2019年高中物理第5章第3、4节实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化学案鲁科版 7页

实物粒子的波粒二象性“基本粒子”与恒星演化1.德布罗意关系：E＝hν，p＝。2．不确定性关系：ΔxΔp≥，式中Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量。3．用点的疏密表示电子出现的概率分布，称为电子云。4．自然界存在四种相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。基本粒子包括媒介子、轻子、强子。1．德布罗意波任何一个运动着的物体，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E＝hν,p＝德布罗意用普朗克常量把粒子性和波动性联系起来。3．物质波的实验验证1927年戴维孙和革末分别利用晶体做了电子束衍射实验，发现了电子的衍射现象，证实了电子的波动性。4．不确定性关系(1)在微观世界中，粒子的位置和动量存在一定的不确定性，不能同时测量。(2)关系式ΔxΔp≥中，Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为n普朗克常量。5．电子云用点的疏密表示的电子出现的概率分布。某一空间范围内电子出现概率大的地方点密集，电子出现概率小的地方点稀疏。电子云反映了原子核外电子位置的不确定性。6．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μ子，1947年发现K介子和π介子及以后发现的超子等。(3)粒子的分类：已发现的粒子分为媒介子、轻子和强子三类。(4)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。7．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。8．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。1．自主思考——判一判(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。(√)(4)无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的。(×)(5)我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置。(×)(6)微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置。(√)(7)目前发现的轻子有8种。(×)(8)宇宙将一直会膨胀下去。(×)n2．合作探究——议一议(1)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，λ＝，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。(2)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。(3)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。对德布罗意波的理解与计算1．德布罗意认为任何一个运动的物体，小的如电子、质子，大的如行星、太阳，平时所见到的行驶的火车、流动的人群等，都有一种波与之对应，称为德布罗意波，也叫物质波。物质波的动量与波长之间的关系为p＝。2．德布罗意波和光波一样，也是概率波，即实物粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配。微观粒子的运动状态不可能用“轨迹”来描述，只能通过大量粒子的运动做统计性的描述。因此，电子在原子内没有确定的位置，在原子核外任何地方都有可能出现，只是概率不同。3．根据德布罗意假设，实物粒子也具有波粒二象性，宏观物体的动量比较大，所以，德布罗意波波长很短，波动性不明显。微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定环境下可以观察到它们的干涉和衍射等波的现象。4．有关德布罗意波计算的一般方法(1)如果知道物体动能也可以直接用p＝计算其动量。(2)根据λ＝计算德布罗意波长。n1．以下说法正确的是(　　)A．只有微观粒子才具有波动性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．物质波就是光波解析：选C　任何物体都具有波动性，故A错误。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。2．质量为1000kg的小汽车以v＝40m/s的速度在高速公路上行驶，试估算小汽车的德布罗意波的波长。解析：小汽车的动量为p＝mv＝1000×40kg·m/s＝4×104kg·m/s小汽车的德布罗意波波长为λ＝＝m＝1.7×10－38m。答案：1.7×10－38m对不确定性关系的理解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，但它们通过狭缝后可以处于任何位置，也就是说，粒子在通过狭缝后的位置是完全不确定的。2．粒子动量的不确定性：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。由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以，粒子在垂直运动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．不确定性关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果。除位置和动量的不确定性关系外，还有其他不确定性关系，如时间和能量的不确定性关系：ΔEΔt≥。[典例]　已知＝5.3×10－35J·s。试求下列情况中速度测定的不确定量。(1)一个球的质量m＝1.0kg，测定其位置的不确定量为10－6m。(2)电子的质量me＝9.1×10－31kg，测定其位置的不确定量为10－10m(即原子的数量级)。n[思路点拨]利用不确定关系ΔxΔp≥分析确定速度测定的不确定量Δv。[解析]　(1)m＝1.0kg，Δx＝10－6m，由ΔxΔp≥，Δp＝mΔv知Δv1≥＝m/s＝5.3×10－29m/s。(2)me＝9.1×10－31kg，Δx＝10－10mΔv2≥＝m/s≈5.8×105m/s。[答案]　(1)Δv1≥5.3×10－29m/s(2)Δv2≥5.8×105m/s不确定性关系ΔxΔp≥是自然界的普遍规律，对微观世界的影响显著，对宏观世界的影响可忽略不计。也就是说，宏观世界中的物体质量较大，位置和速度的不确定范围较小，可同时较精确测出物体的位置和动量；在微观世界中，粒子质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，也就不能准确地把握粒子的运动状态了。　　　　1．从衍射的规律可以知道，狭缝越窄，屏上中央亮条纹就越宽，由不确定性关系式ΔxΔp≥判断下列说法正确的是(　　)A．入射的粒子有确定的动量，射到屏上粒子就有准确的位置B．狭缝的宽度变小了，因此粒子的不确定性也变小了C．更窄的狭缝可以更准确地测得粒子的位置，但粒子动量不确定性却更大了D．可以同时确定粒子的位置和动量解析：选C　由ΔxΔp≥，狭缝变小了，即Δx减小了，Δp变大，即动量的不确定性变大，故C对。2．质量为m的粒子被限制在x＝－到x＝的区域内运动，在它朝x轴正方向运动时，其动量测量值的最小不确定范围Δp≥________。n解析：Δx＝l，由Δx·Δp≥知Δp≥。答案：“基本粒子”与恒星的演化1．“基本粒子”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是最早发现的强子强子有内部结构，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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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2．夸克夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。它们带的电荷分别为元电荷的＋或－。每种夸克都有对应的反夸克。3．恒星的演化(1)恒星演化过程(2)恒星的归宿：恒星最终归宿与恒星的质量大小有关，当恒星的质量大致介于1～8倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的10～20倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞。1．[多选]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nB．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解析：选BD　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。2．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“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。由此可知反氢原子是(　　)A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D．由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成解析：选B　氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项B正确，其他选项错误。