高中物理波粒二象性2實(shí)物粒子的波粒二象性課件魯科版選擇性必修3

第2節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性第2節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性高中物理第6章波粒二象性2實(shí)物粒子的波粒二象性課件魯科版選擇性必修3必備知識(shí)·素養(yǎng)奠基一、德布羅意假說(shuō)及其實(shí)驗(yàn)探索思考作為實(shí)物粒子的電子是否具有波粒二象性?提示:具有必備知識(shí)·素養(yǎng)奠基一、德布羅意假說(shuō)及其實(shí)驗(yàn)探索提示:具有1.德布羅意波:德布羅意提出實(shí)物粒子也具有_______,稱(chēng)這種波為物質(zhì)波或德布羅意波。2.粒子能量與相應(yīng)的波的頻率之間的關(guān)系:______。3.物質(zhì)波的動(dòng)量與波長(zhǎng)之間的關(guān)系:

。波動(dòng)性E=hν1.德布羅意波:德布羅意提出實(shí)物粒子也具有_______,稱(chēng)4.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:(1)1927年,戴維孫和革末通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了電子的_________。(2)1927年,湯姆孫用實(shí)驗(yàn)證明,電子在穿過(guò)金屬片后像X射線一樣產(chǎn)生_________,也證實(shí)了電子的_______。(3)1960年,約恩孫直接做了電子_________實(shí)驗(yàn),從屏上攝得了類(lèi)似楊氏雙縫干涉圖樣的照片。衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象波動(dòng)性雙縫干涉4.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象波動(dòng)性雙縫干涉二、不確定性關(guān)系1.在微觀世界中,粒子的_____和_____存在不確定性,不能_________。2.不確定性關(guān)系:

,式中Δx為_(kāi)____的不確定范圍,Δp為_(kāi)____的不確定范圍,h為普朗克常量。3.此式表明,不能同時(shí)精確確定一個(gè)微觀粒子的_____和_____。位置動(dòng)量同時(shí)測(cè)量位置動(dòng)量位置動(dòng)量二、不確定性關(guān)系位置動(dòng)量同時(shí)測(cè)量位置動(dòng)量位置動(dòng)量關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成一計(jì)算相關(guān)的德布羅意波1.任何物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性,我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性,是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的緣故。2.粒子在空間各處出現(xiàn)的機(jī)率受統(tǒng)計(jì)規(guī)律支配,不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來(lái)理解德布羅意波。3.德布羅意假說(shuō)是光子的波粒二象性的一種推廣,使之包括了所有的物質(zhì)粒子,即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性,又都具有波動(dòng)性,與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波,與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成一計(jì)算相關(guān)的德布羅意波4.求解德布羅意波波長(zhǎng)的方法(1)根據(jù)已知條件,寫(xiě)出宏觀物體或微觀粒子動(dòng)量的表達(dá)式p=mv。(2)根據(jù)波長(zhǎng)公式λ=求解。(3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動(dòng)量的不同表達(dá)式。如光子的能量:ε=hν,動(dòng)量p=;微觀粒子的動(dòng)能:Ek=mv2,動(dòng)量p=mv。

4.求解德布羅意波波長(zhǎng)的方法【思考?討論】運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體具有波動(dòng)性,為什么我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性?提示:由p=得,λ=,宏觀物體動(dòng)量比微觀粒子動(dòng)量大得多,運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體的波長(zhǎng)都很小,而波長(zhǎng)越小波動(dòng)性越不明顯,所以我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性?！舅伎?討論】【典例示范】如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10g的子彈都以103m/s的速度運(yùn)動(dòng),則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多長(zhǎng)?(中子的質(zhì)量為1.67×10-27kg)【典例示范】【解析】中子的動(dòng)量為p1=m1v子彈的動(dòng)量為p2=m2v據(jù)λ=知中子和子彈的德布羅意波的波長(zhǎng)分別為λ1=,λ2=聯(lián)立各式解得λ1=,λ2=【解析】中子的動(dòng)量為p1=m1v將m1=1.67×10-27kg,v=1×103m/s,h=6.63×10-34J·s,m2=1.0×10-2kg代入兩式可解得λ1≈4.0×10-10m,λ2=6.63×10-35m。答案:4.0×10-10m

