2019年高中物理第5章第3、4节实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化课件鲁科版

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第5章第3-4节实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化同步备课课件鲁科版选修3-5课件

不确定性关系及电子云
1.基本知识 (1)在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能_同__(2时_)_不测__确量__定__性．关系：__Δ_x_Δ__p_≥__4h_π____. 式中，Δx 为位置的不确定范围，Δp 为动量的不确定范围，h 为普朗克常量．
(3)此式表明，不能_同__时____精确测定一个微观粒子的位置和动量．
h ②动量 p 与相应波长 λ 之间的关系为 p＝__λ____.
(3)物质波的实验验证 ①1927 年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的 ___衍__射__现__象_____． ②1927 年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像 X 射线一样产生__衍__射__现__象____，也证实了电子的_波__动__性____． ③1960 年，约恩孙直接做了电子_双__缝__干__涉___实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片．
3．探究交流在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？
【提示】粒子出现的位置还是有规律可循的，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大的位置.
“基本粒子”与恒星的演化
1.基本知识 (1)对粒子的认识过程 ①“基本粒子”：电子、_质__子___和中___子__．曾认为它们是组成物质的__基__本__粒__子___，后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构． ②新粒子：1932 年发现了__正__电__子_____，1937 年发现了 _μ__子___，1947 年发现_k__介__子__和_π_介__子__及以后发现的超子等．
对恒星演化和粒子物理的教学，可根据书本内容提出一些问题引导学生自学或者组织学生查收相关资料，并以学生主讲的方式与大家交流，提高学生学习的积极性．

高二物理《波粒二象性》知识点波粒二象性知识点总结

高二物理《波粒二象性》知识点波粒二象性知识点
总结
波粒二象性是指光和物质粒子既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性的特征。

