高中物理 17.4-17.5概率波 不確定性關系（探究導學課型）課件 新人教版選修3-5.ppt

4概率波5不確定性關系,1.了解經(jīng)典粒子和波的模型及概率波的內(nèi)容。2.初步了解不確定性關系的內(nèi)容。3.了解模型在物理學發(fā)展中的重要作用及其局限性。,一、概率波1.經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波:(1)經(jīng)典的粒子:粒子有一定的_大小,有一定的_,有的還有電荷。其運動的基本特征是:已知初始位置和初始速度,任意時刻可以確定_和_以及在空間的確定_。(2)經(jīng)典的波:經(jīng)典的波在空間中是彌散開來的,其特征是具有_和_,也就是具有時空的_。,空間,質(zhì)量,位置,速度,軌跡,頻率,波長,周期性,2.概率波:(1)光是概率波:光子落在各點的概率是不一樣的,即光子落在明紋處的_,落在暗紋處的_。這就是說,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定,因此從光子概念上看,光波是一種_。(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_的,但在某點附近出現(xiàn)的概率的大小可以由_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_。,概率大,概率小,概率波,不確定,波動,概率波,二、不確定性關系1.在經(jīng)典力學中,一個質(zhì)點的位置和動量是可以同時_的,在量子理論建立之后,要同時測出微觀粒子的_和_,是不太可能的。我們把這種關系叫做不確定性關系。2.如果以x表示粒子位置的不確定量,以p表示粒子在x方向上的動量的不確定量,那么xp_,式中h是普朗克常量。這就是著名的不確定性關系,簡稱不確定關系。,精確測定,位置,動量,1.判一判:(1)波動性是光子之間相互作用的結果。()(2)可以同時精確測出微觀粒子的位置和動量。()(3)概率波就是機械波。(),提示:(1)。波動性不是光子之間相互作用引起的,而是光子自身固有的性質(zhì)。(2)。微觀粒子的位置和動量不能同時確定,若位置的不確定量減少了,動量的不確定量就會增大。(3)。概率波具有波粒二象性,所以概率波不是機械波。,2.想一想:(1)為什么不能用“軌道”的觀點來描述粒子的運動?提示:因為“軌道”對應的粒子某時刻應該有確定的位置和動量,但這是不符合實驗規(guī)律的。微觀粒子的運動狀態(tài),不能像宏觀物體的運動那樣通過確定的軌跡來描述,而是只能通過概率波進行統(tǒng)計性的描述。,(2)是否可以認為光子之間的相互作用使它表現(xiàn)出波動性?提示:實驗說明:如果狹縫只能讓一個光子通過,曝光時間足夠長,仍然能得到規(guī)則的干涉條紋,說明光的波動性不是光子之間相互作用引起的,是光子本身的一種屬性。,主題一概率波【問題探究】1.經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波是完全不同的兩件事,但是在現(xiàn)代物理當中卻是統(tǒng)一的,如何認識這種統(tǒng)一呢?,提示:在經(jīng)典物理學中,雖然粒子和波是兩種不同的研究對象,具有明顯不同的表現(xiàn)。但通過進一步的分析不難看出,經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波是相互聯(lián)系、不可分割的。光具有波粒二象性;實物也有德布羅意波長、頻率,粒子具有波動性,只是粒子性更明顯;分析水波、繩子抖出的波等一系列機械波問題時,也認為波上的各個質(zhì)點在上下振動的同時,能量向外傳播,即認為波中有粒子,波是粒子的振動向外傳播的結果。,2.在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處一定沒有光子到達嗎?提示:在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處也有光子到達,只是光子數(shù)量“特別少”,很難呈現(xiàn)出亮度。,3.你對概率波是怎樣理解的?提示:光和物質(zhì)都具有波粒二象性,單個光子顯示粒子性,而大量光子顯示波動性。單個光子傳播的方向是不確定的,但大量光子在空間某點附近出現(xiàn)的概率大小可以由波動性確定,這種概率分布導致了宏觀的確定結果,同樣可以用這一觀點來解釋物質(zhì)波,也可以說大量粒子是按照波的概率分布而形成了波。,【探究總結】1.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、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。,2.光的波動性不是光子之間的相互作用引起的:在雙縫干涉實驗中,光源非常弱,以至它在前一個光子到達屏幕之后才發(fā)射第二個光子,這樣就排除了光子之間相互作用的可能性。實驗表明,盡管單個光子的落點不可預知,但是長時間曝光之后仍然可以得到明暗相間的條紋分布,可見,光的波動性不是光子之間的相互作用引起的,而是光子自身固有的性質(zhì)。