人教版高中物理 17.4 概率波 17.5 不确定性关系课件 新人教选修35.ppt
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1、2021/8/9 星期一12021/8/9 星期一22021/8/9 星期一32021/8/9 星期一42021/8/9 星期一52021/8/9 星期一62021/8/9 星期一72021/8/9 星期一82021/8/9 星期一92021/8/9 星期一10一、对概率波的理解一、对概率波的理解2021/8/9 星期一111.正确理解光的波动性正确理解光的波动性光的干涉现象不是光子之间的相互作用使它表现出波动性的,光的干涉现象不是光子之间的相互作用使它表现出波动性的,在双缝干涉实验中,使光源在双缝干涉实验中,使光源S非常弱,以致前一个光子到达屏非常弱,以致前一个光子到达屏后才发射第二个光子后
2、才发射第二个光子.这样就排除了光子之间的相互作用的可这样就排除了光子之间的相互作用的可能性能性.实验结果表明,尽管单个光子的落点不可预知,但长时实验结果表明,尽管单个光子的落点不可预知,但长时间曝光之后仍然得到了干涉条纹分布间曝光之后仍然得到了干涉条纹分布.可见,光的波动性不是可见,光的波动性不是光子之间的相互作用引起的光子之间的相互作用引起的.2021/8/9 星期一122.光波是一种概率波光波是一种概率波在双缝干涉实验中,光子通过双缝后,对某一个光子而言,在双缝干涉实验中,光子通过双缝后,对某一个光子而言,不能肯定它落在哪一点,但屏上各处明暗条纹的不同亮度,不能肯定它落在哪一点,但屏上各处
3、明暗条纹的不同亮度,说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的.光子落在明条光子落在明条纹处的概率大,落在暗条纹处的概率小纹处的概率大,落在暗条纹处的概率小.这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定,这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定,因此说光是一种概率波因此说光是一种概率波.2021/8/9 星期一133.其他微观粒子的概率波其他微观粒子的概率波对于电子、实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性,对于电子、实物粒子等其他微观粒子,同样具有波粒二象性,所以与它们相联系的物质波也是概率波所以与它们相联系的物质波也是概率波.也就
4、是说,单个粒子位置是不确定的,具有偶然性;大量粒也就是说,单个粒子位置是不确定的,具有偶然性;大量粒子运动具有必然性,遵循统计规律子运动具有必然性,遵循统计规律.概率波将波动性和粒子性概率波将波动性和粒子性统一在一起统一在一起.2021/8/9 星期一14 (1)(1)在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达,只是光子数量到达,只是光子数量“特别少特别少”很难呈现出亮度很难呈现出亮度.(2)(2)要理解统计规律,对统计规律的认识是理解概率波的前提要理解统计规律,对统计规律的认识是理解概率波的前提.2021/8/9 星期一15【典例典例1】在单缝衍射实验中
5、,中央亮纹的光强占从单缝射入在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的的整个光强的95以上以上.假设现在只让一个光子通过单缝,那假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子么该光子()A.一定落在中央亮纹处一定落在中央亮纹处B.一定落在亮纹处一定落在亮纹处C.可能落在暗纹处可能落在暗纹处D.落在中央亮纹处的可能性最大落在中央亮纹处的可能性最大 【解题指导解题指导】解决本题关键要明确概率波的知识,知道解决本题关键要明确概率波的知识,知道概率波的规律就是统计规律,单个光子是不能肯定落在哪个概率波的规律就是统计规律,单个光子是不能肯定落在哪个点上的,我们只能得出大量光子的落点区域点上的,我
6、们只能得出大量光子的落点区域.2021/8/9 星期一16【标准解答标准解答】选选C C、D.D.根据光波是概率波的概念,对于一个光根据光波是概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处中央亮纹处.当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故不过,落在暗纹处的概率很小,故C C、D D选项正确选项正确.2021/8/9 星期一17【规律方法规律方法】关于光子到达区域的理解关于光子到达区域的理解光具有波动性,光的波动性是统计规律的结果
