2019-2020学年高中物理 第十七章 波粒二象性 第4、5节 概率波 不确定性关系课件 新人教版

第4节概率波第5节不确定性关系学习目标1．知道经典的粒子和经典的波的基本特征．2．掌握概率波的概念，知道光和物质波都是概率波．3．理解不确定性关系的具体含义．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、经典的粒子和经典的波1．经典粒子(1)含义：粒子有一定的1_____________，具有一定2_____________，有的还带有电荷．(2)运动的基本特征：遵从3________________，任意时刻有确定的4_____________和5_____________，在时空中有确定的6_____________.空间大小质量牛顿运动定律位置速度轨道2．经典的波(1)含义：在空间是7_____________的．(2)特征：具有8_________和9_____________，即具有时空的10_____________.二、概率波1．光波是一种概率波：光的波动性不是光子之间的11_____________引起的，而是光子自身12_____________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．弥散开来频率波长周期性相互作用固有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13_____________的，但在某点附近出现的概率的大小可以由14_____________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．不确定波动三、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15_____________关系．2．表达式：ΔxΔp≥h4π.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．不确定性|基础小题·做一做|1．正误判断(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)光子通过狭缝后落在屏上的位置是可以确定的．()(4)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些．()(5)电子通过狭缝后运动的轨迹是确定的．()(6)微观粒子的运动分析能用“轨迹”来描述．()√√×√××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，使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样．如果时间短，底片上会出现杂乱无章的图样．故A正确，B错误；大量光子的运动显示光的波动性，个别光子的运动显示光的粒子性，光具有波粒二象性，故C正确，D错误．3．(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：选BC由不确定性关系ΔxΔp≥h4π知缝越宽时，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．4．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性关系，也就是说，要准确确定粒子的位置，动量(或速度)的不确定性就更大；反之，要准确确定粒子的动量(或速度)，位置的不确定性就更大，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．|核心知识·记一记|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≥h4π.析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一对概率波的理解|要点归纳|1．光波是一种概率波单缝衍射中，光子落在各点的概率是不一样的，光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小．这就是说，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．2．物质波也是概率波对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波．电子束的衍射图样中的明纹处是电子落点概率大的地方，暗纹处是电子落点概率小的地方，但概率的大小受波动规律的支配．3．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，是预先不能确定的．(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．|例题展示|【例1】(多选)在做双缝干涉实验中，观察屏的某处是亮纹，则对光子到达观察屏的位置，下列说法正确的是()A．到达亮纹处的概率比到达暗纹处的概率大B．到达暗纹处的概率比到达亮纹处的概率大C．光子可能到达光屏的任何位置D．以上说法均有可能[解析]根据概率波的含义，光子可能到达光屏的任何位置，只是光子到达亮纹处的概率要比到达暗纹处的概率大得多，故A、C正确．[答案]AC[规律方法]关于光子到达区域的理解光具有波动性，光的波动性是统计规律的结果，对某个光子我们无法判断它落到哪个位置，我们只能判断大量光子的落点区域，同时，我们要明确在暗条纹处，也有光子到达，只是光子数很少；对于通过单缝的大量光子而言，绝大多数光子落在中央亮纹处，只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处．|对点训练|1．(多选)下列各种波是概率波的是()A．声波B．无线电波C．光波D．物质波解析：选CD声波是机械波，不是概率波，A错误；无线电波是电磁波，是一种能量波，不是概率波，B错误；由概率波的概念和光波、物质波的特点分析可以得知，光波和物质波均为概率波，C、D正确．2．(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)所示的图象，则()A．图象(a)表明光具有粒子性B．图象(c)表明光具有波动性C．用紫外光观察不到类似的图象D．实验表明光是一种概率波解析：选ABD图象(a)是少数光子穿过缝后所落位置，是无规则的，这也恰好说明了光的粒子性，A正确；图象(c)是双缝干涉图象，说明了光的波动性，B正确；紫外光是不可见光，做双缝干涉实验，不能直接用眼观察到类似现象，但用感光胶片可得到类似的图象，C错误；光子经缝后落在亮条纹处还是暗条纹处受波动规律支配，即落在亮条纹处的概率大，落在暗条纹处的概率小，光是一种概率波，D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根据光的概率波的概念，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，可达95%以上．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．★要点二对不确定性关系的理解|要点归纳|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≥h4π.由ΔxΔp≥h4π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≥h4π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．|例题展示|【例2】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≥h4π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，因此粒子动量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[解析]由ΔxΔp≥h4π，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．[答案]C[规律总结](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．|对点训练|4．关于不确定性关系公式ΔxΔp≥h4π有如下的理解，其中正确的是()A．宏观粒子的位置能测得准，微观粒子的位置测不准B．宏观粒子的动量能测得准，微观粒子的动量测不准C．微观粒子的位置和动量都测不准D．微观粒子的位置和动量不能同时测准解析：选D对于宏观粒子具有确定的位置和动量，可用牛顿力学描述．对于微观粒子不是说微观粒子的位置测不准，也不是说微观粒子的动量测不准，更不是说微观粒子的位置和动量都测不准，而是说微观粒子的位置和动量不能同时测准．这是因为微观粒子的位置和动量本来就不同时具有确定性，所以只有D正确．5．(多选)以下说法正确的是()A．微观粒子不能用“轨道”观点来描述粒子的运动B．微观粒子能用“轨道”观点来描述粒子的运动C．微观粒子位置和动量不能同时精确确定D．微观粒子位置能同时精确确定解析：选AC微观粒子的动量和位置是不能同时确定的，这也就决定了不能用“轨道”的观点来描述粒子的运动(轨道上运动的粒子在某时刻具有确定的位置和动量)，故A、C正确．6．在单缝衍射实验中，若单缝宽度是1.0×10－9m，那么光子经过单缝发生衍射，动量不确定量是多少？解析：单缝宽度是光子经过狭缝的位置不确定量即Δx＝1.0×10－9m由ΔxΔp≥h4π，有1.0×10－9m·Δp≥6.63×10－34J·s4π得Δp≥5.3×10－26kg·m/s.答案：Δp≥5.3×10－26kg·m/s[课堂小结]