概率波+不确定关系

新课标高中物理选修3－5第十七章波粒二象性【精品课件，教学帮手】物质实物场质子电子…电场磁场…光是传播着的电磁场实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性【精品课件，教学帮手】一、经典的粒子和经典的波两种模型：①粒子模型经典粒子特征：运动特征：②波动模型经典波的特征：如：声音的干涉、衍射现象如：自由落体、电子在电场中偏转有大小、质量、电荷.有频率、波长，即具有时空的周期性。能确定任意时刻的位置和速度以及时空中的确定轨道。【精品课件，教学帮手】波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现，那么，为什么对于光子、电子和质子等粒子又能集它们于一身呢？二、概率波双缝干涉现象：到达明纹的光子数多，到达暗纹的光子数少。是否可以认为：是光子之间的相互作用使它表现出了波动性，而不是光子本身就具有波动性呢？【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】问题：一个光子通过狭缝后到底落在屏上的哪一点呢？1926年德国物理学家波恩指出：光子落在明处的概率大，落在暗处的概率小。光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以从光子的概念上看，光波是一种概率波.玻恩1954年诺贝尔物理学奖【精品课件，教学帮手】、对概率波的验证——电子的双缝衍射1)用足够强的电子束进行双缝衍射——结果与光的双缝衍射一样：出现了明暗相间的衍射条纹，体现电子的波动性。——衍射条纹掩饰了电子的粒子性未能体现电子在空间分布的概率性质。【精品课件，教学帮手】)用非常弱的电子束进行双缝衍射——开始电子打在屏幕上的位置是任意的随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束在短时间形成的一样——单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布电子运动的概率具有确定的规律——波动规律7个电子100个电子30002000070000【精品课件，教学帮手】、物质波是不是经典波？——经典的波是介质中质元共同振动形成的，实际存在于空间的一种波动。——双缝衍射中，每个电子的分布是随机的，完全不确定的。但屏幕上出现的是强弱连续分布的条纹（整体性）。物质波是一种概率波。简单的说，是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。【精品课件，教学帮手】、微观粒子是不是经典粒子？——经典粒子双缝衍射——子弹可以看作是经典粒子假想用机关枪扫射双缝A和B，屏幕C收集子弹数目【精品课件，教学帮手】)将狭缝B挡住——子弹通过A在屏幕C上有一定的分布——类似于单缝衍射的中央主极大P1——子弹落在中央主极大范围的概率分布【精品课件，教学帮手】)将狭缝A挡住——子弹通过B在屏幕C上有一定的分布——类似于单缝衍射的中央主极大P2——子弹落在中央主极大范围的概率分布【精品课件，教学帮手】=P+P3)A和B狭缝同时打开——子弹是经典粒子原来通过A狭缝的子弹——还是通过A原来通过B狭缝的子弹——还是通过B屏幕C上子弹分布概率两个狭缝同时打开，每颗子弹也不会有新的选择！【精品课件，教学帮手】——电子双缝衍射——电子枪发射出的电子，在屏幕P上观察电子数目1)将狭缝B挡住——电子通过狭缝A在屏幕C有一定分布——类似于单缝衍射的中央主极大【精品课件，教学帮手】)将狭缝A挡住——电子通过狭缝B在屏幕C上有一定的分布类似于单缝衍射的中央主极大【精品课件，教学帮手】）A和B狭缝同时打开——如果电子是经典粒子原来通过A狭缝的电子——还是通过A原来通过B狭缝的电子——还是通过B屏幕上电子的概率分布12P=P+P【精品课件，教学帮手】——实际观察到类似光的双缝衍射条纹屏幕C上电子的概率分布——只开一个狭缝和同时开两个狭缝电子运动的方向具有随机性——A和B狭缝同时打开电子似乎“知道”两个狭缝都打开！12PP+P【精品课件，教学帮手】双缝和屏幕之间——到底发生了什么？屏幕上电子的分布——有了新的概率分布电子——不是经典粒子【精品课件，教学帮手】年，德国物理学玻恩(Born,1882--1972)提出了概率波，认为单个微观粒子在何处出现有一定的偶然性(不确定性)，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。粒子在某点出现的概率的大小可由波动规律确定。【精品课件，教学帮手】小光子出现概率小概率波体现了波粒二象性的和谐统一单缝衍射光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比【精品课件，教学帮手】根据经典物理学，如果我们已知一物体的初始位置和初始速度，就可以准确地确定以后任意时刻的位置和速度。但是在微观世界中，由于微观粒子具有波动性，其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。海森伯，德国著名的现代物理学家。新课标高中物理选修3－5第十七章波粒二象性【精品课件，教学帮手】１、光的单缝衍射激光束像屏由于衍射，落点会超出单缝投影的范围，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律，不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动了。【精品课件，教学帮手】屏上各点的亮度反映了粒子到达该点的概率。1、粒子在挡板左侧动量确定，但位置完全不确定。2、在单缝处，位置不确定范围是：缝宽a=Δx3、在缝后x方向有动量，也不确定：Δpxoxya入射粒子【精品课件，教学帮手】若减小缝宽——位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，所以x方向动量的不确定量变大。2、海森伯不确定关系1927年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。hΔxΔp4π所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。例1.一颗质量为10g的子弹，具有200m·s-1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)，则该子弹位置的不确定量范围为多大?解:子弹的动量动量的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围mmphx31434106.2100.214.341063.64×-1-1p=mv=0.01200kgms=2.0kgms-4-4×1010-1-1p=0.01p=12kgms=2.0kgms电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。例2.一电子具有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:电子的动量为动量的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围mmphx33234109.2108.114.341063.64×××-31-281010-1-1p=mv=9.1200kgms=1.8kgms-32×10-1p=0.01p=1.8kgms【精品课件，教学帮手】海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。不确定关系是物质的波粒二象性引起的。对于微观粒子，不能用经典物理描述。海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。