5.3实物粒子的波粒二象性-5.4“基本粒子”与恒星演化 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 3 节节 实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性 第第 4 节节 “基本粒子基本粒子”与恒星演化与恒星演化 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：ph .上述关系称为德布罗意关系两式中的 h 为普朗克

2、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 h 4，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

3、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

4、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 h p，频率公式为 E h.

5、 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

6、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 1.6710 27 kg，普朗克常量为 6.631034 J s) 答案 4.010 10 m 6.631035 m 解析 中子的动量为 p1m1v 子弹的动量为 p2m2v 据 h p知中子和子弹的德布罗意波长分别为 1 h p1，2 h p2 联立以上各式解得 1 h m1v，2 h m2v 将 m11.6710 27 kg，v103 m/s h6.6310 34 J s， m2

7、1.010 2 kg 代入上面两式可解得 14.010 10 m， 26.6310 35 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 E h和 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 x 和动量的不确定量 p 的关系式为 xp h 4，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

8、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 p mv，所以 xv h 4m.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

9、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 2.610 31 m 解析 子弹的动量为 pmv0.01200 kg m/s2.0 kg m/s 动量的不确定范围 p0.01%p 1.010 42.0 kg m/s2.0104 kg m/s 由不确定性关系式 xp h 4， 得子弹位置的不确定范围 x h 4p 6.6310 34 43.142.010 4 m2.610 31 m. 借题发挥 我们知道，

10、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 1.010 9 m， 那么光子经过单缝发生衍射， 动量不确定量是多少？ 答案 p5.310 26 kg m/s 解析 由题意可知光子位置的不确定量 x1.010 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 x1.010 9 m， 由 xp h 4有：1.010 9 mp6.6310 34 J s 4 . 得 p5.310 26 kg m/s. 三、“基本粒子”

11、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 10 18 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 10 15m 胶子 假定为 0 2.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

12、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2 3e，d 夸克带电荷量为 1 3e，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

13、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 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. u d u d 带电荷量 e e 2 3e 1 3e 2 3e 1 3e 下列说法正确的是( ) A 由 u 和 d 组成 B 由 d 和 u 组成 C 由 u 和 d 组成

14、D 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( ) A3.010 10 m B1.810 11 m C3.010 34 m D无法确定 答案 C 解析 h p h mv 6.6310 34 1010 3200 m3.3210 34 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

15、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

16、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 h 4，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，但电荷的符号相反据此，反 粒子为( ) A.42He B. 4 2He C. 4 2He D. 4 2He 答案 D 解析 根据题目中的描述，结合 粒子的特点很容易选出正确选项 D.