高中物理第5章波與粒子3實物粒子的波粒二象性4“基本粒子”與恒星演化學(xué)案魯科版選修3_5.doc

第3節(jié)實物粒子的波粒二象性 第4節(jié)“基本粒子”與恒星演化目標(biāo)定位1.知道實物粒子具有波動性以及物質(zhì)波的波長，知道電子云并初步了解不確定性關(guān)系.2.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識.3.初步了解恒星的演化.4.了解人類認(rèn)識世界的發(fā)展性，體會人類對世界的探究是不斷深入的一、德布羅意的假設(shè)1德布羅意波：任何一個運(yùn)動的物體都有一種波與它相對應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波，也稱為德布羅意波2德布羅意關(guān)系：粒子能量E與相應(yīng)的波的頻率之間的關(guān)系為：Eh.動量p與相應(yīng)波長之間的關(guān)系為：p.上述關(guān)系稱為德布羅意關(guān)系兩式中的h為普朗克常量通過普朗克常量把粒子性和波動性聯(lián)系起來二、德布羅意假說的實驗探索1實驗探究思路干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應(yīng)該能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象2實驗驗證1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性三、不確定性關(guān)系1微觀粒子運(yùn)動的基本特征：不可能同時準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動量2不確定性關(guān)系：以x表示粒子位置的不確定范圍，以p表示粒子動量的不確定范圍，那么xp，式中h是普朗克常量四、電子云用點(diǎn)的疏密表示的電子出現(xiàn)的概率分布，稱為電子云五、“基本粒子”初步1發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的基本粒子2影響“基本粒子”的相互作用：引力相互作用(引力)、電磁相互作用(電磁力)、強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)、弱相互作用(弱力)3“基本粒子”家族：按粒子參與相互作用的性質(zhì)來分，可將其分為媒介子、輕子和強(qiáng)子強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，它由更基本的成分夸克組成4“基本粒子”的探測：加速器和探測器是研究粒子物理的主要工具，探測器分兩大類：一類是計數(shù)器，一類是徑跡探測器六、恒星演化1恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云，進(jìn)一步凝聚使得引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高，直到發(fā)光，于是恒星誕生了2恒星演變：當(dāng)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力與引力作用達(dá)到平衡時，恒星停止收縮進(jìn)入最長、最穩(wěn)定的主序星階段3恒星歸宿：恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞七、極大與極小的奇遇1宇宙大爆炸至今，經(jīng)歷了至少150億年；在大爆炸初期宇宙發(fā)生了巨大的變化，大宇宙的演化與微小的基本粒子緊密地聯(lián)系在一起了2在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強(qiáng)子時期，輕子時期，質(zhì)子和中子結(jié)合成氫、氦、鋰和氘時期一、對物質(zhì)波的理解1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的緣故2物質(zhì)波波長的計算公式為，頻率公式為.3德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波【例1】下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識，正確的解釋是()A任何一個物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運(yùn)動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性答案C解析運(yùn)動的物體才具有波動性，A項錯；宏觀物體由于動量太大，德布羅意波波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動性，D項錯；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實物質(zhì)波的存在，B項錯；只有C項正確【例2】如果一個中子和一個質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動，則它們的德布羅意波的波長分別是多大？(中子的質(zhì)量為1.671027 kg，普朗克常量為6.631034 Js)答案4.01010 m6.631035 m解析中子的動量為p1m1v子彈的動量為p2m2v據(jù)知中子和子彈的德布羅意波長分別為1，2聯(lián)立以上各式解得1，2將m11.671027 kg，v103 m/sh6.631034 Js，m21.0102 kg代入上面兩式可解得14.01010 m，26.631035 m借題發(fā)揮(1)人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性對于這些粒子，德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確(2)宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，運(yùn)動時的動量很大，對應(yīng)的德布羅意波的波長就很小，根本無法觀察到它的波動性二、對不確定性關(guān)系的理解1不確定性關(guān)系微觀粒子運(yùn)動的位置不確定量x和動量的不確定量p的關(guān)系式為xp，其中h是普朗克常量，這個關(guān)系式叫不確定性關(guān)系2不確定性關(guān)系表明微觀粒子的位置坐標(biāo)測得越準(zhǔn)確(即x越小)，則動量就越不準(zhǔn)確(即p越大)；微觀粒子的動量測得越準(zhǔn)確(即p越小)，則位置坐標(biāo)就越不準(zhǔn)確(即x越大)注意不確定性關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測不準(zhǔn)，也不是說微觀粒子的動量測不準(zhǔn)，更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量都測不準(zhǔn)，而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)3不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律對任何物體都成立，并不是因為測量技術(shù)和主觀能力而使微觀粒子的坐標(biāo)和動量不能同時測準(zhǔn)對于宏觀尺度的物體，其質(zhì)量m通常不隨速度v變化(因為一般情況下，v遠(yuǎn)小于c)，即pmv，所以xv.