光的波动性：
1. 光可以传播并产生干涉、衍射、反射和折射等现象。

2. 光的波长和频率与其能量和颜色有关。

3. 光的波长越短，频率越高，能量越大。

光的粒子性（光子）：
1. 光的能量以离散的量子形式存在，称为光子。

2. 光子的能量由其频率确定，E = hf，其中h为普朗克常数。

3. 光子具有动量，p = hf/c，其中c为光速。

4. 光子与物质粒子之间可以发生相互作用。

物质粒子的波动性：
1. 物质粒子（如电子、中子和质子等）具有波动性，其波长由物质粒子的动量确定，λ= h/p。

2. 物质粒子的波长越短，动量越大，能量越高。

物质粒子的粒子性：
1. 物质粒子具有质量和电荷等属性，可在空间中定位并与其他粒子相互作用。

2. 物质粒子的运动具有定向性和速率，可以经历加速、碰撞、反弹和传递动量等过程。

波粒二象性的实验验证：
1. 双缝干涉实验：将光束通过双缝，观察在屏幕上出现的干涉条纹。

2. 非弹性散射实验：通过向物质粒子轰击金属原子等，观察其与原子发生相互作用的现象。

3. 康普顿散射实验：观察到X射线与物质粒子碰撞后发生能量和动量的转移。

波粒二象性的意义：
波粒二象性的发现和理解深化了我们对物质和能量本质的认识。

它为解释光电效应、康普顿散射以及粒子的衍射和干涉等现象提供了理论基础，并在量子力学的发展中起到了重要的作用。

高中物理鲁科版必修选修目录

第一章绪论——撩开物理学的神秘面纱第二章运动的描述1运动、空间和时间2质点和位移3速度和加速度第三章匀变速直线运动的研究1匀变速直线运动的规律2匀变速直线运动的实验探究3匀变速直线运动实例-自由落体运动第四章相互作用1重力与重心2形变与弹力3摩擦力第五章力与平衡1力的合成2力的分解3力的平衡4平衡条件的应用第六章力与运动1牛顿第一定律2牛顿第二定律3牛顿第三定律4超重与失重必修二第一章功和功率1机械功2功和能3功率4人与机械第二章能的转化与守恒1动能的改变2势能的改变3能量守恒定律4能源与可持续发展第三章抛体运动1运动的合成与分解2竖直方向上的抛体运动3平抛运动4斜抛运动第四章匀速圆周运动1匀速圆周运动快慢的描述2向心力与向心加速度3向心力的实例分析4离心运动第五章万有引力定律及其应用1万有引力定律及引力常量的测定2万有引力定律的应用3人类对太空的不懈追求第六章相对论与量子论初步1高速世界2量子世界选修三选修3-1第一章静电场导入神奇的静电第一节静电现象及其微观解释第二节静电力库仑定律第三节电场及其描述第四节电场中的导体第二章电势能与电势差导入电场力可以做功吗第一节电场力做功与电势能第二节电势与等势面第三节电势差第四节电容器电容专题探究电场部分专题探究示例第三章恒定电流导入历史的回眸第一节电流第二节电阻第三节焦耳定律第四节串联电路和并联电路第四章闭合电路欧姆定律和逻辑电路导入从闭合电路找原因第一节闭合电路欧姆定律第二节多用电表的原理与使用第三节测量电源的电功势和内电阻第四节逻辑电路与自动控制专题探究电路部分专题探究示例第五章磁场导入“迷路”的信鸽第一节磁场第二节用磁感线描述磁场第三节磁感应强度磁通量第四节磁与现代科技第六章磁场对电流和运动电荷的作用导入从奥斯特实验说起第一节探究磁场对电流的作用第二节磁场对运动电荷的作用第三节洛仑兹力的应用专题探究磁场部分专题探究示例选修3-2第一章电磁感应导入改变世界的线圈第一节磁生电的探索第二节感应电动势与电磁感应定律第三节电磁感应定律的应用第二章楞次定律和自感现象导入奇异的电火花第一节感应电流的方向第二节自感第三节自感现象的应用专题探究电磁感应的实验与调研第三章交变电流导入两种电源第一节交变电流的特点第二节交变电流是怎样产生的第三节交变电流中的电容和电感第四章远距离输电导入电如何到我家第一节三相交变电流第二节变压器第三节电能的远距离传输专题探究交变电流的实验与调研第五章传感器及其应用导入从“芝麻开门”说起第一节揭开传感器的“面纱”第二节常见传感器工作原理第三节大显身手的传感器专题探究传感器的实验与调研选修3-3第一章分子动理论导入走进微观世界第1节分子动理论的基本观点第2节气体分子运动与压强第3节温度与内能第二章固体导入从古陶器到纳米技术第1节晶体和非晶体第2节固体的微观结构第3节材料科技与人类文明第三章液体导入神奇的液体表面第1节液体的表面张力第2节毛细现象第3节液晶第四章气体导入从天气预报谈起第1节气体实验定律第2节气体实验定律的微观解释第3节饱和汽第4节湿度专题探究分子动理论及物质三态的实验与调研第五章热力学定律导入水库和水泵第1节热力学第一定律第2节能量的转化与守恒第3节热力学第二定律第4节熵——无序程度的量度第六章能源与可持续发展导入谢谢你;太阳第1节能源、环境与人类生存第2节能源的开发与环境保护专题探究能量与可持续发展的实验与调研综合内容与测试选修3-4第一章机械振动导入从我国古代的“鱼洗”说起第1节简谐运动第2节振动的描述第3节单摆第4节生活中的振动第二章机械波导入身边的波第1节波的形成和描述第2节波的反射和折射第3节波的干涉和衍射第4节多普勒效应及其应用第三章电磁波导入无处不在的电磁波第1节电磁波的产生第2节电磁波的发射、传播和接收第3节电磁波的应用及防护专题探究振动与波的实验与调研第四章光的折射与全反射导入美妙的彩虹第1节光的折射定律第2节光的全反射第3节光导纤维及其应用第五章光的干涉衍射偏振导入从五彩斑斓的肥皂泡说起第1节光的干涉第2节光的衍射第3节光的偏振第4节激光与全息照相专题探究光学部分的实验与调研第六章相对论与天体物理导入从双生子佯谬谈起第1节牛顿眼中的世界第2节爱因斯坦眼中的世界第3节广义相对论初步第4节探索宇宙综合内容与测试选修3-5第一章动量守恒研究导入从天体到微粒的碰撞第1节动量定理第2节动量守恒定律第3节科学探究——一维弹性碰撞第二章原子结构导入从一幅图片说起第1节电子的发现与汤姆孙模型第2节原子的核式结构模型第3节玻尔的原子模型第4节氢原子光谱与能级结构专题探究动量与原子的实验与调研第三章原子核与放射性导入打开原子核物理的大门第1节原子核结构第2节原子核衰变及半衰期第3节放射性的应用与防护第四章核能导入熟悉而又陌生的核能第1节核力与核能第2节核裂变第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护专题探究原子核和核能利用的实验与调研第五章波与粒子导入奇异的微观世界第1节光电效应第2节康普顿效应第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化专题探究波粒二象性的实验与调研。

高中物理第5章波与粒子第4节“基本粒子”与恒星演化探索宇宙素材鲁科版选修3_5

探索宇宙1. 探索的历程宇宙自古以来就是人类关注、困惑、探索的一个重大问题。

在人类漫长的历史进程中，大部分时间人们主要依靠肉眼观察、简单的猜测与推理来认识宇宙。

他们对宇宙的认识很有限，并具有很深的神话与宗教色彩。

中国古代的人们很早就对星空进行观察、并根据星象制定历法。

下图就是中国古代的星象图。

在欧洲，在宗教的影响下，人们长期认为地球是宇宙的中心。

下图所示是地心说的宇宙观：地球居于中心，太阳和其他行星围绕地球转动。

这种理论影响人们思想长达千年之久。

公元1500年左右的欧洲，文艺复兴运动和地理大发现，极大地解放了人们的思想。

展现在人们面前的，一方面是古希腊和古罗马哲学和艺术的辉煌；另一方面是新大陆的发现和环球航行的成功，让欧洲人大开眼界，大长见识。

所以说15世纪末期，由于欧洲文艺复兴运动解放了人的思想，使人类进入了一个暂新的、对宇宙进行科学探索的伟大时代。

1543年，哥白尼通过30多年的观察与分析，提出了“日心说”。

作为一个牧师，哥白尼并没有把精力完全放在宗教职位上，而是更多倾注于天文学的研究和观测方面，他用教堂城垣的箭楼建立了一个小小天文观测台，自制了一些仪器，有四分仪、三角仪、等离仪等，进行了观测和计算，三十年如一日，终于完成了他的天体运行学说，写成划时代的科学著作《天体运行论》。

哥白尼在《天体运行论》中明确宣布，地球不是宇宙的中心。

它和别的星球一样，是一种一边自转一边公转的普通行星，天球由远到近顺序如下：“最远的是恒星天球，包罗一切，本身是不动的…。

在哥白尼所处的时代，托勒密的“地心说”在欧洲占统治地位，中世纪的教会把地心说加以神化，用它来作为上帝存在的依据，哥白尼正确地指出：托勒密由于没有区别现象和本象，而将假象视为真实，由于感觉不到地球的自转以致只感觉到太阳自东方升起而在西方下落，这正像人们坐在大船上行驶时，往往感觉不到船在动，而只见到岸上的东西在往后移一样，同样，太阳绕地球转是假象，地球自转并绕太阳运动才是真实的，这段叙述是多么恰当生动。

