高立圖書普通物理/近代物理精選試題
質子位置與動能測不準原理分析
透過直式條列化公式、彩色數值對應標籤與即時波包動態模擬,徹底搞懂微觀粒子的量子行為!
題目原文重現
練習二
某次對質子的位置不確定量 = 2.00 × 10⁻¹¹ m。
運用測不準原理估算此質子的動能不確定量。
求 (1)
質子的動量不確定量為多少 kg·m/s?
求 (2)
質子動能不確定量為多少 J?相當於多少 eV?
* 提示:不同教授與教材習慣不同,本頁面可一鍵切換,兩者計算過程皆完整展示!
公式色彩對照系統 (Color Mapping)
條列式色彩輔助記憶
在後續所有「直式計算」與「條列推導」中,每一個常數與物理量均被賦予唯一的色彩標籤,方便直觀追蹤數值代入:
Δx (位置不確定度)
題目已知條件
ℏ (約化普朗克常數)
h / 2π
Δp (動量不確定度)
第 (1) 小題求解目標
m_p (質子靜止質量)
已知物理常數
ΔK (動能不確定度)
第 (2) 小題求解目標 [J]
1 eV (電子伏特換算)
能量基本單位
核心物理觀念:海森堡測不準原理指出,微觀粒子的位置與動量無法同時被任意精確地確定。限制其空間位置愈狹窄($\Delta x \downarrow$),其動量擾動與不確定性就愈劇烈($\Delta p \uparrow$)。
條列式與直式視覺公式解析
清晰垂直分式排列,搭配顏色數值標註,步驟一目瞭然!
步驟進度:
1
2
3
1
第 (1) 小題:求質子的動量不確定量 $\Delta p$
單位:kg · m/s
A
選用測不準原理關係式:
Δx · Δp ≥
ℏ
2
=
h
4π
B
移項求動量不確定量之最小值 $\Delta p$:
將位置不確定量 Δx 移至分母進行除法:
Δp
≥
=
ℏ
2 · Δx
1.055 × 10⁻³⁴ J·s
2 × (2.00 × 10⁻¹¹ m)
C
直式數值拆解計算:
分母項:2 × 2.00 × 10⁻¹¹ = 4.00 × 10⁻¹¹ m
指數相除:10⁻³⁴ ÷ 10⁻¹¹ = 10⁻²³
係數相除:1.055 ÷ 4.00 ≈ 0.2638 = 2.638 × 10⁻¹
總結 (1) 動量不確定量:
Δp ≈ 2.64 × 10⁻²⁴ kg·m/s
2
第 (2) 小題:求質子動能不確定量 $\Delta K$ (J 與 eV)
單位:J (焦耳) 及 eV (電子伏特)
A
由經典動能與動量關係式出發:
質子平均動量為零時,因動量展寬引起的最小動能(或動能不確定量)可估算為:
ΔK
≈
(Δp)²
2 · m_p
B
直式帶入數值計算 (單位:焦耳 J):
帶入質子質量 m_p = 1.673 × 10⁻²⁷ kg 與上一小題求得的 Δp:
ΔK
=
=
(2.638 × 10⁻²⁴ kg·m/s)²
2 × (1.673 × 10⁻²⁷ kg)
6.959 × 10⁻⁴⁸
3.346 × 10⁻²⁷
得焦耳能量:
ΔK ≈ 2.08 × 10⁻²¹ J
C
單位換算:將焦耳 (J) 轉換為電子伏特 (eV):
根據基本電荷關係,1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ J:
ΔK (eV)
=
=
≈ 0.0130 eV (或 13.0 meV)
2.08 × 10⁻²¹ J
1.602 × 10⁻¹⁹ J/eV
本題解答重點精華速查
標準版本數值精確至三位有效數字
(1) 動量不確定量
2.64 × 10⁻²⁴ kg·m/s
(2) 動能不確定量
2.08 × 10⁻²¹ J (0.0130 eV)
物理動態模擬引擎
海森堡量子波包動態展現
波包寬度 (Δx): 2.00 × 10⁻¹¹ m
動量散布 (Δp): 2.64 × 10⁻²⁴ kg·m/s
觀察:當你把滑桿的 Δx 縮小時,波包變窄,內部微觀波長頻率波動 (Δp) 急遽增加!
調整位置不確定量 Δx:
2.00 × 10⁻¹¹ m
0.5 × 10⁻¹¹ m (極度受限)
5.0 × 10⁻¹¹ m (較自由)
對應動量不確定量 Δp
2.64 × 10⁻²⁴
kg · m/s
對應動能不確定量 ΔK
0.0130 eV
2.08 × 10⁻²¹ J
實戰檢測擂台
觀念與數值檢定測驗
回答以下問題,驗收你對測不準原理與能量轉換的掌握度!
目前答對:
0 / 3
Q1
本題中,當質子位置不確定量為 $2.00 \times 10^{-11}\text{ m}$ 時,依現代量子標準($\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}$),動量不確定量的數量級約為?
Q2
在計算動能不確定量時,若動能為 $2.08 \times 10^{-21}\text{ J}$,轉換為電子伏特 (eV) 時,為何數值會變成大約 $0.0130\text{ eV}$?
Q3
【延伸思考】若將題目中的「質子」換成質量更小的「電子」($m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}\text{ kg}$),在相同位置不確定量下,其動能不確定量 $\Delta K$ 會如何變化?
量子試驗沙盒
自訂粒子與數值即時推算器
想知道如果位置縮到原子核等級或換成電子時會怎樣嗎?在這裡隨意測試!
質子: 1.673e-27 / 電子: 9.11e-31
原題:2.00e-11 m
計算得 Δp (kg·m/s)
2.64 × 10⁻²⁴
計算得 ΔK (焦耳 J)
2.08 × 10⁻²¹
計算得 ΔK (電子伏特 eV)
0.0130 eV