高中物理 第5章 波与粒子 3 实物粒子的波粒二象性 4基本粒子与恒星演化学案 鲁科版选修

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散第3节实物粒子的波粒二象性 第4节“基本粒子”与恒星演化目标定位1.知道实物粒子具有波动性以及物质波的波长，知道电子云并初步了解不确定性关系.2.初步了解粒子物理学的基础知识.3.初步了解恒星的演化.4.了解人类认识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深入的一、德布罗意的假设1德布罗意波：任何一个运动的物体都有一种波与它相对应，这种波叫物质波，也称为德布罗意波2德布罗意关系：粒子能量E与相应的波的频率之间的关系为：Eh.动量p与相应波长之间的关系为：p.上述关系称为德布罗意关系两式中的h为普朗克常量通过普朗克常量把粒子性和波动性联系起来二、德布罗意假说的实验探索1实验探究思路干涉、衍射是波特有的现象如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该能发生干涉和衍射现象2实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，证实了电子的波动性三、不确定性关系1微观粒子运动的基本特征：不可能同时准确地知道粒子的位置和动量2不确定性关系：以x表示粒子位置的不确定范围，以p表示粒子动量的不确定范围，那么xp，式中h是普朗克常量四、电子云用点的疏密表示的电子出现的概率分布，称为电子云五、“基本粒子”初步1发现了原子核内部结构后，人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的基本粒子2影响“基本粒子”的相互作用：引力相互作用(引力)、电磁相互作用(电磁力)、强相互作用(强力)、弱相互作用(弱力)3“基本粒子”家族：按粒子参与相互作用的性质来分，可将其分为媒介子、轻子和强子强子是有内部结构的，它由更基本的成分夸克组成4“基本粒子”的探测：加速器和探测器是研究粒子物理的主要工具，探测器分两大类：一类是计数器，一类是径迹探测器六、恒星演化1恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云，进一步凝聚使得引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了2恒星演变：当热核反应产生的斥力与引力作用达到平衡时，恒星停止收缩进入最长、最稳定的主序星阶段3恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞七、极大与极小的奇遇1宇宙大爆炸至今，经历了至少150亿年；在大爆炸初期宇宙发生了巨大的变化，大宇宙的演化与微小的基本粒子紧密地联系在一起了2在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时期，轻子时期，质子和中子结合成氢、氦、锂和氘时期一、对物质波的理解1任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故2物质波波长的计算公式为，频率公式为.3德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波【例1】下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是()A任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波BX光的衍射证实了物质波的假设是正确的C电子的衍射证实了物质波的假设是正确的D宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体不具有波动性答案C解析运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于动量太大，德布罗意波波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项错；只有C项正确【例2】如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？(中子的质量为1.67×1027 kg，普朗克常量为6.63×1034 J·s)答案4.0×1010 m6.63×1035 m解析中子的动量为p1m1v子弹的动量为p2m2v据知中子和子弹的德布罗意波长分别为1，2联立以上各式解得1，2将m11.67×1027 kg，v103 m/sh6.63×1034 J·s，m21.0×102 kg代入上面两式可解得14.0×1010 m，26.63×1035 m借题发挥(1)人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性对于这些粒子，德布罗意给出的和关系同样正确(2)宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长就很小，根本无法观察到它的波动性二、对不确定性关系的理解1不确定性关系微观粒子运动的位置不确定量x和动量的不确定量p的关系式为xp，其中h是普朗克常量，这个关系式叫不确定性关系2不确定性关系表明微观粒子的位置坐标测得越准确(即x越小)，则动量就越不准确(即p越大)；微观粒子的动量测得越准确(即p越小)，则位置坐标就越不准确(即x越大)注意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3不确定性关系是自然界的一条客观规律对任何物体都成立，并不是因为测量技术和主观能力而使微观粒子的坐标和动量不能同时测准对于宏观尺度的物体，其质量m通常不随速度v变化(因为一般情况下，v远小于c)，即pmv，所以xv.