高中物理第5章波與粒子3實(shí)物粒子的波粒二象性4“基本粒子”與恒星演化學(xué)案魯科版選修3_5.doc

第3節(jié)實(shí)物粒子的波粒二象性 第4節(jié)“基本粒子”與恒星演化目標(biāo)定位1.知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性以及物質(zhì)波的波長(zhǎng)，知道電子云并初步了解不確定性關(guān)系.2.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí).3.初步了解恒星的演化.4.了解人類認(rèn)識(shí)世界的發(fā)展性，體會(huì)人類對(duì)世界的探究是不斷深入的一、德布羅意的假設(shè)1德布羅意波：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體都有一種波與它相對(duì)應(yīng)，這種波叫物質(zhì)波，也稱為德布羅意波2德布羅意關(guān)系：粒子能量E與相應(yīng)的波的頻率之間的關(guān)系為：Eh.動(dòng)量p與相應(yīng)波長(zhǎng)之間的關(guān)系為：p.上述關(guān)系稱為德布羅意關(guān)系兩式中的h為普朗克常量通過普朗克常量把粒子性和波動(dòng)性聯(lián)系起來二、德布羅意假說的實(shí)驗(yàn)探索1實(shí)驗(yàn)探究思路干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象如果實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，則在一定條件下，也應(yīng)該能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，得到了電子的衍射圖樣，證實(shí)了電子的波動(dòng)性三、不確定性關(guān)系1微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征：不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量2不確定性關(guān)系：以x表示粒子位置的不確定范圍，以p表示粒子動(dòng)量的不確定范圍，那么xp，式中h是普朗克常量四、電子云用點(diǎn)的疏密表示的電子出現(xiàn)的概率分布，稱為電子云五、“基本粒子”初步1發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的基本粒子2影響“基本粒子”的相互作用：引力相互作用(引力)、電磁相互作用(電磁力)、強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)、弱相互作用(弱力)3“基本粒子”家族：按粒子參與相互作用的性質(zhì)來分，可將其分為媒介子、輕子和強(qiáng)子強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，它由更基本的成分夸克組成4“基本粒子”的探測(cè)：加速器和探測(cè)器是研究粒子物理的主要工具，探測(cè)器分兩大類：一類是計(jì)數(shù)器，一類是徑跡探測(cè)器六、恒星演化1恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云，進(jìn)一步凝聚使得引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高，直到發(fā)光，于是恒星誕生了2恒星演變：當(dāng)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力與引力作用達(dá)到平衡時(shí)，恒星停止收縮進(jìn)入最長(zhǎng)、最穩(wěn)定的主序星階段3恒星歸宿：恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞七、極大與極小的奇遇1宇宙大爆炸至今，經(jīng)歷了至少150億年；在大爆炸初期宇宙發(fā)生了巨大的變化，大宇宙的演化與微小的基本粒子緊密地聯(lián)系在一起了2在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強(qiáng)子時(shí)期，輕子時(shí)期，質(zhì)子和中子結(jié)合成氫、氦、鋰和氘時(shí)期一、對(duì)物質(zhì)波的理解1任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動(dòng)性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的緣故2物質(zhì)波波長(zhǎng)的計(jì)算公式為，頻率公式為.3德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動(dòng)性，與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波【例1】下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)，正確的解釋是()A任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波BX光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動(dòng)性答案C解析運(yùn)動(dòng)的物體才具有波動(dòng)性，A項(xiàng)錯(cuò)；宏觀物體由于動(dòng)量太大，德布羅意波波長(zhǎng)太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但仍具有波動(dòng)性，D項(xiàng)錯(cuò)；X光是波長(zhǎng)極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B項(xiàng)錯(cuò)；只有C項(xiàng)正確【例2】如果一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)量為10 g的子彈都以103 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，則它們的德布羅意波的波長(zhǎng)分別是多大？(中子的質(zhì)量為1.671027 kg，普朗克常量為6.631034 Js)答案4.01010 m6.631035 m解析中子的動(dòng)量為p1m1v子彈的動(dòng)量為p2m2v據(jù)知中子和子彈的德布羅意波長(zhǎng)分別為1，2聯(lián)立以上各式解得1，2將m11.671027 kg，v103 m/sh6.631034 Js，m21.0102 kg代入上面兩式可解得14.01010 m，26.631035 m借題發(fā)揮(1)人們陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動(dòng)性對(duì)于這些粒子，德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確(2)宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量很大，對(duì)應(yīng)的德布羅意波的波長(zhǎng)就很小，根本無法觀察到它的波動(dòng)性二、對(duì)不確定性關(guān)系的理解1不確定性關(guān)系微觀粒子運(yùn)動(dòng)的位置不確定量x和動(dòng)量的不確定量p的關(guān)系式為xp，其中h是普朗克常量，這個(gè)關(guān)系式叫不確定性關(guān)系2不確定性關(guān)系表明微觀粒子的位置坐標(biāo)測(cè)得越準(zhǔn)確(即x越小)，則動(dòng)量就越不準(zhǔn)確(即p越大)；微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得越準(zhǔn)確(即p越小)，則位置坐標(biāo)就越不準(zhǔn)確(即x越大)注意不確定性關(guān)系不是說微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)，也不是說微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)，更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)，而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)3不確定性關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律對(duì)任何物體都成立，并不是因?yàn)闇y(cè)量技術(shù)和主觀能力而使微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)對(duì)于宏觀尺度的物體，其質(zhì)量m通常不隨速度v變化(因?yàn)橐话闱闆r下，v遠(yuǎn)小于c)，即pmv，所以xv.