《不确定性关系》名师教案2.docVIP

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《不确定性关系》教学设计

教师：吴飞学校：淮北市实验高级中学

一、教材分析

本节内容是在上一节概率波的基础上进一步深化的。学生已经知道单个微观粒子的运动具有不确定性，但他在空间某点出现的概率却可通过波动规律确定。本节通过光的单缝衍射实验，具体分析了这种不确定性的数量关系，给出了量子力学中一个著名的数学关系式不确定性关系。通过介绍经典物理学和微观物理学中物理模型与物理现象的巨大差异、量子力学对社会进步的重要作用以及对量子理论的争论，为学生用新的观点来认识微观世界提供了有效的空间。

二、教学目标

1、知识与技能

（1）了解不确定关系的内容和相关计算；

（2）了解物理模型与物理现象的关系。

（3）了解模型在物理学发展中的重要作用及其局限性。

2、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。

3、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。

三、教学重点：不确定关系的分析和理解。

四、教学难点：对不确定关系的定量应用。

五、课时安排：一课时

六、教学过程：

第五节不确定关系

1、不确定关系

（一）导入新课

师：同学们,通过前面的学习我们知道:在经典物理学中，我们可以同时用质点的位置和动量（速度）精确地描述它的运动。而且利用牛顿第二定律还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量（速度），从而描绘它运动的轨迹。既然光具有波粒二象性,光是粒子，那么它的运动还遵守牛顿运动定律吗？还能同时用质点的位置和动量来描述它的运动吗？今天我们就来学习第5节不确定性关系。

师：同学们，请看现在有一单色光源向前方发出具有特定波长的平行光，现在在其前方放置一个挡板狭缝，若狭缝较宽，我们会发现光会通过狭缝落在缝在屏上的投影位置；若狭缝较窄，我们会发现光落在屏上的位置会出超出单缝投影的位置，这就是我们前面所说的光的单缝衍射现象。

师：同学们,你们觉得光是经典的粒子吗？

生：不是

师：如果光子是经典的粒子，它从光源飞向屏的过程不受力的作用，应该做匀速直线运动，它在屏上的落点应该在缝的投影之内，但是我们实际观察到的不是这种现象，这说明光子不在遵守牛顿运动定律。由于其他微观粒子如电子、原子也具有波动性，所以微观粒子的运动已经不再遵守牛顿运动定律了，不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动。

我们如何去描述微观粒子的运动呢？下面我们仍然以光的单缝衍射实验为例进行分析。

我们选择某一单色光源发出的平行光通过宽度为a的狭缝，通过前面的学习我们知道，可在屏上得到一列明暗相间的条纹。因为光波是概率波，屏上各点的亮度反映了粒子到达该点的概率。亮条纹位置反映粒子到达该位置概率较高，暗条纹位置反映粒子到达该位置概率较低。如果我们沿着光子运动方向构建y轴表示光到达屏上的强度和概率，垂直光子运动方向构建x轴表示光子到中央亮纹的距离。我们可以把光子运动到屏上的概率分布在坐标系中表示出来。我们可以看出光子通过狭缝运动到屏上的位置主要分布在宽度为b的中央亮条纹内。为什么这样呢？我们知道从光源出射的光子有确定的动量，但它们可以运动到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。而对于通过挡板狭缝的粒子则可以说，它们的位置被狭缝限定了，它们的位置不确定量发生了怎样的变化？

生：减小了。

师:我们如何去理解单缝衍射中通过狭缝微粒的位置不确定性？

学生讨论回答

师：粒子位置不确定性不是指入射粒子太多了，不知道哪一个会穿过狭缝，但对于某一个粒子而言，它应该沿着某条轨迹运动。科学研究表明，对于单个粒子而言，它没有所谓的轨迹，它的运动是不确定的。

师：这些粒子在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，我们可以说这些粒子具有了与其原来运动方向垂直的动量。粒子的垂直动量相同吗？

生：不同。

师：对，不同，如果相同，粒子会运动到屏上相同的位置，我们会看到一条亮条纹。而实际上我们看到的是明暗相间的条纹，这说明哪个粒子到达屏上的哪个位置完全是随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性。由于粒子主要分布在中央亮条纹处，所以动量不确定性的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。

师：我们知道粒子在空间位置具有不确定性，粒子的动量也具有不确定性，那么他们的不确定间有何关系呢？

师：为了更准确地测定通过狭缝的粒子的位置，我们选用更窄的狭缝，那么粒子动量不确定性会怎样呢？

演示实验：单缝衍射

师：从演示实验中可看出狭缝越窄，屏上中央亮条纹越宽，这表明更窄的狭缝可以更准确地测量粒子的位置，但粒子动量的不确定量却增大了。反之粒子位