《高中物理 第2章 波和粒子 2.4 實(shí)物是粒子還是波導(dǎo)學(xué)案 滬科版選修35》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第2章 波和粒子 2.4 實(shí)物是粒子還是波導(dǎo)學(xué)案 滬科版選修35（8頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 學(xué)案4　實(shí)物是粒子還是波 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，知道什么是物質(zhì)波.2.了解物質(zhì)波也是一種概率波.3.初步了解不確定關(guān)系． 1．光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性． 2．光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性． 3．光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，在和其它物質(zhì)作用的過(guò)程中表現(xiàn)出粒子性．光在傳播過(guò)程中，在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，由波動(dòng)性起主導(dǎo)作用，光是一種概率波． 4．德布羅意波 (1)德布羅意波：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，都有一種波與之相伴隨．這種波稱為物質(zhì)波，也叫德布羅意波． (2)物質(zhì)波

2、的波長(zhǎng)、動(dòng)量關(guān)系式：λ＝. (3)物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證： ①1927年，戴維孫和革末通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了電子的晶體衍射． ②1927年，湯姆生觀察到，電子通過(guò)金屬薄層做透射實(shí)驗(yàn)后形成了衍射環(huán)，并計(jì)算出相應(yīng)的波長(zhǎng)． (4)物質(zhì)波與光波一樣，也是概率波．電子落在“亮環(huán)”上的概率大，落在“暗環(huán)”上的概率?。? 5．不確定關(guān)系 (1)定義：在經(jīng)典物理學(xué)中，物體的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)精確地測(cè)定的，在微觀物理學(xué)中，要同時(shí)精確測(cè)出微觀粒子的位置和動(dòng)量是不太可能的，這種關(guān)系叫不確定關(guān)系． (2)表達(dá)式：ΔxΔpx≥.其中用Δx表示粒子位置的不確定量，用Δpx表示粒子在x方向動(dòng)量的不確定量，h是普朗克常量

3、． (3)此式表明，不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量，即不可能用“軌道”來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng). 一、對(duì)物質(zhì)波的理解 [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 閱讀課本，回答： 1．如何理解德布羅意波？如何理解實(shí)驗(yàn)粒子的波粒二象性？ 2．我們觀察不到宏觀物體波動(dòng)性的原因是什么？ 答案　見(jiàn)要點(diǎn)提煉． [要點(diǎn)提煉] 1．任何運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)，都有一種波與之相伴隨，這種波稱為物質(zhì)波．物質(zhì)波波長(zhǎng)的計(jì)算公式為λ＝. 2．德布羅意假說(shuō)是光的波粒二象性的推廣，即光子和實(shí)物粒子都既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，即具有波粒二象性．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． 3．德布

4、羅意波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來(lái)理解德布羅意波． 4．我們之所以看不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體的動(dòng)量太大，德布羅意波長(zhǎng)太小的緣故． 例1　下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)，正確的解釋是(　　) A．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 B．X光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的 C．電子的衍射證實(shí)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，所以宏觀物體不具有波動(dòng)性 解析　運(yùn)動(dòng)著的物體才具有波動(dòng)性，A項(xiàng)錯(cuò)誤．宏觀物體由于動(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，但仍有波動(dòng)性，D項(xiàng)錯(cuò)；X

5、光是波長(zhǎng)極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B項(xiàng)錯(cuò)．只有C項(xiàng)正確． 答案　C 例2　如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多大？(中子的質(zhì)量為1.6710－27 kg) 解析　中子的動(dòng)量為p1＝m1v 子彈的動(dòng)量為p2＝m2v 據(jù)λ＝知中子和子彈的德布羅意波長(zhǎng)分別為 λ1＝，λ2＝ 聯(lián)立以上各式解得λ1＝，λ2＝ 將m1＝1.6710－27 kg，v＝103 m/s h＝6.6310－34 Js，m2＝1.010－2 kg 代入上面兩式可解得 λ1＝4.010－10 m，λ2＝6.6310－35