6.63×10-35m將m1=1.67×10-27kg,v=1×103m/s,【規(guī)律方法】有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法(1)計(jì)算物體的速度,再計(jì)算其動(dòng)量。如果知道物體動(dòng)能也可以直接用p=計(jì)算其動(dòng)量。(2)根據(jù)λ=計(jì)算德布羅意波波長(zhǎng)。(3)需要注意的是:德布羅意波波長(zhǎng)一般都很短,比一般的光波波長(zhǎng)還要短,可以根據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大致判斷結(jié)果是否合理。(4)宏觀物體的波長(zhǎng)小到可以忽略,其波動(dòng)性很不明顯。

【規(guī)律方法】有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)以下說(shuō)法正確的是 (

)A.宏觀粒子也具有波動(dòng)性B.抖動(dòng)細(xì)繩一端,繩上的波就是物質(zhì)波C.物質(zhì)波也是一種概率波 D.物質(zhì)波就是光波【素養(yǎng)訓(xùn)練】【解析】選A、C。任何物體都具有波動(dòng)性,故A正確;對(duì)宏觀物體而言,其波動(dòng)性難以觀測(cè),我們所看到的繩波是機(jī)械波,不是物質(zhì)波,故B錯(cuò)誤;物質(zhì)波與光波一樣,也是一種概率波,即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動(dòng)規(guī)律,但物質(zhì)波不是光波,故C正確,D錯(cuò)誤?！窘馕觥窟xA、C。任何物體都具有波動(dòng)性,故A正確;對(duì)宏觀物體2.電子經(jīng)電勢(shì)差為U=2000V的電場(chǎng)加速,電子的質(zhì)量m=0.9×10-30kg,求此電子的德布羅意波波長(zhǎng),已知普朗克常數(shù)h=6.6×10-34J·s。2.電子經(jīng)電勢(shì)差為U=2000V的電場(chǎng)加速,電子的質(zhì)量m【解析】根據(jù)德布羅意波波長(zhǎng)公式:λ=電子在電場(chǎng)中加速,由動(dòng)能定理有Ek=Ue且p2=2mEk代入數(shù)據(jù)解得:λ=2.75×10-11m。答案:2.75×10-11m【解析】根據(jù)德布羅意波波長(zhǎng)公式:λ=【補(bǔ)償訓(xùn)練】關(guān)于物質(zhì)波,下列認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是 (

)A.任何運(yùn)動(dòng)的物體(質(zhì)點(diǎn))都伴隨一種波,這種波叫物質(zhì)波B.X射線的衍射實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了物質(zhì)波假設(shè)是正確的C.電子的衍射實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了物質(zhì)波假設(shè)是正確的D.宏觀物質(zhì)可以看成物質(zhì)波,同樣具有干涉、衍射等現(xiàn)象【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】選B。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng),都有一種波與之相對(duì)應(yīng),這種波就叫物質(zhì)波,A選項(xiàng)正確;由于X射線本身就是一種波,而不是實(shí)物粒子,故X射線的衍射現(xiàn)象,并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性,故B選項(xiàng)錯(cuò)誤;電子是一種實(shí)物粒子,電子的衍射現(xiàn)象表明運(yùn)動(dòng)著的實(shí)物粒子具有波動(dòng)性,故C選項(xiàng)正確;由電子穿過(guò)鋁箔的衍射實(shí)驗(yàn)知,少量電子穿過(guò)鋁箔后所落位置是散亂的、無(wú)規(guī)律的,但大量電子穿過(guò)鋁箔后所落的位置呈現(xiàn)出衍射圖樣,即大量電子的行為表現(xiàn)出電子的波動(dòng)性,干涉、衍射是波的特有現(xiàn)象,只要是波,都會(huì)發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,故D選項(xiàng)正確。故選B?！窘馕觥窟xB。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體,小二理解不確定性關(guān)系1.位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系:ΔxΔp≥由ΔxΔp≥可以知道,在微觀領(lǐng)域,要準(zhǔn)確地確定粒子的位置,動(dòng)量的不確定性就更大;反之,要準(zhǔn)確地確定粒子的動(dòng)量,那么位置的不確定性就更大。2.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道:由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知,微觀粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)被確定的,這也就決定了不能用“軌跡”的觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)。二理解不確定性關(guān)系3.其他不確定性關(guān)系:不確定性關(guān)系是微觀粒子具有波粒二象性的必然結(jié)果。除位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系外,還有其他不確定性關(guān)系,如時(shí)間和能量的不確定性關(guān)系:ΔEΔt≥。3.其他不確定性關(guān)系:提醒:不確定性關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn),也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn),更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn),而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律,不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。提醒:不確定性關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn),也不是說(shuō)微觀?！舅伎?討論】既然位置與動(dòng)量具有不確定性,為什么宏觀物體的位置和動(dòng)量可以同時(shí)測(cè)量?提示:由于普朗克常量是一個(gè)很小的量,對(duì)于宏觀物體來(lái)說(shuō),其不確定性小到無(wú)法進(jìn)行觀測(cè),因此不確定性關(guān)系對(duì)宏觀物體是不重要的,即宏觀物體的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)確定的。

