高中物理 第5章 波與粒子 第3節(jié) 實(shí)物粒子的波粒二象性 第4節(jié)“基本粒子”與恒星演化教師用書 魯科版選修3-5

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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 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，會(huì)計(jì)算物質(zhì)波的波長(zhǎng)，知道電子云，初步了解不確定性關(guān)系．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 2.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)．(重點(diǎn)) 3.初步了解恒星的演化．(重點(diǎn)) 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. 德布羅意假設(shè)及其實(shí)驗(yàn)探索 [先填空] 1．德布羅意波 德布羅意提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性．稱這種波為物質(zhì)波或德布羅意波． 2．物質(zhì)波的波長(zhǎng)、頻率與粒子能量、動(dòng)量的關(guān)系 (1)粒子能量E與相應(yīng)波的頻率ν之間的關(guān)系為E＝hν. (2)動(dòng)量p與相應(yīng)波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為p＝. 3．物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 (1)1927年，戴維孫和革末通過實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了電子的衍射現(xiàn)象． (2)1927年，湯姆孫用實(shí)驗(yàn)證明，電子在穿過金屬片后像X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，也證實(shí)了電子的波動(dòng)性． (3)1960年，約恩孫直接做了電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片． [再判斷] 1．電子不但具有粒子性也具有波動(dòng)性．(√) 2．物質(zhì)波的波長(zhǎng)由粒子的大小決定．() 3．物質(zhì)波的波長(zhǎng)和粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量有關(guān)．(√) [后思考] 運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體具有波動(dòng)性，為什么我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性？ 【提示】　由p＝得，λ＝，宏觀物體的動(dòng)量比微觀粒子的動(dòng)量大得多，運(yùn)動(dòng)著的宏觀物體的波長(zhǎng)都很短，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)波動(dòng)性越明顯，所以我們很難觀察到宏觀物體的波動(dòng)性． [核心點(diǎn)擊] 1．任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)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．粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率受統(tǒng)計(jì)規(guī)律支配，不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波． 3．德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(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． 1．以下說法正確的是(　　) A．宏觀粒子也具有波動(dòng)性 B．抖動(dòng)細(xì)繩一端，繩上的波就是物質(zhì)波 C．物質(zhì)波也是一種概率波 D．物質(zhì)波就是光波 E．電子的波動(dòng)性可以通過實(shí)驗(yàn)觀察到 【解析】　任何物體都具有波動(dòng)性，故A正確．對(duì)宏觀物體而言，其波動(dòng)性難以觀測(cè)，我們所看到的繩波是機(jī)械波，不是物質(zhì)波，故B錯(cuò)誤．物質(zhì)波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動(dòng)規(guī)律，但物質(zhì)波不是光波，故C正確，D錯(cuò)誤；通過電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，觀察到電子的雙縫干涉圖樣，證明電子具有波動(dòng)性，E正確． 【答案】　ACE 2．如果一個(gè)電子的德布羅意波長(zhǎng)和一個(gè)中子的相等，則它們的________也相等． 【解析】　本題考查德布羅意波長(zhǎng)的公式，意在考查考生對(duì)德布羅意波長(zhǎng)公式的掌握．由λ＝可知，如果一個(gè)電子和一個(gè)中子的德布羅意波長(zhǎng)相等，則它們的動(dòng)量p相等． 【答案】　動(dòng)量 3．質(zhì)量為10 g、速度為300 m/s在空中飛行的子彈，其德布羅意波長(zhǎng)是多少？為什么我們無法觀察出其波動(dòng)性？ 【解析】　子彈在空中飛行時(shí)的動(dòng)量 p＝mv＝1010－3300 kgm/s＝3 kgm/s 子彈的德布羅意波長(zhǎng)為 λ＝＝ m＝2.2110－34 m 由于子彈的德布羅意波長(zhǎng)極短，故無法觀察到其波動(dòng)性． 【答案】　2.2110－34 m　由于子彈的德布羅意波長(zhǎng)極短，無法觀察到其波動(dòng)性 有關(guān)德布羅意波計(jì)算的一般方法 (1)計(jì)算物體的速度，再計(jì)算其動(dòng)量．如果知道物體動(dòng)能也可以直接用p＝計(jì)算其動(dòng)量． (2)根據(jù)λ＝計(jì)算德布羅意波長(zhǎng)． (3)需要注意的是：德布羅意波長(zhǎng)一般都很短，比一般的光波波長(zhǎng)還要短，可以根據(jù)結(jié)果的數(shù)量級(jí)大致判斷結(jié)果是否合理． (4)宏觀物體的波長(zhǎng)小到可以忽略，其波動(dòng)性很不明顯． 　 不確定性關(guān)系及電子云 [先填空] 1．在微觀世界中，粒子的位置和動(dòng)量存在不確定性，不能同時(shí)測(cè)量． 2．不確定性關(guān)系：ΔxΔp≥. 式中，Δx為位置的不確定范圍，Δp為動(dòng)量的不確定范圍，h為普朗克常量． 3．此式表明，不能同時(shí)精確測(cè)定一個(gè)微觀粒子的位置和動(dòng)量． 4．