波粒二象性知识点总结

波粒二象性知识点总结1. 引言波粒二象性是量子力学的基本概念之一，描述了微观粒子既可以表现出粒子性质，又可以表现出波动性质的现象。

本文将对波粒二象性的基本概念、实验证据以及波粒二象性的应用进行总结和讨论。

2. 波粒二象性的基本概念2.1 波动性根据波动理论，波动性是指粒子在传播过程中表现出的波的特性，如干涉、衍射等。

根据普朗克量子假说和爱因斯坦光量子假说的发展，发现光具有颗粒性质。

2.2 颗粒性根据经典物理学，颗粒性是物质微观粒子的物理性质，如位置、动量等。

经典物理学认为光是一种纯粹的波动现象，与颗粒性无关。

3. 实验证据3.1 光电效应光电效应是波粒二象性的一个重要实验现象，该现象表明光在与物质相互作用时具有粒子性质。

光电效应实验观察到，当光照射到金属表面时，金属会发射电子。

通过调整光的频率和强度，发现光电效应的起始临界频率与光的强度有关，而与波长无关，这进一步证实了光的颗粒性。

3.2 德布罗意假说的验证德布罗意假说认为微观粒子具有粒子和波动性质。

实验证明，通过电子和中子的衍射实验可以观察到粒子的波动性。

电子和中子的布洛赫波函数可以与实验结果良好吻合，证实了德布罗意假说。

4. 波粒二象性的应用4.1 粒子加速器粒子加速器是一种利用粒子的波动性质来加速和研究粒子的装置。

通过将粒子加速到非常高的速度，可以观察到粒子与物质碰撞的结果，从而研究物质的结构、性质等。

4.2 波动粒子显微镜波动粒子显微镜是一种利用微观粒子的波动性和粒子性质来观察微观世界的仪器。

与传统光学显微镜相比，波动粒子显微镜具有更高的分辨率和更好的成像效果，可以观察到更小的微观结构。

5. 总结波粒二象性是量子力学的基本概念之一，描述了微观粒子既可以表现出粒子性质，又可以表现出波动性质的现象。

通过实验验证和应用，我们可以更好地理解和利用波粒二象性，深入研究微观世界的奥秘。

更多关于波粒二象性的研究仍在进行中，随着技术的不断发展，我们相信将会有更多的突破和发现。

光的波粒二象性实物粒子的波粒二象性

一、康普顿效应•1923年康普顿用如图所示的装置做X射线通过物质散射的实验。

X射线源R发射出一束X射线，打在石墨晶体C上，用摄谱仪S探测不同方向上散射射线的波长和强度。

1.康普顿散射实验一、康普顿效应2.实验现象•除原波长λ0外，发现了波长λ随散射角的增大而增大的谱线。

•波长的改变量与散射角有关而与入射线波长和散射物质都无关。

（吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了现象的普遍性。

）•X射线经物质散射后波长变长的现象，称为康普顿效应（Compton effect）。

一、康普顿效应3.经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难•经典电磁理论认为：当X射线通过石墨时，石墨中的带电粒子在射线的照射下做受迫振动，振动着的带电粒子向外辐射电磁波的频率应当与入射波频率相同，其波长与入射波的波长也应当一样，即X射线经物质散射后不会出现波长的改变。

•无法解释波长改变和散射角的关系。

一、康普顿效应4.光子理论对康普顿效应的解释•康普顿把光的散射看成是单个光子与单个电子发生弹性碰撞的过程，在碰撞过程中能量和动量都是守恒的。

•若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。

•若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。

•因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。

一、康普顿效应5.光子的动量质能方程2E mc =h εν=光子能量2h m cν=p mc =光子动量光子质量h λ=2h h c c cνν=⋅=波速=波长×频率pc=一、康普顿效应6.康普顿散射理论的意义•进一步证实了爱因斯坦光量子理论；•首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；•证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。

密立根光电效应实验光学发展史1672牛顿微粒说t /年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性1801托马斯·杨双缝干涉实验1814菲涅耳衍射实验赫兹电磁波实验1888赫兹发现光电效应19161923康普顿效应微粒说占主导地位波动说渐成真理粒子性1887二、光的波粒二象性•光是一种既具有波动性又具有粒子性的微观客体。

2020_2021学年高中物理第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

3.根据德布罗意假设,实物粒子也具有波粒二象性,宏观物体的动量比较大,所以,德布罗意波长很短,波动性不明显。微观粒子的德布罗意波长较长,在一些特定环境下可以观察到它们的干涉和衍射等波的现象。提醒:(1)在宏观现象中,波与粒子是对立的概念,而在微观世界中,波与粒子可以统一。 (2)光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同物质作用时分别表现出波和粒子的特性。
答案:2.75×10-11 m
【规范方法】有关德布罗意波计算的一般方法
(1)计算物体的速度,再计算其动量。如果知道物体动能也可以直接用p= 2mEk 计算其动量。 (2)根据λ= h 计算德布罗意波长。
p
(3)需要注意的是:德布罗意波长一般都很短,比一般的光波波长还要短,可以
根据结果的数量级大致判断结果是否合理。
【典例示范】【典例】电子经电势差为U=2 000 V的电场加速,电子的质量m=0.9×10-30 kg, 求此电子的德布罗意波长,已知普朗克常数h=6.6×10-34 J·s。
【解析】根据德布罗意波长公式:λ= h
p
电子在电场中加速,由动能定理有Ek=Ue 且p2=2mEk 代入数据解得:λ=2.75×10-11 m。
5.恒星的归宿:聚变反应层级递进地在恒星内发生,直到各种热核反应不再发生,恒星的_中__心__密__度__达到极大,在强大的引力下形成_白__矮__星__、中子星或_黑__洞__。 6.恒星的演化过程:原恒星→_主__序__星__(现在太阳正处于此阶段)→红巨星或超新星→白矮星、中子星或_黑__洞__。
三、粒子概念与恒星的演化 1.对粒子的认识过程: (1)“基本粒子”:电子、_质__子__和_中__子__。曾认为它们是组成物质的_基__本__粒__子__, 后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构。 (2)新粒子:1932年发现了_正__电__子__,1937年发现了_μ__子__,1947年发现_K_介__子__和 _π__介__子__及以后发现的超子等。 2.粒子的分类:已发现的粒子分为_媒__介__子__、_轻__子__和_强__子__三类。

