20172018學(xué)年同步備課套餐物理滬科版選修35講義第2章波和粒子24

2．4實(shí)物是粒子還是波[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道實(shí)物粒子擁有顛簸性，知道什么是物質(zhì)波.2.認(rèn)識(shí)物質(zhì)波也是一種概率波.3.初步認(rèn)識(shí)不確立關(guān)系．一、德布羅意波[導(dǎo)學(xué)研究]德布羅意以為任何運(yùn)動(dòng)著的物體均擁有顛簸性，但是我們觀察運(yùn)動(dòng)著的汽車，并未感覺到它的顛簸性，你如何理解該問題？答案波粒二象性是微觀粒子的特別規(guī)律，全部微觀粒子都存在顛簸性，宏觀物體(汽車)也存在顛簸性，不過因?yàn)楹暧^物體質(zhì)量大，動(dòng)量大，波長(zhǎng)短，難以觀察．[知識(shí)梳理]對(duì)物質(zhì)波的認(rèn)識(shí)1．粒子的顛簸性(1)任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，都有一種波與之相陪伴，這類波稱為物質(zhì)波，也叫德布羅意波．E(2)物質(zhì)波波長(zhǎng)、頻率的計(jì)算公式為λ＝p，ν＝h.(3)我們之所以看不到宏觀物體的顛簸性，是因?yàn)楹暧^物體的動(dòng)量太大，德布羅意波長(zhǎng)太小的緣由．2．物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)考據(jù)(1)實(shí)驗(yàn)研究思路：干涉、衍射是波獨(dú)有的現(xiàn)象，假如實(shí)物粒子擁有顛簸性，則在必定條件下，也應(yīng)當(dāng)發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象．(2)實(shí)驗(yàn)考據(jù)：1927年戴維孫和湯姆生分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，獲得了電子的衍射圖樣，證明了電子的顛簸性．(3)說(shuō)明①人們陸續(xù)證明了質(zhì)子、中子以及原子、分子的顛簸性，關(guān)于這些粒子，德布羅意給出的ν＝Eh和λ＝hp關(guān)系相同正確．②物質(zhì)波也是一種概率波．[即學(xué)即用]判斷以下說(shuō)法的正誤．(1)全部宏觀物體都陪伴一種波，即物質(zhì)波．(×)(2)湖面上的水波就是物質(zhì)波．(×)(3)電子的衍射現(xiàn)象證明了實(shí)物粒子擁有顛簸性．(√)二、不確立關(guān)系[知識(shí)梳理]1．定義：在經(jīng)典物理學(xué)中，可以同時(shí)用質(zhì)點(diǎn)的地點(diǎn)和動(dòng)量精確描述它的運(yùn)動(dòng)，在微觀物理學(xué)中，要同時(shí)測(cè)出微觀粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量是不太可能的，這類關(guān)系叫不確立關(guān)系．2．表達(dá)式：xpx≥h.4π此中以x表示粒子地點(diǎn)的不確立量，以px表示粒子在x方向上的動(dòng)量的不確立量，h是普朗克常量．3．微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特色：不再遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律，不行能同時(shí)正確地知道粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量，不行能用“軌跡”來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只好經(jīng)過概率做統(tǒng)計(jì)性的描述．一、對(duì)德布羅意波的理解1．德布羅意假說(shuō)是光的波粒二象性的推行，即光子和實(shí)物粒子都既擁有粒子性，又擁有顛簸性，即擁有波粒二象性．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．2．德布羅意波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受顛簸規(guī)律支配，不要以宏觀看法中的波來(lái)理解德布羅意波．例1質(zhì)量為10g、速度為300m/s在空中翱翔的子彈，其德布羅意波長(zhǎng)是多少？為何我們沒法觀察到其顛簸性？答案2.21×10－34m因?yàn)樽訌椀牡虏剂_意波長(zhǎng)極短，沒法觀察到其顛簸性分析由德布羅意波長(zhǎng)公式可得h6.63×10－34m＝2.21×10－34m.λ＝p＝10×10－3×300因子彈的德布羅意波長(zhǎng)極短，故沒法觀察到其顛簸性．針對(duì)訓(xùn)練(多項(xiàng)選擇)以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)是()．物質(zhì)波也叫德布羅意波．物質(zhì)波也是概率波C．光波是一種概率波D．光波也是物質(zhì)波答案ABC分析物質(zhì)波，又稱德布羅意波，是概率波，指空間中某點(diǎn)某時(shí)刻可能出現(xiàn)的幾率，此中概率的大小受顛簸規(guī)律的支配，故A、B正確．光波擁有波粒二象性，顛簸性表示光波是一種概率波，故C正確．因?yàn)楣庾拥奶貏e性，其靜止質(zhì)量為零，所以光不是物質(zhì)波，故D錯(cuò)誤．德布羅意波長(zhǎng)的計(jì)算(1)第一計(jì)算物體的速度，再計(jì)算其動(dòng)量．假如知道物體動(dòng)能也可以直接用p＝2mEk計(jì)算其動(dòng)量．h(2)再依據(jù)λ＝p計(jì)算德布羅意波長(zhǎng)．(3)需要注意的是：德布羅意波長(zhǎng)一般都很短，比一般的光波波長(zhǎng)還要短，可以依據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大體判斷結(jié)果能否合理．二、對(duì)不確立關(guān)系的理解1．單縫衍射現(xiàn)象中，粒子在擋板左邊的地點(diǎn)是完整不確立的，即經(jīng)過擋板前粒子的地點(diǎn)擁有不確立性．2．單縫衍射現(xiàn)象中，粒子經(jīng)過狹縫后，在垂直本來(lái)運(yùn)動(dòng)方向的動(dòng)量是不確立的，即經(jīng)過擋板后粒子的動(dòng)量擁有不確立性．3．微觀粒子運(yùn)動(dòng)的地點(diǎn)不確立量