【思考?討論】【典例示范】質(zhì)量為10g的子彈與電子的速率相同均為500m/s,測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01%①,若位置和速率在同一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量②

,試問(wèn)子彈和電子位置的最小不確定量各為多少?(電子質(zhì)量m=9.1×10-31kg)【典例示范】【審題關(guān)鍵】序號(hào)信息提取①

可求得Δv、Δp②由Δx=求子彈、電子的最小不確定量【審題關(guān)鍵】序號(hào)信息提?、倏汕蟮忙、Δp②由Δx=【解析】測(cè)量準(zhǔn)確度也就是速度的不確定性,故子彈、電子的速度不確定量為Δv=0.05m/s,子彈動(dòng)量的不確定量Δp1=5×10-4kg·m/s,電子動(dòng)量的不確定量Δp2=4.6×10-32kg·m/s,由Δx≥,子彈位置的最小不確定量Δx1=m=1.06×10-31m,電子位置的最小不確定量Δx2=m=1.15×10-3m。答案:1.06×10-31m

1.15×10-3m【解析】測(cè)量準(zhǔn)確度也就是速度的不確定性,故子彈、電子的速度不【規(guī)律方法】不確定性關(guān)系的兩點(diǎn)提醒(1)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥是自然界的普遍規(guī)律,對(duì)微觀世界的影響顯著,對(duì)宏觀世界的影響可忽略不計(jì)。也就是說(shuō),宏觀世界中的物體質(zhì)量較大,位置和速度的不確定性范圍較小,可同時(shí)較精確地測(cè)出物體的位置和動(dòng)量。(2)在微觀世界中,粒子質(zhì)量較小,不能同時(shí)精確地測(cè)出粒子的位置和動(dòng)量,也就不能準(zhǔn)確地把握粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)了。【規(guī)律方法】不確定性關(guān)系的兩點(diǎn)提醒【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系ΔxΔp≥有以下幾種理解,其中正確的是 (

)A.微觀粒子的動(dòng)量不可確定B.微觀粒子的位置坐標(biāo)不可確定C.微觀粒子的動(dòng)量和位置不可能同時(shí)確定D.不確定性關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子,也適用于其他宏觀粒子【素養(yǎng)訓(xùn)練】【解析】選C、D。本題主要考查對(duì)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥的理解,不確定性關(guān)系表示確定位置、動(dòng)量的精度相互制約,此長(zhǎng)彼消,當(dāng)粒子的位置不確定性小時(shí),粒子動(dòng)量的不確定性大;反之亦然。故不能同時(shí)確定粒子的位置和動(dòng)量。不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律,對(duì)微觀世界的影響顯著,對(duì)宏觀世界的影響可忽略,故C、D正確?！窘馕觥窟xC、D。本題主要考查對(duì)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥2.已知=5.3×10-35J·s。試求下列情況中速度測(cè)定的不確定量。(1)一個(gè)球的質(zhì)量m=1.0kg,測(cè)定其位置的不確定量為10-6m。(2)電子的質(zhì)量me=9.1×10-31kg,測(cè)定其位置的不確定量為10-10m(即原子的數(shù)量級(jí))。2.已知=5.3×10-35J·s。試求下列情況中速度【解析】(1)m=1.0kg,Δx=10-6m,由ΔxΔp≥,Δp=mΔv知Δv1≥

