1、第4、5节概率波_不确定性关系1经典的粒子具有一定的质量，占有一定的空间；经典的波具有时空周期性。2光波是概率波，物质波也是概率波。3经典力学中，质点的位置和动量可以同时测定，量子力学中，微观粒子的位置和动量具有不确定性，表达式为：xp。一、经典的粒子和经典的波1经典粒子的特征(1)经典物理学中，粒子有一定的空间大小，具有一定的质量，有的还带有电荷。(2)经典粒子运动的基本特征：遵从牛顿运动定律，只要已知它们的受力情况及初位置、初速度，从理论上讲就可以准确、惟一地确定以后任一时刻的位置和速度，以及空间中的确定的轨迹。2经典波的特征经典的波在空间是弥散开来的，其特征是具有频率和波长，即具有时间、
2、空间的周期性。在经典物理中，波和粒子是两种完全不同的研究对象，具有非常不同的表现，是不相容的两个物理属性。二、概率波1光波是一种概率波光的波动性不是光子之间相互作用引起的，而是光子自身固有的性质，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，光波是一种概率波。2物质波也是概率波对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。三、不确定性关系1定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的；在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关系叫不
3、确定性关系。2表达式：xp。其中用x表示粒子位置的不确定量，用p表示在x方向上动量的不确定量，h是普朗克常量。1自主思考判一判(1)经典的粒子的运动适用牛顿第二定律。()(2)经典的波在空间传播具有周期性。()(3)经典的粒子和经典的波研究对象相同。()(4)光子通过狭缝后落在屏上的位置是可以确定的。()(5)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些。()(6)电子通过狭缝后运动的轨迹是确定的。()2合作探究议一议对微观粒子的运动分析能不能用“轨迹”来描述？提示：微观粒子的运动遵循不确定关系，也就是说，要准确确定粒子的位置，动量(或速度)的不确定量就更大；反之，要准确确定粒子的动量(或速度)，位
4、置的不确定量就更大，也就是说不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。对概率波的理解1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，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后才发射第二个光子。这样就排除了光子之间的相互作用的可能性。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。可见，光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。2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，不能肯定它落在哪一点，但屏上各处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。光
5、子落在明条纹处的概率大，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，因此说光是一种概率波。3物质波也是概率波对于电子、实物粒子等其他微观粒子，同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波。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。概率波将波动性和粒子性统一在一起。1(多选)在双缝干涉实验中出现的明暗条纹说明了()A光具有波动性B光具有粒子性C光波是一种概率波 D以上说法全都错误解析：选AC双缝干涉实验中出现的明条纹和暗条纹，说明了光子落点具有一定的概率，即符合概率波的规律，并说明光具有波动性。2(多选)为了验证
6、光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是()A使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样B使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样C大量光子的运动显示光的波动性D光只有波动性没有粒子性解析：选AC单个光子的运动具有不确定性，但其落点的概率分布还是遵循一定的统计规律的，根据统计规律可以显示出光的波动性的一面。选项A、C正确。3(多选)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95%以上。假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子()A一定落在中
7、央亮纹处B一定落在亮纹处C可能落在暗纹处D落在中央亮纹处的可能性最大解析：选CD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中央亮纹处。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C、D选项正确。对不确定性关系的理解1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。2粒子动量的不确定性(1)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。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的
8、动量。(2)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。3位置和动量的不确定性关系：xp由xp可以知道，在微观领域，要准确地确定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确地确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大。4微观粒子的运动没有特定的轨道由不确定关系xp可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动。5经典物理和微观物理的区别(1)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，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，
