4.4 德布罗意波 4.5 不确定性关系 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第四章 波粒二象性 第4~5节 德布罗意波 不确定性关系 作者编号：43998 通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。 我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢? 新课导入 作者编号：43998 学习目标 1.了解德布罗意波假说 2.了解不确定性关系，知道经典物理与微观物理的区别 学习目标 作者编号：43998 一、德布罗意波假说 1924年，法国物理学家德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。 他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。 德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。 新课讲授 作者编号：43998 德布罗意提出假设:实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长  称为德布罗意波长。 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 波动性 粒子性 新课讲授 作者编号：43998 一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为： 电子m=9.110-31kg，由静止经100V电压加速， 对应的德布罗意波长为： 太小，无法观测到波动性 可能观察到电子的波动性 新课讲授 作者编号：43998 二、电子衍射 波的干涉 波的衍射 单缝宽 0.8mm 单缝宽 0.4mm 如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。 新课讲授 作者编号：43998 0.1nm 射线 X射线衍射图样 1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。 若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。 新课讲授 作者编号：43998 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 电子束穿过铝箔后的衍射 X射线衍射 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。 汤姆孙 戴维孙 实物粒子的衍射 新课讲授 作者编号：43998 实物粒子的干涉 大量电子的一次行为 1961年琼森（Claus Jönsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。 新课讲授 作者编号：43998 大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 新课讲授 作者编号：43998 三、不确定性关系 入射粒子 x y O a 细缝处位置不确定范围取决于缝宽 a = Δx。 问题：一个光子通过狭缝的瞬间，它是从挡板左侧哪个准确位置进入细缝呢？也就是说，光子通过狭缝的瞬间，其坐标x为多少? 答案：完全不确定。 不确定范围有多大?坐标X位置不确定范围是Δx ，可用缝宽a来表示。 （Δx ） 新课讲授 作者编号：43998 入射粒子 x y O a θ 结论：微观粒子的位置测得越准确，动量就越不准确。动量测得越准确，位置就越不准确。 x 入射粒子 y O a θ 新课讲授 作者编号：43998 海森伯不确定关系 1927 年海森伯提出：不确定性关系 Δx表示粒子位置的不确定量 Δp表示粒子在X方向上的动量的不确定量 h是普朗克常量 新课讲授 作者编号：43998 1. 物理意义： 2. 微观本质： 是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。 不确定关系式表明：微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。 微观粒子的坐标测得越准确( x0) ，动量就越不准确(p) ； 微观粒子的动量测得越准确(p0) ，坐标就越不准确( x) 。 微观粒子的坐标和动量不能同时测准。 不确定关系的物理意义和微观本质 新课讲授 作者编号：43998 宏观物体 微观粒子 具有确定的坐标和动量， 可用牛顿力学描述 没有确定的坐标和动量，需用量子力学描述 有连续可测的运动轨道，可追踪各个物体的运动轨迹 有概率分布特性，不可能分辨出各个粒子的轨迹 体系能量可以为任意的、连续变化的数值 能量量子化 不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系 坐标 动量 轨迹 能量 不确定性关系 经典物理和微观物理的区别 新课讲授 作者编号：43998 1.(多选)关于物质波，下列认识正确的是(　　 ) A.只要是运动的物体，不论是宏观物体，还是微观粒子，都有相应的波动性，这就是物质波 B.只有运动的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波 C.由于宏观物体的德布罗意波波长太小，所以难以观察到它们的波动性 D.电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的 ACD 当堂检测 作者编号：43998 2.根据物质波理论，下列说法正确的是（ ） A.微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B.宏观物体和微观粒子都具有波动性 C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D.速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显 BD 当堂检测 作者编号：43998 3.利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是（ ） A.该实验说明了电子具有粒子性 B.实验中电子束的德布罗意波的波长为λ＝ C.加速电压U越大，电子的衍射现象越明显 D.若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显 B 当堂检测 作者编号：43998 1.实物粒子和光一样具有波粒二象性。 2.德布罗意波的波长： 3.海森伯提出：不确定性关系 不确定关系式表明：微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。 微观粒子的坐标测得越准确( x0) ，动量就越不准确(p) ； 微观粒子的动量测得越准确(p0) ，坐标就越不准确( x) 。 微观粒子的坐标和动量不能同时测准。 课堂小结 作者编号：43998 $$