6、m 答案　4.010－10 m　6.6310－35 m 二、不確定關(guān)系 [問(wèn)題設(shè)計(jì)] 在經(jīng)典物理學(xué)中，物體的位置和動(dòng)量是可以同時(shí)精確測(cè)定的，對(duì)于微觀粒子，它的位置和動(dòng)量能同時(shí)被精確測(cè)定嗎？能用“軌道”來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)嗎？試以光的衍射為例加以說(shuō)明． 答案　不能．微觀粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)被精確測(cè)定．在粒子的衍射現(xiàn)象中，設(shè)有粒子通過(guò)狹縫后落在屏上，狹縫寬度為d(用坐標(biāo)表示為Δx)，那么某個(gè)粒子通過(guò)狹縫時(shí)位于縫中的哪一點(diǎn)是不確定的，不確定的范圍為Δx；由于微觀粒子具有波動(dòng)性，經(jīng)過(guò)狹縫后會(huì)發(fā)生衍射，有些粒子會(huì)偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向跑到了投影位置以外的地方，這就意味著粒子有了與原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向垂直的

7、動(dòng)量(位于與原運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面上)．又由于粒子落在何處是隨機(jī)的，所以粒子在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的動(dòng)量具有不確定性，不確定量為Δpx.根據(jù)ΔxΔpx≥知，如果Δx更小，則Δpx更大，也就是不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量，因而也就不可能用“軌跡”來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)． [要點(diǎn)提煉] 1．微觀粒子運(yùn)動(dòng)的位置不確定量Δx和動(dòng)量的不確定量Δpx的關(guān)系式為ΔxΔpx≥，其中h是普朗克常量，這個(gè)關(guān)系式叫不確定關(guān)系． 2．不確定關(guān)系告訴我們，如果要更準(zhǔn)確地確定粒子的位置(即Δx更小)，那么動(dòng)量的測(cè)量一定會(huì)更不準(zhǔn)確(即Δpx更大)，也就是說(shuō)，不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量，也不可能用“軌道”來(lái)描述粒子

8、的運(yùn)動(dòng)． 例3　一顆質(zhì)量為10 g的子彈，具有200 m/s的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為其動(dòng)量的0.01%(這在宏觀范圍是十分精確的)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大？ 解析　子彈的動(dòng)量p＝mv＝0.01200 kgm/s＝2 kgm/s，動(dòng)量的不確定范圍Δpx＝0.01 %p＝210－4 kgm/s； 由不確定關(guān)系ΔxΔpx≥，得子彈位置的不確定范圍Δx≥＝ m＝2.610－31 m 答案　見(jiàn)解析 實(shí)物是粒子還是波 1．下列關(guān)于物質(zhì)波的說(shuō)法中正確的是(　　) A．實(shí)物粒子具有粒子性，在任何條件下都不可能表現(xiàn)出波動(dòng)性 B．宏觀物體不存在對(duì)應(yīng)波的波長(zhǎng) C．電子在

9、任何條件下都能表現(xiàn)出波動(dòng)性 D．微觀粒子在一定條件下能表現(xiàn)出波動(dòng)性 答案　D 2．關(guān)于不確定關(guān)系ΔxΔpx≥有以下幾種理解，正確的是(　　) A．微觀粒子的動(dòng)量不可確定 B．微觀粒子的位置不可確定 C．微觀粒子的動(dòng)量和位置不可同時(shí)確定 D．不確定關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子，也適用于宏觀物體 答案　CD 解析　本題主要考查不確定關(guān)系ΔxΔpx≥的理解，不確定關(guān)系表示確定位置、動(dòng)量的精度相互制約，此長(zhǎng)彼消，當(dāng)粒子的位置不確定更小時(shí)，粒子動(dòng)量的不確定更大；反之亦然，故不能同時(shí)準(zhǔn)確確定粒子的位置和動(dòng)量，不確定關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律，對(duì)微觀世界的影響顯著，對(duì)宏觀世界的影響可忽

