物理粵教版選修3-5學(xué)案第2章第五節(jié)德布羅意波

第五節(jié)德布羅意波學(xué)習(xí)目標(biāo)重點難點1．知道實物粒子具有波動性．2．知道光波和物質(zhì)波都是概率波．3．理解德布羅意波，會解釋相關(guān)現(xiàn)象．4．知道電子云，了解“不確定性關(guān)系”的具體含義．重點：對德布羅意波的理解．難點：準(zhǔn)確理解對應(yīng)的公式，并熟練應(yīng)用．1．德布羅意波假說任何一個實物粒子都和一種波相對應(yīng)，這種波被稱為__________，也稱物質(zhì)波．預(yù)習(xí)交流1射擊運動員射擊時會因為子彈的波動性而“失準(zhǔn)”嗎？為什么？根據(jù)現(xiàn)實情況下子彈質(zhì)量、速度大小所對應(yīng)的德布羅意波波長來做定性說明．2．電子衍射________的發(fā)現(xiàn)證明了德布羅意波假說，實驗表明，其他______微觀粒子也都具有波動性．3．電子云當(dāng)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)時，電子會形成一個穩(wěn)定的概率分布，這種概率分布稱為________．4．不確定關(guān)系的表達(dá)式實驗發(fā)現(xiàn)，對光子位置的測量越精確，其______的不確定性就越大，反之亦然．微觀粒子的不確定性關(guān)系的表達(dá)式為____________．預(yù)習(xí)交流2“在微觀物理學(xué)中，由于我們不可能同時準(zhǔn)確地知道某個粒子的位置和動量，粒子出現(xiàn)的位置是無規(guī)律可循的．”你認(rèn)為呢？在預(yù)習(xí)中還有哪些問題需要你在聽課時加以關(guān)注？請在下列表格中做個備忘吧！我的學(xué)困點我的學(xué)疑點答案：1．德布羅意波預(yù)習(xí)交流1：答案：不會．因為宏觀的子彈質(zhì)量和速度較大，動量較大，德布羅意波波長非常小．2．電子衍射一切3．電子云4．動量ΔxΔp≥eq\f(h,4π)預(yù)習(xí)交流2：答案：雖然我們不可能同時準(zhǔn)確地知道某個粒子的位置和動量，但粒子的運動卻有規(guī)律可循，那就是統(tǒng)計規(guī)律，比如，衍射的亮斑位置就是粒子出現(xiàn)概率大的位置．一、理解德布羅意波1．德布羅意認(rèn)為任何運動著的物體均有波動性，可是我們觀察運動著的汽車，并未感覺到它的波動性，你如何理解該問題，談?wù)勛约旱恼J(rèn)識．2．德布羅意波波長與動量的關(guān)系是怎樣的？3．描述波的物理量及波動特有的現(xiàn)象是什么？粒子具有哪些特征？4．宏觀物體也具有波粒二象性嗎？（2011·安慶高二檢測）在一束電子中，電子的動能為200eV，忽略相對論效應(yīng)，求此電子的德布羅意波波長λ．德布羅意關(guān)于波粒二象性的思辨過程德布羅意之前，人們對自然界的認(rèn)識，只局限于兩種基本的物質(zhì)類型：實物和場．但是，許多實驗結(jié)果之間出現(xiàn)了難以解釋的矛盾．物理學(xué)家們相信，這些表面上的矛盾，勢必有其深刻的根源．1923年，德布羅意最早想到了這個問題，并且大膽地設(shè)想，人們對于光子建立起來的兩個關(guān)系式ε＝hν，p＝mv＝eq\f(h,λ)會不會也適用于實物粒子．如果成立的話，實物粒子也同樣具有波動性．二、理解不確定性關(guān)系1．有人說：在微觀物理學(xué)中，由于我們不可能同時準(zhǔn)確地知道某個粒子的位置和動量，粒子出現(xiàn)的位置是無規(guī)律可循的．這種說法對嗎？為什么？談一談你的觀點．2．既然單個粒子的運動情況不可預(yù)知，為什么還要研究粒子的運動規(guī)律？3．談?wù)勀銓ξ恢煤蛣恿康牟淮_定性關(guān)系ΔxΔp≥eq\f(h,4π)的理解．一顆質(zhì)量為10g的子彈，具有200m/s的速率，若其動量的不確定范圍為其動量的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？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)．不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律，不是測量技術(shù)和主觀能力的問題．1．關(guān)于物質(zhì)波的認(rèn)識，錯誤的是（）．A．只要是運動著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應(yīng)的波動性，這就是物質(zhì)波B．只有運動著的微觀粒子才有與之對應(yīng)的物質(zhì)波，對于宏觀物體，不論其是否運動，都沒有相對應(yīng)的物質(zhì)波C．由于宏觀物體的德布羅意波波長太小，所以無法觀察到它們的波動性D．電子束照射到金屬晶體上得到了電子束的衍射圖樣，從而證實了德布羅意的假設(shè)是正確的2．