寧夏回族自治區(qū)銀川市六盤山高級中學高中物理人教版選修3-5課件第十七章波粒二象性第345節(jié)粒子的波動性概率波不確定性關系（33張）（共33張）

物理選修3-5第十七章

波粒二象性第3節(jié)粒子的波動性

有記者曾問英國物理學家、諾貝爾獲獎者布拉格教授：光是波還是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物理學家休息?！蹦敲垂獾谋拘缘降资鞘裁?？新課引入粒子性波動性（具有能量）（具有頻率）（具有動量）hh----架起了粒子性與波動性之間的橋梁一、光的波粒二象性（具有波長）新課講授二、粒子的波粒二象性德布羅意，法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠基人之一。1924年，26歲的德布羅意考慮到普朗克量子和愛因斯坦光子理論的成功，在博士論文《關于量子理論的研究》中大膽地把光的波粒二象性推廣實物粒子，如電子，質(zhì)子等。他提出實物粒子也具有波動性。這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波。新課講授新課講授二、粒子的波粒二象性1、物質(zhì)波：一個質(zhì)量為m的實物粒子，以速率V運動時，即具有以能量ε和動量p所描述的粒子性，同時也具有以頻率ν和波長λ所描述的波動性。2、物質(zhì)波的波長、頻率一切實物粒子都有波動性實物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動的特性。大量光子易表現(xiàn)波動性，少量光子易表現(xiàn)粒子性。

這種和實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波)，其波長

稱為德布羅意波長。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長λ=h/p。新課講授二、粒子的波粒二象性三、物質(zhì)波的實驗證據(jù)1、1912年，德國物理學家勞厄，利用X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射X射線就是一中波長為十分之幾納米的電磁波；證實電子打在晶體上也能觀察電子衍射。2、實物粒子的波動性---電子衍射實驗

1927年，戴維孫與湯姆孫利用晶體作電子束衍射實驗，得到教材P38頁圖17.3-1的衍射圖樣，證實了電子波動性。

新課講授

物質(zhì)波的一個最重要的應用就是電子顯微鏡的發(fā)明．第一臺電子顯微鏡是由德國魯斯卡研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎．從波動光學可知，由于顯微鏡的分辨本領與波長成反比，光學顯微鏡的最大分辨距離大于0.2μm，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右．自從發(fā)現(xiàn)電子有波動性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡．三、物質(zhì)波的應用新課講授電子顯微鏡下的薰衣草葉子9電子顯微鏡下的納米纖維10電子顯微鏡下的灰塵電子顯微鏡下的紅細胞12電子顯微鏡下的二分裂13小結：一、德布羅意的物質(zhì)波二、德布羅意波的實驗驗證3.量子圍欄(QuantumCorral)中的駐波1.電子衍射實驗12.電子衍射實驗2戴維遜－革末實驗G.P.湯姆遜（電子衍射實驗。三、物質(zhì)波的應用電子顯微鏡物理選修3-5第十七章

波粒二象性第4節(jié)概率波一、經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波1、經(jīng)典的粒子的基本特征⑴粒子有一定的空間大小、一定的質(zhì)量和電荷量；⑵粒子的運動遵從牛頓第二定律⑶粒子有確定的位置、速度以及時空中確定的軌道。2、經(jīng)典的波的基本特征⑴在空間具有彌散性⑵具有一定的頻率、波長具有時空的周期性在經(jīng)典物理學中，波和粒子是兩個不同的研究對象，具有非常不同的表現(xiàn)，互不相容，遵從不同的規(guī)律新課講授二、概率波新課講授1、光波是概率波

1926年德國物理學家波恩提出了概率波，認為個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。實驗現(xiàn)象：明紋處達到的光子數(shù)多，明紋表示光子達到的概率大。暗紋反之。二象性統(tǒng)計解釋入射光極弱，光子數(shù)目極少，光子將會在屏上出現(xiàn)的確切位置無法預測。雙縫干涉實驗光的波粒二象性的統(tǒng)計觀點解釋l攝影底板或顯微觀察延長曝光時間，可發(fā)現(xiàn)各明紋區(qū)域，光子出現(xiàn)的概率最大；各暗紋區(qū)域，光子出現(xiàn)的概率最小。繼續(xù)延長曝光時間，可得到明暗連續(xù)變化的雙縫干涉清晰圖像，并與強光入射（大量光子同時入射）一次曝光的情況等效。光子的行為不能用經(jīng)典粒子的運動狀態(tài)參量描述和準確預測；光波在空間某處的強度反映了光子在該處附近出現(xiàn)的概率。單縫衍射像圓孔衍射像

在光的衍射實驗中，攝像記錄弱光入射的幾個不同曝光階段的衍射圖樣，并進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，在衍射圖樣中較亮的地方，光子出現(xiàn)的概率較大。二、概率波新課講授2、德布羅意波（物質(zhì)波）也是概率波