電子云 (1)定義 在原子核周圍用點(diǎn)的疏密表示的電子出現(xiàn)的概率分布． (2)電子的分布 某一空間范圍內(nèi)電子出現(xiàn)概率大的地方點(diǎn)密，電子出現(xiàn)概率小的地方點(diǎn)疏．電子云反映了原子核外電子位置的可能性． [再判斷] 1．無論宏觀世界還是微觀世界，粒子的位置都是確定的．() 2．我們可以根據(jù)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡判斷電子的出現(xiàn)位置．() 3．微觀世界中不可以同時(shí)測(cè)量粒子的動(dòng)量和位置．(√) [后思考] 在微觀物理學(xué)中，我們不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道某個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，那么粒子出現(xiàn)的位置是否就是無規(guī)律可循的？ 【提示】　粒子出現(xiàn)的位置還是有規(guī)律可循的，那就是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出現(xiàn)概率大的位置． [核心點(diǎn)擊] 1．粒子位置的不確定性：?jiǎn)慰p衍射現(xiàn)象中，入射的粒子有確定的動(dòng)量，但它們可以處于擋板左側(cè)的任何位置，也就是說，粒子在擋板左側(cè)的位置是完全不確定的． 2．粒子動(dòng)量的不確定性 (1)微觀粒子具有波動(dòng)性，會(huì)發(fā)生衍射．大部分粒子到達(dá)狹縫之前沿水平方向運(yùn)動(dòng)，而在經(jīng)過狹縫之后，有些粒子跑到投影位置以外．這些粒子具有與其原來運(yùn)動(dòng)方向垂直的動(dòng)量． (2)由于哪個(gè)粒子到達(dá)屏上的哪個(gè)位置是完全隨機(jī)的，所以粒子在垂直方向上的動(dòng)量也具有不確定性，不確定量的大小可以由中央亮條紋的寬度來衡量． 3．位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)系：ΔxΔp≥ 由ΔxΔp≥可以知道，在微觀領(lǐng)域，要準(zhǔn)確地確定粒子的位置，動(dòng)量的不確定性就更大；反之，要準(zhǔn)確地確定粒子的動(dòng)量，那么位置的不確定性就更大． 4．微觀粒子的運(yùn)動(dòng)沒有特定的軌道：由不確定關(guān)系ΔxΔp≥可知，微觀粒子的位置和動(dòng)量是不能同時(shí)被確定的，這也就決定了不能用“軌跡”的觀點(diǎn)來描述粒子的運(yùn)動(dòng)． 5．經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別 (1)在經(jīng)典物理學(xué)中，可以同時(shí)用位置和動(dòng)量精確地描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，如果知道質(zhì)點(diǎn)的加速度，還可以預(yù)言質(zhì)點(diǎn)在以后任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量，從而描繪它的運(yùn)動(dòng)軌跡． (2)在微觀物理學(xué)中，不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量．因而也就不可能用“軌跡”來描述粒子的運(yùn)動(dòng)．但是，我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律． 4．關(guān)于不確定性關(guān)系ΔxΔp≥有以下幾種理解，正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18850067】 A．微觀粒子的動(dòng)量不可確定 B．微觀粒子的位置不可確定 C．微觀粒子的動(dòng)量和位置不可同時(shí)確定 D．不確定性關(guān)系不僅適用于電子和光子等微觀粒子，也適用于宏觀物體 E．微觀世界粒子的質(zhì)量較小，不能準(zhǔn)確把握粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 【解析】　由ΔxΔp≥可知，當(dāng)粒子的位置不確定性小時(shí)，粒子動(dòng)量的不確定性大；反之，當(dāng)粒子的位置不確定性大時(shí)，粒子動(dòng)量的不確定性?。什荒芡瑫r(shí)測(cè)量粒子的位置和動(dòng)量，故A、B錯(cuò)，C、E對(duì)．不確定性關(guān)系是自然界中的普遍規(guī)律，對(duì)微觀粒子的影響顯著，對(duì)宏觀物體的影響可忽略，故D正確． 【答案】　CDE 5．已知＝5.310－35 Js，試求下列情況中速度測(cè)定的不確定量． (1)一個(gè)球的質(zhì)量m＝1.0 kg，測(cè)定其位置的不確定量為10－6 m. (2)電子的質(zhì)量m＝9.010－31 kg，測(cè)定其位置的不確定量為10－10 m．(即在原子的數(shù)量級(jí)) 【解析】　(1)m＝1.0 kg，Δx1＝10－6 m， 由ΔxΔp≥，Δp＝mΔv知 Δv1＝＝ m/s＝5.310－29 m/s. (2)me＝9.010－31 kg， Δx2＝10－10 m Δv2＝ ＝ m/s ＝5.89105 m/s. 【答案】　(1)5.310－29 m/s　(2)5.89105 m/s 對(duì)不確定性關(guān)系的三點(diǎn)提醒 (1)在宏觀世界中物體的質(zhì)量與微觀世界中粒子的質(zhì)量相比較，相差很多倍． (2)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出，宏觀世界中的物體的質(zhì)量較大，位置和速度的不確定量較小，可同時(shí)較精確地測(cè)出物體的位置和動(dòng)量． (3)在微觀世界中粒子的質(zhì)量較小，不能同時(shí)精確地測(cè)出粒子的位置和動(dòng)量，不能準(zhǔn)確把握粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)． “基本粒子”與恒星的演化 [先填空] 1．對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)過程 (1)“基本粒子”：電子、質(zhì)子和中子．曾認(rèn)為它們是組成物質(zhì)的基本粒子，后來又認(rèn)識(shí)到“基本粒子”的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)． (2)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)k介子和π介子及以后發(fā)現(xiàn)的超子等． 2．粒子的分類：已發(fā)現(xiàn)的粒子分為媒介子、輕子和強(qiáng)子三類． 3．影響“粒子”的相互作用力 引力、電磁力、強(qiáng)相互作用、弱相互作用． 4．