10、略，故C、D正確． 3．一質(zhì)量為450 g的足球以10 m/s的速度在空中飛行；一個(gè)初速度為零的電子，通過(guò)電壓為100 V的加速電場(chǎng)．試分別計(jì)算它們的德布羅意波長(zhǎng)． 答案　1.4710－34 m　1.210－10 m 解析　物體的動(dòng)量p＝mv，其德布羅意波長(zhǎng)λ＝＝.足球的德布羅意波長(zhǎng) λ1＝＝ m＝1.4710－34 m 電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，速度增加為v2，根據(jù)動(dòng)能定理有 m2v＝eU，p2＝m2v2＝ 該電子的德布羅意波長(zhǎng)λ2＝＝ ＝ m＝1.210－10 m 4．設(shè)子彈的質(zhì)量為0.01 kg，槍口直徑為0.5 cm，試求子彈射出槍口時(shí)橫向速度的不確定量． 答案　1.061

11、0－30 m/s 解析　槍口直徑可以當(dāng)作子彈射出槍口位置的不確定量Δx，由于Δpx＝mΔvx，由不確定關(guān)系式得子彈射出槍口時(shí)橫向速度的不確定量 Δvx≥＝ m/s≈1.0610－30 m/s [基礎(chǔ)題] 1．在歷史上，最早證明了德布羅意波存在的實(shí)驗(yàn)是(　　) A．弱光衍射實(shí)驗(yàn)　 　 B．電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn) C．弱光干涉實(shí)驗(yàn) D．以上都不正確 答案　B 解析　由課本知識(shí)知，最早證明德布羅意波假說(shuō)的是電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)． 2．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)小 B．速度大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)小 C．動(dòng)量大的物體，其德布

12、羅意波長(zhǎng)小 D．動(dòng)能大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)小 答案　C 解析　由德布羅意假說(shuō)得德布羅意波長(zhǎng)λ＝，式中h為普朗克常量，p為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量，可見(jiàn)p越大，λ越?。籶越小，λ越大．故C正確，A、B、D錯(cuò)誤． 3．下列物理實(shí)驗(yàn)中，能說(shuō)明粒子具有波動(dòng)性的是(　　) A．通過(guò)研究金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系，證明了愛(ài)因斯坦方程的正確性 B．通過(guò)測(cè)試多種物質(zhì)對(duì)X射線的散射，發(fā)現(xiàn)散射射線中有波長(zhǎng)變大的成分 C．通過(guò)電子雙縫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子的干涉現(xiàn)象 D．利用晶體做電子束衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性 答案　CD 解析　干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象．由于X射線本身就是一種波，而不是實(shí)物粒子，故X

13、射線有波長(zhǎng)變大的成分，并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性，即A、B并不能說(shuō)明粒子的波動(dòng)性，證明粒子的波動(dòng)性只能是C、D. 4．一個(gè)電子被加速后，以極高的速度在空間運(yùn)動(dòng)，關(guān)于它的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．電子在空間做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．電子上下左右顫動(dòng)著前進(jìn) C．電子運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線 D．無(wú)法預(yù)言它的路徑 答案　D 解析　根據(jù)概率波的知識(shí)可知，某個(gè)電子在空間中運(yùn)動(dòng)的路徑我們無(wú)法確定，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定大量電子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域．故選項(xiàng)D正確． 5．對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．不受外力作用時(shí)光子就會(huì)做勻速運(yùn)動(dòng) B．光子受到恒定外力作用時(shí)就會(huì)做勻變速運(yùn)動(dòng)

14、 C．只要知道電子的初速度和所受外力，就可以確定其任意時(shí)刻的速度 D．運(yùn)用牛頓力學(xué)無(wú)法確定微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 答案　D 解析　光子不同于宏觀力學(xué)的粒子，不能用宏觀粒子的牛頓力學(xué)規(guī)律分析光子的運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；根據(jù)概率波、不確定關(guān)系可知，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，故選D. 6．為了觀察晶體的原子排列，可以采用下列方法： (1)用分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡成像(由于電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)很短，能防止發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，因此電子顯微鏡的分辨率高)；(2)利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣，進(jìn)而分析出晶體的原子排列．則下列分析中正確的是(　　) A．電子顯微鏡所利用的是，電子的物質(zhì)波的波長(zhǎng)比原子尺