電子和其他微觀粒子，同樣具有波粒二象性。物質(zhì)波也是概率波。電子的雙縫干涉圖樣中的實驗現(xiàn)象：明紋處是電子落點概率大的地方；暗紋處是電子落點概率小的地方；某處電子出現(xiàn)概率的大小受波動規(guī)律的支配。7個電子100個電子300020000電子單個依次入射雙縫的衍射實驗現(xiàn)象70000體現(xiàn)了粒子性體現(xiàn)了波動性粒子出現(xiàn)的概率低屏上記錄了有限個較少的電子時，顯示出電子的粒子性波粒二象性隨著電子數(shù)的增多，電子的波動性就漸漸顯現(xiàn)出來了。1.光波是一種概率波：光的波動性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固定的性質(zhì)。光子在空間出現(xiàn)的概率可通過波動規(guī)律確定。所以，從光子的概念上看，光波是一種概率波。2.物質(zhì)波也是概率波：對于電子和其他微觀粒子，單個粒子的位置是不確定的，但在某點附近出現(xiàn)的概率大小可由波動的規(guī)律確定。對于大量粒子，這種概率分布導致確定的宏觀結果，所以物質(zhì)波也是概率波。概率波1.單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能確定在什么位置，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不確定的。對概率波的理解2.大量粒子運動的必然性：由波動規(guī)律，我們可以準確地知道大量粒子運動的統(tǒng)計規(guī)律，因此我們可以對宏觀現(xiàn)象進行預言。3.概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一：概率波的主體是光子和實物粒子，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律的支配，體現(xiàn)了波動性的一面。所以說，概率波將波動性和粒子性統(tǒng)一在一起。物理選修3-5第十七章

波粒二象性第5節(jié)不確定性關系根據(jù)經(jīng)典物理學，如果我們已知一物體的初始位置和初始速度，就可以準確地確定物體在任意時刻的位置和速度。但是在微觀世界中，由于微觀粒子具有波動性，其坐標和動量不能同時確定，因此我們不能用經(jīng)典的方法來描述它的運動規(guī)律。新課導入圓孔衍射光的單縫衍射激光束若光子是經(jīng)典粒子，在屏上的落點應在縫的投影區(qū)之內(nèi)。

由于衍射，落點會超出單縫投影的范圍，其它粒子也一樣，說明微觀粒子的運動已經(jīng)不遵守牛頓運動定律，不能同時用粒子的位置和動量來描述粒子的運動了。像屏1.在擋板左側位置完全不確定2.在縫處位置不確定范圍是縫寬a=Δx

若減小縫寬：位置的不確定范圍減小，但中央亮紋變寬，所以x

方向動量的不確定量(Δpx

)變大3.在縫后x方向有動量，也是不確定的（0≤

px

≤sinφ)電子的單縫衍射實驗

Δpx

不確定關系海森伯因創(chuàng)立用矩陣數(shù)學描述微觀粒子運動規(guī)律的矩陣力學，獲1932年諾貝爾物理獎rxprx（注：不確定關系又稱測不準關系，在上述表達式中的和都具有統(tǒng)計含義，分別代表有關位置和動量的方均根偏差。）位置和動量的不確定關系rxprx4πh稱為海森伯位置和動量的不確定關系，它說明，同時精確測定微觀粒子的位置和動量是不可能的。微觀粒子不能同時具有確定的位置和動量，位置的不確定量rx該方向動量的不確定量prx同一時刻的關系1927年，德國物理學家海森伯提出WernerHeisenberg(1901~1976)海森伯不確定性關系不確定性關系

海森伯不確定關系告訴我們：微觀粒子的坐標和動量不能同時確定。粒子位置若是測得極為準確，我們將無法知道它將要朝什么方向運動；若是動量測得極為準確，我們就不可能確切地測準此時此刻粒子究竟處于什么位置。不確定關系是物質(zhì)的波粒二象性引起的。對于微觀粒子，我們不能用經(jīng)典物理學來描述。海森伯不確定關系對于宏觀物體沒有施加有效的限制。宏觀物體微觀粒子具有確定的坐標和動量，可用牛頓力學描述沒有確定的坐標和動量，需用量子力學描述有連續(xù)可測的運動軌道，可追蹤各個物體的運動軌跡有概率分布特性，不可能分辨出各個粒子的軌跡體系能量可以為任意的、連續(xù)變化的數(shù)值能量量子化對不確定性關系無實際意義遵循不確定性關系微觀粒子和宏觀物體的特性對比不確定性關系的物理意義和微觀本質(zhì)1.物理意義

微觀粒子不可能同時具有確定的位置和動量。粒子位置的不確定量

x越小，動量的不確定量px

就越大，反之亦然。2.微觀本質(zhì)

是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計規(guī)律的必然結果。應用：掃描隧道顯微鏡(STM)原理：利用電子的隧道效應。

金屬樣品外表面有一層電子云，電子云的密度隨著與表面距離的增大呈指數(shù)形式衰減，將原子線度的極細的金屬探針靠近樣品，并在它們之間加上微小的電壓，其