夸克模型 (1)夸克：強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的． (2)分類：上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克；它們所帶的電荷是電子或質(zhì)子所帶電荷的2/3或1/3. 5．恒星的演化 (1)恒星的形成：大爆炸后，在萬有引力作用下形成星云團(tuán)，進(jìn)一步凝聚開始發(fā)光形成恒星． (2)恒星的歸宿：聚變反應(yīng)層級(jí)遞進(jìn)地在恒星內(nèi)發(fā)生，直到各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生，恒星的中心密度達(dá)到極大，在強(qiáng)大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞． (3)恒星的演化過程：原恒星→主序星(現(xiàn)在太陽(yáng)正處于此階段)→紅巨星或超新星→白矮星、中子星或黑洞． [再判斷] 1．強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子．(√) 2．目前發(fā)現(xiàn)的輕子有8種．() 3．宇宙將一直會(huì)膨脹下去．() [后思考] 星云是怎樣形成恒星的？恒星形成時(shí)是怎樣發(fā)光的？恒星在哪個(gè)階段停留時(shí)間最長(zhǎng)？ 【提示】　星云在外界影響下聚集，某些區(qū)域在引力作用下開始向內(nèi)收縮，密度不斷增加，星云團(tuán)中引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高．當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)，開始發(fā)光，形成原恒星．恒星在主序星階段停留時(shí)間最長(zhǎng)． [核心點(diǎn)擊] 1．新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn) 發(fā)現(xiàn)時(shí)間 1932年 1937年 1947年 20世紀(jì)60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子與π介子 超子 基本特點(diǎn) 質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反 比質(zhì)子的質(zhì)量小　 質(zhì)量介于電子與核子之間 其質(zhì)量比質(zhì)子大　 2.粒子的分類 分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注 強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子 輕子 不參與強(qiáng)相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用 3.夸克的分類 夸克有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷是電子或質(zhì)子所帶電荷的或.每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克． 4．兩點(diǎn)提醒 (1)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，τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量大，但力的性質(zhì)決定了它屬于輕子． (2)粒子具有對(duì)稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反粒子，它們相遇時(shí)會(huì)發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子． 6．關(guān)于粒子，下列說法正確的是(　　) A．電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 B．強(qiáng)子中也有不帶電的粒子 C．夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 E．超子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量還大 【解析】　由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A錯(cuò)誤，B正確；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯(cuò)誤，D正確，超子屬于強(qiáng)子，其質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量還大些，E正確． 【答案】　BDE 7．在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在． (1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(e)，即中微子＋H―→n＋e. 可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________．(填寫選項(xiàng)前的字母) A．0和0　　　　　　 B．0和1 C．1和0 D．1和1 (2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即e＋e―→2γ.已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.110－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是________． (3)試通過分析比較，具有相同動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)的大?。? 【解析】　(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A正確． (2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損．兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.210－14 J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，故如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律． (3)物質(zhì)波的波長(zhǎng)為λ＝，要比較波長(zhǎng)需要將中子和電子的動(dòng)量用動(dòng)能表示出來即p＝，因?yàn)閙n>me，所以pn>pe，故λn<λe. 【答案】　見解析 處理新粒子問題的方法 核反應(yīng)過程中新生成的粒子和實(shí)物粒子一樣，也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生相互作用時(shí)，同樣遵循動(dòng)量守恒定律等力學(xué)規(guī)律，所以應(yīng)熟練地掌握物理知識(shí)和物理規(guī)律，并靈活應(yīng)用．