp≥，Δp＝mΔv知
Δv1＝＝ m/s＝5.3×10－29 m/s。
(2)me＝9.0×10－31 kg，
Δx＝10－10 m
Δv2＝
＝ m/s
＝5.89×105 m/s。
[答案]　(1)5.3×10－29 m/s　(2)5.89×105 m/s
对不确定性关系的三点提醒
(1)在宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差很多倍。
(2)根据计算的数据可以看出，宏观世界中的物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量。
(3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，不能准确把握粒子的运动状态。　　　　
1．[多选]根据不确定性关系ΔxΔp≥，判断下列说法正确的是(　　)
A．采取办法提高测量Δx精度时，Δp的精度下降
B．采取办法提高测量Δx精度时，Δp的精度上升
C．Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关
D．Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关
解析：选AD　不确定性关系表明，无论采用什么方法试图确定坐标和相应动量中的一个，必然引起另一个较大的不确定性，这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关，无论怎样改善测量仪器和测量方法，都不可能逾越不确定性关系所给出的限度。故A、D正确。
2．[多选]由不确定性关系可以得出的结论是(　　)
A．如果动量的不确定范围越小，则与它对应坐标的不确定范围就越大
B．如果位置坐标的不确定范围越小，则动量的不确定范围就越大
C．动量和位置坐标的不确定范围之间的关系不是反比例函数
D．动量和位置坐标的不确定范围之间有唯一确定的关系
解析：选ABC　由不确定性关系式ΔxΔp≥可知，如果动量Δp的不确定范围越小，则与它对应坐标Δx的不确定范围就越大，选项A正确。同理如果位置坐标Δx的不确定范围越小，则动量Δp的不确定范围就越大，选项B正确。由于ΔxΔp≥，所以动量和位置的不确定范围之间的关系不是反比例函数，选项C正确，D错误。
1．下列关于概率波的说法中，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，若有一个粒子，则可以确定它从其中的哪一个缝中穿过
解析：选B　概率波主要是用来描述物质波而非机械波，物质波是一种概率波，概率波和机械波的本质是不一样的，虽然它们都能发生干涉和衍射现象，故B正确，A、C均错误；光波是一种概率波，不能确切知道其中一个光子的具体轨迹，D项错误。
2．紫外线光子的动量为。一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后(　　)
A．仍然静止
B．沿着光子原来运动的方向运动
C．沿与光子运动方向相反的方向运动
D．可能向任何方向运动
解析：选B　由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同。故正确选项为B。
3．关于微观粒子的运动，下列说法中正确的是(　　)
A．不受外力作用时光子就会做匀速运动
B．光子受到恒定外力作用时就会做匀变速运动
C．只要知道电子的初速度和所受外力，就可以确定其任意时刻的速度
D．运用牛顿力学无法确定微观粒子的运动规律
解析：选D　光子不同于宏观力学的粒子，不能用宏观粒子的牛顿力学规律分析光子的运动，选项A、B错误；根据概率波、不确定性关系可知，选项C错误，D正确。
4．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处可能是(　　)
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
解析：选A　按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b处，故b处一定是亮纹，选项A正确。
5．[多选]下列关于物质波的认识中正确的是(　　)
A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波
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．物质波是一种概率波
解析：选CD　任何一个运动着的物体，都有一种波与之对应，这种波就是物质波，物质波是一种概率波，A错误，D正确；X光是一种电磁波，不是物质波，电子是实物粒子，电子的衍射现象证实了物质波的假设是正确的，C正确，B错误。
6．[多选]用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则(　　)
A．图像(a)表明光具有粒子性
B．图像(c)表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
解析：选ABD　图像(a)以一个个的亮点，即每次只照亮一个位置，这表明光是一份一份传播的，说明光具有粒子性，故A正确；图像(c)有明显的明暗相间的干涉条纹，而干涉是波特有的性质，故表明光具有波动性，故B正确；因为紫外光是不可见光，所以直接用眼睛观察不到类似的图像，但是用感光胶片就能观察到类似现象，故C错误；因为单个光子所能到达的位置不能确定，但大量光子却表现出波动性，即光子到达哪个位置是一个概率问题，故此实验表明了光是一种概率波，故D正确。
7．[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，下列说法正确的是(　　)
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，动量不确定量越大
D．以上解释都是不对的
解析：选ABC　不确定性关系表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式ΔxΔp≥。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，故A正确；能发生衍射现象时，动量不确定量Δp较大，就不能忽略，故B正确；单缝越窄，中央亮纹越宽，是因为位置不确定量越小，动量不确定量越大，故C正确；由以上分析可知，D错误。
8．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m＝1.67×10－27 kg，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，可以估算德布罗意波长λ＝1.82×10－10 m的热中子动能的数量级为(　　)
A．10－15 J　　　　　　　　 B．10－19 J
C．10－21 J D．10－24 J
解析：选C　根据德布罗意波理论，中子动量p＝，中子动能Ek＝mv2＝＝，代入数据可以估算出数量级为10－21，即选项C正确。
9．[多选]从衍射的规律可以知道，狭缝越窄，屏上中央亮条纹就越宽，由不确定性关系式ΔxΔp≥判断，则下列说法正确的是(　　)
A．入射的粒子有确定的动量，射到屏上的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．微观粒子的动量和位置不可能同时确定
解析：选CD　不确定性原理表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，故A错误，D正确；位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式ΔxΔp≥，Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关，故B错误；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，故C正确。
10．[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：选CD　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。