(精品)5　不确定 (2)(精品).ppt

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1、导入新课导入新课 对光的本性的认识：对光的本性的认识：光具有波动性和粒子性，是一种概光具有波动性和粒子性，是一种概率波。率波。知识回顾知识回顾知识回顾知识回顾1926年，德国物理学玻恩年，德国物理学玻恩（Born，1882-1972）提出了概率波，认为个别微提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。从一定的统计规律。经典波动与德布罗意波（物质波）的经典波动与德布罗意波（物质波）的区别：经典的波动（如机械波、电磁波等）区别：经典的波动（如机械波、电磁波等

2、）是可以测出的、实际存在于空间的一种波是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波（物质波）是一种概率动。而德布罗意波（物质波）是一种概率波。简单的说，是为了描述微观粒子的波波。简单的说，是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。动性而引入的一种方法。学习光的波粒二象性和物质波学习光的波粒二象性和物质波的时候，我们用概率波来描述微观的时候，我们用概率波来描述微观粒子的运动规律，我们怎样确定微粒子的运动规律，我们怎样确定微观粒子在空间的位置？观粒子在空间的位置？第五节不确定性关系第五节不确定性关系第十七章波粒二象性第十七章波粒二象性了解不确定关系的概念和相关计算。了解不确定关系的概念和

3、相关计算。了解物理模型与物理现象。了解物理模型与物理现象。教学目标教学目标1 1、知识与技能、知识与技能会借助光的衍射实验理解位置和动量的测会借助光的衍射实验理解位置和动量的测不准关系不准关系xph/4。会借助能级的实验事实理解能量和时间的会借助能级的实验事实理解能量和时间的测不准关系测不准关系Eth/4。2、过程与方法、过程与方法 通过讲述一些物理史的内容培养学生通过讲述一些物理史的内容培养学生的学习兴趣和了解科学家为科学献身的精神，的学习兴趣和了解科学家为科学献身的精神，树立刻苦钻研，勤奋好学的决心。树立刻苦钻研，勤奋好学的决心。了解科学理论都有其适用的范围。了解科学理论都有其适用的范围。

4、了解自然科学发展的规律。了解自然科学发展的规律。3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观教学重难点教学重难点重点重点 不确定关系的概念不确定关系的概念 难点难点对不确定关系的定量应用对不确定关系的定量应用本节导航本节导航一、不确定性关系一、不确定性关系二、物理模型与物理关系二、物理模型与物理关系一、不确定性关系一、不确定性关系一、不确定性关系一、不确定性关系 在经典力学中，粒子（质点）的运动状态用在经典力学中，粒子（质点）的运动状态用位置坐标位置坐标和和动量动量来描述，而且这两个量都可以同来描述，而且这两个量都可以同时准确地予以测定。然而，对于具有二象性的微时准确地予以测定。然而，对于具有二

5、象性的微观粒子来说，是否也能用确定的坐标和确定的动观粒子来说，是否也能用确定的坐标和确定的动量来描述呢？量来描述呢？1、概念：、概念：经典力学：运动物体有完全确定的经典力学：运动物体有完全确定的位置位置、动量动量、能能量量等。等。微观粒子：微观粒子：位置位置、动量等具有不确定量（概率）。、动量等具有不确定量（概率）。2、电子衍射中的不确定度、电子衍射中的不确定度如下图所示：一束电子以速度如下图所示：一束电子以速度v 沿沿oy 轴射向狭缝。轴射向狭缝。电子在中央主极大区域出现的几率最大。电子在中央主极大区域出现的几率最大。电电子子衍衍射射实实验验示示意意图图设有一束电子沿设有一束电子沿oy轴射向

6、屏轴射向屏AB上缝宽为上缝宽为a的的狭缝，于是，在照相底片狭缝，于是，在照相底片CD上，如上图所示，上，如上图所示，如果仍用坐标如果仍用坐标x和动量和动量p来描述这一电子的运动来描述这一电子的运动状态，那么，一个电子通过狭缝的瞬时，它是状态，那么，一个电子通过狭缝的瞬时，它是从缝上哪一点通过的呢从缝上哪一点通过的呢?也就是说，电子通过也就是说，电子通过狭缝的瞬时，其坐标狭缝的瞬时，其坐标x为多少为多少?显然，这一问题，显然，这一问题，我们无法准确地回答，因为此时该电子究竟在我们无法准确地回答，因为此时该电子究竟在缝上哪一点通过是无法确定的，即我们不能准缝上哪一点通过是无法确定的，即我们不能准确