m/s=5.3×10-29m/s。(2)me=9.1×10-31kg,Δx=10-10mΔv2≥

m/s≈5.8×105m/s。答案:(1)5.3×10-29m/s

(2)5.8×105m/s【解析】(1)m=1.0kg,Δx=10-6m,【補(bǔ)償訓(xùn)練】原子核的半徑為10-15m,估計(jì)核內(nèi)質(zhì)子的動(dòng)量不確定范圍。如果電子被限制在核內(nèi),其動(dòng)量不確定范圍又是多少?【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥得:質(zhì)子動(dòng)量的不確定范圍Δp≥=5.28×10-20kg·m/s。如果電子被限制在核內(nèi),電子運(yùn)動(dòng)的范圍也是10-15m,所以其動(dòng)量不確定范圍也是5.28×10-20kg·m/s。答案:質(zhì)子和電子動(dòng)量不確定范圍都是Δp≥5.28×10-20kg·m/s?！窘馕觥坑刹淮_定性關(guān)系ΔxΔp≥得:質(zhì)子動(dòng)量的不確定范【拓展例題】考查內(nèi)容:關(guān)于德布羅意波波長(zhǎng)的計(jì)算【典例】一顆質(zhì)量為5.0kg的炮彈,(1)以200m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),它的德布羅意波波長(zhǎng)為多大?(2)假設(shè)它以光速運(yùn)動(dòng),它的德布羅意波波長(zhǎng)為多大?(3)若要使它的德布羅意波波長(zhǎng)與波長(zhǎng)是400nm的紫光波長(zhǎng)相等,則它必須以多大的速度運(yùn)動(dòng)?【拓展例題】考查內(nèi)容:關(guān)于德布羅意波波長(zhǎng)的計(jì)算【解析】(1)炮彈的德布羅意波波長(zhǎng)為λ1=m=6.63×10-37m。(2)它以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的德布羅意波波長(zhǎng)為λ2=m=4.42×10-43m。(3)由λ=得:v=m/s≈3.32×10-28m/s。答案:(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s【解析】(1)炮彈的德布羅意波波長(zhǎng)為λ1=【課堂回眸】【課堂回眸】1.下列說(shuō)法正確的是 (

)A.物質(zhì)波屬于機(jī)械波B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性C.德布羅意認(rèn)為,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都有一種波和它對(duì)應(yīng),這種波叫物質(zhì)波D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.下列說(shuō)法正確的是 ()課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)【解析】選C。物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波,與機(jī)械波性質(zhì)不同,宏觀物體也具有波動(dòng)性,只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯,看不出來(lái),故C正確?！窘馕觥窟xC。物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波,與機(jī)械波性2.在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過(guò)雙縫后打到了觀察屏上的b處,則b處可能是 (

)A.亮紋B.暗紋C.既有可能是亮紋也有可能是暗紋D.以上各種情況均有可能2.在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過(guò)雙縫后【解析】選A。按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷,由于大部分光子都落在b點(diǎn),故b處一定是亮紋,選項(xiàng)A正確?！窘馕觥窟xA。按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷,由于大部分光子都落【補(bǔ)償訓(xùn)練】經(jīng)150V電壓加速的電子束,沿同一方向射出,穿過(guò)鋁箔后射到其后的屏上,則 (

)A.所有電子的運(yùn)動(dòng)軌跡均相同B.所有電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)均相同C.電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定D.電子到達(dá)屏上的位置受波動(dòng)規(guī)律支配,無(wú)法用確定的坐標(biāo)來(lái)描述它的位置【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】選D。由物質(zhì)波原則可知,它受波動(dòng)概率影響,由測(cè)不準(zhǔn)原則得無(wú)法確定坐標(biāo),所以D是正確的,A、B、C錯(cuò)誤?！窘馕觥窟xD。由物質(zhì)波原則可知,它受波動(dòng)概率影響,由測(cè)不準(zhǔn)原3.從衍射的規(guī)律可以知道,狹縫越窄,屏上中央亮條紋就越寬,由不確定性關(guān)系式ΔxΔp≥判斷下列說(shuō)法正確的是 (

)A.入射的粒子有確定的動(dòng)量,射到屏上的粒子就有準(zhǔn)確的位置B.狹縫的寬度變小了,因此粒子的不確定性也變小了C.更窄的狹縫可以更準(zhǔn)確地測(cè)得粒子的位置,但粒子動(dòng)量不確定性卻更大了D.可以同時(shí)確定粒子的位置和動(dòng)量3.從衍射的規(guī)律可以知道,狹縫越窄,屏上中央亮條紋就越寬,由【解析】選C。由ΔxΔp≥,狹縫變窄了,即Δx減小了,Δp變大,即動(dòng)量的不確定性變大,故C正確?！窘馕觥窟xC。由ΔxΔp≥,狹縫變窄了,即Δx減小了,4.質(zhì)量為m=6.64×10-27kg的α粒子通過(guò)寬度為a=0.1mm的狹縫后,其速度的不確定量約為多少?若其速度v=3×107m/s,它能否看成經(jīng)典粒子?4.質(zhì)量為m=6.64×10-27kg的α粒子通過(guò)寬度為a=【解析】α粒子位置不確定量Δx=a,由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥及Δp=mΔv,得Δv≥≈8×10-5m/s,因v?Δv,故能看成經(jīng)典粒子處理。答案:8×10-5m/s能【解析】α粒子位置不確定量Δx=a,由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥【補(bǔ)償訓(xùn)練】在中子衍射技術(shù)中,常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu),因?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_意波長(zhǎng)與晶體中原子間距相近,已知中子質(zhì)量m=1.67×10-27kg,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,可以估算德布羅意波長(zhǎng)λ=1.82×10-10m的熱中子動(dòng)能的數(shù)量級(jí)為 (

