高二物理人教版选修35不确定性关系.doc

不确定性关系重/难点重点：不确定性关系的概念。难点：对不确定性关系的定量应用。重/难点分析重点分析：微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量越小动量的不确定量就越大反之亦然。难点分析：微观粒子的坐标测得愈准确()动量就愈不准确()；微观粒子的动量测得愈准确()坐标就愈不准确()。但这里要注意不确定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。突破策略1、德布罗意波的统计解释1926年德国物理学玻恩（Born1882--1972）提出了概率波认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。2、经典波动与德布罗意波（物质波）的区别经典的波动（如机械波、电磁波等）是可以测出的、实际存在于空间的一种波动。而德布罗意波（物质波）是一种概率波。简单的说是为了描述微观粒子的波动性而引入的一种方法。3、不确定度关系（uncertaintyrelatoin）经典力学：运动物体有完全确定的位置、动量、能量等。微观粒子：位置、动量等具有不确定量（概率）。（1）电子衍射中的不确定度如图所示一束电子以速度v沿oy轴射向狭缝。电子在中央主极大区域出现的几率最大。在经典力学中粒子（质点）的运动状态用位置坐标和动量来描述而且这两个量都可以同时准确地予以测定。然而对于具有二象性的微观粒子来说是否也能用确定的坐标和确定的动量来描述呢？下面我们以电子通过单缝衍射为例来进行讨论。设有一束电子沿oy轴射向屏AB上缝宽为a的狭缝于是在照相底片CD上可以观察到如下图所示的衍射图样。如果我们仍用坐标x和动量p来描述这一电子的运动状态那么我们不禁要问：一个电子通过狭缝的瞬时它是从缝上哪一点通过的呢?也就是说电子通过狭缝的瞬时其坐标x为多少?显然这一问题我们无法准确地回答因为此时该电子究竟在缝上哪一点通过是无法确定的即我们不能准确地确定该电子通过狭缝时的坐标。研究表明：衍射极小式中为电子的德布罗意波长。电子的位置和动量分别用x和p来表示。电子通过狭缝的瞬间其位置在x方向上的不确定量为同一时刻由于衍射效应粒子的速度方向有了改变缝越小动量的分量px变化越大。分析计算可得：式中h为普朗克常量。这就是著名的不确定性关系简称不确定关系。上式表明：①许多相同粒子在相同条件下实验粒子在同一时刻并不处在同一位置。②用单个粒子重复粒子也不在同一位置出现。例1.一颗质量为10g的子弹具有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量范围为多大?解析：子弹的动量动量的不确定范围由不确定关系式得子弹位置的不确定范围我们知道原子核的数量级为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关系对宏观物体来说没有实际意义。例2.一电子具有200m/s的速率动量的不确定范围为动量的0.01%(这已经足够精确了)则该电子的位置不确定范围有多大?解析:电子的动量为：动量的不确定范围由不确定关系式得电子位置的不确定范围我们知道原子大小的数量级为电子则更小。在这种情况下电子位置的不确定范围比原子的大小还要大几亿倍可见企图精确地确定电子的位置和动量已是没有实际意义。4、微观粒子和宏观物体的特性对比宏观物体微观粒子具有确定的坐标和动量可用牛顿力学描述。没有确定的坐标和动量需用量子力学描述。有连续可测的运动轨道可追踪各个物体的运动轨迹。有概率分布特性不可能分辨出各个粒子的轨迹。体系能量可以为任意的、连续变化的数值。能量量子化。不确定度关系无实际意义。遵循不确定度关系。5、不确定关系的物理意义和微观本质（1）物理意义：微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量越小动量的不确定量就越大反之亦然。（2）微观本质：是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。不确定关系式表明：①微观粒子的坐标测得愈准确()动量就愈不准确()；微观粒子的动量测得愈准确()坐标就愈不准确()。但这里要注意不确定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。②为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准？这是因为微观粒子的坐标和动量本来就不同时具有确定量。这本质上是微观粒子具有波粒二象性的必然反映。由以上讨论可知不确定关系是自然界的一条客观规律不是测量技术和主观能力的问题。③不确定关系提供了一个判据：当不确定关系施加的限制可以忽略时则可以用经典理论来研究粒子的运动。当不确定关系施加的限制不可以忽略时那只能用量子力学理论来处