7、,对某个光子光具有波动性,光的波动性是统计规律的结果,对某个光子我们无法判断它落到哪个位置,我们只能判断大量光子的落我们无法判断它落到哪个位置,我们只能判断大量光子的落点区域点区域.同时,我们要明确在暗条纹处,也有光子到达,只是同时,我们要明确在暗条纹处,也有光子到达,只是光子数很少;对于通过单缝的大量光子而言,绝大多数光子光子数很少;对于通过单缝的大量光子而言,绝大多数光子落在中央亮纹处,只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处落在中央亮纹处,只有少数光子落在其他亮纹处及暗纹处.2021/8/9 星期一18二、对不确定性关系的理解二、对不确定性关系的理解2021/8/9 星期一231.粒子位置的不
8、确定性粒子位置的不确定性单缝衍射现象中,入射的粒子有确定的动量,但它们可以处单缝衍射现象中,入射的粒子有确定的动量,但它们可以处于挡板左侧的任何位置,也就是说,粒子在挡板左侧的位置于挡板左侧的任何位置,也就是说,粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的是完全不确定的.2021/8/9 星期一242.粒子动量的不确定性粒子动量的不确定性微观粒子具有波动性,会发生衍射微观粒子具有波动性,会发生衍射.大部分粒子到达狭缝之前大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动,而在经过狭缝之后,有些粒子跑到投影位沿水平方向运动,而在经过狭缝之后,有些粒子跑到投影位置以外置以外.这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量这些粒子
9、具有与其原来运动方向垂直的动量.由于哪个由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的,所以粒子在垂直方粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的,所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性,不确定量的大小可以由中央亮向上的动量也具有不确定性,不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量条纹的宽度来衡量.2021/8/9 星期一253.位置和动量的不确定性关系:位置和动量的不确定性关系:xp由由xp 可以知道,在微观领域,要准确地测定粒子可以知道,在微观领域,要准确地测定粒子的位置,动量的不确定性就更大;反之,要准确确定粒子的的位置,动量的不确定性就更大;反之,要准确确定粒子的动量,那么位置的不确定性就更大动
10、量,那么位置的不确定性就更大.如将狭缝变成宽缝,粒子如将狭缝变成宽缝,粒子的动量能被精确测定的动量能被精确测定(可认为此时不发生衍射可认为此时不发生衍射),但粒子通过,但粒子通过缝的位置的不确定性却增大了;反之取狭缝缝的位置的不确定性却增大了;反之取狭缝x0,粒子的,粒子的位置测定精确了,但衍射范围会随位置测定精确了,但衍射范围会随x的减小而增大,这时动的减小而增大,这时动量的测定就更加不准确了量的测定就更加不准确了.2021/8/9 星期一264.微观粒子的运动没有特定的轨道微观粒子的运动没有特定的轨道由不确定关系由不确定关系xp 可知,微观粒子的位置和动量是可知,微观粒子的位置和动量是不能
11、同时被确定的,这也就决定了不能用不能同时被确定的,这也就决定了不能用“轨迹轨迹”的观点来的观点来描述粒子的运动,因为描述粒子的运动,因为“轨迹轨迹”对应的粒子某时刻应该有确对应的粒子某时刻应该有确定的位置和动量,但这是不符合实验规律的定的位置和动量,但这是不符合实验规律的.微观粒子的运动微观粒子的运动状态,不能像宏观物体的运动那样通过确定的轨迹来描述,状态,不能像宏观物体的运动那样通过确定的轨迹来描述,而是只能通过概率波进行统计性的描述而是只能通过概率波进行统计性的描述.2021/8/9 星期一275.经典物理和微观物理的区别经典物理和微观物理的区别在经典物理学中,可以同时用位置和动量精确地描