)A.10-17J

B.10-19J

C.10-21J

D.10-24J【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】選C。由λ=可知,熱中子的動(dòng)量p=,又動(dòng)量p=,所以熱中子的動(dòng)能Ek=≈4×10-21J,故本題選C?！窘馕觥窟xC。由λ=可知,熱中子的動(dòng)量p=,又動(dòng)【新思維·新考向】情境:隨著中國(guó)的國(guó)力不斷增強(qiáng),許多科研機(jī)構(gòu)提出了建立大型粒子對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃。大型粒子對(duì)撞機(jī)可以說(shuō)是一個(gè)非常高尖端的科學(xué)設(shè)備,在全世界范圍內(nèi),很少有國(guó)家能建造得出來(lái)。其不光是因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)難度高,還因?yàn)榻ㄔ斓某杀疽卜浅８?。保守估?jì),建立這樣一個(gè)設(shè)備大概要上千億的資金?！拘滤季S·新考向】問(wèn)題:電子的質(zhì)量me=9.0×10-31kg,若對(duì)撞機(jī)可將電子的速度加速到2×10-6m/s,求其位置的不確定量(=5.3×10-35J·s)。問(wèn)題:電子的質(zhì)量me=9.0×10-31kg,若對(duì)撞機(jī)可將【解析】由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥ ①由動(dòng)量定義得Δp=meΔv ②由①②得Δx=29.4m。答案:29.4m【解析】由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥ ①第2節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性第2節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性高中物理第6章波粒二象性2實(shí)物粒子的波粒二象性課件魯科版選擇性必修3必備知識(shí)·素養(yǎng)奠基一、德布羅意假說(shuō)及其實(shí)驗(yàn)探索思考作為實(shí)物粒子的電子是否具有波粒二象性?提示:具有必備知識(shí)·素養(yǎng)奠基一、德布羅意假說(shuō)及其實(shí)驗(yàn)探索提示:具有1.德布羅意波:德布羅意提出實(shí)物粒子也具有_______,稱(chēng)這種波為物質(zhì)波或德布羅意波。2.粒子能量與相應(yīng)的波的頻率之間的關(guān)系:______。3.物質(zhì)波的動(dòng)量與波長(zhǎng)之間的關(guān)系:

。波動(dòng)性E=hν1.德布羅意波:德布羅意提出實(shí)物粒子也具有_______,稱(chēng)4.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:(1)1927年,戴維孫和革末通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了電子的_________。(2)1927年,湯姆孫用實(shí)驗(yàn)證明,電子在穿過(guò)金屬片后像X射線一樣產(chǎn)生_________,也證實(shí)了電子的_______。(3)1960年,約恩孫直接做了電子_________實(shí)驗(yàn),從屏上攝得了類(lèi)似楊氏雙縫干涉圖樣的照片。衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象波動(dòng)性雙縫干涉4.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象波動(dòng)性雙縫干涉二、不確定性關(guān)系1.在微觀世界中,粒子的_____和_____存在不確定性,不能_________。2.不確定性關(guān)系:

,式中Δx為_(kāi)____的不確定范圍,Δp為_(kāi)____的不確定范圍,h為普朗克常量。3.此式表明,不能同時(shí)精確確定一個(gè)微觀粒子的_____和_____。位置動(dòng)量同時(shí)測(cè)量位置動(dòng)量位置動(dòng)量二、不確定性關(guān)系位置動(dòng)量同時(shí)測(cè)量位置動(dòng)量位置動(dòng)量關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成一計(jì)算相關(guān)的德布羅意波1.任何物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性,我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性,是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的緣故。2.粒子在空間各處出現(xiàn)的機(jī)率受統(tǒng)計(jì)規(guī)律支配,不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來(lái)理解德布羅意波。3.德布羅意假說(shuō)是光子的波粒二象性的一種推廣,使之包括了所有的物質(zhì)粒子,即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性,又都具有波動(dòng)性,與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波,與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成一計(jì)算相關(guān)的德布羅意波4.求解德布羅意波波長(zhǎng)的方法(1)根據(jù)已知條件,寫(xiě)出宏觀物體或微觀粒子動(dòng)量的表達(dá)式p=mv。(2)根據(jù)波長(zhǎng)公式λ=求解。(3)注意區(qū)分光子和微觀粒子的能量和動(dòng)量的不同表達(dá)式。如光子的能量:ε=hν,動(dòng)量p=;微觀粒子的動(dòng)能:Ek=mv2,動(dòng)量p=mv。