15、寸小得多 B．電子顯微鏡中電子束運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)很小 C．要獲得晶體的X射線衍射圖樣，X射線的波長(zhǎng)要遠(yuǎn)小于原子的尺寸 D．中子的物質(zhì)波的波長(zhǎng)可以與原子尺寸相當(dāng) 答案　AD 解析　由題目所給信息“電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)很短，能防止發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象”及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知，電子的物質(zhì)波的波長(zhǎng)比原子尺寸小得多，A項(xiàng)正確；由公式λ＝知，當(dāng)電子的速度很小時(shí)，動(dòng)量p很小，電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)會(huì)很長(zhǎng)，顯然，不滿足題意，B錯(cuò)誤；由信息“利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣”及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知，中子的物質(zhì)波或X射線的波長(zhǎng)與原子尺寸相當(dāng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確． [能力題] 7．用顯微鏡觀看細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)，由于受

16、到衍射現(xiàn)象的影響而觀察不清，因此觀察越細(xì)小的結(jié)構(gòu)，就要求波長(zhǎng)越短，波動(dòng)性越弱．在加速電壓值相同的情況下，電子顯微鏡與質(zhì)子顯微鏡的分辨本領(lǐng)，下列判定正確的是(　　) A．電子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強(qiáng) B．質(zhì)子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強(qiáng) C．兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)相同 D．兩種顯微鏡分辨本領(lǐng)不便比較 答案　B 解析　原子或中子在電場(chǎng)中加速由動(dòng)能定理得eU＝mv2＝，又由物質(zhì)波公式λ＝得λ＝，所以經(jīng)相同電壓加速后的質(zhì)子與電子相比，質(zhì)子的物質(zhì)波波長(zhǎng)短，波動(dòng)性弱，從而質(zhì)子顯微鏡分辨本領(lǐng)較強(qiáng)，即B選項(xiàng)正確． 8．在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，若單縫寬度是1.010－9m，那么光子經(jīng)過(guò)單縫發(fā)生衍射，動(dòng)量的不確定量是____

17、____． 答案　0.5310－25 kgm/s 解析　單縫寬度是光子經(jīng)過(guò)狹縫的不確定量，即Δx＝1.010－9m，由ΔxΔpx≥有1.010－9Δpx≥，則Δpx≥0.5310－25kgm/s 9．質(zhì)量為10 g的子彈，以300 m/s的速度射向靶子，試計(jì)算此子彈位置的不確定范圍．(設(shè)其動(dòng)量的不確定范圍為0.02%) 答案　大于或等于8.810－32 m 解析　Δpx＝mv0.02% ＝1010－33000.0210－2kgms－1 ＝610－4kgms－1 由ΔxΔpx≥知，位置的不確定范圍是 Δx≥＝ m＝8.810－32 m. 10．已知電子的質(zhì)量為me＝9.110

18、－31 kg，＝5.310－35 Js，測(cè)定電子速度的不確定量為210－6 m/s，求其位置測(cè)定的不確定量． 答案　29.1 m [探究與拓展題] 11．光子的動(dòng)量p與波長(zhǎng)λ的關(guān)系為p＝，靜止的原子核放出一個(gè)波長(zhǎng)為λ的光子．(已知普朗克常量為h，光在真空中傳播的速度為c)，則： (1)質(zhì)量為M的反沖核的速度為多少？ (2)反沖核運(yùn)動(dòng)時(shí)物質(zhì)波的波長(zhǎng)是多少？ 答案　(1)　(2)λ 解析　(1)由λ＝得p＝，由光子與原子核組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，得0＝p－Mv′，故v′＝＝. (2)由德布羅意波長(zhǎng)公式λ′＝知，反沖核運(yùn)動(dòng)時(shí)物質(zhì)波波長(zhǎng)λ′＝＝＝λ. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375