2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子物理.pptx

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1、量子物理量子物理该动量的不确定量该动量的不确定量由不确定性原理，同时进行的最佳位置测量将具有不确由不确定性原理，同时进行的最佳位置测量将具有不确定量定量 即即110nm注：这约是一个原子直径的注：这约是一个原子直径的1000倍。倍。和子弹飞行速度每秒几百米相比和子弹飞行速度每秒几百米相比 ,这速度的不确这速度的不确定性是微不足道的定性是微不足道的,所以子弹的运动速度是确定的。所以子弹的运动速度是确定的。例例 设子弹的质量为设子弹的质量为0.010.01,枪口的直径为枪口的直径为0.50.5试求试求子弹射出枪口时的横向速度的不确定量。子弹射出枪口时的横向速度的不确定量。根据不确定性关系根据不确定

2、性关系 解解 ：子弹位置的不确定量子弹位置的不确定量子弹动量的不确定量子弹动量的不确定量 物理中的哲学物理中的哲学 确定论还是概率论确定论还是概率论量子物理的基本规律是统计规律，而经典量子物理的基本规律是统计规律，而经典物理的规律是确定论和严格的因果律。但量物理的规律是确定论和严格的因果律。但量子物理的统计规律与经典物理中的统计规律子物理的统计规律与经典物理中的统计规律又截然不同，这表现在：又截然不同，这表现在：（1 1）在）在经典物理经典物理中，中，“几率几率”是统计规律的关是统计规律的关键概念；在键概念；在量子物理量子物理中，中，“几率幅几率幅 ”才是最核才是最核心的概念。心的概念。（2

3、2）在）在经典物理经典物理中，根本的规律还是决定论。中，根本的规律还是决定论。经典物理中的经典物理中的统计规律只统计规律只适用于由大量粒子适用于由大量粒子组组成的多粒子体系；而在成的多粒子体系；而在量子物理量子物理中，中，单个粒子单个粒子就显示出统计属性。就显示出统计属性。一维薛定谔方程一维薛定谔方程 不含时（定态）方程不含时（定态）方程薛定谔方程可以写成两种形式：薛定谔方程可以写成两种形式：含时（非定态）含时（非定态）和和非含时（定态）非含时（定态）的形式。的形式。一维定态薛定谔方程如下一维定态薛定谔方程如下 回顾玻恩对波函数的解释可知，回顾玻恩对波函数的解释可知，本身是不可测量的，本身是不

4、可测量的，但但 则是可测的。则是可测的。波函数的归一化：波函数的归一化：波函数的标准条件：波函数的标准条件：因几率不会在某处突变，波函数必须处处连续。因几率不会在某处突变，波函数必须处处连续。因在空间任意处只能有一个几率，波函数必须单值。因在空间任意处只能有一个几率，波函数必须单值。因几率不能无限大，所以波函数必须有限。因几率不能无限大，所以波函数必须有限。不符合这三个条件的函数没物理意义，不代表物理实在。不符合这三个条件的函数没物理意义，不代表物理实在。不符合这三个条件的函数没物理意义，不代表物理实在。不符合这三个条件的函数没物理意义，不代表物理实在。粒子在整个空间出现的几率为粒子在整个空间

5、出现的几率为1 1 薛定谔薛定谔(Erwin Schrdinger,18871961)，著名的奥，著名的奥地利理论物理学家，地利理论物理学家，量子力量子力学学的重要奠基人之一，同时的重要奠基人之一，同时在固体比热、统计热力学、在固体比热、统计热力学、原子光谱等方面享有成就。原子光谱等方面享有成就。1933年因年因薛定谔方程薛定谔方程获诺获诺贝尔物理学奖。薛定谔方程贝尔物理学奖。薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子是量子力学中描述微观粒子（如电子等）在运动速率远（如电子等）在运动速率远小于光速时的运动状态的基小于光速时的运动状态的基本定律，在量子力学中占有本定律，在量子力学中占有极其重要的地位，它

6、与经典极其重要的地位，它与经典力学中的力学中的牛顿运动定律牛顿运动定律的价的价值相似。值相似。原子的壳层结构中电子的原子的壳层结构中电子的填充原则填充原则2 2)能量最小原理能量最小原理 基态原子中电子先填满能量小的壳层。基态原子中电子先填满能量小的壳层。原子处于未激发的正常状态时，在原子处于未激发的正常状态时，在不违背泡利不违背泡利不相容原理的条件下不相容原理的条件下，每个电子都趋向，每个电子都趋向占据可能占据可能的最低能级的最低能级，使原子系统的总能量尽可能的低。，使原子系统的总能量尽可能的低。经验规律：外层电子经验规律：外层电子 E E (n+(n+0.70.7l l )激光激光激光的特

7、性激光的特性激光的产生机制激光的产生机制谐振腔的作用谐振腔的作用激光器的主要组分：激光器的主要组分：激光器的种类激光器的种类激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发）激活介质（合适的能级）激活介质（合适的能级）光学谐振腔光学谐振腔(方向性方向性,光放大光放大,单色性单色性)粒子数反转粒子数反转受激辐射受激辐射方向性方向性好好(沿轴线沿轴线)增强增强光放大光放大作用作用单色性单色性好好(选频选频)激励能源、工作物质、谐振腔激励能源、工作物质、谐振腔(k=0,1,2,3)相消干涉（暗）相消干涉（暗）(k=0,1,2,3)相干条件相干条件 相长干涉（明）相长干涉（明）干涉图干涉图干涉现象的光强分布

8、干涉现象的光强分布上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出例螺线管自感例螺线管自感 （a a）确定长直密绕的螺线管的自感系数）确定长直密绕的螺线管的自感系数L L，其中螺线管长，其中螺线管长l l ，线圈匝数，线圈匝数N N，横截面积为，横截面积为 A A。（。（b b）若）若 N N=100=100，l l=5 5.0c.0cm m，A A=0.30c=0.30cm m2 2，计算，计算L L的值。假设螺线管中空。的值。假设螺线管中空。解题思路：解题思路：要确定自感要确定自感L L，我们需要首先确定磁通量。，我们需要首先确定磁通量。解：解：(a a)通电螺

9、线管内部的磁场是一个常数通电螺线管内部的磁场是一个常数(忽略边缘效应忽略边缘效应)：其中其中 则该磁场通过螺线管本身的磁通量为则该磁场通过螺线管本身的磁通量为 因此自感因此自感 上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出概念理解概念理解 例导体中感应电动势的方向例导体中感应电动势的方向 如下图，电流如下图，电流从左向右流过线圈。判断感应电动势的方向。（从左向右流过线圈。判断感应电动势的方向。（a a）如果电流随时间增大，如果电流随时间增大，（b b）如果电流随时间减小。）如果电流随时间减小。由楞次定律知道，感应电动由楞次定律知道，感应电动势必须反抗磁通量的变化。势必须反抗磁通量的变化。（a a）如果电流增大，则磁）如果电流增大，则磁通量也增大。感应电动势将通量也增大。感应电动势将反抗磁通量的增大，激发与反抗磁通量的增大，激发与原磁场方向相反的磁场。原磁场方向相反的磁场。（b b）如果电流减小，那么根据楞次定律，感应电动势将阻碍）如果电流减小，那么根据楞次定律，感应电动势将阻碍磁通量的减小磁通量的减小即感应电流的方向要与原电流方向相同。即感应电流的方向要与原电流方向相同。