4.求解德布羅意波波長(zhǎng)的方法【思考?討論】運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體具有波動(dòng)性,為什么我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性?提示:由p=得,λ=,宏觀物體動(dòng)量比微觀粒子動(dòng)量大得多,運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體的波長(zhǎng)都很小,而波長(zhǎng)越小波動(dòng)性越不明顯,所以我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性?！舅伎?討論】【典例示范】如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10g的子彈都以103m/s的速度運(yùn)動(dòng),則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多長(zhǎng)?(中子的質(zhì)量為1.67×10-27kg)【典例示范】【解析】中子的動(dòng)量為p1=m1v子彈的動(dòng)量為p2=m2v據(jù)λ=知中子和子彈的德布羅意波的波長(zhǎng)分別為λ1=,λ2=聯(lián)立各式解得λ1=,λ2=【解析】中子的動(dòng)量為p1=m1v將m1=1.67×10-27kg,v=1×103m/s,h=6.63×10-34J·s,m2=1.0×10-2kg代入兩式可解得λ1≈4.0×10-10m,λ2=6.63×10-35m。答案:4.0×10-10m

6.63×10-35m將m1=1.67×10-27kg,v=1×103m/s,【規(guī)律方法】有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法(1)計(jì)算物體的速度,再計(jì)算其動(dòng)量。如果知道物體動(dòng)能也可以直接用p=計(jì)算其動(dòng)量。(2)根據(jù)λ=計(jì)算德布羅意波波長(zhǎng)。(3)需要注意的是:德布羅意波波長(zhǎng)一般都很短,比一般的光波波長(zhǎng)還要短,可以根據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大致判斷結(jié)果是否合理。(4)宏觀物體的波長(zhǎng)小到可以忽略,其波動(dòng)性很不明顯。

【規(guī)律方法】有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)以下說(shuō)法正確的是 (

)A.宏觀粒子也具有波動(dòng)性B.抖動(dòng)細(xì)繩一端,繩上的波就是物質(zhì)波C.物質(zhì)波也是一種概率波 D.物質(zhì)波就是光波【素養(yǎng)訓(xùn)練】【解析】選A、C。任何物體都具有波動(dòng)性,故A正確;對(duì)宏觀物體而言,其波動(dòng)性難以觀測(cè),我們所看到的繩波是機(jī)械波,不是物質(zhì)波,故B錯(cuò)誤;物質(zhì)波與光波一樣,也是一種概率波,即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動(dòng)規(guī)律,但物質(zhì)波不是光波,故C正確,D錯(cuò)誤?！窘馕觥窟xA、C。任何物體都具有波動(dòng)性,故A正確;對(duì)宏觀物體2.電子經(jīng)電勢(shì)差為U=2000V的電場(chǎng)加速,電子的質(zhì)量m=0.9×10-30kg,求此電子的德布羅意波波長(zhǎng),已知普朗克常數(shù)h=6.6×10-34J·s。2.電子經(jīng)電勢(shì)差為U=2000V的電場(chǎng)加速,電子的質(zhì)量m【解析】根據(jù)德布羅意波波長(zhǎng)公式:λ=電子在電場(chǎng)中加速,由動(dòng)能定理有Ek=Ue且p2=2mEk代入數(shù)據(jù)解得:λ=2.75×10-11m。答案:2.75×10-11m【解析】根據(jù)德布羅意波波長(zhǎng)公式:λ=【補(bǔ)償訓(xùn)練】關(guān)于物質(zhì)波,下列認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是 (