x和動(dòng)量的不確立量

px的關(guān)系式

xp≥h，此中x4π

h是普朗克常量，這個(gè)關(guān)系式叫不確立關(guān)系．4．不確立關(guān)系告訴我們，假如要改正確地確立粒子的地點(diǎn)

(即

x更小)，那么動(dòng)量的丈量一定會(huì)更不正確(即px更大)，也就是說(shuō)，不行能同時(shí)正確地知道粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量，也不行能用“軌跡”來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)．例2(多項(xiàng)選擇)依據(jù)不確立關(guān)系xpx≥h，判斷以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()4πA．采納方法提升丈量x精度時(shí)，px的精度降落B．采納方法提升丈量x精度時(shí)，px的精度上漲C．x與px丈量精度與丈量?jī)x器及丈量方法能否齊備有關(guān)D．x與px丈量精度與丈量?jī)x器及丈量方法能否齊備沒關(guān)答案AD分析不確立關(guān)系表示，不論采納什么方法試圖確立地點(diǎn)坐標(biāo)和相應(yīng)動(dòng)量中的一個(gè)，必然引起另一個(gè)較大的不確立性，這樣的結(jié)果與丈量?jī)x器及丈量方法能否齊備沒關(guān)，不論如何改進(jìn)丈量?jī)x器和丈量方法，都不行能超越不確立關(guān)系所給出的限度．故

A、D

正確．例

3

質(zhì)量為

10g的子彈與電子的速率相同，均為

500m/s，丈量正確度為

0.01%，若地點(diǎn)和速率在同一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)丈量，試問它們地點(diǎn)的最小不確立量各為多少？

(電子質(zhì)量為

m＝319.1×10kg，結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案1.06×10－31m1.16×10－3m分析丈量正確度也就是速度的不確立性，故子彈、電子的速度不確立量為v＝0.05m/s，子彈的動(dòng)量的不確立量px1＝5×10－4kg·m/s，電子動(dòng)量的不確立量px2＝4.55×10－32kg·m/s，由x≥h，4πΔpx子彈地點(diǎn)的最小不確立量x1＝6.63×10－34m≈1.06×10－31m，電子地點(diǎn)的最小不確44×3.14×5×10－6.63×10－34m≈1.16×10－3m.定量x2＝324×3.14×4.55×10－理解不確立關(guān)系時(shí)應(yīng)注意的問題(1)對(duì)子彈這樣的宏觀物體，不確立量是不足掛齒的，對(duì)丈量正確性沒有任何限制，但對(duì)微觀粒子倒是不行忽視的．(2)在微觀世界中，粒子質(zhì)量較小，不可以同時(shí)精確地測(cè)出粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量，也就不可以正確地掌握粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．1．以下關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)，正確的解說(shuō)是()．任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波．X光的衍射證明了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C．電子的衍射證明了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D．宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不擁有顛簸性答案