物理选修3-5学案：知识导航第五章第3节实物粒子的波

第3节实物粒子的波粒二象性思维激活波动性是波具有的特性，那么对于电子这一基本粒子的波动性应如何理解？提示：下图是电子通过双缝后的情形.(a)表示28个电子通过双缝后的干涉图样，可以看到每个电子都是一个点，体现了粒子性，但每个点都落在干涉极大处，体现电子遵守概率波给出的分布——波动性.(b)、(c)和(d)分别表示103、104和106个电子通过双缝后的衍射图样.随着电子数增加，代表单个电子的亮点逐渐消失，而规律的衍射条纹越加明显.这些结果充分表明，干涉图像的出现体现了微观粒子的共同特性，而且它并不是由微观粒子相互之间作用产生的，不能认为是两个电子的波干涉的结果，实质上是单个微观粒子属性的集体贡献.自主整理1.物质波(德布罗意波)1924年，法国巴黎大学的德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光电子理论的成功，大胆地把光的波粒二象性推广到__________，如电子、质子等.提出假设：实物粒子也具有__________，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系.粒子的能量ε和动量p 跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，也像光子和光波一样，遵从如下关系：__________，人们把这种波叫做__________，也叫德布罗意波.2.物质波的观测1927年，美国两位学者受到德布罗意的启示，在实验室中首次观察到了__________的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设.3.在微观世界中，粒子的__________存在一定的不确定性，不能同时测量.这种不确定性存在如下关系__________.这个关系通常称为不确定性关系.高手笔记物质波存在的实验验证(1)验证物质波是否存在的思路人们知道，干涉、衍射是波动性质的特有表现.如果实物粒子具有波动性的话，在一定条件下，也该发生衍射现象.为了证实粒子具有波动性质，我们先估计一下实物粒子波长的数量级，看看它实现衍射所需要的条件，对质量为1 g 、速度为1 cm/s 的物体来说，它的波长为 λ=scm g h /11 =6.6×10-27 cm 这么小的波长，比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性.而一个原来静止的电子，在经过100 V 电压加速后，德布罗意波长约为0.12 nm ，因此有可能观察到电子的波动性.图5-3-1(2)物质波的实验验证1927年戴维孙和G .P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似图5-3-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性.他们因此获得了1973年的诺贝尔物理学奖.名师解惑1.对德布罗意波的理解剖析：德布罗意认为：任何一个运动的物体，小的如电子、质子，大的如行星、太阳，平时所见到的行驶的火车、流动的人群等等，都有一种波动与之对应，其波长为：λ=h/p,式中的h 是普朗克常量，数值为h=6.63×10-34 J·s.2.对不确定性关系的理解剖析：在经典物理学中，可以同时用质点的位置和动量精确地描述它的运动.而且如果知道了质点的加速度，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，从而描述它的轨迹.但是，在微观物理学中，不确定关系告诉我们，如果要更准确地确定粒子的位置(即Δx 小)，那么动量的测量一定会更不准确(即Δp 更大)，也就是说，不可能同时准确地知道单个粒子的位置和动量，因而也就不可能用轨迹来描述这一粒子的运动.但是我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律.一个宏观系统总是包含着大量粒子，因此我们仍然能够对宏观现象进行预言.讲练互动【例题1】关于物质波，下列说法正确的是( )A.速度相等的电子和质子，电子的波长大B.动能相等的电子和质子，电子的波长小C.动量相等的电子和中子，中子的波长小D.甲电子速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍解析：由λ=ph 可知动量大的波长小，电子与质子的速度相等时，电子动量小，波长大.电子与质子动能相等时，由动量与动能的关系式：p=k mE 2可知，电子的动量小，波长大.动量相等的电子与中子，其波长应相等.如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲的速度是乙的三倍，则甲的波长应是乙的31. 答案：A绿色通道本题应用了动量的两种表达：λ=ph 和p=k mE 2，微观粒子的动量与其波长有关，同时与其能量有关，能量又是由波长(频率)决定的，可见两种表达本质是相同的，不过表达形式不同而已.变式训练1.下列说法正确的是( )A.质量大的物体，德布罗意波长小B.速度大的物体，德布罗意波长小C.动量大的物体，德布罗意波长小D.动能大的物体，德布罗意波长小解析：由德布罗意方程p= h得λ=ph .物质波的波长与动量成反比，易知C 正确.答案：C【例题2】质量为 5 t 的汽车，当它以20 m/s 的速度前进时，其德布罗意波的波长为_________.解析：汽车动量p=mv=5×103×20 kg·m/s=1×105 kg·m/s ，汽车的德布罗意波波长为λ=5341011063.6⨯⨯=-p h m=6.63×10-39m. 答案：6.63×10-39m绿色通道本题是对德布罗意关系的直接应用，对公式及其变形表达式要熟练掌握.变式训练2.一质量为450 g 的足球以10 m/s 的速度在空中飞行；一个初速为零的电子，通过电压为100 V 的加速电场.试分别计算它们的德布罗意波长.解析：物体的动量p=mv,其德布罗意波长λ=p h =mvh .足球的德布罗意波长 λ1=10104501063.633411⨯⨯⨯=--v m h m=1.47×10-34 m 电子经电场加速后，速度增加为v 2,根据动能定理21m 2v 22=eU,p 2=m 2v 2=eU m 22 该电子的德布罗意波长λ2=eU m h p h 222==100106.1101.921063.6193134⨯⨯⨯⨯⨯⨯---m.=1.2×10-10m答案：1.47×10-34 m 1.2×10-10 m体验探究【问题】人们是如何认识到实物粒子也具有波粒二象性的？导思：从人类对光的认识过程可以看出人们讨论光时过分地强调波动性，而忽略了粒子性.同样道理，人们在讨论实物粒子时，只讨论其粒子性，是不是也具有波动性呢？探究：德布罗意在考察了人们对光的认识过程后，认为人们在研究问题时，只考虑一方面，而忽略了另一方面.所以他提出实物粒子也具有波粒二象性，并通过普朗克常量把粒子性和波动性联系起来.实验证实，当电子通过金属片后，产生了衍射现象，这就有力地证实了电子的波动性.而我们平时为什么没有观察到物质的波动性，这是因为物体的物质波长与物体尺寸相比微乎其微，所以我们平时并不会注意到物体的波动性.。

2019年高中物理第5章第3、4节实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化学案鲁科版选修3_5