)A.任何運(yùn)動(dòng)的物體(質(zhì)點(diǎn))都伴隨一種波,這種波叫物質(zhì)波B.X射線的衍射實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了物質(zhì)波假設(shè)是正確的C.電子的衍射實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了物質(zhì)波假設(shè)是正確的D.宏觀物質(zhì)可以看成物質(zhì)波,同樣具有干涉、衍射等現(xiàn)象【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】選B。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng),都有一種波與之相對(duì)應(yīng),這種波就叫物質(zhì)波,A選項(xiàng)正確;由于X射線本身就是一種波,而不是實(shí)物粒子,故X射線的衍射現(xiàn)象,并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性,故B選項(xiàng)錯(cuò)誤;電子是一種實(shí)物粒子,電子的衍射現(xiàn)象表明運(yùn)動(dòng)著的實(shí)物粒子具有波動(dòng)性,故C選項(xiàng)正確;由電子穿過(guò)鋁箔的衍射實(shí)驗(yàn)知,少量電子穿過(guò)鋁箔后所落位置是散亂的、無(wú)規(guī)律的,但大量電子穿過(guò)鋁箔后所落的位置呈現(xiàn)出衍射圖樣,即大量電子的行為表現(xiàn)出電子的波動(dòng)性,干涉、衍射是波的特有現(xiàn)象,只要是波,都會(huì)發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,故D選項(xiàng)正確。故選B。【解析】選B。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體,小二理解不確定性關(guān)系1.位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系:ΔxΔp≥由ΔxΔp≥可以知道,在微觀領(lǐng)域,要準(zhǔn)確地確定粒子的位置,動(dòng)量的不確定性就更大;反之,要準(zhǔn)確地確定粒子的動(dòng)量,那么位置的不確定性就更大。2.微觀粒子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道:由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知,微觀粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)被確定的,這也就決定了不能用“軌跡”的觀點(diǎn)來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)。二理解不確定性關(guān)系3.其他不確定性關(guān)系:不確定性關(guān)系是微觀粒子具有波粒二象性的必然結(jié)果。除位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系外,還有其他不確定性關(guān)系,如時(shí)間和能量的不確定性關(guān)系:ΔEΔt≥。3.其他不確定性關(guān)系:提醒:不確定性關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn),也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn),更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn),而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律,不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。提醒:不確定性關(guān)系不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn),也不是說(shuō)微觀?！舅伎?討論】既然位置與動(dòng)量具有不確定性,為什么宏觀物體的位置和動(dòng)量可以同時(shí)測(cè)量?提示:由于普朗克常量是一個(gè)很小的量,對(duì)于宏觀物體來(lái)說(shuō),其不確定性小到無(wú)法進(jìn)行觀測(cè),因此不確定性關(guān)系對(duì)宏觀物體是不重要的,即宏觀物體的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)確定的。

【思考?討論】【典例示范】質(zhì)量為10g的子彈與電子的速率相同均為500m/s,測(cè)量準(zhǔn)確度為0.01%①,若位置和速率在同一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量②

,試問(wèn)子彈和電子位置的最小不確定量各為多少?(電子質(zhì)量m=9.1×10-31kg)【典例示范】【審題關(guān)鍵】序號(hào)信息提?、?/p>

可求得Δv、Δp②由Δx=求子彈、電子的最小不確定量【審題關(guān)鍵】序號(hào)信息提取①可求得Δv、Δp②由Δx=【解析】測(cè)量準(zhǔn)確度也就是速度的不確定性,故子彈、電子的速度不確定量為Δv=0.05m/s,子彈動(dòng)量的不確定量Δp1=5×10-4kg·m/s,電子動(dòng)量的不確定量Δp2=4.6×10-32kg·m/s,由Δx≥,子彈位置的最小不確定量Δx1=m=1.06×10-31m,電子位置的最小不確定量Δx2=m=1.15×10-3m。答案:1.06×10-31m

1.15×10-3m【解析】測(cè)量準(zhǔn)確度也就是速度的不確定性,故子彈、電子的速度不【規(guī)律方法】不確定性關(guān)系的兩點(diǎn)提醒(1)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥是自然界的普遍規(guī)律,對(duì)微觀世界的影響顯著,對(duì)宏觀世界的影響可忽略不計(jì)。也就是說(shuō),宏觀世界中的物體質(zhì)量較大,位置和速度的不確定性范圍較小,可同時(shí)較精確地測(cè)出物體的位置和動(dòng)量。(2)在微觀世界中,粒子質(zhì)量較小,不能同時(shí)精確地測(cè)出粒子的位置和動(dòng)量,也就不能準(zhǔn)確地把握粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)了?！疽?guī)律方法】不確定性關(guān)系的兩點(diǎn)提醒【素養(yǎng)訓(xùn)練】1.(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系ΔxΔp≥有以下幾種理解,其中正確的是 (