由于m遠(yuǎn)大于h，因此x和v可以同時(shí)達(dá)到相當(dāng)小的地步，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最精良儀器的精度，完全可以忽略可見，不確定現(xiàn)象僅在微觀世界方可觀測(cè)到【例3】一顆質(zhì)量為10 g的子彈，具有200 m/s的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0.01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定范圍為多大？答案大于或等于2.61031 m解析子彈的動(dòng)量為pmv0.01200 kgm/s2.0 kgm/s動(dòng)量的不確定范圍p0.01%p1.01042.0 kgm/s2.0104 kgm/s由不確定性關(guān)系式xp， 得子彈位置的不確定范圍x m2.61031 m.借題發(fā)揮我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為1015 m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的可見子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定性關(guān)系對(duì)宏觀物體來說沒有實(shí)際意義針對(duì)訓(xùn)練1在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，若單縫寬度是1.0109 m，那么光子經(jīng)過單縫發(fā)生衍射，動(dòng)量不確定量是多少？答案p5.31026 kgm/s解析由題意可知光子位置的不確定量x1.0109 m，解答本題需利用不確定性關(guān)系單縫寬度是光子經(jīng)過狹縫的位置不確定量，即x1.0109 m，由xp有：1.0109 mp.得p5.31026 kgm/s.三、“基本粒子”初步認(rèn)識(shí)1“基本粒子”間的相互作用自然界中存在四種相互作用，如下表所示：力的類型發(fā)生作用的距離傳遞此力的粒子粒子的質(zhì)量萬有引力作用延伸到非常大的距離沒有發(fā)現(xiàn)未知弱相互作用約小于1018 m中間玻色子約90 GeV電磁相互作用延伸到非常大的距離光子0強(qiáng)相互作用約小于1015m膠子假定為02.粒子的分類按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，分類如下表所示：比較項(xiàng)分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、超子、質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子強(qiáng)子又分為介子和重子兩類強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每種輕子都有對(duì)應(yīng)的反粒子媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用中間玻色子傳遞弱相互作用膠子傳遞強(qiáng)相互作用【例4】目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩夸克組成，u夸克帶電荷量為e，d夸克帶電荷量為e，e為基元電荷，下列論斷中可能正確的是()A質(zhì)子由1個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成B質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成C質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成D質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成答案B解析針對(duì)訓(xùn)練2(多選)已知介子、介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克或反夸克)組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷.ud帶電荷量eeeeee下列說法正確的是()A由u和組成 B由d和組成C由u和組成 D由d和組成答案AD對(duì)物質(zhì)波的理解1一顆質(zhì)量為10 g的子彈，以200 m/s的速度運(yùn)動(dòng)著，則由德布羅意理論計(jì)算，要使這顆子彈發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，那么障礙物的尺寸為()A3.01010 m B1.81011 mC3.01034 m D無法確定答案C解析 m3.321034 m，故能發(fā)生明顯衍射的障礙物尺寸應(yīng)為選項(xiàng)C.2下列說法正確的是()A概率波就是機(jī)械波B物質(zhì)波是一種概率波C概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個(gè)光子，則能確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上答案B解析概率波與機(jī)械波是兩個(gè)概念，本質(zhì)不同，A、C錯(cuò)誤；物質(zhì)波是一種概率波，符合概率波的特點(diǎn)；在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個(gè)光子，則不能確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上，D錯(cuò)故B正確對(duì)不確定性關(guān)系的理解3(多選)下述說法正確的是()A宏觀物體的動(dòng)量和位置可準(zhǔn)確測(cè)定B微觀粒子的動(dòng)量和位置可準(zhǔn)確測(cè)定C微觀粒子的動(dòng)量和位置不可同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定D宏觀粒子的動(dòng)量和位置不可同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定答案AC解析宏觀物體在經(jīng)典力學(xué)中，位置和動(dòng)量可以同時(shí)精確測(cè)定，在量子理論建立之后，微觀粒子的動(dòng)量和位置要同時(shí)測(cè)出是不可能的4(多選)關(guān)于不確定性關(guān)系，下列說法正確的是()A在微觀世界中，粒子的位置和動(dòng)量存在一定的不確定性，不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量B自然界中的任何物體的動(dòng)量和位置之間都存在不確定性C海森堡不確定性關(guān)系說明粒子的位置和動(dòng)量存在一定的不確定性，都不能測(cè)量D不確定性關(guān)系xp，x與p測(cè)量精度與測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法是否完備無關(guān)答案ABD解析微觀世界中，粒子的位置和動(dòng)量存在一定的不確定性，不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，A正確；如果同時(shí)測(cè)量某個(gè)微觀粒子的位置和動(dòng)量，位置的測(cè)量結(jié)果越精確，動(dòng)量的測(cè)量誤差就越大；反之，動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果越精確，位置的測(cè)量誤差就越大，C錯(cuò)誤；普朗克常量是一個(gè)很小的量，對(duì)宏觀物體來說，這種不確定關(guān)系可以忽略不計(jì)，B正確基本粒子初步5現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號(hào)相反據(jù)此，反粒子為()A.He B.He C.He D.He答案D解析根據(jù)題目中的描述，結(jié)合粒子的特點(diǎn)很容易選出正確選項(xiàng)D.