实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化1.德布罗意关系：E＝hν，p＝hλ。

2．不确定性关系：ΔxΔp≥h4π，式中Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量。

3．用点的疏密表示电子出现的概率分布，称为电子云。

4．自然界存在四种相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。

基本粒子包括媒介子、轻子、强子。

1．德布罗意波任何一个运动着的物体，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E＝hν , p＝hλ德布罗意用普朗克常量把粒子性和波动性联系起来。

3．物质波的实验验证1927年戴维孙和革末分别利用晶体做了电子束衍射实验，发现了电子的衍射现象，证实了电子的波动性。

4．不确定性关系(1)在微观世界中，粒子的位置和动量存在一定的不确定性，不能同时测量。

(2)关系式ΔxΔp≥h4π中，Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量。

5．电子云用点的疏密表示的电子出现的概率分布。

某一空间范围内电子出现概率大的地方点密集，电子出现概率小的地方点稀疏。

电子云反映了原子核外电子位置的不确定性。

6．对粒子的认识过程(1)“基本粒子”：电子、质子和中子。

曾认为它们是组成物质的基本粒子，后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构。

(2)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现K介子和π介子及以后发现的超子等。

(3)粒子的分类：已发现的粒子分为媒介子、轻子和强子三类。

(4)影响“粒子”的相互作用力：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。

7．夸克模型(1)夸克：强子是由夸克构成的。

(2)分类：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；它们所带的电荷是电子或质子所带电荷的2/3或1/3。

8．恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚开始发光形成恒星。

(2)恒星的归宿：聚变反应层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生，恒星的中心密度达到极大，在强大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞。

高中物理第5章波与粒子第4节“基本粒子”与恒星演化知识导航素材鲁科版选修

第4节“基本粒子”与恒星演化思维激活基本粒子为什么不基本？提示：19世纪末，人们都认为原子是组成物质的最小微粒.后来发现了电子、质子和中子以及光子，于是很多人认为这就是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并把它们叫做基本粒子，直到后来人们又发现了质子、中子等等本身也是复合粒子，也有自己的复杂结构.从20世纪后半期起，就将“基本二字去掉”，统称为粒子.自主整理1.发现新粒子1932年发现了__________，1937年发现了__________，1947年发现了__________，后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做__________.2.粒子的分类(1)强子：参与强相互作用的粒子，它又分为__________两类，最早发现的强子是__________.(2)轻子：是不参与强相互作用的粒子.最早发现的轻子是__________，后来发现的有__________、__________、__________.(3)媒介子：传递各种相互作用的粒子，如__________、__________、__________.3.夸克模型认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫做__________.夸克有6种，它们是__________、__________、__________、__________、__________、__________.每种夸克都有自己的__________.夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷.但目前仍未发现自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”.4.恒星的演化密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用而__________逐渐凝聚成原恒星.原恒星继续__________，温度不断__________，发生热核反应，当热核反应产生的斥力和引力作用达到平衡时，恒星不再收缩，进入相对稳定阶段.当核能源供应不足时，恒星的稳定状态遭到破坏，引力作用又开始大于斥力，星体又开始收缩，温度升高，发光能力增强，光度增加，外部膨胀，表面积增大，但表面温度并不高，看上去呈红色，这时恒星便演化为红巨星.当恒星核能耗尽时，就进入末期.恒星的末期形态主要有三种：__________，__________或__________.高手笔记宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差异.从空间范围来讲，宏观世界已扩展到现代天文学观测所能探及的约1027 m之远的宇宙深处；微观世界则已深入到约10-19 m之微的夸克和轻子.从时间范围来讲，宏观世界的“寿命”不少于150亿年；微观世界中的粒子寿命有的长达10亿年，而有的却短到仅10-23s.这两个在空间上和时间上有“天壤之别”的世界之间，却存在着千丝万缕的联系.要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界的许多基本问题往往可在对微观世界的研究中得到解决.其实，任何关于其中一个世界的新知识，都可以促进人们对另一个世界的了解.名师解惑认识强子、轻子和媒介子剖析：强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子.强子又分为介子和重子两类. 轻子是不参与强相互作用的粒子，最早发现的轻子是电子.现代实验还没有发现轻子的内部结构.媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、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.讲练互动【例题】下列说法中正确的是( )A.夸克模型说明电子电荷量是最小的电荷单元B.目前已经发现了自由态的夸克C.目前发现的夸克有6种D.每种夸克都有对应的反夸克解析：夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C、D正确.夸克所带电荷量小于电子电荷量，但还没有发现自由态的夸克，这就是夸克的禁闭，所以A、B错.答案：CD绿色通道许多实验表明，强子是有内部结构的，夸克模型是1946年提出的，历经几十年的发展，已经被多数物理学家接受.变式训练已知π+介子、π-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u或反夸克下列说法正确的是( )A.π+由u和d组成B.π+由d和u组成C.π-由u和d组成D.π-由d和u组成解析：由题意知，π+介子带一个单位的元电荷，呈正电性，又必须是由一个夸克和一个反夸克组成，则从表格中的数据可推断，π+介子应由夸克u和反夸克d组成；同理可推得π-介子应由夸克d和反夸克u组成.答案：AD体验探究【问题】人们是怎样把基本粒子和宇宙联系在一起的？导思：宇宙间存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用，而宇宙又是由物质构成，且四种相互作用力也应有统一的理论来表示，不同的力只不过是一个普遍力的不同表现形式.人们已经验证电磁力和弱力的统一.探究：在宇宙形成初期，宇宙发生了巨大变化.也就是在这一时期宇宙的演化与微小的基本粒子联系在一起了.从宇宙处于夸克和反夸克主导的弱电期到强子与轻子期再到核聚变期……宇宙学的一些观测数据及研究成果为高能物理学提供了依据，而天文学又希望通过高能物理学的理论和实验来了解宇宙形成的证据.这样，基本粒子和宇宙就联系在一起了.。

[配套K12]2018版高中物理第5章波与粒子第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化教师用

