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1、新课标高中物理选修新课标高中物理选修3 35 5第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】物物物物质质质质实物实物实物实物场场场场质子质子质子质子电子电子电子电子电场电场电场电场磁场磁场磁场磁场光光光光是是是是传传传传播播播播着着着着的的的的电电电电磁磁磁磁场场场场实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性实物粒子在一定条件下是否会表现出波动性【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波两种模型：两种模型：粒子模型粒子模型 经典粒子特征
2、：经典粒子特征：运动特征：运动特征：波动模型波动模型经典波的特征：经典波的特征：如：如：如：如：声音的干涉、衍射现象声音的干涉、衍射现象声音的干涉、衍射现象声音的干涉、衍射现象如：如：如：如：自由落体、电子在电场中偏转自由落体、电子在电场中偏转自由落体、电子在电场中偏转自由落体、电子在电场中偏转有大小、质量、电荷有大小、质量、电荷.有有频率、波长，频率、波长，即具有时空的即具有时空的周期性。周期性。能确定任意时刻的能确定任意时刻的位置位置和和速度速度以及以及时空中的确定时空中的确定轨道。轨道。【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】波和粒子是两种不同的研究对象，具有非波和粒子是两种不同的研
3、究对象，具有非常不同的表现，那么，为什么对于光子、电子常不同的表现，那么，为什么对于光子、电子和质子等粒子又能集它们于一身呢？和质子等粒子又能集它们于一身呢？二、概率波二、概率波双缝干涉现象：双缝干涉现象：到达明纹的光子数多，到达明纹的光子数多，到达暗纹的光子数少。到达暗纹的光子数少。是否可以认为：是否可以认为：是光子之间的相互作用是光子之间的相互作用使它表现出了波动性，使它表现出了波动性，而不是光子本身就具有波动性呢？而不是光子本身就具有波动性呢？【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】问题：问题：一个光子通过狭缝后到底落在屏上的一个光子通过狭
4、缝后到底落在屏上的哪一点呢？哪一点呢？1926年德国物理学家波年德国物理学家波恩指出：恩指出：光子落在明处的概光子落在明处的概率大，落在暗处的概率小。率大，落在暗处的概率小。光子在空间出现的概率光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，可以通过波动的规律确定，所以从光子的概念上看，所以从光子的概念上看，光光波是一种概率波波是一种概率波.玻恩玻恩玻恩玻恩 19541954年诺年诺年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖贝尔物理学奖贝尔物理学奖【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】1、对概率波的验证对概率波的验证电子的双缝衍射电子的双缝衍射1)用足够强的电子束进行双缝衍射用足够强的电子束进行双缝衍
5、射 结果与光的双缝衍射一样：结果与光的双缝衍射一样：出出现现了了明明暗暗相相间间的的衍衍射射条条纹纹，体体现现电电子子的波动性。的波动性。衍射条纹掩饰了电子的粒子性衍射条纹掩饰了电子的粒子性 未能体现电子在空间分布的概率性质。未能体现电子在空间分布的概率性质。【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】2)用非常弱的电子束进行双缝衍射用非常弱的电子束进行双缝衍射 开始电子打在屏幕上的位置是任意的开始电子打在屏幕上的位置是任意的开始电子打在屏幕上的位置是任意的开始电子打在屏幕上的位置是任意的 随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束随着时间推移，出现清
6、晰衍射条纹，和强电子束随着时间推移，出现清晰衍射条纹，和强电子束在短时间形成的一样在短时间形成的一样在短时间形成的一样在短时间形成的一样 单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布单个电子的运动是完全不确定的，具有概率分布 电子运动的概率具有确定的规律电子运动的概率具有确定的规律电子运动的概率具有确定的规律电子运动的概率具有确定的规律波动规律波动规律波动规律波动规律 7 7个电子个电子个电子个电子100100个电子个电子个电子个电子300030002000070000【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】
7、2、物质波是不是经典波？、物质波是不是经典波？经经典典的的波波是是介介质质中中质质元元共共同同振振动动形形成成的的，实际存在实际存在于空间的一种波动。于空间的一种波动。双双缝缝衍衍射射中中，每每个个电电子子的的分分布布是是随随机机的的，完完全全不不确确定定的的。但但屏屏幕幕上上出出现现的的是是强强弱弱连连续续分布的条纹（整体性）。分布的条纹（整体性）。物物质质波波是是一一种种概概率率波波。简简单单的的说说，是是为为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】3、微观粒子是不是经典粒子？、微观粒子是不是经典粒子？经典