C分析

運(yùn)動(dòng)著的物體才擁有顛簸性，

A項(xiàng)錯(cuò)誤．宏觀物體因?yàn)閯?dòng)量太大，

德布羅意波長(zhǎng)太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍有顛簸性，

D項(xiàng)錯(cuò)；

X

光是波長(zhǎng)極短的電磁波，是光子，它的衍射不可以證明物質(zhì)波的存在，

B項(xiàng)錯(cuò)．只有

C項(xiàng)正確．2．(多項(xiàng)選擇)關(guān)于不確立性關(guān)系

xpx≥

h有以下幾種理解，正確的選項(xiàng)是4π

(

)．微觀粒子的動(dòng)量不行確立．微觀粒子的地點(diǎn)坐標(biāo)不行確立C．微觀粒子的動(dòng)量和地點(diǎn)不行能同時(shí)確立D．不確立關(guān)系不但合用于電子和光子等微觀粒子，也合用于其余宏觀粒子答案CD分析不確立關(guān)系表示地點(diǎn)、動(dòng)量的精度互相限制，此長(zhǎng)彼消，當(dāng)粒子的地點(diǎn)不確立性更小時(shí)，粒子動(dòng)量的不確立性更大；反之亦然，故不可以同時(shí)正確確立粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量，不確立關(guān)系是自然界中的廣泛規(guī)律，對(duì)微觀世界的影響明顯，對(duì)宏觀世界的影響可忽視，故C、D正確．3．電子經(jīng)電勢(shì)差為U＝200V的電場(chǎng)加快，電子質(zhì)量m0＝9.1×10－31kg，求此電子的德布羅意波長(zhǎng)．答案8.69×10－2nm分析已知12m0v＝Ek＝eU2hp＝λEk＝p22m0所以λ＝h＝h2em0U2m0Ek把U＝200V，m0＝9.1×10－31kg，代入上式解得λ≈8.69×10－2nm.h－354．已知＝5.3×10Js·，試求以下狀況中速度測(cè)定的不確立量，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果，談?wù)撛诤暧^和微觀世界中進(jìn)行丈量的不一樣狀況．(1)一個(gè)球的質(zhì)量m＝1.0kg，測(cè)定其地點(diǎn)的不確立量為10－6m.(2)電子的質(zhì)量me＝9.1×10－31kg，測(cè)定其地點(diǎn)的不確立量為10－10m.答案見分析分析(1)由x·Δp≥h得：球的速度測(cè)定的不確立量x4πh5.3×10－3529v≥4πmx＝1.0×10－6m/s＝5.3×10－m/s這個(gè)速度不確立量在宏觀世界中不足掛齒，可以為球的速度是確立的，其運(yùn)動(dòng)依照經(jīng)典物理學(xué)理論．(2)電子的速度測(cè)定的不確立量h5.3×10－35v≥4πmex＝9.1×10－31×10－10m/s5.8×105m/s這個(gè)速度不確立量不行忽視，不可以以為電子擁有確立的速度，其運(yùn)動(dòng)不可以用經(jīng)典物理學(xué)理論辦理．一、選擇題(1～5題為單項(xiàng)選擇題，6～8題為多項(xiàng)選擇題)1．關(guān)于物質(zhì)波，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()．速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長(zhǎng)長(zhǎng)．動(dòng)能相等的電子和質(zhì)子，電子的波長(zhǎng)短C．動(dòng)量相等的電子和中子，中子的波長(zhǎng)短D．甲電子的速度是乙電子的3倍，甲電子的波長(zhǎng)也是乙電子的3倍答案A分析由λ＝hAp可知，動(dòng)量大的波長(zhǎng)短，電子與質(zhì)子的速度相等時(shí)，電子動(dòng)量小，波長(zhǎng)長(zhǎng)，正確；電子與質(zhì)子動(dòng)能相等時(shí)，由動(dòng)量與動(dòng)能的關(guān)系p＝2mEk可知，電子的動(dòng)量小，波長(zhǎng)長(zhǎng)，B錯(cuò)誤；動(dòng)量相等的電子和中子，其波長(zhǎng)應(yīng)相等，C錯(cuò)誤；假如甲、乙兩電子的速度遠(yuǎn)1小于光速，甲的速度是乙的3倍，甲的動(dòng)量也是乙的3倍，則甲的波長(zhǎng)應(yīng)是乙的3，D錯(cuò)誤．2．關(guān)于光子和運(yùn)動(dòng)著的電子，以下論述正確的選項(xiàng)是()．光子和電子相同都是實(shí)物粒子．光子能發(fā)生衍射現(xiàn)象，電子不可以發(fā)生衍射現(xiàn)象C．光子和電子都擁有波粒二象性D．光子擁有波粒二象性，而電子只擁有粒子性答案C分析物質(zhì)可分為兩大類：一是質(zhì)子、電子等實(shí)物；二是電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，統(tǒng)稱場(chǎng)．光是流傳著的電磁場(chǎng)．依據(jù)物質(zhì)波理論，全部運(yùn)動(dòng)的物體都擁有顛簸性，故光子和電子都擁有波粒二象性．綜上所述，

C選項(xiàng)正確．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，由不確立性關(guān)系

xp≥h，x4π判斷以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()．入射的粒子有確立的動(dòng)量，射到屏上粒子就有正確的地點(diǎn)．狹縫的寬度變小了，所以粒子的不確立性也變小了C．更窄的狹縫可以改正確地測(cè)得粒子的地點(diǎn)，但粒子動(dòng)量的不確立性卻更大了D．可以同時(shí)確立粒子的地點(diǎn)和動(dòng)量答案