第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化德布罗意假设及其实验探索[先填空]1．德布罗意波德布罗意提出实物粒子也具有波动性．称这种波为物质波或德布罗意波．2．物质波的波长、频率与粒子能量、动量的关系(1)粒子能量E与相应波的频率ν之间的关系为E＝hν.(2)动量p与相应波长λ之间的关系为p＝hλ.3．物质波的实验验证(1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的衍射现象．(2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性．(3)1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片．[再判断]1．电子不但具有粒子性也具有波动性．(√)2．物质波的波长由粒子的大小决定．(×)3．物质波的波长和粒子运动的动量有关．(√)[后思考]运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难观察到宏观物体的波动性？【提示】由p ＝h λ得，λ＝hp ，宏观物体的动量比微观粒子的动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很短，而波长越长波动性越明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性．[核心点击]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．粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．3．德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之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．1．(多选)以下说法正确的是( ) A ．宏观粒子也具有波动性B ．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波C ．物质波也是一种概率波D ．物质波就是光波【解析】任何物体都具有波动性，故A 正确．对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳波是机械波，不是物质波，故B 错误．物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C 正确，D 错误．【答案】 AC2．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的________也相等．【解析】由λ＝h p可知，如果一个电子和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动量p 相等．【答案】动量3．质量为10 g 、速度为300 m/s 在空中飞行的子弹，其德布罗意波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？【解析】子弹在空中飞行时的动量p ＝mv ＝10×10－3×300 kg·m/s＝3 kg·m/s子弹的德布罗意波长为λ＝h p ＝6.63×10－343m ＝2.21×10－34m由于子弹的德布罗意波长极短，故无法观察到其波动性．【答案】 2.21×10－34m 由于子弹的德布罗意波长极短，无法观察到其波动性有关德布罗意波计算的一般方法(1)计算物体的速度，再计算其动量．如果知道物体动能也可以直接用p ＝2mE k 计算其动量．(2)根据λ＝hp计算德布罗意波长．(3)需要注意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理．(4)宏观物体的波长小到可以忽略，其波动性很不明显．不确定性关系及电子云[先填空]1．在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量． 2．不确定性关系：Δx Δp ≥h4π.式中，Δx 为位置的不确定范围，Δp 为动量的不确定范围，h 为普朗克常量． 3．此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量． 4．电子云 (1)定义在原子核周围用点的疏密表示的电子出现的概率分布． (2)电子的分布某一空间范围内电子出现概率大的地方点密，电子出现概率小的地方点疏．电子云反映了原子核外电子位置的可能性．[再判断]1．无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的．(×) 2．我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置．(×) 3．微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置．(√) [后思考]在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？【提示】粒子出现的位置还是有规律可循的，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大的位置．[核心点击]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：Δx Δp ≥h4π由Δx Δp ≥h4π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Δx Δp ≥h4π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，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．4．(多选)关于不确定性关系Δx ·Δp ≥h4π有以下几种理解，正确的是( ) 【导学号：64772067】A ．微观粒子的动量不可确定B ．微观粒子的位置不可确定C ．微观粒子的动量和位置不可同时确定D ．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体【解析】由ΔxΔp≥h4π可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小．故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错，C对．不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽略，故D正确．【答案】CD5．已知h4π＝5.3×10－35J·s，试求下列情况中速度测定的不确定量．(1)一个球的质量m＝1.0 kg，测定其位置的不确定量为10－6 m.(2)电子的质量m＝9.0×10－31 kg，测定其位置的不确定量为10－10 m．(即在原子的数量级)【解析】(1)m＝1.0 kg，Δx1＝10－6 m，由ΔxΔp≥h4π，Δp＝mΔv知Δv1＝h4πΔ1xm＝5.3×10－3510－6×1.0m/s＝5.3×10－29 m/s.(2)m e＝9.0×10－31 kg，Δx2＝10－10 mΔv2＝h4πΔx2m e＝5.3×10－3510－10×9.0×10－31m/s＝5.89×105 m/s.【答案】(1)5.3×10－29 m/s (2)5.89×105 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．“基本粒子”与恒星的演化[先填空]1．对粒子的认识过程(1)“基本粒子”：电子、质子和中子．曾认为它们是组成物质的基本粒子，后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构．(2)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现k介子和π介子及以后发现的超子等．2．粒子的分类：已发现的粒子分为媒介子、轻子和强子三类．3．影响“粒子”的相互作用力引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用．4．夸克模型(1)夸克：强子是由夸克构成的．(2)分类：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；它们所带的电荷是电子或质子所带电荷的2/3或1/3.5．恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚开始发光形成恒星．(2)恒星的归宿：聚变反应层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生，恒星的中心密度达到极大，在强大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞．(3)恒星的演化过程：原恒星→主序星(现在太阳正处于此阶段)→红巨星或超新星→白矮星、中子星或黑洞．[再判断]1．强子是参与强相互作用的粒子．(√)2．目前发现的轻子有8种．(×)3．宇宙将一直会膨胀下去．(×)[后思考]星云是怎样形成恒星的？恒星形成时是怎样发光的？恒星在哪个阶段停留时间最长？【提示】星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时，开始发光，形成原恒星．恒星在主序星阶段停留时间最长．[核心点击]1．新粒子的发现及特点夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．6．(多选)关于粒子，下列说法正确的是( )A ．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B ．强子中也有不带电的粒子C ．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D ．