9、从而描绘它的运动轨迹。(2)在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量。因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。但是，我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律。典例已知5.31035 Js，试求下列情况中速度测定的不确定量。(1)一个球的质量m1.0 kg，测定其位置的不确定量为106 m。(2)电子的质量m9.01031 kg，测定其位置的不确定量为1010 m。(即在原子的数量级)解析(1)m1.0 kg，x106 m，由xp，pmv知v1 m/s5.31029 m/s。(2)me9.01031 kg，x1010 mv2 m/s 5.89105 m/s。答案(1)5.3102
10、9 m/s(2)5.89105 m/s对不确定性关系的三点提醒(1)在宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差很多倍。(2)根据计算的数据可以看出，宏观世界中的物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量。(3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，不能准确把握粒子的运动状态。1(多选)根据不确定性关系xp，判断下列说法正确的是()A采取办法提高测量x精度时，p的精度下降B采取办法提高测量x精度时，p的精度上升Cx与p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关Dx与p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关解析：选AD不确定
11、关系表明，无论采用什么方法试图确定坐标和相应动量中的一个，必然引起另一个较大的不确定性，这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关，无论怎样改善测量仪器和测量方法，都不可能逾越不确定关系所给出的限度。故A、D正确。2电子的质量me9.01031 kg，测定其速度的不确定量为2106 m/s，测定其位置的不确定量。解析：由不确定性关系xp；pmv知x m29.4 m。答案：29.4 m1(多选)下列各种波是概率波的是()A声波B无线电波C光波 D物质波解析：选CD声波是机械波，A错；电磁波是一种能量波，B错；由概率波的概念和光波、物质波的特点分析可以得知，光波和物质波均为概率波，故C、D正确。2
12、紫外线光子的动量为。一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后()A仍然静止B沿着光子原来运动的方向运动C沿与光子运动方向相反的方向运动D可能向任何方向运动解析：选B由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同。故正确选项为B。3(多选)在单缝衍射实验中，从微观粒子运动的不确定关系可知()A缝越窄，粒子位置的不确定性越大B缝越宽，粒子位置的不确定性越大C缝越窄，粒子动量的不确定性越大D缝越宽，粒子动量的不确定性越大解析：选BC由不确定性关系xp知缝宽时，位置不确定性越大，则动量的不确定性越小，反之亦然，因此选项B、C正确。4在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝
13、后打到了观察屏上的b处，则b处可能是()A亮纹B暗纹C既有可能是亮纹也有可能是暗纹D以上各种情况均有可能解析：选A按波的概率分布的特点去判断，由于大部分光子都落在b点，故b处一定是亮纹，选项A正确。5(多选)关于不确定性关系xp，有以下几种理解，其中正确的是()A微观粒子的动量不可确定B微观粒子的坐标不可确定C微观粒子的位置和动量不可能同时确定D不仅电子和光子等微观粒子存在不确定性关系，其他宏观物体也存在不确定性关系解析：选CD本题主要考查对不确定性关系的理解，不确定性关系表示确定的位置、动量的精度相互制约。当微观粒子的位置不确定性小时，微观粒子动量的不确定性大；反之亦然。故不能同时精确确定微
14、观粒子的位置和动量。不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观世界的影响显著，对宏观世界的影响可以忽略，故C、D正确。6(多选)电子的运动受波动性的支配，对于氢原子的核外电子，下列说法正确的是()A氢原子的核外电子可以用确定的坐标描述它们在原子中的位置B电子绕核运动时，可以运用牛顿运动定律确定它的轨道C电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的D电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置解析：选CD微观粒子的波动性是一种概率波，对于微观粒子的运动，牛顿运动定律已经不适用了，所以氢原子的核外电子不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置，电子的“轨道”其实是没有意义的，电子轨道只不过是电子出现的概率比较大
15、的位置，综上所述，C、D正确。7在单缝衍射实验中，若单缝宽度是1.0109 m，那么光子经过单缝发生衍射，动量不确定量是多少？解析：由题目可知光子位置的不确定量x1.0109 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不确定量即x1.0109 m，由xp有1.0109p，则p5.31026 kgm/s。答案：p5.31026 kgm/s8(1)(多选)下列说法中正确的是()A光的波粒二象性，就是由牛顿的微粒说和惠更斯的波动说组成的B光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说C光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量h中，频率表示波的特征，表示粒子的特征D光波和物质波都是概率波E光
16、的波动性是光子本身固有的性质，不是光子之间相互作用引起的(2)如图1所示为示波管示意图，电子的加速电压U104 V，打在荧光屏上电子的位置确定在0.1 mm范围内，可以认为令人满意，则电子的速度是否可以完全确定？是否可以用经典力学来处理？电子质量m9.11031 kg。图1解析：(1)牛顿的微粒说认为光是由物质微粒组成的，惠更斯的波动说认为光是机械波，都是从宏观现象中形成的观念，故A错误；光子说并没有否定光的电磁说，光子能量公式h，体现了其粒子性和波动性，B错误，C正确；光波和物质波都是概率波，D正确；光的波动性是光子本身固有的性质，不是光子之间相互作用引起的，E正确。(2)x104 m，由xp得，动量的不确定量最小值约为p51031 kgm/s，其速度不确定量最小值v0.55 m/s。mv2eU1.61019104 J1.61015 J，v6107 m/s，v远小于v，电子的速度可以完全确定，可以用经典力学来处理。答案：(1)CDE(2)可以完全确定可以用经典力学来处理
