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”与恒星演化教师用书 鲁科版选修3-5

第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化学 习 目 标知 识 脉 络1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系(重点、难点)2.初步了解粒子物理学的基础知识(重点)3.初步了解恒星的演化(重点)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. 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与相应波的频率之间的关系为Eh.(2)动量p与相应波长之间的关系为p.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得，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E电子的波动性可以通过实验观察到【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；通过电子双缝干涉实验，观察到电子的双缝干涉图样，证明电子具有波动性，E正确【答案】ACE2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】本题考查德布罗意波长的公式，意在考查考生对德布罗意波长公式的掌握由可知，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pmv10103300 kgm/s3 kgm/s子弹的德布罗意波长为 m2.211034 m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】2.211034 m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计算其动量(2)根据计算德布罗意波长(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：xp.式中，x为位置的不确定范围，p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：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，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关于不确定性关系xp有以下几种理解，正确的是() 【导学号：18850067】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E微观世界粒子的质量较小，不能准确把握粒子的运动状态【解析】由xp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、E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】CDE5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，x1106 m，由xp，pmv知v1 m/s5.31029 m/s.(2)me9.01031 kg，x21010 mv2 m/s5.89105 m/s.【答案】(1)5.31029 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 “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年发现了子，1947年发现k介子和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发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子子K介子与介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.夸克的分类夸克有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或.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，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E超子的质量比质子的质量还大【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e和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确，超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确【答案】BDE7在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H的核反应，间接地证实了中微子的存在(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子Hne.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)A0和0B0和1C1和0 D1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()，即ee2.已知正电子和电子的质量都为9.11031 kg，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Emc2，故一个光子的能量为，代入数据得8.21014 J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，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，因为mnme，所以pnpe，故ne.【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