在歷史上，最早證明了德布羅意波存在的實驗是（）．A．弱光衍射實驗B．電子束在晶體上的衍射實驗C．弱光干涉實驗D．以上選項都不正確3．關(guān)于電子云，下列說法正確的是（）．A．電子云是真實存在的實體B．電子云周圍的小黑點就是電子的真實位置C．電子云上的小黑點表示的是電子的概率分布D．電子云說明電子在繞原子核運動時有固定軌道4．試估算質(zhì)量為1000kg的汽車，以10m/s運動時的德布羅意波波長．5．電子經(jīng)電勢差為U＝200V的電場加速，在v≤c的情況下，求此電子的德布羅意波波長．提示：用最精煉的語言把你當(dāng)堂掌握的核心知識的精華部分和基本技能的要領(lǐng)部分寫下來并進(jìn)行識記．知識精華技能要領(lǐng)答案：活動與探究1：1．答案：一切微觀粒子都存在波動性，宏觀物體（汽車）也存在波動性，只是因為宏觀物體質(zhì)量大，動量大，波長短，難以觀測，而微觀實物粒子如電子、質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性為宏觀物體具有波動性奠定了事實基礎(chǔ)．2．答案：如果用動量p來表征實物粒子的粒子性，用波長λ來表征實物粒子的波動性．那么，對光適用的關(guān)系式也適用于實物粒子，即：λ＝eq\f(h,p)，這種與實物粒子相聯(lián)系的波后來稱為德布羅意波，也叫做物質(zhì)波．其中λ是德布羅意波波長，h是普朗克常量，p是相應(yīng)的實物粒子的動量．3．答案：描述波的物理量有：波長、頻率和波速．波動特有的現(xiàn)象是：干涉、衍射等．描述粒子的物理量有質(zhì)量、能量、動量等，還具有與其他物質(zhì)碰撞、入射、貫穿結(jié)合等作用特征．4．答案：電子、質(zhì)子等微觀粒子具有波粒二象性已是無可爭議的事實，因為，人們已經(jīng)通過實驗觀察到了它們的干涉和衍射等現(xiàn)象．宏觀物體由于運動動量較大，根據(jù)德布羅意波波長與動量的關(guān)系λ＝eq\f(h,p)，波長非常非常小，盡管不容易觀察到它們的干涉、衍射等波的現(xiàn)象，但它們?nèi)匀痪哂胁▌有?，有它們的波長，因此宏觀物體也具有波粒二象性．遷移與應(yīng)用1：答案：見解析解析：忽略相對論效應(yīng)，電子的動能為：Ek＝eq\f(1,2)mv2①電子的動量為：p＝mv②電子的德布羅意波波長為：λ＝eq\f(h,p)③代入數(shù)據(jù)得：λ＝8.7×10－11m．活動與探究2：1．答案：不對．由ΔxΔp≥eq\f(h,4π)可知，雖然我們不能準(zhǔn)確地知道單個粒子的實際運動情況，但粒子出現(xiàn)的位置并不是無規(guī)律可循的．我們可以根據(jù)大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律知道粒子在某點出現(xiàn)的概率．2．答案：由不確定性關(guān)系可知，我們不能準(zhǔn)確預(yù)知單個粒子的實際運動情況，但是大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律是可以準(zhǔn)確預(yù)知的，可以從宏觀上對一個系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和控制．3．答案：由ΔxΔp≥eq\f(h,4π)可以知道，在微觀領(lǐng)域，要準(zhǔn)確地測定粒子的位置，動量的不確定性就變大；反之，要準(zhǔn)確確定粒子的動量，那么位置的不確定性就變大．如將狹縫變成寬縫，粒子的動量能被精確測定（可認(rèn)為此時不發(fā)生衍射），但粒子通過縫的位置的不確定性卻增大了；反之取狹縫Δx→0，粒子的位置測定精確了，但衍射范圍會隨Δx的減小而增大，這時動量的測定就更加不準(zhǔn)確了．遷移與應(yīng)用2：答案：見解析解析：子彈的動量為p＝mv＝0.01×200kg·m/s＝2.0kg·m/s動量的不確定范圍為：Δp＝0.01%×p＝1.0×10－4×2.0kg·m/s＝2.0×10－4kg·m/s由不確定關(guān)系式ΔxΔp≥eq\f(h,4π)，得子彈位置的不確定范圍Δx≥eq\f(h,4π·Δp)＝eq\f(6.63×10－34,4×3.14×2.0×10－4)m＝2.6×10－31m．當(dāng)堂檢測1．B解析：所有運動的物體都具有波動性，只是宏觀物體的德布羅意波波長太短，無法觀察到它們的波動性．2．B解析：最早證明德布羅意波假說的是電子束在晶體上的衍射實驗．故B正確．3．C解析：由電子云的定義我們知道，電子云不是一種穩(wěn)定的概率分布，在歷史上，人們常用小圓點表示這種概率，小圓點的密疏代表電子在這一位置出現(xiàn)的概率大小，故只有C正確．4．答案：6.63×10－38m解析：汽車運動時的動量p＝mv＝1000×10kg·m/s＝104kg·m/s根據(jù)德布羅意波長計算公式有λ＝eq\f(h,p