7、地确定该电子通过狭缝时的坐标。研究表明：确地确定该电子通过狭缝时的坐标。研究表明：对于第一衍射极小，对于第一衍射极小，上式中上式中为电子的德布罗意波长。电子的为电子的德布罗意波长。电子的位置和动量分别用位置和动量分别用x和和p来表示。电子通过狭来表示。电子通过狭缝的瞬间，其位置在缝的瞬间，其位置在x方向上的方向上的不确定量为不确定量为x=a同一时刻，由于衍射效应，粒子的速度同一时刻，由于衍射效应，粒子的速度方向有了改变，缝越小，动量的分量方向有了改变，缝越小，动量的分量px变化变化越大。分析计算可得：越大。分析计算可得：式中式中h为普朗克常量。这就是著名的不确定为普朗克常量。这就是著名的不确定

8、性关系，简称不确定关系。性关系，简称不确定关系。上式表明：上式表明：（1）许多相同粒子在相同条件下实验，粒）许多相同粒子在相同条件下实验，粒子在同一时刻并不处在同一位置。子在同一时刻并不处在同一位置。（2）用单个粒子重复，粒子也不在同一位）用单个粒子重复，粒子也不在同一位置出现。置出现。例例1一颗质量为一颗质量为10g的子弹，具有的子弹，具有200ms-1的速率，若其动量的不确定范围为动量的速率，若其动量的不确定范围为动量的的0.01%(这在宏观范围是十分精确的了这在宏观范围是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定量范围为多大则该子弹位置的不确定量范围为多大?例题例题动量的不确定范围动量的不确定

9、范围解解：子弹的动量：子弹的动量由不确定关系式由不确定关系式C，得子弹位置的不确定范围，得子弹位置的不确定范围原子核的数量级为原子核的数量级为10-15m，所以，子弹位置，所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对宏观物和位置都能精确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义体来说没有实际意义。例例2一电子具有一电子具有200m/s的速率，动量的不的速率，动量的不确定范围为动量的确定范围为动量的0.01%(这已经足够精确了这已经足够精确了)，则该电子的位置不确定范围有多大则该电子的位置不确定范围有多大?动量

10、的不确定范围动量的不确定范围解解:电子的动量为电子的动量为由不确定关系式，得电子位置的不确定范围由不确定关系式，得电子位置的不确定范围 原子大小的数量级为原子大小的数量级为1010-10-10m m，电子则更小。，电子则更小。在这种情况下，电子位置的不确定范围比原子在这种情况下，电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍，可见企图精确地确定电的大小还要大几亿倍，可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。子的位置和动量已是没有实际意义。二、物理现象和物理二、物理现象和物理二、物理现象和物理二、物理现象和物理本质本质本质本质 在经典物理学中，对于不同的宏观现象，在经典物理学中，对于不同

11、的宏观现象，分别建立了粒子模型和波动模型，在微观世分别建立了粒子模型和波动模型，在微观世界属性中也可以用一些模型来设想。界属性中也可以用一些模型来设想。根据德布罗意波的长可以肯定的说，波根据德布罗意波的长可以肯定的说，波动性是所有物体都有的，不管是一个电子还动性是所有物体都有的，不管是一个电子还是一颗飞行的子弹，乃至一个星球，只不过是一颗飞行的子弹，乃至一个星球，只不过子弹和星球的动量太大，波长要比原子和电子弹和星球的动量太大，波长要比原子和电子的波长小的多，因而难以观察到它们的波子的波长小的多，因而难以观察到它们的波动图形。动图形。1、不确定关系的物理意义和微观本质、不确定关系的物理意义和微

12、观本质（1）物理意义：物理意义：微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量越小，动量的不确定量粒子位置的不确定量越小，动量的不确定量就越大，反之亦然。就越大，反之亦然。（2）微观本质：微观本质：是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵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。从统计规律的必然结果。不确定关系式表明：不确定关系式表明：（1）微观粒子的坐标测得愈准确，动量就微观粒子的坐标测得愈准确，动量就愈不准确愈不准确（2）微观粒子的动量测得愈准确，坐标就）微观粒子的动量测得愈准确，坐标就愈不准确愈不准确不确定关系不是说微观