由于m遠(yuǎn)大于h，因此x和v可以同時達(dá)到相當(dāng)小的地步，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最精良儀器的精度，完全可以忽略可見，不確定現(xiàn)象僅在微觀世界方可觀測到【例3】一顆質(zhì)量為10 g的子彈，具有200 m/s的速率，若其動量的不確定范圍為動量的0.01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定范圍為多大？答案大于或等于2.61031 m解析子彈的動量為pmv0.01200 kgm/s2.0 kgm/s動量的不確定范圍p0.01%p1.01042.0 kgm/s2.0104 kgm/s由不確定性關(guān)系式xp， 得子彈位置的不確定范圍x m2.61031 m.借題發(fā)揮我們知道，原子核的數(shù)量級為1015 m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的可見子彈的動量和位置都能精確地確定，不確定性關(guān)系對宏觀物體來說沒有實際意義針對訓(xùn)練1在單縫衍射實驗中，若單縫寬度是1.0109 m，那么光子經(jīng)過單縫發(fā)生衍射，動量不確定量是多少？答案p5.31026 kgm/s解析由題意可知光子位置的不確定量x1.0109 m，解答本題需利用不確定性關(guān)系單縫寬度是光子經(jīng)過狹縫的位置不確定量，即x1.0109 m，由xp有：1.0109 mp.得p5.31026 kgm/s.三、“基本粒子”初步認(rèn)識1“基本粒子”間的相互作用自然界中存在四種相互作用，如下表所示：力的類型發(fā)生作用的距離傳遞此力的粒子粒子的質(zhì)量萬有引力作用延伸到非常大的距離沒有發(fā)現(xiàn)未知弱相互作用約小于1018 m中間玻色子約90 GeV電磁相互作用延伸到非常大的距離光子0強(qiáng)相互作用約小于1015m膠子假定為02.粒子的分類按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，分類如下表所示：比較項分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、超子、質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子強(qiáng)子又分為介子和重子兩類強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子現(xiàn)代實驗還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每種輕子都有對應(yīng)的反粒子媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用中間玻色子傳遞弱相互作用膠子傳遞強(qiáng)相互作用【例4】目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩夸克組成，u夸克帶電荷量為e，d夸克帶電荷量為e，e為基元電荷，下列論斷中可能正確的是()A質(zhì)子由1個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和1個d夸克組成答案B解析針對訓(xùn)練2(多選)已知介子、介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克或反夸克)組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷.ud帶電荷量eeeeee下列說法正確的是()A由u和組成 B由d和組成C由u和組成 D由d和組成答案AD對物質(zhì)波的理解1一顆質(zhì)量為10 g的子彈，以200 m/s的速度運(yùn)動著，則由德布羅意理論計算，要使這顆子彈發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，那么障礙物的尺寸為()A3.01010 m B1.81011 mC3.01034 m D無法確定答案C解析 m3.321034 m，故能發(fā)生明顯衍射的障礙物尺寸應(yīng)為選項C.2下列說法正確的是()A概率波就是機(jī)械波B物質(zhì)波是一種概率波C概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D在光的雙縫干涉實驗中，若有一個光子，則能確定這個光子落在哪個點(diǎn)上答案B解析概率波與機(jī)械波是兩個概念，本質(zhì)不同，A、C錯誤；物質(zhì)波是一種概率波，符合概率波的特點(diǎn)；在光的雙縫干涉實驗中，若有一個光子，則不能確定這個光子落在哪個點(diǎn)上，D錯故B正確對不確定性關(guān)系的理解3(多選)下述說法正確的是()A宏觀物體的動量和位置可準(zhǔn)確測定B微觀粒子的動量和位置可準(zhǔn)確測定C微觀粒子的動量和位置不可同時準(zhǔn)確測定D宏觀粒子的動量和位置不可同時準(zhǔn)確測定答案AC解析宏觀物體在經(jīng)典力學(xué)中，位置和動量可以同時精確測定，在量子理論建立之后，微觀粒子的動量和位置要同時測出是不可能的4(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系，下列說法正確的是()A在微觀世界中，粒子的位置和動量存在一定的不確定性，不能同時準(zhǔn)確測量B自然界中的任何物體的動量和位置之間都存在不確定性C海森堡不確定性關(guān)系說明粒子的位置和動量存在一定的不確定性，都不能測量D不確定性關(guān)系xp，x與p測量精度與測量儀器及測量方法是否完備無關(guān)答案ABD解析微觀世界中，粒子的位置和動量存在一定的不確定性，不能同時準(zhǔn)確測量，A正確；如果同時測量某個微觀粒子的位置和動量，位置的測量結(jié)果越精確，動量的測量誤差就越大；反之，動量的測量結(jié)果越精確，位置的測量誤差就越大，C錯誤；普朗克常量是一個很小的量，對宏觀物體來說，這種不確定關(guān)系可以忽略不計，B正確基本粒子初步5現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號相反據(jù)此，反粒子為()A.He B.He C.He D.He答案D解析根據(jù)題目中的描述，結(jié)合粒子的特點(diǎn)很容易選出正確選項D.