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- 2021-05-26 发布
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17.5《不确定的关系》
教学目标
§ (一)知识与技能
§ 1.了解不确定关系的概念和相关计算.
§ 2.了解物理模型与物理现象
§ (二)过程与方法
§ 经历科学探究过程,认识科学探究的意义,尝试应用科学
探究的方法研究物理问题,验证物理规律。
§ (三)情感、态度与价值观
§ 能领略自然界的奇妙与和谐,发展对科学的好奇心与求知
欲,乐于探究自然界的奥秘,能体验探索自然规律的艰辛
与喜悦。
§ 【重点难点】
§ 1、重点:不确定关系的概念
§ 2、难点:对不确定关系的定量应用
玻 恩 ( M .
Born. 1882-1970)德
国物理 学家。1926年
提出波函数的统计意
义 。 为 此 与 博 波
(W.W.G Bothe. 1891-
1957)共享1954年诺贝
尔物理学奖。
玻 恩 M. Born.
一、德布罗意波的统计解释
1926年,德国物理学玻恩 (Born , 1882--
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。
二.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。
不确定度关系(uncertainty relatoin)
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
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。
a
o
x
y
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 轴射向屏AB上缝宽为 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 和动量 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 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。
Oy b
x p
x
对于第一衍射极小,
asin 1
式中 为 电子
的德布罗意波长。
电子通过狭缝的瞬间,其位置在 x 方向上的不
确定量为
p
1
a
o
x
y
ax
电子的位置和动量
分别用 和 来表示。x p
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。
p
1
a
o
x
y
4
hpx x
分析计算可得:
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。
动量不确定度
位置不确定度
zyx ppp
zyx
,,
,,
不确定性关系
(1901~1976)
德国物理学家,量子力学矩阵形式的创建人,
1932年获诺贝尔物理学奖。
经严格证明应为:
2xpx
这就是著名的海森伯测不准关系式
2ypy
2zpz
2
h
(约化普朗克常量)
能量与时间的不确定关系:
2tE
原子在激发态的平均寿命 相
应地所处能级的能量值一定有一不确定量。
s10t 8
ev10t2E 8
称为激发态的能级宽度。
我们知道,原子核的数量级为10-15m,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。
11 smkg0.2smkg20001.0 mvp
1414 smkg100.2smkg2100.1%01.0 pp
例1.一颗质量为10g 的子弹,具有200m·s-1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: 子弹的动量
动量的不确定范围
由不确定关系式(17-17),得子弹位置的不确定范围
mmp
hx 31
4
34
106.2100.214.34
1063.6
4
我们知道原子大小的数量级为10-10m,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。
128131 smkg108.1smkg200101.9 mvp
132
1284
smkg0.18.1
smkg0.18.1100.1%01.0
pp
例2 . 一电子具有200 m/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 : 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
mmp
hx 3
32
34
109.2108.114.34
1063.6
4
宏观物体 微观粒子
具有确定的坐标和动量 没有确定的坐标和动
量
可用牛顿力学描述。 需用量子力学描述。
有连续可测的运动轨道,可 有概率分布特性,不
可能分辨
追踪各个物体的运动轨迹。 出各个粒子的轨迹。
体系能量可以为任意的、连 能量量子化 。
续变化的数值。
不确定度关系无实际意义 遵循不确定度关系
微观粒子和宏观物体的特性对比
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 x越小,
动量的不确定量 Px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( x 0) ,动
量就愈不准确( px ) ;
微观粒子的动量测得愈准确( px 0) ,坐标就
愈不准确( x ) 。
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。
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理问题。
2.为什么微观粒子的坐标和动量不能同时测准?
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