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 错误，B 正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e 和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确．【答案】 BD7．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H ―→10n ＋ 0＋1e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母) A ．0和0 B ．0和1 C ．1和0D ．1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即 0＋1e ＋ 0－1e ―→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg ，反应中产生的每个光子的能量约为________J ．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．【解析】 (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A 正确．(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E ＝Δmc 2，故一个光子的能量为E 2，代入数据得E2＝8.2×10－14J ．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律．(3)物质波的波长为λ＝h p，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p ＝2mE k ，因为m n >m e ，所以p n >p e ，故λn <λe . 【答案】见解析处理新粒子问题的方法核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用．学业分层测评(十五)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列说法中正确的是( )A．夸克模型说明电子电荷量是最小的电荷单元B．目前已经发现了自由态的夸克C．目前发现的夸克有8种D．每种夸克都有对应的反夸克【解析】夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C错误，D正确；夸克所带电荷量小于电子电荷量，但还没有发现自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”，所以A、B错．【答案】 D2．关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是( )A．宇宙已经停止演化B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C．当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度减弱D．恒星最终都会演化为黑洞【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A错．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对．恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C错．根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，D错．【答案】 B3．(多选)关于物质波，下列认识正确的是( )A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的D．宏观物质尽管可以看成物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象【解析】据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，故B 选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C 选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项错误．【答案】AC4．(多选)电子的运动受波动性的支配，对氢原子的核外电子，下列说法正确的是( )【导学号：64772068】A ．电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的B ．电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置C ．电子绕核运动时电子边运动边振动D ．电子在核外的位置是不确定的【解析】根据电子的波粒二象性，其在某时刻出现的位置不能确定，但其在某点出现的概率受波动规律支配，所以A 、B 、D 正确，C 错误．【答案】 ABD5．(多选)光通过单缝所发生的现象，用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释，正确的是( )A ．单缝宽，光是沿直线传播，这是因为单缝宽，位置不确定量Δx 大，动量不确定量Δp 小，可以忽略B ．当能发生衍射现象时，动量不确定量Δp 就不能忽略C ．单缝越窄，中央亮纹越宽，是因为位置不确定量越小，动量不确定量越大的缘故D ．当发生明显衍射现象时，位置的不确定量Δx 不能忽略【解析】光在传播过程中的位置和动量的不确定关系为Δx Δp ≥h4π.发生衍射时Δx >0，所以Δp 不能忽略，故B 对．缝越宽Δp 越小，缝越窄Δp 越大，所以A 、C 正确．【答案】 ABC6．(多选)为了验证光的波粒二象性，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狭缝，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狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样C ．大量光子的运动规律显示出光的粒子性D ．个别光子的运动显示出光的粒子性【解析】单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循一定规律，显示出光的波动性．使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样，A 正确，B 、C 错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，D 正确．【答案】 AD7．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u 夸克和d 夸克的两类夸克组成的，u 夸克带电荷量为23e ，d 夸克的带电荷量为－13e ，e 为元电荷，那么质子是由____________个u 夸克和________个d 夸克组成的，中子是由________个u 夸克和________个d 夸克组成的．【解析】质子带电量为e ，应由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子带电量为0，应由1个u 夸克和2个d 夸克组成．【答案】 2 1 1 28．估算运动员跑步时的德布罗意波长．为什么我们观察不到运动员的波动性？【解析】设运动员的质量m ＝60 kg ，运动员跑步时速度约为v ＝10 m/s ，则其德布罗意波长为：λ＝h p ＝h mv ＝6.63×10－3460×10m≈1.1×10－36 m. 这个波长极短，因而观察不到运动员的波动性．【答案】见解析[能力提升]9．(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ε＝h ν中，频率ν表示波的特征，ε表示粒子的特征D ．光波和物质波都是概率波【解析】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ε＝h ν，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．【答案】 CD10．(1)如图531所示是一个粒子源，产生某种粒子，在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光．那么在荧光屏上将看到________．图531(2)一电子具有200 m/s 的速率，动量的不确定范围是0.01%，我们确定该电子位置时，有多大的不确定范围？(电子质量为9.1×10－31 kg) 【导学号：64772069】【解析】 (1)由于粒子源产生的粒子是微观粒子，它的运动受波动性支配，对大量粒子运动到达屏上某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在屏上将看到干涉条纹．(2)由不确定性关系Δx Δp ≥h 4π得电子位置的不确定范围Δx ≥h 4πΔp ＝6.63×10－344×3.14×9.1×10－31×200×0.01%m ＝2.90×10－3 m. 【答案】 (1)明暗相间的干涉条纹 (2)2.90×10－3 m11．如图532所示为示波管示意图，电子的加速电压U ＝104 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m ＝9.1×10－31 kg.图532【解析】 Δx ＝10－4 m ，由Δx Δp ≥h 4π得，动量的不确定量最小值约为Δp ≈5×10－31 kg·m/s，其速度不确定量最小值Δv ≈0.55 m/s.12mv 2＝eU ＝1.6×10－19×104 J ＝1.6×10－15J ，v ＝6×107 m/s ，Δv 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】可以完全确定可以用经典力学来处理。

