2010屆高考物理波粒二象性復(fù)習(xí)課件

1、高中物理新人教版選修３- 5系列課件,第十七章《波粒二象性》,17.1《能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元》,教學(xué)目標(biāo),1、知識(shí)與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射 （2）了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系（3）了解能量子的概念2、過(guò)程與方法：了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。,3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：

2、領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn): 能量子的概念2、難點(diǎn): 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō),牛頓,惠更斯,,微粒說(shuō),,波動(dòng)說(shuō),,19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性,,由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng),,19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒

3、子性,,,,,,,對(duì)光學(xué)的研究,,,從很早就開(kāi)始了… …,,,能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元,1、黑體與黑體輻射,熱輻射,固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。所輻射電磁波的特征與溫度有關(guān)。,固體在溫度升高時(shí)顏色的變化,能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱(chēng)為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱(chēng)黑體,不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。,,黑體模型,研究黑

4、體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。,,,,,,,,,2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律,實(shí)驗(yàn)裝置,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,T,平行光管,,,,,,,,,,,三棱鏡,,,T,,,,,,,,,,,,0 1 2 3 4 5 6,,λ,(μm),,,,1700K,1500K,1300K,,1100K,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,3.能量子 超

5、越牛頓的發(fā)現(xiàn),ε=hν,輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱(chēng)為能量子）的整數(shù)倍，即：ε, 1 ε, 2 ε, 3 ε, ... n ε. n為正整數(shù)，稱(chēng)為量子數(shù)。,,能量,量子,經(jīng)典,h=6.626*10-34J.s,,,λ(μm),,,,,,,,,,,1 2 3

6、 5 6 8 9,4,7,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,普朗克,實(shí)驗(yàn)值,,17.2《科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性》,教學(xué)目標(biāo),知識(shí)與技能：1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2．知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3．了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量過(guò)程與方法：經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和

7、諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義,物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后，因?yàn)?897年，J.Thomson才發(fā)現(xiàn)電子 ，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱(chēng)作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光

8、電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？,第1課時(shí)光電效應(yīng) 光子,問(wèn)題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類(lèi)對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程？,用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。。,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電,,,定義：,在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物

9、體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。,發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子,1.什么是光電效應(yīng),當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱(chēng)為光電效應(yīng)。逸出的電子稱(chēng)為光電子。,石英窗,光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。,光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。,2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。,當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc

10、 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱(chēng)遏止電壓。,遏止電壓,,,I,Uc,O,U,光 強(qiáng) 較 弱,光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,遏止電壓,,,一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,,,,,I,I,s,U,a,O,U,光 強(qiáng) 較 強(qiáng),光 強(qiáng) 較 弱,光電效應(yīng)伏安特性曲線,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,遏止電壓,,飽和電流,,,一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,①.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系,飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。,②.截止頻率?

11、c ----極限頻率,對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率?c 。,當(dāng)入射光頻率? > ?c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；,當(dāng)入射光頻率? < ?c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。,③光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)始照射到光電逸出所需時(shí)間<10-9s。,經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也

12、應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。,光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。,為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出

13、了光量子假設(shè)。,3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè),1.內(nèi)容,光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h?的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為? 的光是由大量能量為 ? =h? 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。,在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：,2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程,3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻

14、率成線性關(guān)系 4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：,愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋?zhuān)?1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。,由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)

15、理論。,4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證,美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。,愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。,可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。,4.光電

16、效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,1.光控繼電器,,可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。,2.光電倍增管,應(yīng) 用,光電管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光,電源,,,,,電流計(jì),,,I,A,K,第2課時(shí)康普頓效應(yīng),1.光的散射,光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射,2.康普頓效應(yīng),1923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)

17、時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。,一.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：,晶體,光闌,探測(cè)器,?0,散射波長(zhǎng)?,康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線的散射,按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！,康普頓散射曲線的特點(diǎn)：,1.除原波長(zhǎng)?0外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)? 。,2.新波

18、長(zhǎng)? 隨散射角的增大而增大。,散射中出現(xiàn) ?≠?0 的現(xiàn)象，稱(chēng)為康普頓散射。,波長(zhǎng)的偏移為,稱(chēng)為電子的Compton波長(zhǎng),只有當(dāng)入射波長(zhǎng)?0與?c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。,波長(zhǎng)的偏移只與散射角? 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類(lèi)及入射的X射線的波長(zhǎng)?0 無(wú)關(guān)，,?c = 0.0241Å=2.41?10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）,遇到的困難,經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí),

19、2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。,射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。,其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散,過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，,1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通,光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的,子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。,小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光,光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn),2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，,是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。,部

20、分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于,1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一,結(jié)果，具體解釋如下：,3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度,有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。,光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋,三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義,（1）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；,（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；,（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普頓的成功也不是

21、一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家,1927,1925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(?0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，,四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn),1923年,參

22、加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.,對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。,在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。,光子的能量和動(dòng)量,,動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的,17.3《嶄新的一頁(yè)：粒子的波動(dòng)性》,教學(xué)目標(biāo),1、知識(shí)與技能：了解光的波粒二象性；了解粒子的波動(dòng)性．2、過(guò)程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：

23、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確地獲取知識(shí)的方法?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：粒子波動(dòng)性的理解2、難點(diǎn)：對(duì)德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,德布羅意波 波粒二象性,,一、德布羅意的物質(zhì)波,德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960),,德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文《關(guān)于量子理論的研究

24、》中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕的一角”。,法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。,能量為E、動(dòng)量為p的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為?的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：,E=mc2=hv,這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱(chēng)為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)?稱(chēng)為德布羅意波長(zhǎng)。,,一切實(shí)物粒子都有波