)A.微觀粒子的動(dòng)量不可確定B.微觀粒子的位置坐標(biāo)不可確定C.微觀粒子的動(dòng)量和位置不可能同時(shí)確定D.不確定性關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子,也適用于其他宏觀粒子【素養(yǎng)訓(xùn)練】【解析】選C、D。本題主要考查對(duì)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥的理解,不確定性關(guān)系表示確定位置、動(dòng)量的精度相互制約,此長(zhǎng)彼消,當(dāng)粒子的位置不確定性小時(shí),粒子動(dòng)量的不確定性大;反之亦然。故不能同時(shí)確定粒子的位置和動(dòng)量。不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律,對(duì)微觀世界的影響顯著,對(duì)宏觀世界的影響可忽略,故C、D正確?！窘馕觥窟xC、D。本題主要考查對(duì)不確定性關(guān)系ΔxΔp≥2.已知=5.3×10-35J·s。試求下列情況中速度測(cè)定的不確定量。(1)一個(gè)球的質(zhì)量m=1.0kg,測(cè)定其位置的不確定量為10-6m。(2)電子的質(zhì)量me=9.1×10-31kg,測(cè)定其位置的不確定量為10-10m(即原子的數(shù)量級(jí))。2.已知=5.3×10-35J·s。試求下列情況中速度【解析】(1)m=1.0kg,Δx=10-6m,由ΔxΔp≥,Δp=mΔv知Δv1≥

m/s=5.3×10-29m/s。(2)me=9.1×10-31kg,Δx=10-10mΔv2≥

m/s≈5.8×105m/s。答案:(1)5.3×10-29m/s

(2)5.8×105m/s【解析】(1)m=1.0kg,Δx=10-6m,【補(bǔ)償訓(xùn)練】原子核的半徑為10-15m,估計(jì)核內(nèi)質(zhì)子的動(dòng)量不確定范圍。如果電子被限制在核內(nèi),其動(dòng)量不確定范圍又是多少?【補(bǔ)償訓(xùn)練】【解析】由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥得:質(zhì)子動(dòng)量的不確定范圍Δp≥=5.28×10-20kg·m/s。如果電子被限制在核內(nèi),電子運(yùn)動(dòng)的范圍也是10-15m,所以其動(dòng)量不確定范圍也是5.28×10-20kg·m/s。答案:質(zhì)子和電子動(dòng)量不確定范圍都是Δp≥5.28×10-20kg·m/s?！窘馕觥坑刹淮_定性關(guān)系ΔxΔp≥得:質(zhì)子動(dòng)量的不確定范【拓展例題】考查內(nèi)容:關(guān)于德布羅意波波長(zhǎng)的計(jì)算【典例】一顆質(zhì)量為5.0kg的炮彈,(1)以200m/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),它的德布羅意波波長(zhǎng)為多大?(2)假設(shè)它以光速運(yùn)動(dòng),它的德布羅意波波長(zhǎng)為多大?(3)若要使它的德布羅意波波長(zhǎng)與波長(zhǎng)是400nm的紫光波長(zhǎng)相等,則它必須以多大的速度運(yùn)動(dòng)?【拓展例題】考查內(nèi)容:關(guān)于德布羅意波波長(zhǎng)的計(jì)算【解析】(1)炮彈的德布羅意波波長(zhǎng)為λ1=m=6.63×10-37m。(2)它以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的德布羅意波波長(zhǎng)為λ2=m=4.42×10-43m。(3)由λ=得:v=m/s≈3.32×10-28m/s。答案:(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s【解析】(1)炮彈的德布羅意波波長(zhǎng)為λ1=【課堂回眸】【課堂回眸】1.下列說(shuō)法正確的是 (

)A.物質(zhì)波屬于機(jī)械波B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性C.德布羅意認(rèn)為,任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽(yáng)都有一種波和它對(duì)應(yīng),這種波叫物質(zhì)波D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.下列說(shuō)法正確的是 ()課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)【解析】選C。物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波,與機(jī)械波性質(zhì)不同,宏觀物體也具有波動(dòng)性,只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯,看不出來(lái),故C正確?！窘馕觥窟xC。物質(zhì)波是一切運(yùn)動(dòng)著的物體所具有的波,與機(jī)械波性2.在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過(guò)雙縫后打到了觀察屏上的b處,則b處可能是 (

)A.亮紋B.暗紋C.既有可能是亮紋也有可能是暗紋D.以上各種情況均有可能2.在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)100個(gè)光子中有96個(gè)通過(guò)雙縫后【解析】選A。按波的概率分布的特點(diǎn)去判斷,由于大部分光子都落在b點(diǎn),故b處一定是亮紋,選項(xiàng)A正確。