教學(xué)設(shè)計(jì)完整版：不確定性關(guān)系

不確定關(guān)系教學(xué)設(shè)計(jì)【教學(xué)目標(biāo)】(一)知識(shí)與技能1．了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)算。2．了解物理模型與物理現(xiàn)象的聯(lián)系與區(qū)別。(二)過(guò)程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。(三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀能大概了解自然界的奇妙與和諧，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。本節(jié)內(nèi)容是在上一節(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化的，通過(guò)微觀粒子(光子)的單縫衍射實(shí)驗(yàn)，具體分析了不確定性的關(guān)系，給出了量子力學(xué)中一個(gè)著名的關(guān)系式——不確定關(guān)系：。通過(guò)介紹經(jīng)典物理學(xué)中和微觀物理學(xué)中物理模型的巨大差異，為學(xué)生用新的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)微觀世界提供了空間?！窘虒W(xué)重難點(diǎn)】不確定關(guān)系概念?！窘虒W(xué)方法】學(xué)生閱讀－教師講解－歸納總結(jié)?！窘虒W(xué)思路】通過(guò)單縫光的衍射實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展到微觀粒子的衍射實(shí)驗(yàn)上，加深對(duì)不確定性的理解。【教學(xué)器材】硬幣，圖片等【課時(shí)安排】1課時(shí)【教學(xué)過(guò)程】（一）引入新課：提問(wèn)：對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)？學(xué)生思考、回答：光具有波動(dòng)性和粒子性，是一種概率波。設(shè)疑：既然光是粒子，那么它的運(yùn)動(dòng)還遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律嗎？還能用質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)嗎？點(diǎn)評(píng)：引發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。教師：回答是否定的。光子的運(yùn)動(dòng)具有不確定性。對(duì)于其它微觀粒子如電子等，同樣也有這樣的特點(diǎn)。這節(jié)課我們就來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)。(二)進(jìn)行新課(1)光的單縫衍射在這之前，我們知道，光子、電子以及一切微觀粒子，具有波動(dòng)性和粒子性，也就是物質(zhì)具有波粒二象性。我們又知道，在光的衍射試驗(yàn)中，它到屏上的位置會(huì)超過(guò)單縫投影的范圍，并且屏上呈現(xiàn)明暗相間的條紋：從波的角度來(lái)解釋，越亮的地方表示光強(qiáng)越大，越暗的地方表示光強(qiáng)越小。從粒子性的解釋，在屏幕越亮的地方，表示到達(dá)那里的光子個(gè)數(shù)越多，或者說(shuō)光子的到達(dá)該區(qū)域的概率就大；越暗地方到達(dá)那里的光子個(gè)數(shù)越少，光子到達(dá)該區(qū)域的概率小，沒(méi)亮度的地方光子到達(dá)該區(qū)域的概率為零。微觀粒子微觀粒子狹縫圖1。微觀粒子（光子）單縫衍射b除光子之外其它微觀粒子如電子也具有波動(dòng)性，所以經(jīng)過(guò)單縫時(shí)也會(huì)有同樣的現(xiàn)象，如圖1，大部分粒子散布在寬度為b的中央亮條紋之內(nèi)，這些粒子在到達(dá)狹縫之前沿著水平方向運(yùn)動(dòng)，而經(jīng)過(guò)狹縫之后有些粒子跑到縫的投影位置以外，我們可以說(shuō)這些粒子具有了與原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向垂直的動(dòng)量，然而這些動(dòng)量又是如何而來(lái)？