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35

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ν之间的关系为：E＝hν.动量p与相应波长λ之间的关系为：p＝hλ.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Δx表示粒子位置的不确定范围，以Δp表示粒子动量的不确定范围，那么ΔxΔp≥h4π，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λ＝hp ，频率公式为ν＝E h.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 B ．X 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103m/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1.67×10－27kg ，普朗克常量为6.63×10－34J·s)答案 4.0×10－10m 6.63×10－35m解析中子的动量为p 1＝m 1v 子弹的动量为p 2＝m 2v据λ＝h p知中子和子弹的德布罗意波长分别为 λ1＝h p 1，λ2＝h p 2联立以上各式解得λ1＝h m 1v ，λ2＝h m 2v将m 1＝1.67×10－27kg ，v ＝103m/sh ＝6.63×10－34 J·s， m 2＝1.0×10－2 kg代入上面两式可解得 λ1≈4.0×10－10m ，λ2＝6.63×10－35m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ν＝Eh 和λ＝h p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Δx 和动量的不确定量Δp 的关系式为Δx Δp ≥h4π，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Δx 越小)，则动量就越不准确(即Δp 越大)；微观粒子的动量测得越准确(即Δp 越小)，则位置坐标就越不准确(即Δx 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Δp ＝m Δv ，所以Δx Δv ≥h4πm .由于m 远大于h ，因此Δx 和Δv 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2.6×10－31 m解析子弹的动量为p＝mv＝0.01×200 kg·m/s＝2.0 kg·m/s动量的不确定范围Δp＝0.01%×p＝1.0×10－4×2.0 kg·m/s＝2.0×10－4kg·m/s由不确定性关系式ΔxΔp≥h4π，得子弹位置的不确定范围Δx≥h4π·Δp＝6.63×10－344×3.14×2.0×10－4m≈2.6×10－31 m.借题发挥我们知道，原子核的数量级为10－15 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1.0×10－9m，那么光子经过单缝发生衍射，动量不确定量是多少？答案Δp≥5.3×10－26kg·m/s解析由题意可知光子位置的不确定量Δx＝1.0×10－9 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Δx＝1.0×10－9 m，由ΔxΔp≥h4π有：1.0×10－9m·Δp≥6.63×10－34J·s4π.得Δp≥5.3×10－26kg·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：按照粒子与各种相互作用的关系，分类如下表所示：带电荷量为＋23e ，d 夸克带电荷量为－13e ，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π＋介子、π－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u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷.下列说法正确的是( ) A ．π＋由u 和d 组成 B ．π＋由d 和u 组成 C ．π－由u 和d 组成 D ．π－由d 和u 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( ) A ．3.0×10－10m B ．1.8×10－11mC ．3.0×10－34mD ．无法确定答案 C解析 λ＝h p ＝h mv ＝ 6.63×10－3410×10－3×200m≈3.32×10－34m ，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ΔxΔp≥h4π，Δx与Δp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，但电荷的符号相反．据此，反α粒子为( )A.42HeB.－42HeC.－4－2HeD.4－2He答案 D解析根据题目中的描述，结合α粒子的特点很容易选出正确选项D.(时间：60分钟)题组一对基本粒子的初步认识1．(多选)下列所述正确的是( )A．超子的质量比质子的质量小B．反粒子的质量与对应粒子的质量相同，二者电性相反C．质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子D．目前发现的轻子有6种，其中τ子的质量比核子的质量还大答案BCD2．(多选)下列所述正确的是( )A．原子是组成物质的不可再分的最小微粒B．原子是最大的微粒C．原子由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核D．质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构答案CD解析由所学过的内容及本节内容可知，只有C、D正确．3．正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电荷量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步．你推测反氢原子的结构是( )A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成答案 B解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子．题组二对物质波的理解4．(多选)下列物理实验中，能说明粒子具有波动性的是( )A．通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性B．通过测试多种物质对X射线的散射，发现散射射线中有波长变大的成分C．通过电子双缝实验，发现电子的干涉现象D．利用晶体做电子束衍射实验，证实了电子的波动性答案CD解析干涉和衍射是波特有的现象，由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X 射线散射中有波长变大的成分，并不能证实物质波理论的正确性，即A、B不能说明粒子的波动性，证明粒子的波动性只能是C、D.5．下列说法中正确的是( )A．质量大的物体，其德布罗意波长短B．速度大的物体，其德布罗意波长短C．动量大的物体，其德布罗意波长短D．动能大的物体，其德布罗意波长短答案 C解析由物质波的波长λ＝hp，得其只与物体的动量有关，动量越大其波长越短．6．(多选)利用金属晶格(大小约10－10m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子通过电场加速后，让电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样．已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是( ) A．该实验说明了电子具有波动性B．实验中电子束的德布罗意波长λ＝h2meUC．加速电压U越大，电子的衍射现象越明显D ．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显答案 AB解析由电子的衍射图样，说明电子具有波动性，A 正确；由德布罗意波长公式λ＝h p，而动量p ＝2mE k ＝2meU ，两式联立解得λ＝h 2meU ，B 正确；从公式λ＝h2meU可知，加速电压越大，电子的波长越小，衍射现象就越不明显；用相同动能的质子替代电子，质子波长比电子波长小，衍射现象相比电子更不明显，故C 、D 错误．7．质量为m ＝50 kg 的人，以v ＝15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长．答案 8.8×10－37m解析由公式λ＝h p ，p ＝mv 得此人的德布罗意波波长λ＝h mv ＝6.63×10－3450×15m≈8.8×10－37m.题组三对不确定性关系的理解8．(多选)根据不确定性关系Δx Δp ≥h4π，判断下列说法正确的是( )A ．采取办法提高测量Δx 精度时，Δp 的精度下降B ．采取办法提高测量Δx 精度时，Δp 的精度上升C ．Δx 与Δp 测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关D ．Δx 与Δp 测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关答案 AD解析不确定关系表明，无论采用什么方法试图确定位置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． 9．(多选)由不确定性关系可以得出的结论是( )A ．如果动量的不确定范围越小，则与它对应位置坐标的不确定范围就越大B ．如果位置坐标的不确定范围越小，则动量的不确定范围就越大C ．动量和位置坐标的不确定范围之间的关系不是反比例函数D ．动量和位置坐标的不确定范围之间有唯一的确定关系答案 ABC10．(多选)关于不确定性关系Δx Δp ≥h4π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 ．微观粒子的位置坐标不可确定C ．微观粒子的动量和位置不可能同时确定D ．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于其他宏观粒子答案 CD解析本题主要考查对不确定性关系Δx Δp ≥h4π的理解，不确定性关系表示确定位置、动量的精度相互制约，此长彼消，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之亦然．故不能同时确定粒子的位置和动量．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，对宏观世界的影响不可忽略，故C 、D 正确． 11．已知h4π＝5.3×10－35J·s，试求下列情况中速度测定的不确定量，并根据计算结果，讨论在宏观和微观世界中进行测量的不同情况．(1)一个球的质量m ＝1.0 kg ，测定其位置的不确定量为10－6m ； (2)电子的质量m e ＝9.1×10－31kg ，测定其位置的不确定量为10－10m.答案见解析解析 (1)球的速度测定的不确定量Δv ≥h 4πm Δx ＝5.3×10－351.0×10－6m/s ＝5.3×10－29m/s 这个速度不确定量在宏观世界中微不足道，可认为球的速度是确定的，其运动遵从经典物理学理论．(2)原子中电子的速度测定的不确定量Δv ≥h 4πm e Δx ＝ 5.3×10－359.1×10－31×10－10m/s≈5.8×105m/s这个速度不确定量不可忽略，不能认为原子中的电子具有确定的速度，其运动不能用经典物理学理论处理．。