,【即時訓練】1.(多選)在單縫衍射實驗中,中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上。假設現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫,那么該光子()A.一定落在中央亮紋處B.一定落在亮紋處C.可能落在暗紋處D.落在中央亮紋處的可能性最大,【解題探究】(1)光波是一種_波。(2)光子落到各點的概率是不一樣的,光子落到中央亮紋處的概率_。,概率,最大,【解析】選C、D。由于光是一種概率波,對于一個光子通過單縫后落在何處,是不可確定的,但概率最大的是落在中央亮紋處,可達到95%以上。當然也可落在其他亮紋處,還可能落在暗紋處,不過,落在暗紋處的概率很小,故C、D正確。,2.下列說法正確的是()A.在一束傳播的光束中,有的光是波,有的光是粒子B.光子與電子同樣是一種粒子,光波與機械波同樣是一種波C.光的波動性是由于光子間的相互作用而形成的D.光是一種波,同時也是一種粒子,光子說并未否定電磁說,在光子的能量E=h中,頻率仍表示的是波的特征,【解析】選D。光是一種波,同時也是一種粒子,光具有波粒二象性。當光和同物質(zhì)作用時,是“一份一份”的,表現(xiàn)出粒子性;單個光子通過雙縫后的落點無法預測,但大量光子通過雙縫后在空間各點出現(xiàn)的可能性可以用波動規(guī)律描述,表現(xiàn)出波動性,粒子性和波動性是光本身的一種屬性,光子說并未否定電磁說,故A、B錯,D正確;光子間是不存在相互作用的,光的波動性是光子波動性的集體表現(xiàn),C錯誤。,主題二不確定性關系【問題探究】1.單個粒子的運動情況可否預知?粒子出現(xiàn)的位置是否無規(guī)律可循?提示:由不確定性關系可知,我們不能準確預知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,我們可以根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律知道粒子在某點出現(xiàn)的概率。,2.既然單個粒子的運動情況不可預知,為什么還要研究粒子的運動規(guī)律?提示:由不確定性關系可知,我們不能準確預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)律是可以準確預知的,可以從宏觀上對一個系統(tǒng)進行干預和控制。,3.你對位置和動量的不確定性關系xp是怎樣理解的?提示:由xp可以知道,在微觀領域,要準確地測定粒子的位置,動量的不確定性就變大;反之,要準確確定粒子的動量,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x0,粒子的位置測定精確了,但衍射范圍會隨x的減小而增大,這時動量的測定就更加不準確了。,【探究總結】1.位置和動量的不確定性關系:在微觀領域,要準確地測定粒子的位置,動量的不確定性就更大;反之,要準確確定粒子的動量,那么位置的不確定性就更大。在單縫衍射實驗中,如將狹縫變成寬縫,粒子的動量能被精確測定(可認為此時不發(fā)生衍射),但粒子通過縫的位置的不確定性卻增大了;反之狹縫越小,粒子的位置測定精確了,但衍射范圍會隨狹縫的減小而增大,這時動量的測定就更加不準確了。,2.微觀粒子的運動沒有特定的軌道:由不確定性關系xp可知,微觀粒子的位置和動量是不能同時被確定的,這也就決定了不能用“軌道”的觀點來描述粒子的運動,因為“軌道”對應的粒子某時刻應該有確定的位置和動量,但這是不符合實驗規(guī)律的。微觀粒子的運動狀態(tài),不能像宏觀物體的運動那樣通過確定的軌跡來描述,而是只能通過概率波進行統(tǒng)計性的描述。,【即時訓練】1.(多選)關于不確定性關系xp有以下幾種理解,正確的是()A.微觀粒子的動量不可能確定B.微觀粒子的坐標不可能確定C.微觀粒子的動量和坐標不可能同時確定D.不確定性關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,【解題探究】(1)不確定性關系表達式為_。(2)不確定性關系是自然界的普遍規(guī)律,對微觀世界的影響_,對宏觀世界的影響可_。,顯著,忽略,【解析】選C、D。不確定性關系xp表示確定位置、動量的精度互相制約,此長彼消。當粒子位置不確定性變小時,粒子動量的不確定性變大;粒子位置不確定性變大時,粒子動量的不確定性變小。故不能同時準確確定粒子的動量和坐標,不確定性關系也適用于其他宏觀粒子,不過這些不確定量微乎其微,故C、D正確。,2.(多選)根據(jù)不確定性關系xp,以下正確的是()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C.x與p測量精度與測量儀器及測量方法是否完備有關D.x與p測量精度與測量儀器及測量方法是否完備無關,【解析】選A、D。不確定性關系表明無論采用什么方法試圖確定坐標和相應動量中的一個,必然引起另一個較大的不確定性,這樣的結果與測量精度及測量儀器是否完備無關,無論怎樣改善測量精度和測量儀器,都不可能逾越不確定性關系所給出的不確定限度,故A、D正確。,