由于m远大于h，因此x和v可以同时达到相当小的地步，远远超出最精良仪器的精度，完全可以忽略可见，不确定现象仅在微观世界方可观测到【例3】一颗质量为10 g的子弹，具有200 m/s的速率，若其动量的不确定范围为动量的0.01%(这在宏观范围是十分精确的了)，则该子弹位置的不确定范围为多大？答案大于或等于2.6×1031 m解析子弹的动量为pmv0.01×200 kg·m/s2.0 kg·m/s动量的不确定范围p0.01%×p1.0×104×2.0 kg·m/s2.0×104 kg·m/s由不确定性关系式xp， 得子弹位置的不确定范围x m2.6×1031 m.借题发挥我们知道，原子核的数量级为1015 m，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，不确定性关系对宏观物体来说没有实际意义针对训练1在单缝衍射实验中，若单缝宽度是1.0×109 m，那么光子经过单缝发生衍射，动量不确定量是多少？答案p5.3×1026 kg·m/s解析由题意可知光子位置的不确定量x1.0×109 m，解答本题需利用不确定性关系单缝宽度是光子经过狭缝的位置不确定量，即x1.0×109 m，由xp有：1.0×109 m·p.得p5.3×1026 kg·m/s.三、“基本粒子”初步认识1“基本粒子”间的相互作用自然界中存在四种相互作用，如下表所示：力的类型发生作用的距离传递此力的粒子粒子的质量万有引力作用延伸到非常大的距离没有发现未知弱相互作用约小于1018 m中间玻色子约90 GeV电磁相互作用延伸到非常大的距离光子0强相互作用约小于1015m胶子假定为02.粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，分类如下表所示：比较项分类参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、超子、质子是最早发现的强子强子又分为介子和重子两类强子有内部结构轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子现代实验还没有发现轻子的内部结构每种轻子都有对应的反粒子媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用中间玻色子传递弱相互作用胶子传递强相互作用【例4】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两夸克组成，u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为e，e为基元电荷，下列论断中可能正确的是()A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成答案B解析针对训练2(多选)已知介子、介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷.ud带电荷量eeeeee下列说法正确的是()A由u和组成 B由d和组成C由u和组成 D由d和组成答案AD对物质波的理解1一颗质量为10 g的子弹，以200 m/s的速度运动着，则由德布罗意理论计算，要使这颗子弹发生明显的衍射现象，那么障碍物的尺寸为()A3.0×1010 m B1.8×1011 mC3.0×1034 m D无法确定答案C解析 m3.32×1034 m，故能发生明显衍射的障碍物尺寸应为选项C.2下列说法正确的是()A概率波就是机械波B物质波是一种概率波C概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干涉和衍射现象D在光的双缝干涉实验中，若有一个光子，则能确定这个光子落在哪个点上答案B解析概率波与机械波是两个概念，本质不同，A、C错误；物质波是一种概率波，符合概率波的特点；在光的双缝干涉实验中，若有一个光子，则不能确定这个光子落在哪个点上，D错故B正确对不确定性关系的理解3(多选)下述说法正确的是()A宏观物体的动量和位置可准确测定B微观粒子的动量和位置可准确测定C微观粒子的动量和位置不可同时准确测定D宏观粒子的动量和位置不可同时准确测定答案AC解析宏观物体在经典力学中，位置和动量可以同时精确测定，在量子理论建立之后，微观粒子的动量和位置要同时测出是不可能的4(多选)关于不确定性关系，下列说法正确的是()A在微观世界中，粒子的位置和动量存在一定的不确定性，不能同时准确测量B自然界中的任何物体的动量和位置之间都存在不确定性C海森堡不确定性关系说明粒子的位置和动量存在一定的不确定性，都不能测量D不确定性关系xp，x与p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关答案ABD解析微观世界中，粒子的位置和动量存在一定的不确定性，不能同时准确测量，A正确；如果同时测量某个微观粒子的位置和动量，位置的测量结果越精确，动量的测量误差就越大；反之，动量的测量结果越精确，位置的测量误差就越大，C错误；普朗克常量是一个很小的量，对宏观物体来说，这种不确定关系可以忽略不计，B正确基本粒子初步5现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但