8、粒子双缝衍射经典粒子双缝衍射 子弹可以看作是经典粒子子弹可以看作是经典粒子 假假想想用用机机关关枪枪扫扫射射双双缝缝A和和B，屏屏幕幕C收收集集子弹数目子弹数目【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】1)将狭缝将狭缝 B 挡住挡住 子弹通过子弹通过 A 在屏幕在屏幕 C 上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类似于单缝衍射的中央主极大P1 子弹落在中央主极大范围的概率分布子弹落在中央主极大范围的概率分布【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】2)将狭缝将狭缝A 挡住挡住 子弹通过子弹通过 B 在屏幕在屏幕 C 上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类
9、似于单缝衍射的中央主极大P2 子弹落在中央主极大范围的概率分布子弹落在中央主极大范围的概率分布【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】3)A和和B狭缝同时打开狭缝同时打开 子弹是子弹是经典粒子经典粒子 原来通过原来通过A狭缝的子弹狭缝的子弹 还是通过还是通过A 原来通过原来通过B狭缝的子弹狭缝的子弹 还是通过还是通过B屏幕屏幕屏幕屏幕C C上子弹分布概率上子弹分布概率上子弹分布概率上子弹分布概率两两两两个个个个狭狭狭狭缝缝缝缝同同同同时时时时打打打打开开开开，每每每每颗颗颗颗子弹也不会有新的选择！子弹也不会有新的选择！子弹也不会有新的选择！子弹也不会有新的选择！【精品课件，教学帮手】【精品
10、课件，教学帮手】电子双缝衍射电子双缝衍射 电电子子枪枪发发射射出出的的电电子子，在在屏屏幕幕P上上观观察察电电子数目子数目1)将狭缝将狭缝B挡住挡住 电子通过狭缝电子通过狭缝电子通过狭缝电子通过狭缝A A 在屏幕在屏幕在屏幕在屏幕C C有一定分布有一定分布有一定分布有一定分布 类似于单缝衍射类似于单缝衍射类似于单缝衍射类似于单缝衍射 的中央主极大的中央主极大的中央主极大的中央主极大【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】2)将狭缝将狭缝A挡住挡住 电子通过狭缝电子通过狭缝B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大类似于单缝衍射的中央主极大【精品课件，教学帮手】
11、【精品课件，教学帮手】3）A和和B狭缝同时打开狭缝同时打开 如果如果电子是经典粒子电子是经典粒子 原来通过原来通过A狭缝的电子狭缝的电子 还是通过还是通过A 原来通过原来通过B狭缝的电子狭缝的电子 还是通过还是通过B屏幕上电子的概率分布屏幕上电子的概率分布屏幕上电子的概率分布屏幕上电子的概率分布【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】屏幕屏幕C 实际观察到类似光的双缝衍射条纹实际观察到类似光的双缝衍射条纹屏幕屏幕C上电子的概率分布上电子的概率分布 只开一个狭缝和同时开两个狭缝只开一个狭缝和同时开两个狭缝 电子运动的方向具有随机性电子运动的方向具有随机性 A和和B狭缝同时打开狭缝同时打开 电
12、子似乎电子似乎“知道知道”两个狭缝都打开！两个狭缝都打开！【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】双缝和屏幕之间双缝和屏幕之间 到底发生了什么？到底发生了什么？屏幕上电子的分布屏幕上电子的分布 有了新的概率分布有了新的概率分布电子电子 不是经典粒子不是经典粒子【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释 1926年，德国物理学玻恩年，德国物理学玻恩(Born,1882-1972)提出了提出了概率波概率波，认为，认为单个单个微观粒子微观粒子在何处出现有一定的在何处出现有一定的偶然性偶然性(不确定性不确定性)，但是，但是大量粒子大量粒子在空间何处在空间何
13、处出现的空间分布却服从出现的空间分布却服从一定的统计规律一定的统计规律。粒子在某点出现的概率的大小可由粒子在某点出现的概率的大小可由波动波动规律规律确定。确定。【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】光子在某处出现的概率由光在该处的光强决定光子在某处出现的概率由光在该处的光强决定I 大大 光子出现概率大光子出现概率大I小小 光子出现概率小光子出现概率小概率波概率波体现了波粒二象性的和谐统一体现了波粒二象性的和谐统一单单缝缝衍衍射射光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成光子在某处出现的概率和该处光振幅的平方成正比正比【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】根据经典物理学，如果我们已知一
14、根据经典物理学，如果我们已知一物体的初始位置和初始速度，就可以准物体的初始位置和初始速度，就可以准确地确定以后任意时刻的位置和速度。确地确定以后任意时刻的位置和速度。但是在微观世界中，由于微观粒子但是在微观世界中，由于微观粒子具有波动性，具有波动性，其坐标和动量不能同时确其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。粒子性。海森伯，海森伯，德国著名的德国著名的现代物理学家。现代物理学家。新课标高中物理选修新课标高中物理选修3 35 5第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】、光的单缝衍射、光的单缝衍射