(時間：60分鐘)題組一對基本粒子的初步認(rèn)識1(多選)下列所述正確的是()A超子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量小B反粒子的質(zhì)量與對應(yīng)粒子的質(zhì)量相同，二者電性相反C質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子D目前發(fā)現(xiàn)的輕子有6種，其中子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量還大答案BCD2(多選)下列所述正確的是()A原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒B原子是最大的微粒C原子由原子核和核外電子構(gòu)成，質(zhì)子和中子組成了原子核D質(zhì)子、中子本身也是復(fù)合粒子，它們也有著自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu)答案CD解析由所學(xué)過的內(nèi)容及本節(jié)內(nèi)容可知，只有C、D正確3正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、質(zhì)子的質(zhì)量、電荷量均相等，而電性相反科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)反物質(zhì).1997年初和年底，歐洲和美國的科研機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個和7個反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步你推測反氫原子的結(jié)構(gòu)是()A由一個帶正電荷的質(zhì)子與一個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B由一個帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個帶正電荷的電子構(gòu)成C由一個不帶電荷的中子與一個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D由一個帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成答案B解析反氫原子的結(jié)構(gòu)是由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子題組二對物質(zhì)波的理解4(多選)下列物理實驗中，能說明粒子具有波動性的是()A通過研究金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系，證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性B通過測試多種物質(zhì)對X射線的散射，發(fā)現(xiàn)散射射線中有波長變大的成分C通過電子雙縫實驗，發(fā)現(xiàn)電子的干涉現(xiàn)象D利用晶體做電子束衍射實驗，證實了電子的波動性答案CD解析干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，由于X射線本身就是一種波，而不是實物粒子，故X射線散射中有波長變大的成分，并不能證實物質(zhì)波理論的正確性，即A、B不能說明粒子的波動性，證明粒子的波動性只能是C、D.5下列說法中正確的是()A質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長短B速度大的物體，其德布羅意波長短C動量大的物體，其德布羅意波長短D動能大的物體，其德布羅意波長短答案C解析由物質(zhì)波的波長，得其只與物體的動量有關(guān)，動量越大其波長越短6(多選)利用金屬晶格(大小約1010 m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過電場加速后，讓電子束照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說法中正確的是()A該實驗說明了電子具有波動性B實驗中電子束的德布羅意波長C加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越明顯D若用相同動能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯答案AB解析由電子的衍射圖樣，說明電子具有波動性，A正確；由德布羅意波長公式，而動量p，兩式聯(lián)立解得，B正確；從公式可知，加速電壓越大，電子的波長越小，衍射現(xiàn)象就越不明顯；用相同動能的質(zhì)子替代電子，質(zhì)子波長比電子波長小，衍射現(xiàn)象相比電子更不明顯，故C、D錯誤7質(zhì)量為m50 kg的人，以v15 m/s的速度運(yùn)動，試求人的德布羅意波波長答案8.81037 m解析由公式，pmv得此人的德布羅意波波長 m8.81037 m.題組三對不確定性關(guān)系的理解8(多選)根據(jù)不確定性關(guān)系xp，判斷下列說法正確的是()A采取辦法提高測量x精度時，p的精度下降B采取辦法提高測量x精度時，p的精度上升Cx與p測量精度與測量儀器及測量方法是否完備有關(guān)Dx與p測量精度與測量儀器及測量方法是否完備無關(guān)答案AD解析不確定關(guān)系表明，無論采用什么方法試圖確定位置坐標(biāo)和相應(yīng)動量中的一個，必然引起另一個較大的不確定性，這樣的結(jié)果與測量儀器及測量方法是否完備無關(guān)，無論怎樣改善測量儀器和測量方法，都不可能逾越不確定關(guān)系所給出的限度故A、D正確9(多選)由不確定性關(guān)系可以得出的結(jié)論是()A如果動量的不確定范圍越小，則