(時(shí)間：60分鐘)題組一對(duì)基本粒子的初步認(rèn)識(shí)1(多選)下列所述正確的是()A超子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量小B反粒子的質(zhì)量與對(duì)應(yīng)粒子的質(zhì)量相同，二者電性相反C質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子D目前發(fā)現(xiàn)的輕子有6種，其中子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量還大答案BCD2(多選)下列所述正確的是()A原子是組成物質(zhì)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電子構(gòu)成，質(zhì)子和中子組成了原子核D質(zhì)子、中子本身也是復(fù)合粒子，它們也有著自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu)答案CD解析由所學(xué)過的內(nèi)容及本節(jié)內(nèi)容可知，只有C、D正確3正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子，它們跟普通電子、質(zhì)子的質(zhì)量、電荷量均相等，而電性相反科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)反物質(zhì).1997年初和年底，歐洲和美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個(gè)和7個(gè)反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步你推測(cè)反氫原子的結(jié)構(gòu)是()A由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成C由一個(gè)不帶電荷的中子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成答案B解析反氫原子的結(jié)構(gòu)是由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，正電子、負(fù)質(zhì)子等都屬于反粒子題組二對(duì)物質(zhì)波的理解4(多選)下列物理實(shí)驗(yàn)中，能說明粒子具有波動(dòng)性的是()A通過研究金屬的遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系，證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性B通過測(cè)試多種物質(zhì)對(duì)X射線的散射，發(fā)現(xiàn)散射射線中有波長(zhǎng)變大的成分C通過電子雙縫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子的干涉現(xiàn)象D利用晶體做電子束衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性答案CD解析干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，由于X射線本身就是一種波，而不是實(shí)物粒子，故X射線散射中有波長(zhǎng)變大的成分，并不能證實(shí)物質(zhì)波理論的正確性，即A、B不能說明粒子的波動(dòng)性，證明粒子的波動(dòng)性只能是C、D.5下列說法中正確的是()A質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短B速度大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短C動(dòng)量大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短D動(dòng)能大的物體，其德布羅意波長(zhǎng)短答案C解析由物質(zhì)波的波長(zhǎng)，得其只與物體的動(dòng)量有關(guān)，動(dòng)量越大其波長(zhǎng)越短6(多選)利用金屬晶格(大小約1010 m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子通過電場(chǎng)加速后，讓電子束照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說法中正確的是()A該實(shí)驗(yàn)說明了電子具有波動(dòng)性B實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長(zhǎng)C加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越明顯D若用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯答案AB解析由電子的衍射圖樣，說明電子具有波動(dòng)性，A正確；由德布羅意波長(zhǎng)公式，而動(dòng)量p，兩式聯(lián)立解得，B正確；從公式可知，加速電壓越大，電子的波長(zhǎng)越小，衍射現(xiàn)象就越不明顯；用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子，質(zhì)子波長(zhǎng)比電子波長(zhǎng)小，衍射現(xiàn)象相比電子更不明顯，故C、D錯(cuò)誤7質(zhì)量為m50 kg的人，以v15 m/s的速度運(yùn)動(dòng)，試求人的德布羅意波波長(zhǎng)答案8.81037 m解析由公式，pmv得此人的德布羅意波波長(zhǎng) m8.81037 m.題組三對(duì)不確定性關(guān)系的理解8(多選)根據(jù)不確定性關(guān)系xp，判斷下列說法正確的是()A采取辦法提高測(cè)量x精度時(shí)，p的精度下降B采取辦法提高測(cè)量x精度時(shí)，p的精度上升Cx與p測(cè)量精度與測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法是否完備有關(guān)Dx與p測(cè)量精度與測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法是否完備無關(guān)答案AD解析不確定關(guān)系表明，無論采用什么方法試圖確定位置坐標(biāo)和相應(yīng)動(dòng)量中的一個(gè)，必然引起另一個(gè)較大的不確定性，這樣的結(jié)果與測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法是否完備無關(guān)，無論怎樣改善測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法，都不可能逾越不確定關(guān)系所給出的限度故A、D正確9(多選)由不確定性關(guān)系可以得出的結(jié)論是()A如果動(dòng)量的不確定范圍越小，則