15、激激光光束束像屏像屏 由于衍射由于衍射，落点会超出单缝投影的范围，落点会超出单缝投影的范围，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已经其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律，不遵守牛顿运动定律，不能同时用粒子的位不能同时用粒子的位置和动量置和动量来描述粒子的运动了。来描述粒子的运动了。【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】屏上各点的亮度反映屏上各点的亮度反映了粒子到达该点的概率。了粒子到达该点的概率。1、粒子在挡板左侧动、粒子在挡板左侧动量确定，但位置完全量确定，但位置完全不确定。不确定。2、在单缝处，位置不、在单缝处，位置不确定范围是：缝宽确定范围是：缝宽a=x3、在缝后
16、、在缝后x方向有动方向有动量，也不确定：量，也不确定：px入射入射粒子粒子【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】若减小缝宽若减小缝宽 位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，所以所以 x 方向动量的不确定量变大。方向动量的不确定量变大。2 2、海森伯不确定关系、海森伯不确定关系 1927年海森伯提出：粒子在某方向上的年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。积必不小于普朗克常数。所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可所
17、以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可所以，子弹位置的不确定范围是微不足道的。可见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对见子弹的动量和位置都能精确地确定，不确定关系对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体来说没有实际意义。宏观物体来说没有实际意义。宏观物体来说没有实际意义。宏观物体来说没有实际意义。例例例例1 1 1 1.一颗质量为一颗质量为一颗质量为一颗质量为10101010g g g g 的子弹，具有的子弹，具有的子弹，具有的子弹，具有200m200m200m200ms s s s-1-1-1-1的速率，的速率，的速率，
18、的速率，若若若若其其其其动动动动量量量量的的的的不不不不确确确确定定定定范范范范围围围围为为为为动动动动量量量量的的的的0.0.0.0.01%(01%(01%(01%(这这这这在在在在宏宏宏宏观观观观范范范范围围围围是十分精确是十分精确是十分精确是十分精确)，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，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?解解解解:子弹的动量子弹的动量子弹的动量子弹的动量动量的不确定范围动量的不确定范围动量的不确定范围动量的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围由不确定关系式
19、，得子弹位置的不确定范围由不确定关系式，得子弹位置的不确定范围 电电电电子子子子位位位位置置置置的的的的不不不不确确确确定定定定范范范范围围围围比比比比原原原原子子子子的的的的大大大大小小小小还还还还要要要要大大大大几几几几亿亿亿亿倍倍倍倍，可可可可见见见见企企企企图图图图精精精精确确确确地地地地确确确确定定定定电电电电子子子子的的的的位位位位置置置置和和和和动动动动量量量量已已已已是是是是没没没没有有有有实际意义。实际意义。实际意义。实际意义。例例例例2.2.2.2.一电子具有一电子具有一电子具有一电子具有200 m/s200 m/s200 m/s200 m/s的速率，动量的不确定的速率，动
20、量的不确定的速率，动量的不确定的速率，动量的不确定范范范范围围围围为为为为动动动动量量量量的的的的0.0.0.0.01%(01%(01%(01%(这这这这已已已已经经经经足足足足够够够够精精精精确确确确了了了了)，则则则则该该该该电电电电子子子子的位置不确定范围有多大的位置不确定范围有多大的位置不确定范围有多大的位置不确定范围有多大?解解解解:电子的动量为电子的动量为电子的动量为电子的动量为动量的不确定范围动量的不确定范围动量的不确定范围动量的不确定范围由不确定关系式，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
21、不确定范围【精品课件，教学帮手】【精品课件，教学帮手】海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量坐标和动量不能同时确定不能同时确定。粒子位置若是测得。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。不确定关系是不确定关系是物质的波粒二象性物质的波粒二象性引起的。引起的。对于微观粒子，不能用经典物理描述对于微观粒子，不能用经典物理描述。海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。有效的限制。