13、粒子的坐标测不准；不确定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都测不准；而是说微微观粒子的坐标和动量不能同时测准。观粒子的坐标和动量不能同时测准。（2）微观粒子的坐标和动量不能同时测准微观粒子的坐标和动量不能同时测准因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有有确定量确定量。这本质上是。这本质上是微观粒子具有波粒二象微观粒子具有波粒二象性性的必然反映。的必然反映。可知，不确定关系是自然界的一条可知，不确定关系是自然界的一条客观规客观规律

14、律，不是测量技术和主观能力的问题不是测量技术和主观能力的问题。（3）不确定关系提供了一个判据：）不确定关系提供了一个判据：当不确定关系施加的限制可以当不确定关系施加的限制可以忽略忽略时，则可时，则可以用经典理论来研究粒子的运动。以用经典理论来研究粒子的运动。当不确定关系施加的限制当不确定关系施加的限制不可以忽略不可以忽略时，那时，那只能用量子力学理论来处理问题。只能用量子力学理论来处理问题。课堂小结课堂小结位置和动量的测不准关系位置和动量的测不准关系xp=h/4实验（光的衍射）实验（光的衍射）能量和时间的测不准关系能量和时间的测不准关系E=h/4实验（原子光谱）实验（原子光谱）宏观运动与微观运

15、动宏观运动与微观运动不不确确定定性性关关系系 微观粒子和宏观物体的特性对比微观粒子和宏观物体的特性对比微观粒子和宏观物体的特性对比微观粒子和宏观物体的特性对比宏观物体宏观物体微观粒子微观粒子具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学描述。描述。没有确定的坐标和动量，需用量子力没有确定的坐标和动量，需用量子力学描述。学描述。有连续可测的运动轨道，可追踪各个物有连续可测的运动轨道，可追踪各个物体的运动轨迹。体的运动轨迹。有概率分布特性，不可能分辨出各个有概率分布特性，不可能分辨出各个粒子的轨迹。粒子的轨迹。体系能量可以为任意的、连续变化的数体系能量可以为任意的、连续变化的

16、数值。值。能量量子化能量量子化 。不确定度关系无实际意义不确定度关系无实际意义遵循不确定度关系遵循不确定度关系著名的不确定关著名的不确定关系系 利用数学方法对微观粒子的运动进行分利用数学方法对微观粒子的运动进行分利用数学方法对微观粒子的运动进行分利用数学方法对微观粒子的运动进行分析可以知道：析可以知道：析可以知道：析可以知道：位置和动量的不确定关系位置和动量的不确定关系时间和能量的不确定关系时间和能量的不确定关系推推导导其他几对的不确定关系其他几对的不确定关系高考链接高考链接（07河南郑州）根据量子理论，光子的能量河南郑州）根据量子理论，光子的能量满足关系式满足关系式E=pc，其中，其中c为光

17、在真空中的速度，为光在真空中的速度，p为光子具有的动量。有人设想利用光子被物为光子具有的动量。有人设想利用光子被物体反射时对物体产生的压力作为宇宙探测器加体反射时对物体产生的压力作为宇宙探测器加速的动力。探测器上安装有面积很大，反射率速的动力。探测器上安装有面积很大，反射率极高的薄膜，使薄膜正对太阳。已知太阳光照极高的薄膜，使薄膜正对太阳。已知太阳光照射到薄膜时每平方米面积的功率为射到薄膜时每平方米面积的功率为P0，探测器，探测器和薄膜的总质量为和薄膜的总质量为m，薄膜面积为，薄膜面积为S，每个光，每个光子的动量为子的动量为p,不考虑万有引力等其他力的作用，不考虑万有引力等其他力的作用，试求：

18、试求：解析：（解析：（1）首先，在时间）首先，在时间t内，探测器获得的总能量应为设在相同时间设在相同时间t内，照射到探测器薄膜表面的内，照射到探测器薄膜表面的光子数光子数N，则光子的总能量亦即，则光子的总能量亦即再由再由式，即可求出以下结果式，即可求出以下结果经过时间经过时间t,照射到探测器薄膜表面的光子照射到探测器薄膜表面的光子数：数：探测器的加速度有多大。探测器的加速度有多大。（2）然后，设反射光对薄膜表面产生的压）然后，设反射光对薄膜表面产生的压力为力为F，应用动量定理、牛二定律可得，应用动量定理、牛二定律可得联立联立式，不难求出探测器的加速度式，不难求出探测器的加速度pcStPN0=（