25、動(dòng)性 　　后來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系?！∫活w子彈、一個(gè)足球有沒(méi)有波動(dòng)性呢？　 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為　　　　　　 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。,由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著

26、的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)λ= 。,【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。,解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m≈50kg ，百米跑時(shí)速度v≈7m/s ，則,由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。,,例題2 (1)電子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量p=6.63×106kg.m.s-1, 求德布羅意波長(zhǎng)。,解 (1)因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公

27、式求解。,=1.23Å,(2)子彈:,h= 6.63×10-34,= 1.0×10-40m,可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。,一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量E和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率n和波長(zhǎng)l所描述的波動(dòng)性。,德布羅意關(guān)系,L.V.德布羅意 電子波動(dòng)性的理論研究,1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),C.J.戴維孫 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電

28、子的衍射作用,1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),X射線經(jīng)晶體的衍射圖,電子射線經(jīng)晶體的衍射圖,電子顯微鏡,17.4《概率波》,教學(xué)目標(biāo),（一）知識(shí)與技能1．了解微粒說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題．2．了解波動(dòng)說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題．3．了解事物的連續(xù)性與分立性是相對(duì)的，了解光既有波動(dòng)性，又有粒子性．4．了解光是一種概率波．（二）過(guò)程與方法1．領(lǐng)悟什么是概率波2．了解物理學(xué)中物理模型的特點(diǎn)初步掌握科

29、學(xué)抽象這種研究方法3．通過(guò)數(shù)形結(jié)合的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)工具在物理科學(xué)中的作用,（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀理解人類(lèi)對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程．根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)．人類(lèi)就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)光的本性的．【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：人類(lèi)對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程．2、難點(diǎn)：對(duì)量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解,?

30、 電子雙縫衍射,1) 用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射 ?,—— 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性,—— 衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì),—— 得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣,? 物質(zhì)波不是經(jīng)典波,—— 經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋,—— 實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱

31、的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的,? 微觀粒子不是經(jīng)典粒子,—— 經(jīng)典粒子雙縫衍射,—— 子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和B，屏幕C收集子彈數(shù)目,1) 將狹縫B擋住,—— 子彈通過(guò)A在屏幕C上有一定的分布,—— 類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大P1 —— 子彈落在中央主極大范圍的概率分布,2) 將狹縫A 擋住,—— 子彈通過(guò)狹縫B在屏幕C上有一定的分布,—

32、— 類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大P2 —— 子彈落在中央主極大范圍的概率分布,3) A和B狹縫同時(shí)打開(kāi),—— 子彈是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈 —— 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈 —— 還是通過(guò)B,屏幕C上子彈的概率分布,不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開(kāi)每顆子彈會(huì)有新的選擇！,—— 電子雙縫衍射,—— 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目,1) 將狹縫B擋住,—— 電子通過(guò)狹縫A

33、 在屏幕C有一定分布—— 類(lèi)似于單縫衍射 的中央主極大,3）A和B狹縫同時(shí)打開(kāi),—— 如果電子是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)A狹縫的電子 —— 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子 —— 還是通過(guò)B,屏幕上電子的概率分布,屏幕C —— 實(shí)際觀察到類(lèi)似光的雙縫衍射條紋,屏幕C上電子的概率分布,—— 只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫 電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性 ?,—— A

34、和B狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí) 電子似乎“知道” 兩個(gè)狹縫都打開(kāi)！,雙縫和屏幕之間 —— 到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布 —— 有了新的概率分布,電子 —— 不是經(jīng)典粒子,光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定,I 大 光子出現(xiàn)概率大,I小 光子出現(xiàn)概率小,統(tǒng)一于概率波理論,光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比,,17.5《不確定的關(guān)系》,教學(xué)目標(biāo),（一）知識(shí)與技能1．了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)

35、算．2．了解物理模型與物理現(xiàn)象（二）過(guò)程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：不確定關(guān)系的概念 2、難點(diǎn)：對(duì)不確定關(guān)系的定量應(yīng)用,玻恩(M. Born. 1882-1970)德國(guó)物理 學(xué)家。1926年提出波函數(shù)的統(tǒng)

36、計(jì)意義。為此與博波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,玻 恩,M. Born.,一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋,1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 (Born , 1882--1972) 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是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(jì)規(guī)律。,二.經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(物質(zhì)波)的區(qū)別,經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一

37、種波動(dòng)。 而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。,不確定度關(guān)系（uncertainty relatoin),在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都 可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)行討論。設(shè)有一束電子沿 軸射向屏AB上縫寬為

38、 的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo) 和動(dòng)量 來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢?也就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo) 為多少?顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。,同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 P

39、x變化越大。,,分析計(jì)算可得:,①許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn),粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。,②用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。,不確定性關(guān)系,經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：,這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式,（約化普朗克常量）,能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：,原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。,稱(chēng)為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。,我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，

40、所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢?jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。,例1.一顆質(zhì)量為10g 的子彈，具有200m·s-1的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)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量范圍為多大?,解:  子彈的動(dòng)量,動(dòng)量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍,我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電

41、子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義。,例2 . 一電子具有200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大?,解 : 電子的動(dòng)量為,動(dòng)量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍,宏觀物體 微觀粒子具有確定的坐

42、標(biāo)和動(dòng)量 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量可用牛頓力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連 能量量子化 。續(xù)變化的數(shù)值。不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系,,,,,,,,微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比,不確定關(guān)系式表明： １．

43、微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確(? x?0) ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確(?px??) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確(?px?0) ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確(? x??) 。 但這里要注意，不確定關(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)。,這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)

44、和動(dòng)量本來(lái)就不同時(shí)具有確定量。 這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上討論可知，不確定關(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。 ３．不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)： 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，則可以用經(jīng)典理論來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能用量子力學(xué)理論來(lái)處理問(wèn)題。,２．為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能