选修3-5-17.5-不确定关系市公开课一等奖省赛课微课金奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,选修3-5,17.5,不确定关系,1/20,再来考查单缝衍射问题,单缝,屏,激光,单缝,屏,激光,一、光单缝衍射,遵从牛顿定律，有确定运动轨迹，能够同时用位置、动量描述，也就是能够同时测准其位置和动量。,事实光子不是经典粒子，,因为衍射,落点会超出单缝投影范围，,遵从（概率波）统计规律，没有确定运动轨迹。能否同时用位置、动量描述？,有运动轨道打在缝后屏投影区,假如光子是经典粒子，从光源飞向屏，不受力，做匀速直线运动。,2/20,在经典力学中，粒子（质点）运动状态用位置坐标和动量来描述，而且这两个量都 能够同时准确地给予测定。然而，对于含有二象性微观粒子来说，是否也能用确定坐标和确定动量来描述呢？下面我们以电子经过单缝衍射为例来进行讨论。,设有一束电子沿 oy 轴射向屏,AB,上缝宽为 a 狭缝，于是，在摄影底片,CD,上，能够观察到以下列图所表示衍射图样。,y,A,B,C,D,3/20,1.,假如我们仍用坐标,x,和动,量,P,x,来描述电子运动状态，,那么，我们不禁要问：一个电,子经过狭缝瞬时，它是从缝,上哪一点经过呢?也就是说，,电子经过狭缝瞬间，其坐标,x,为多少?,二、不确定度关系（,uncertainty relatoin,）,y,在挡板左侧位置是完全不确定,显然我们无法回答其准确,x坐标.入射到挡板左侧粒子有确定速度，即动量。它们能够处于板左侧任何位置。粒子：,对于经过挡板狭缝粒子，它们位置被狭缝限定了，它们位置不确定量减小了。,能够必定，电子经过狭缝瞬间，其位置在 x 方向上不确定量为：,x=a,4/20,二、不确定度关系（,uncertainty relatoin,）,y,这说明微观粒子 已经不再遵从牛顿定律了，也就是,不能,像以前一样，,同时用位置和动量来描述微观粒子运动。,2.,电子经过狭缝后，因为波动性，发生衍射，大部分电子散布在宽度为b中央亮纹之內，这些粒子在抵达狭缝之前沿着水平方向运动，而经过狭缝之后，有些粒子跑到缝投影位置以外。这些,粒子含有了与原来运动方向垂直动量Px,。这些动量又是怎样而来呢？不知道。,哪个粒子抵达屏上哪个位置完全是随机。,粒子在x轴方向动量(速度)也是不确定。,用,p,x,表示,单缝衍射时，屏上各点亮度反应了粒子抵达这点概率。把这个概率分布用坐标表示，就是左图红线。,b,5/20,因为中央亮纹能够反应抵达该位置粒子95%以上概率，所以,中央亮纹宽度能够用来衡量动量不确定量,p,x,。,3.,经过以上分析，狭缝宽度,a,决定了粒子位置不确定量范围,X,，,a,越宽,位置不确定量,X,越大；,中央亮纹宽度,b,决定了粒子动量不确定范围,p,x,，,条纹越宽则动量不确定性越大,。,尝试试验,据衍射规律，缝越窄，衍射条纹越宽；缝越宽，越表现为直线传输，中央亮纹越窄。,亦即,X越大，则P越小；反之，X越小，P越大。,用数学方法对微观粒子运动进行分析可得：,不确定性关系,6/20,这个关系叫做,不确定度关系,1927,年海森伯提出：,粒子在某方向上坐标不确定量与该方向上动量不确定量乘积必大于普朗克常数。,海森堡：德国物理学家,量子力学矩阵形式创建人,1932,年获诺贝尔物理学奖取得者,(19011976),二、不确定度关系（,uncertainty relatoin,）,7/20,海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能,同时,确定。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终究处于什么位置。,不确定关系是物质波粒二象性引发。,对于微观粒子，我们不能用经典粒子来描述,。,海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效限制。,？,8/20,我们知道，原子核数量级为,10,-15,m,，所以，子弹位置不确定范围是微不足道。可见子弹动量和位置都能准确地确定，不确定关系对宏观物体来说没有实际意义。,例,1.,一颗质量为,10,g,子弹，含有,200m,s,-1,速率，,若其动量不确定范围为动量,0.01%(,这在宏观范围是十分准确了,),，则该子弹位置不确定量范围为多大,?,解,:,子弹动量,动量不确定范围,由不确定关系式，得子弹位置不确定范围,9/20,我们知道原子大小数量级为,10,-10,m,，电子则更小。在这种情况下，电子位置不确定范围比原子大小还要大几亿倍，可见企图准确地确定电子位置和动量已是没有实际意义。