19、05全国全国）1、图中画出了氢原子的、图中画出了氢原子的4个能个能级，并注明了相应的能量级，并注明了相应的能量E。处在。处在n=4的能级的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的光子波。已知金属钾的逸出功为种不同频率的光子波。已知金属钾的逸出功为2.22eV。在这些光波中，能够从金属钾的表面。在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有打出光电子的总共有（）A二种二种 B三种三种C四种四种D五种五种解析：我们先求出一群氢原子由解析：我们先求出一群氢原子由n=4的能级向低能级跃迁时发出的所有的能级向低能级跃迁时发出的所有光子的能量光子

20、的能量与钾的逸出功与钾的逸出功2.22eV比较可知，能从比较可知，能从钾的表面打出光电子的光波总共有钾的表面打出光电子的光波总共有4种。种。因此，本题答案为：因此，本题答案为：C。1在经典物理学中，可以同时用质点的在经典物理学中，可以同时用质点的_和和_精确描述它精确描述它的运动，如果知道了质点的的运动，如果知道了质点的_，还还可以预言它以后任意时刻的可以预言它以后任意时刻的_和和_。位置位置动量动量加速度加速度位置位置动量动量课堂练习课堂练习2用数学方法对微观粒子的用数学方法对微观粒子的_进行进行分析可以知道，如果以分析可以知道，如果以x表示粒子的表示粒子的_不确定量，以不确定量，以p表示粒

21、子表示粒子_不确定量，则有不确定量，则有_，这就是著名的这就是著名的_。微观粒子微观粒子位置的位置的x方向上动量的方向上动量的xp不确定性关系不确定性关系3由不确定关系可以得出的结论是（由不确定关系可以得出的结论是（）A如果动量的不确定范围越小，则与之如果动量的不确定范围越小，则与之对应的坐标的不确定范围就越大对应的坐标的不确定范围就越大B如果坐标的不确定范围越小，则动量的如果坐标的不确定范围越小，则动量的不确定范围就越大不确定范围就越大C动量的不确定范围和与之对应的坐标动量的不确定范围和与之对应的坐标的不确定范围不成反比关系的不确定范围不成反比关系D动量的不确定范围和与之对应的坐标动量的不确

22、定范围和与之对应的坐标的不确定范围有唯一确定的关系的不确定范围有唯一确定的关系C4下列关于不确定关系说法正确的是下列关于不确定关系说法正确的是（)A只对微观粒子适用只对微观粒子适用B只对宏观粒子适用只对宏观粒子适用C对微观和宏观粒子都适用对微观和宏观粒子都适用D对微观和宏观粒子都不适用对微观和宏观粒子都不适用A5有中子衍射技术中，常用热中子研究有中子衍射技术中，常用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波波长晶体的结构，因为热中子的德布罗意波波长与晶体中原子间距比较接近。已知中子质量与晶体中原子间距比较接近。已知中子质量为为1.6710-27kg，普朗克常量为，普朗克常量为6.6310-3

23、4Js，则可以估算出德布罗意波波长为，则可以估算出德布罗意波波长为1.8210-10m的热中子动能的数量级为的热中子动能的数量级为()A10-17JB10-19JC10-21JD10-24JC1、答：例如，火车以一定的速度在一定、答：例如，火车以一定的速度在一定时刻经过某站，可以准确确定某位置和动时刻经过某站，可以准确确定某位置和动量。量。2、答：电子在原子核外运动，其位置和、答：电子在原子核外运动，其位置和动量具有不确定关系，牛顿运动定律不再动量具有不确定关系，牛顿运动定律不再成立。成立。3、答：这种说法不正确。虽然我们不能同、答：这种说法不正确。虽然我们不能同时准确的知道某个粒子的位置和动量，但粒子时准确的知道某个粒子的位置和动量，但粒子的运动有规律可循，那就是统计规律。比如干的运动有规律可循，那就是统计规律。比如干涉，衍射的亮斑位置就是粒子出现概率打的位涉，衍射的亮斑位置就是粒子出现概率打的位置。置。4、答：光子的不确定量变大。因为在光的、答：光子的不确定量变大。因为在光的单缝衍射实验中，狭缝变窄时，屏上中央亮条单缝衍射实验中，狭缝变窄时，屏上中央亮条纹变宽，衍射现象更明显。纹变宽，衍射现象更明显。