2013-2014学年高二物理粤教版选修3-5同步课件：第2章 第5节 德布罗意波(30张ppt)

第五节德布罗意波1．知道实物粒子和光子一样具有波动性．2．知道德布罗意波长和粒子动量的关系．3．知道电子云的概念．4．初步了解不确定性关系．自然界中在许多方面都是明显对称的．既然光具有波粒二象性，那么实物粒子，如电子，是否也具有波粒二象性呢？那么它的运动还遵守牛顿运动定律吗？还能用质点的位置和动量来描述它的运动吗？回答是否定的．光子的运动具有不确定性．这节课我们就来学习有关知识．一、德布罗意波假说1．德布罗意提出一个大胆假设：任何一个________都和________相对应，这种波称为德布罗意波，也叫物质波．2．德布罗意波的波长计算公式：________.二、电子衍射美国工程师戴维孙和英国物理学家汤姆生发现了电子在________上的衍射图样，证明德布罗意假说的正确性．这有力地证明了实物粒子也具有________性．一个波实物粒子λ＝hp波动晶体三、电子云1．对微观粒子的量子描述和对宏观物体的经典描述是完全不同的，量子描述只能给出微观粒子在空间各点出现的概率．无法给出微观粒子的运动轨道．2．用一些小圆点来表示概率分布，概率大的地方小圆点________，概率小的地方小圆点________，这样的__________称为电子云．四、不确定性关系对光子位置的测量越精确，其动量的不确定性就越大，反之亦然．如果用Δx表示微观粒子位置的不确定性，用Δp表示微观粒子动量的不确定性，则两者之间的关系为：____________.称为微观粒子的不确定性关系．概率分布图密一些疏一些ΔxΔp≥h4π德布罗意波的理解与应用任何一个实物粒子都和一个波相对应，这种波称为物质波，又叫德布罗意波．波长λ＝，其中h为普朗克常量，p为该物体的动量．hp1927年美国物理学家戴维孙和英国物理学家汤姆生分别获得了电子束在晶体上衍射图样(如右图所示)，从而验证了实物粒子——电子的波动性．不仅是电子，其他的一切微观粒子如质子、中子、原子、分子等都具有波粒二象性．它们在空间各点出现的概率都可用波动规律描述，因此物质波是概率波．宏观物体的物质波波长均可用λ＝计算，但宏观物体的物质波，波长极小，不易观察到它的波动性．hp一质量为450g的足球以10m/s的速度在空中飞行；一个初速为零的电子，通过电压为100V的加速电场，试分别计算它们的德布罗意波长．解析：物体的动量p＝mv，其德布罗意波长：λ＝，足球的德布罗意波长：hp＝hmvm≈1.47×10－34m电子经电场加速后，速度增加为v2，根据动能定理mv2＝eUp2＝m2v2＝该电子的德布罗意波长λ＝＝1.2×10－10m.答案：1.47×10－34m,1.2×10－10mλ＝hp＝hm1v1＝6.63×10－34450×10－3×10122m2eUhp1．下列关于物质波的认识，错误的是()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课堂训练解析：由德布罗意波的定义可知，任何一个运动的物体都有一种波与它对应，德布罗意波(即物质波)是一种概率波，物体的运动是绝对的；电子的衍射证实了物质波的存在．故A、C、D正确．答案：B不确定关系的理解与应用经典力学中运动物体有完全确定的位置、动量、能量等．微观粒子中位置、动量等具有不确定量(概率)，也就是不能同时用位置和动量来描述粒子的运动．微观粒子的运动不可能同时具有确定的位置和动量．如果以Δx表示粒子位置的不确定量，以Δp表示粒子在x轴方向上的动量的不确定量，那么ΔxΔp≥，h为普朗克常量．粒子位置的不确定量Δx越小(微观粒子的坐标测得愈准确)，动量的不确定量Δpx就越大，反之亦然．h4π但这里要注意，不确定关系不是说微观粒子的坐标测不准；也不是说微观粒子的动量测不准；更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准；而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准．这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量．这本质上是微观粒子具有波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然反映．不确定关系提供了一个判据：当不确定关系施加的限制可以忽略时，则可以用经典理论来研究粒子的运动．当不确定关系施加的限制不可以忽略时，那只能用量子力学理论来处理问题．微观粒子和宏观物体的特性对比：宏观物体微观粒子具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学描述.没有确定的坐标和动量，需用量子力学描述．有连续可测的运动轨道，可追踪各个物体的运动轨迹.有概率分布特性，不可能分辨出各个粒子的轨迹．体系能量可以为任意的、连续变化的数值.能量量子化.不确定性关系无实际意义.遵循不确定性关系.由不确定关系可知，原子中的电子在原子核的周围运动是不确定的，因而不能用“轨道”来描述它的运动．