2019-2020学年高中物理 第5章 波与粒子 第3节 实物粒子的波粒二象性 第4节 “基本粒子”

第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化第5章波与粒子1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系．(重点＋难点)2.初步了解粒子物理学的基础知识．3.初步了解恒星的演化．4.了解人类认识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深入的．第5章波与粒子一、德布罗意波及其实验探究1.德布罗意波德布罗意提出，实物粒子也具有____________，称这种波为物质波或德布罗意波．2.粒子能量与相应的波的频率之间的关系：___________．3.物质波的动量与波长之间的关系：____________．波动性E＝hνp＝hλ4.物质波的实验验证(1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的____________．(2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生____________，也证实了电子的____________．(3)1960年，约恩孙直接做了电子____________实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片．衍射现象衍射现象波动性双缝干涉1．运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难观察到宏观物体的波动性？提示：由p＝hλ得，λ＝hp，宏观物体动量比微观粒子动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很小，而波长越小波动性越不明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性．二、不确定性关系与电子云1.不确定性关系(1)在微观世界中，粒子的____________和____________存在不确定性，不能____________．(2)不确定性关系：____________，式中Δx为____________的不确定范围，Δp为____________的不确定范围，h为普朗克常量．(3)此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的__________和__________．位置动量同时测量ΔxΔp≥h4π位置动量位置动量2.电子云(1)定义：用点的__________表示的电子出现的概率分布．(2)电子的分布：某一空间范围内电子出现概率_________的地方点_________，电子出现概率_________的地方点__________．电子云反映了原子核外电子位置的____________．疏密大密集小稀疏不确定性2．既然位置与动量具有不确定性，为什么宏观物体的位置和动量可以同时测量？提示：由于普朗克常量是一个很小的量，对于宏观物体来说，其不确定性小到无法进行观测，因此不确定性关系对宏观物体是不重要的．即宏观物体的位置和动量是可以同时确定的．三、基本粒子与恒星演化1.基本粒子(1)对粒子的认识过程①“基本”粒子：电子、质子和___________，曾认为它们是组成物质的不可再分的____________．后来又认识到“基本”粒子的复杂内部结构．②人们对“基本”粒子的认识不断深化，逐渐形成了研究构成物质的基本单元和它们之间____________的学科——粒子物理学．微观粒子虽小，仍然具有复杂的结构．中子基本粒子相互作用(2)影响“基本粒子”的相互作用：引力相互作用、____________________、________________、弱力相互作用．(3)“基本粒子”家族：按粒子参与相互作用的性质来分类，可以将其分为____________、____________和____________三种类型．(4)“基本粒子”的探测：____________和____________是研究粒子物理的主要工具．电磁力相互作用强力相互作用媒介子轻子强子加速器粒子探测器2.恒星演化(1)宇宙起源：宇宙大爆炸学说认为，宇宙起源于一个“奇点”．该奇点爆炸后宇宙不断________，宇宙温度不断降低，经过几十亿年的冷却，宇宙物质形成了_________．星际物质密集成云的地方，往往正是恒星诞生的摇篮．(2)恒星的演化过程：原恒星→___________(现在太阳正处于此阶段)→红巨星或超新星→白矮星、中子星或___________．膨胀星云主序星黑洞3．星云是怎样形成原恒星的，恒星在哪个阶段停留的时间最长？提示：星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时，开始发光，形成原恒星．恒星在主序星阶段停留时间最长．理解德布罗意波1.任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小．粒子能量E与相应的波的频率ν之间的关系为E＝hν，动量p与相应波长λ之间的关系为p＝hλ，上述关系称为德布罗意关系．2.德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．3.根据德布罗意假说，实物粒子也具有波粒二象性，宏观物体的动量比较大，所以德布罗意波波长很短，波动性不明显．微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定环境下可以观察到他们的干涉和衍射等波的现象．(1)德布罗意波也是一种概率波，单个物体的运动具有偶然性，大量物体的运动具有必然性．(2)德布罗意波的波动性与粒子性是和谐的统一．关于物质波，下列认识错误的是()A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验，验证了物质波假设是正确的C．电子的衍射实验，验证了物质波假设是正确的D．