C分析

由xpx≥

h知，狹縫變小了，即4π

x減小了，

px變大，即動(dòng)量的不確立性變大，故正確，A、B、D錯(cuò)誤．4．1927年戴維孫和革末完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的重要近代物理實(shí)驗(yàn)之一．如圖1所示的是該實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化圖．以下說(shuō)法不正確的選項(xiàng)是()圖1．亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方．該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明物質(zhì)波理論是正確的C．該實(shí)驗(yàn)說(shuō)了然光子擁有顛簸性D．該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明實(shí)物粒子擁有顛簸性答案C分析該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明物質(zhì)波理論是正確的，實(shí)物粒子也擁有顛簸性，亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方，不可以說(shuō)明光子擁有顛簸性，應(yīng)選C.－10m)作為阻礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是使電子經(jīng)過電場(chǎng)5．利用金屬晶格(大小約10加快后，讓電子束照耀到金屬晶格上，從而獲得電子的衍射圖樣．已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加快電壓為U，普朗克常量為h，則以下說(shuō)法中不正確的選項(xiàng)是()A．該實(shí)驗(yàn)說(shuō)了然電子擁有顛簸性hB．實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長(zhǎng)為λ＝2meUC．加快電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越不顯然D．若用相同動(dòng)能的質(zhì)子代替電子，衍射現(xiàn)象將更加顯然答案D分析實(shí)驗(yàn)獲得了電子的衍射圖樣，說(shuō)明電子這類實(shí)物粒子發(fā)生了衍射，說(shuō)明電子擁有顛簸122eU性，故A正確；由動(dòng)能定理可得，eU＝2mv－0，電子加快后的速度v＝m，電子德布羅意波的波長(zhǎng)λ＝h＝h＝h＝h，故B正確；由電子的德布羅意波的波長(zhǎng)公式λpmvm2eU2meUm＝h可知，加快電壓U越大，電子德布羅意波的波長(zhǎng)越短，衍射現(xiàn)象越不顯然，故C2meU正確；物體動(dòng)能與動(dòng)量的關(guān)系是p＝2mEk，因?yàn)橘|(zhì)子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，所以動(dòng)能相同的質(zhì)子的動(dòng)量遠(yuǎn)大于電子的動(dòng)量，由λ＝hp可知，相同動(dòng)能的質(zhì)子的德布羅意波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電子德布羅意波的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)越小，衍射現(xiàn)象越不顯然，所以相同動(dòng)能的質(zhì)子取代電子，衍射現(xiàn)象將更加不顯然，故D錯(cuò)誤．6．以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()．微觀粒子不可以用“軌道”看法來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)．微觀粒子能用“軌道”看法來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)C．微觀粒子地點(diǎn)不可以精正確立D．微觀粒子地點(diǎn)能精正確立答案

AC分析

微觀粒子的動(dòng)量和地點(diǎn)是不可以同時(shí)確立的，這也就決定不可以用

“軌道”的看法來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)

(軌道上運(yùn)動(dòng)的粒子在某時(shí)刻擁有確立的地點(diǎn)和動(dòng)量

)，故

A

正確．由微觀粒子的波粒二象性可知微觀粒子地點(diǎn)不可以精正確立，故

C正確．7．電子的運(yùn)動(dòng)受顛簸性的支配，關(guān)于氫原子的核外電子，以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()．氫原子的核外電子可以用確立的坐標(biāo)描述它們?cè)谠又械牡攸c(diǎn)．電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確立它的軌道C．電子繞核運(yùn)動(dòng)的“軌道”實(shí)際上是沒有意義的D．電子軌道只但是是電子出現(xiàn)的概率比較大的地點(diǎn)答案CD分析微觀粒子的顛簸性是一種概率波，關(guān)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律已經(jīng)不合用了，所以氫原子的核外電子不可以用確立的坐標(biāo)描述它們?cè)谠又械牡攸c(diǎn)，電子的

“軌道”實(shí)際上是沒有意義的，電子軌道只但是是電子出現(xiàn)的概率比較大的地點(diǎn)，綜上所述，

C、D

正確．8．下表列出了幾種不一樣物體在某種速度下的德布羅意波長(zhǎng)和頻率為

1MHz

的無(wú)線電波的波長(zhǎng)，依據(jù)表中數(shù)據(jù)可知

(

)質(zhì)量/kg－1波長(zhǎng)/m速度/(m·s)彈子球2.0×10－21.0×10－23.3×10－30電子－316.0×1061.2×10－10(100eV)9.1×10無(wú)線電波3.0×1083.0×102(1MHz)要檢測(cè)彈子球的顛簸性幾乎不行能．無(wú)線電波平時(shí)只好表現(xiàn)出顛簸性C．電子照耀到金屬