电子在空间各点出现的概率是不同的．当原子处于稳定状态时，电子会形成一个稳定的概率分布．人们常用一些小圆点来表示这种概率分布，概率大的地方小圆点密一些；概率小的地方小圆点疏一些，这样的概率分布图称为电子云．电子云是原子核核外电子位置不确定的反映．解析：子弹的动量：p＝mv＝0.01×200kg·m/s＝2.0kg·m/s动量的不确定范围Δp＝0.01%×p＝1.0×10－4×2kg·m/s＝2.0×10－4kg·m/s由不确定关系式ΔxΔp≥，得子弹位置的不确定范围Δx≥m＝2.6×10－31m.答案：Δx≥2.6×10－31mh4πh4π·Δp＝6.63×10－344×3.14×2.0×10－4一颗质量为10g的子弹，具有200m/s的速率，若其动量的不确定范围为动量的0.01%(这在宏观范围是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定量范围为多大？1．(双选）下列说法正确的是()A．牛顿运动定律适用于一切实物粒子的运动B．牛顿运动定律适用于一切宏观物体的运动C．牛顿运动定律仅适用于宏观物体的低速运动D．研究微观粒子的运动规律应用量子力学解析：牛顿运动定律是在宏观物体低速运动的情况下总结出来的规律，它不适用于微观粒子的高速运动．答案：CD2．（双选）关于德布罗意波，正确的解释是()A．运动的物体都有一种波和它对应，这就是物质波B．微观粒子都有一种波和它对应，这就是物质波C．德布罗意波是概率波，与机械波性质相同D．宏观物体运动时，它的物质波长太短，很难观察到它的波动性解析：德布罗意波是概率波，以子弹为例，并不是说子弹沿波浪形轨道前进，故与机械波性质不相同，C错．答案：AD3.下列说法正确的是()A．物质波是属于机械波B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星，太阳都有一种波和它对应，这种波叫做物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性解析：物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来．答案：C4．下列关于机械波和物质波的说法中，正确的是()A．介质是物质，所以机械振动在介质中的传播形成的波叫做物质波B．宏观物体形成的波叫机械波，微观物质形成的波叫微波C．物质波是运动的粒子在空间分布的概率，受波动规律支配D．物质波是概率波，而光波不是解析：机械振动在介质中的传播形成的波叫做机械波．故A错.任何一个实物粒子都和一个波相对应，这种波称为物质波，又叫德布罗意波．不是宏观物体形成的波就叫机械波，而微观物体形成的波就叫微波，B错．物质波是概率波，而光波也是，D错．答案：C5．电子的运动受波动性的支配，对氢原子的核外电子，下列说法错误的是()A．电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的B．电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置C．电子绕核运动时电子边运动边振动D．电子在核外的位置是不确定的解析：由微观粒子运动的不确定关系可知．答案：C6．经150V电压加速的电子束，沿同一方向射出，穿过铝箔后射到其后的屏上，则()A．所有电子的运动轨迹均相同B．所有电子到达屏上的位置坐标均相同C．电子到达屏上的位置坐标可用牛顿运动定律确定D．电子到达屏上的位置受波动规律支配，无法用确定的坐标来描述能力提升解析：产生错解的主要原因是把电子当成宏观物体，认为经150V电压加速后电子做匀速直线运动，而错选A、B、C.答案：D7．若某个质子的动能与某个氦核的动能相等，则这两个粒子的德布罗意波长之比()A．1:2B．2:1C．1:4D．4:1解析：由p＝mv＝可求又质子和氦核的质量是1:4.动量之比为1:2，则波长之比为2:1.答案：B2mEk和λ＝hp8.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＝1.67×10－27kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，可以估算出德布罗意波长λ＝1.82×10－10m的热中子的动量的数量级可能是()A．10－17kg·m/sB．10－18kg·m/sC．10－20kg·m/sD．10－24kg·m/s9．一电子具有200m/s的速率，动量的不确定范围为动量的0.01%(这已经足够精确了)，则该电子的位置不确定范围有多大？解析：电子的动量为p＝mv＝9.1×10－31×200≈1.8×10－28kg·m/s动量的不确定范围Δp＝0.01%×p＝1.0×10－4×1.8×10－28kg·m/s＝1.8×10－32kg·m/s由不确定关系式，得电子位置的不确定范围Δx＝m≈2.9×10－3m.h4π·Δp＝6.63×10－344×3.14×1.8×10－32