宏观物质尽管可以看成物质波，同样具有干涉、衍射等现象[思路点拨]由德布罗意的物质波假设的内容及实验探究进行分析判断．[解析]据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，故B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项正确．[答案]B对不确定性关系的理解1.微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性．以光的衍射为例，如图是光的衍射原理图．实验发现：狭缝隙a越窄，中央的亮条纹b越宽，即光子与原来运动方向垂直的动量越大．也就是说，位置测量结果越精确，动量的测量误差就越大；位置的不确定范围和动量的不确定范围的关系是：ΔxΔp≥h4π.2.普朗克常量在不确定性关系中扮演着重要角色，如果h的值可忽略不计，这时物体的位置、动量可同时有确定的值，如果h的值不能忽略，这时不确定性关系也就表现的不可忽略，必须考虑微粒的波粒二象性．h成为划分经典物理学和量子力学的一个界限．3.不确定性关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果．除位置和动量的不确定性关系外，还有其他不确定性关系，如时间和能量的不确定性关系：ΔEΔt≥h4π.不确定性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．不确定性关系是自然界的一条客观规律，不是测量技术和主观能力的问题．已知h4π＝5.3×10－35J·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＝1.0kg，测定其位置的不确定量为10－6m.(2)电子的质量me＝9.1×10－31kg，测定其位置的不确定量为10－10m(即原子的数量级)．[思路点拨]利用海森堡不确定关系ΔxΔp≥h4π计算速度测定的不确定量Δv.[解析](1)m＝1.0kg，Δx＝10－6m，由ΔxΔp≥h4π，Δp＝mΔv知Δv1≥h4πΔxm＝5.3×10－3510－6×1.0m/s＝5.3×10－29m/s.(2)me＝9.1×10－31kg，Δx＝10－10mΔv2≥h4πΔxme＝5.3×10－3510－10×9.1×10－31m/s≈5.8×105m/s.[答案](1)5.3×10－29m/s(2)5.8×105m/s对“基本粒子”及恒星演化的认识1.发现了原子核内部结构后，人们一度认为电子、质子、中子是组成物质的“基本粒子”．而后来发现质子和中子有着更复杂的内部结构，随着科学家们的研究，逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子和电子组成的，所以电子、质子、中子并不是组成世界的最小微粒．2.“基本粒子”参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子；强子有内部结构，由“夸克”粒子构成；强子又可分为介子和重子参与的相互作用发现的粒子备注轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用玻色子传递弱相互作用胶子传递强相互作用3.夸克夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的＋23或－13.每种夸克都有对应的反夸克．4.恒星的演化(1)恒星演化过程(2)恒星的归宿恒星的归宿与恒星的最终质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞．已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为23e，下夸克带电为－13e，e为电子所带电量的大小．如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10－15m．试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)．[思路点拨]根据库仑定律进行计算．[解析]质子带＋e的电量，故它是由2个上夸克和1个下夸克组成的．按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，如图．上夸克与上夸克之间的静电力应为Fuu＝k23e×23el2＝49ke2l2代入数值，得Fuu＝46N，为斥力．上夸克与下夸克之间的静电力应为Fud＝k13e×23el2＝29ke2l2代入数值，得Fud＝23N，为引力．[答案]见解析下列关于粒子的说法正确的是()A．轻子是不参与相互作用的粒子B．现代实验已发现了轻子的内部结构C．中子是发现最早的强子D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位解析：选D.轻子是不参与强相互作用的粒子，但有可能受其他相互作用的影响．如电子受弱相互作用的影响，A错．目前还没发现轻子的内部结构，B错．质子是发现最早的强子，C错．夸克带电荷为元电荷的23倍或13倍，这说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故D正确．关于德布罗意波长的计算一颗质量为5.0kg的炮弹，(1)以200m/s的速度运动时，它的德布罗意波长为多大？(2)假设它以光速运动，它的德布罗意波长为多大？(3)若要使它的德布罗意波长与波长是400nm的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？[思路点拨]利用德布罗意关系式进行计算．[解析](1)炮弹的德布罗意波长为λ1＝hp＝hmv＝6.63×10－345×200m＝6.63×10－37m.(2)它以光速运动时的德布罗意波长为λ2＝hp＝hmc＝6.63×10－345×3×108m＝4.42×10－43m.(3)由λ＝hp＝hmv得：v＝hmλ＝6.63×10－345×400×10－9m/s＝3.32×10－28m/s.[答案]见解析本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放