12、述质点的在经典物理学中,可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动,如果知道质点的加速度运动,如果知道质点的加速度.还可以预言质点在以后任意时还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量,从而描绘它的运动轨迹刻的位置和动量,从而描绘它的运动轨迹.2021/8/9 星期一28在微观物理学中,不确定关系告诉我们,如果要更准确地确在微观物理学中,不确定关系告诉我们,如果要更准确地确定粒子的位置定粒子的位置(即即x很小很小),那么动量的测量一定会更不准确,那么动量的测量一定会更不准确(即即p更大更大),即不可能同时准确地知道粒子的位置和动量,即不可能同时准确地知道粒子的位置和动量.因因而也就不可能用而也就不
13、可能用“轨迹轨迹”来描述粒子的运动来描述粒子的运动.但是,我们可以但是,我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律准确地知道大量粒子运动时的统计规律.一个宏观系统总是包一个宏观系统总是包含着大量粒子,因此我们仍然能够对宏观现象进行预言含着大量粒子,因此我们仍然能够对宏观现象进行预言.例如,例如,当粒子数很少时,我们不能预言粒子通过挡板上的狭缝后落当粒子数很少时,我们不能预言粒子通过挡板上的狭缝后落在屏上的位置,但却可以准确知道粒子落在屏上某点的概率;在屏上的位置,但却可以准确知道粒子落在屏上某点的概率;概率大的位置正好是某种波通过狭缝发生衍射时产生亮条纹概率大的位置正好是某种波通过狭缝发生衍射
14、时产生亮条纹的位置的位置.2021/8/9 星期一29 (1)(1)不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准,不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准,也不是说微观粒子的动量测不准,更不是说微观粒子的坐标也不是说微观粒子的动量测不准,更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准,而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测和动量都测不准,而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准准.(2)(2)普朗克常量是不确定关系中的重要角色,如果普朗克常量是不确定关系中的重要角色,如果h h的值可忽的值可忽略不计,这时物体的位置、动量可同时有确定的值,如果略不计,这时物体的位置、动量可同时有确定的值,如果h h不不能忽略,这时必
15、须考虑微粒的波粒二象性能忽略,这时必须考虑微粒的波粒二象性.h.h成为划分经典物成为划分经典物理学和量子力学的一个界线理学和量子力学的一个界线.2021/8/9 星期一30【典例典例2】质量为质量为10 g的子弹与电子的速率相同均为的子弹与电子的速率相同均为500 m/s,测量准确度为测量准确度为0.01%,若位置和速率在同一实验中同时测量,试,若位置和速率在同一实验中同时测量,试问它们位置的最小不确定量各为多少?问它们位置的最小不确定量各为多少?(电子质量电子质量m=9.110-31 kg)【解题指导解题指导】解答本题时应把握以下两点:解答本题时应把握以下两点:2021/8/9 星期一31【
16、标准解答标准解答】测量准确度也就是速度的不确定性,故子弹、测量准确度也就是速度的不确定性,故子弹、电子的速度不确定量为电子的速度不确定量为v=0.05 m/s,v=0.05 m/s,子弹动量的不确定量子弹动量的不确定量p1=510-4 kgm/s,p1=510-4 kgm/s,电子动量的不确定量电子动量的不确定量p2=4.6p2=4.610-32 kgm/s,10-32 kgm/s,由由x x 子弹位置的最小不确定量子弹位置的最小不确定量 电子位置的最小不确定量电子位置的最小不确定量答案:答案:1.0610-31 m 1.1510-3 m1.0610-31 m 1.1510-3 m2021/8
17、/9 星期一32【规律方法规律方法】对不确定关系的理解技巧对不确定关系的理解技巧从本例可见对子弹这样的宏观物体,不确定量是微不足道从本例可见对子弹这样的宏观物体,不确定量是微不足道的,对测量准确性没有任何限制,但对微观粒子却是不可忽的,对测量准确性没有任何限制,但对微观粒子却是不可忽略的;不确定性关系略的;不确定性关系xp xp 是自然界的普遍规律,对是自然界的普遍规律,对微观世界的影响显著,对宏观世界的影响可忽略不计微观世界的影响显著,对宏观世界的影响可忽略不计.也就是也就是说,宏观世界中的物体质量较大说,宏观世界中的物体质量较大,位置和速度的不确定范围较位置和速度的不确定范围较小,可同时较
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