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．
●新课导入建议 问题导入 (1)衍射是波特有的性质．对于电子这样的实物粒子能发 生衍射现象吗？ (2)宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问 题．宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，你想了 解宇宙更早期的情况吗？我们必须进行本节课的学习．
3.理解实物粒子的波粒二象
性，体会人类对世界的探究是 性和不确定性关系及各种微
不断深入的.
观粒子模型．(难点)ຫໍສະໝຸດ 粒子的波动性及物质波的实验验证
1.基本知识 (1)德布罗意波 实物粒子也具有__波__动__性．这种波叫_物__质___波，也称为 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＝_h_ν_.
2．思考判断 (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．(√) 3．探究交流 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＝hλ得，λ＝hp，宏观物体动量比微观粒子 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．
由不确定关系式 ΔxΔp≥4hπ， 得子弹位置的不确定范围 Δx≥4πhΔp＝4×36..1643××21.00－×3410－4 m ＝2.6×10－31 m 【答案】 见解析
易错案例警示——不理解不确定 性关系的意义导致错误 关于不确定性关系 Δx·Δp≥4hπ有以下几种理解，正 确的是( ) 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
(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___.
已知4hπ＝5.3×10－35 J·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 10－6m.
(2)电子的质量 me＝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)当 m＝ 1.0 kg， Δx＝ 10－ 6 m 时 ， 由
ΔxΔp≥4hπ，Δp＝mΔv
知
Δv1≥
h 4πΔxm
＝
5.3×10－35 10－6×1.0
m/s＝
5.3×10－29 m/s.
(2)当 me＝9.0×10－31 kg，Δx＝10－10 m 时 Δv2≥4πΔhxm＝10－150.×3×9.100×－3150－31 m/s＝5.89×105 m/s.
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
教师用书独具演示
●课标要求 知识与技能
1.知道实物粒子具有波动性． 2.了解物质波的内容． 3.了解不确定性关系的内容． 4.了解“基本粒子”与恒星演化．
过程与方法
1.了解物理学研究的基础是实验事实以 及实验对于物理研究的重要性． 2.知道某一物质在不同环境下所表现的 不同规律特性． 3.感知人类(科学家)探究宇宙奥秘的过 程和方法．
2．思考判断 (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．(×) 3．探究交流 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.
4．微观粒子的运动没有特定的轨道 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，如果要准确地 确定粒子的位置，那么动量的测量一定会不准确，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．
1.通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生 了解科学真知的得到并非一蹴而就，需 要经过一个较长的历史发展过程，不断 情感态度与价值观 得到纠正与修正． 2.让学生真正感受到自然的和谐统一并
深知创建和谐社会的必要性.
●课标解读 1．了解德布罗意物质波假说的内容，知道德布罗意关 系式． 2．了解实物粒子和光子一样具有波粒二象性，知道不 确定性关系和电子云的概念． 3．知道宇宙大爆炸理论，知道恒星的演化史，了解恒 星演化各个阶段的特点和名称． 4．了解基本粒子的多样性及其分类，了解基本粒子间 的相互作用，初步了解实验室发现基本粒子的原理和仪器．
德布罗意波的理解
【问题导思】 1．宏观物体具有波动性吗？ 2．粒子在空间的位置满足什么规律？ 3．光子对应的波和实物粒子的波一样吗？
1．任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、 太 阳都具有波动性，波长 λ＝hp.由于宏观物体的波长太 小，其波动性不易观察到．
2．物质波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率 服从波动规律．
【答案】 (1)大于等于 5.3×10－29 m/s (2)大于等于 5.89×105 m/s
2．一颗质量为 10 g 的子弹，具有 200 m/s 的速率，若 其动量的不确定范围为其动量的 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？
【解析】 子弹的动量为 p＝mv＝0.01×200 kg·m/s＝2.0 kg·m/s 动量的不确定范围为 Δp ＝ 0.01%×p ＝ 1.0×10 － 4×2.0 kg·m/s ＝ 2.0×10 － 4 kg·m/s
【正确解答】 由 ΔxΔp≥4hπ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．
●教学流程设计
演示结束
课标解读
重点难点
1.知道实物粒子具有波动性， 会计算物质波的波长，知道电
1.德布罗意波长和粒子动量
子云，初步了解不确定性关 的关系．(重点)
系． 2.初步了解粒子物理学的基
2.构成物质的粒子和宇宙演
础知识．
化的过程．(重点)
3.初步了解恒星的演化． 4.了解人类认识世界的发展
3．德布罗意假说是光的波粒二象性的推动，实物粒子 和光子都既具有粒子性，又具有波动性．与光子对应的波是 电磁波，与实物粒子对应的是物质波．
质量为 1 000 kg 的小汽车以 v＝40 m/s 的速度在高 速公路上行驶，试估算小汽车的德布罗意波的波长．
【审题指导】 解答此题时应注意以下两点： (1)计算出小汽车的动量． (2)根据德布罗意波的动量与波长关系式计算波长．
●教学地位 物质波的概念可结合光的波粒二象性，从对称的角度引 起学生对实物粒子是否具有波动性的思考，然后利用德布罗 意关系式进行实例计算，使学生认识微观粒子能够表现出波 动性，知道通常物体难以表现出波动性的原因，知道物质波 也是概率波，从而加深对波粒二象性及概率波的理解，根据 微观粒子在其空间不同位置动量是不完全确定的，因而不能 用“轨迹”来描述粒子的运动，从而自然进入电子云的学 习，使学生了解人们可以用点的疏密表示电子出现的概率分 布的方法．
【解析】 小汽车的动量为 p＝mv＝1 000×40 kg·m/s＝4×104 kg·m/s 小汽车的德布罗意波波长为 λ＝hp＝6.643××11004－34 m＝1.7×10－38 m. 【答案】 1.7×10－38 m
任何一个运动的物体，都有一种波与之对应，其波长为 λ＝hp.
1．(2013·江苏高考)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．
A．速度 B．动能 C．动量 D．总能量 【解析】 根据 λ＝hp，知电子和中子的动量大小相等， 选项 C 正确．
【答案】 C
对不确定性关系的理解
【问题导思】 1．粒子位置是无法判定的吗？ 2．粒子的运动有没有特定的轨道？ 3．动量和位置具有什么样的不确定性关系？
1．粒子位置的不确定性 如果准确地测量出粒子的动量，那么粒子所处的位置是 完全不确定的． 2．粒子动量的不确定性 微观粒子具有波动性，会发生衍射．在衍射现象中，某 个粒子到达屏上的位置是不确定的，所以粒子在垂直于入射 方向上的动量也具有不确定性． 3．位置和动量的不确定性关系 ΔxΔp≥4hπ.
(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．
2．思考判断 (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．(√)
(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___．