不得而知。說(shuō)明微觀粒子已經(jīng)不再遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律已，也就是不能像以前一樣，能同時(shí)用質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。微觀粒子單縫衍射時(shí)，屏上各點(diǎn)的亮度同樣是反映了粒子到達(dá)這點(diǎn)的概率，如果把這個(gè)概率的分布在坐標(biāo)表示出來(lái)，就是圖1中右側(cè)曲線。實(shí)驗(yàn)中，狹縫的寬度決定了粒子位置的不確定范圍，越寬位置的不確定越大，中央亮條紋的寬度決定了粒子的動(dòng)量的不確定范圍，條紋越寬則動(dòng)量的不確定越大，于是我們可以嘗試做以下實(shí)驗(yàn)：（1）當(dāng)入射縫較大時(shí)，發(fā)現(xiàn)中央亮條紋的寬度較小，很大時(shí)，沒(méi)有條紋了，成為一個(gè)點(diǎn)了。這說(shuō)明如果粒子的位置不確定范圍大，動(dòng)量不確定范圍小。（2）當(dāng)入射縫較小時(shí)，發(fā)現(xiàn)中央亮條紋寬度大，狹縫越窄，中央亮條紋則越大，說(shuō)明粒子的位置不確定范圍小的話，動(dòng)量的不確定范圍大。結(jié)論：粒子的位置不確定越大，那么其動(dòng)量的不確定越小粒子的位置不確定越小，那么其的動(dòng)量不確定越大利用數(shù)學(xué)方法對(duì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析可以知道，如果以表示粒子的位置的不確定量，以表示粒子在x方向的動(dòng)量的不確定量，則式中是普朗克常量，這就是著名的不確定關(guān)系，簡(jiǎn)稱不確定關(guān)系。在經(jīng)典的物理學(xué)中，是可以同時(shí)把物體的位置和動(dòng)量精確的測(cè)量的，給定其受力情況，我們就可以推算出其在以后的任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況。但是，在微觀的世界中，由不確定關(guān)系，如果要確定粒子的位置，也就是式中的非常小，那么式中就非常大，也就說(shuō)明了動(dòng)量不能被確定，因而不能確定粒子的軌跡了。盡管一個(gè)粒子不容易確定其運(yùn)動(dòng)情況，但是我們卻可以確定大量粒子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在單縫衍射試驗(yàn)中，粒子很少時(shí)，我們不能準(zhǔn)確知道粒子通過(guò)擋板上的狹縫后落在屏上的位置，但是可以通過(guò)大量的粒子連續(xù)的實(shí)驗(yàn)，于是屏上有明暗的條紋，屏上亮的地方粒子表明落在該位置的概率就大，暗的地方，表明粒子落在該位置的概率就小，這樣我們就知道了每一個(gè)粒子落在屏上的某一位置的概率了。這就好比如拋一個(gè)硬幣，我們不可能精確的知道硬幣落在地上是正面朝上還是背面朝上，只能猜想，這就相當(dāng)于包含著對(duì)這一個(gè)硬幣的“運(yùn)動(dòng)的不確定”，但是我們手中如果有一大把硬幣的話，拋出它們之后，我們?cè)贁?shù)一下正面朝上的硬幣和背面朝上的硬幣，發(fā)現(xiàn)它們的數(shù)量趨近相同。這時(shí)我們可以認(rèn)為每一個(gè)硬幣的正面朝上和背面朝上的機(jī)會(huì)等同的即為二分之一，如圖2所示。圖2。硬幣正面朝上和背面朝上概率均為二分之一物理模型和物理現(xiàn)象在經(jīng)典的物理學(xué)中，我們可以建立粒子模型和波動(dòng)模型，與直接經(jīng)驗(yàn)一致，然而對(duì)于微觀的世界，我們?nèi)狈Ω兄?，我們也想假設(shè)出一些模型，目的是研究它們的規(guī)律，但是這些模型和我們常見(jiàn)的模型卻是有很大的差別的，如粒子的波粒二象性模型就是如此，它不是簡(jiǎn)單的粒子模型和波動(dòng)模型的“相加”，這對(duì)于我們的想象能力是無(wú)法達(dá)到的，但是只要模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，它就能在一定范圍內(nèi)正確代表研究的對(duì)象?！粽n堂總結(jié)讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容?！艏彝プ鳂I(yè)與活動(dòng)作業(yè)：“問(wèn)題與