,例,2.,一电子含有,200 m/s,速率，动量不确定,范围为动量,0.01%(,这已经足够准确了,),，则该电子位置不确定范围有多大,?,解,:,电子动量为,动量不确定范围,由不确定关系式，得电子位置不确定范围,10/20,3.,能量和时间不确定关系,在量子力学中，对能量和时间同时测量也存在类似不确定关系，即：,E,表示粒子能量不确定量，而,t,可表示粒子处于该能态平均时间。,11/20,宏观物体 微观粒子,含有确定坐标和动量 没有确定坐标和动量,可用牛顿力学描述。需用量子力学描述。,有连续可测运动轨道，可 有概率分布特征，不可能分辨,追踪各个物体运动轨迹。,出各个粒子轨迹。,体系能量能够为任意、连 能量量子化,。,续改变数值。,不确定度关系无实际意义 遵照不确定度关系,微观粒子和宏观物体特征对比,12/20,不确定关系物理意义和微观本质,1.,物理意义：,微观粒子不可能,同时,含有确定位置和动量。粒子位置不确定量,x,越小，动量不确定量,Px,就越大，反之亦然。,2.,微观本质：,是微观粒子波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律必定结果。,13/20,不确定关系是建立在波粒二象性基础上一条基本客观规律，它是波粒二象性深刻反应，也是对波粒二象性深入描述。,不确定关系是由物质本身固有特征所决定，而不是因为仪器或测量方法缺点所造成。不论测量仪器精度有多高，我们认识一个物理体系准确度也要受到限制。,4.,不确定关系物理意义,不确定关系说明经典描述伎俩对微观粒子不再适用,。,不确定关系指明了宏观物理与微观物理分界限。,在某个详细问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，起关健作用是普朗克恒量,h,大小。,14/20,不确定关系,式,表明：,微观粒子坐标测得愈准确(,x,0),，动量就愈不准确(,p,x,),；,微观粒子动量测得愈准确(,p,x,0),，坐标就愈不准确(,x,),。,但这里要注意，不确定关系,不是说微观粒子坐标测不准；,也不是说微观粒子动量测不准；,更不是说微观粒子坐标和动量都测不准；,而是说微观粒子坐标和动量不能,同时,测准。,15/20,因为微观粒子坐标和动量原来就不一样时含有确定量。,这本质上是微观粒子含有波粒二象性必定反应。,由上讨论可知，不确定关系是自然界一条,客观规律,不是测量技术和主观能力问题。,不确定关系提供了一个判据：,当不确定关系施加限制,能够忽略,时，则能够用,经典理论,来研究粒子运动。,当不确定关系施加限制,不能够忽略,时，那只能用,量子力学理论,来处理问题。,为何微观粒子坐标和动量不能,同时,测准,?,16/20,对不确定关系,(,即测不准关系,),x,pxh,几点说明：,(1),此关系完全来自物质二象性，由物质本性所决定，与试验技术或仪器精度无关。,(2),不确定原理对任何物体都成立。,对于宏观尺度物体，其质量,m,通常不随速度,v,改变,(,因为普通情况下,v h,，所以,x,和,v,x,能够同时到达相当小地步，远远超出最精良仪器精度，不确定范围小完全能够忽略。可见，不确定现象仅在微观世界方可观察到。,(3),粒子动量和坐标不可能同时确定。,不确定关系不但适合用于电子和光子，也适合用于其它粒子。,17/20,随堂训练题：,1在经典物理学中，能够同时用质点_和_准确描述它运动，假如知道了质点_，还能够预言它以后任意时刻_和_。2用数学方法对微观粒子_进行分析能够知道，假如以x表示粒子_不确定量，以p表示粒子_不确定量，则有_，这就是著名_。,3在微观物理学中，不确定关系告诉我们，假如要准确地确定粒子位置（即x更小），则_测量一定会更不准确（即p更大），也就是说，不可能同时准确地测量粒子_和_。,4在波粒二象性和不确定关系基础上，建立了_，对现象生活、生产和科学技术发展起到了惊人作用，比如当代半导体材料研究和发展等。,18/20,5由不确定关系能够得出结论是(),A假如动量不确定范围越小，则与之对应坐标不确定范围就越大,B假如坐标不确定范围越小，则动量不确定范围就越大,C动量不确定范围和与之对应坐标不确定范围不成反比关系,D动量不确定范围和与之对应坐标不确定范围有唯一确定关系,6以下关于不确定关系说法正确是(),A只对微观粒子适用,B只对宏观粒子适用,C对微观和宏观粒子都适用,D对微观和宏观粒子都不适用,19/20,阅读书本P44 了解模型与现象关系。,模型在一定范围内可正确代表研究对象。,三、物理模型与物理现象,再见,20/20,