量子力學在化學中的應用精選(九篇)

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第1篇：量子力學在化學中的應用范文

關鍵詞： 量子力學 教學方法改革 創新思維

量子力學是研究微觀粒子運動規律的科學，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結構、固體的性質、輻射的吸收與發射、超導等物理現象。作為物理學專業的專業理論課，量子力學在物理學專業中具有極其重要的地位。現代物理學的各個分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學為基礎，并且已經滲透到化學和生物學等其他學科。同時量子理論還具有巨大的實用價值，半導體器件和材料、激光技術、原子能技術和超導材料等都是以量子力學原理為基礎的。

通過對量子力學的學習，學生可以掌握現代科學技術最重要的基礎理論，還可以提高科學素質和思想素質，但是量子力學中的概念和解決問題的方法與經典物理有著本質的不同。學生普遍反映量子力學抽象、枯燥、難理解、抓不住重點，學習起來非常困難。針對以上問題，我對教學進行了思考和探討，采用了一些切實可行的措施，提高了學生的學習興趣，使學生更好地掌握了量子力學知識，同時培養了學生的創新思維。

一、教學過程中存在的問題

在量子力學的教學過程中，我發現以下幾個問題。

1.量子力學是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學從概念到解決問題的方法跟經典物理有著根本性的區別，但是很多學生習慣性地用經典的思想去理解量子力學，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經典物理認為波動性和粒子性是互不相關的、相互獨立的，而量子力學認為波動性和粒子性是微觀粒子同時具備的兩種屬性。

2.學習量子力學，數學知識是必不可少的。量子力學中有著繁雜的數學知識，例如，數學分析中的微積分，代數學中的矩陣論，數學物理方程的微分方程，復變函數，等等。在教學過程中發現，不少學生對已學過的數學知識掌握得不是很牢固，在推導公式的過程中忘記了公式所描述的物理內涵，影響了對量子力學知識的理解。

3.由于量子力學的課時緊張，教學過程中采用了傳統的教學模式，由教師到學生的“單向傳授”的教學形式。學生失去了主體地位，只能被動地接受知識，學習的興趣和積極性不高，導致教學效率降低。

二、量子力學的教學方法改革

1.采用多種教學手段相結合的教學模式。由于量子力學的內容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎之上，不少學生很難接受，甚至認為這門課程沒有用處。在量子力學的教學過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實驗等各種手段相結合的教學模式，將圖、文、聲、像等信息有機地組合在一起，形象、直觀、生動，容易激發學生的學習興趣。同時，通過網絡技術，學生可以享受到本校的教學資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學資源，從而豐富學生的資料庫，也為各學校的師生討論交流提供一個很好的平臺。

隨著科學技術的迅速發展，知識更新非常快。在教學中，教師應及時將與量子力學相關的科技前沿和高新技術引入教學中，介紹與量子力學密切相關的課題，闡明科學技術中所蘊含的量子力學原理。如我們在講解一維無限深勢阱時，將其與半導體量子阱和超晶格這一科學前沿相聯系；在講解隧道效應時，將其與掃描隧道顯微鏡相聯系，進而介紹掃描探針操縱單個原子的實驗。同時在教學中，我們理論聯系實際，多介紹量子力學知識與材料科學、生命科學、環境科學等其他學科之間的密切聯系，重點介紹在材料科學中的廣泛應用，包括新材料設計、開發新材料、材料成分和結構分析技術等。通過這種方式，學生對這一部分的知識有了直觀的認識，從而不再感到量子力學的學習枯燥無味，同時也提高了接受新知識、學習新知識的意識和能力。

2.結合數學知識，把物理情境的建立作為教學的重點。量子力學可以說無處不數學，這門學科對高級數學語言的成功運用，正是它高深與完美的體現。數學雖然加深了物理問題的難度，卻維護了理論的嚴謹性和科學性。當然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計算，合理地修剪枝杈既能讓學生抓住重點，又免使學生感到量子力學只是數學公式的推導。對于學習量子力學的同學，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數學分析難點，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數量級估計、概念延拓對比等得出結論。定量分析盡量只用簡單的高數和微積分、常見的常微分方程，對復雜的數學推導可以不做講解，只對少數優秀生或感興趣的同學個別輔導。例如，在求解本征方程時，只介紹動量、定軸轉子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點介紹思路、方法和結論，不作詳細推導。

3.充分應用類比法，講述量子力學。經典力學是量子力學的極限情況，在教授過程中，應盡可能找到“經典”對應，應用類比方法講述量子力學中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動性，用光電效應、康普頓散射說明光的粒子性，運用這種方法有利于學生掌握光的波粒二象性。在將量子力學與經典力學類比的同時，還要清楚量子力學與經典力學在觀念、概念和方法上的區別。例如，經典力學用位矢、速度描述物體的狀態，而量子力學用波函數描述系統狀態；經典力學用牛頓第二定律描述狀態變化，量子力學用薛定諤方程描述狀態的變化。另外對于量子力學中的波粒二象性、態迭加原理、統計原理等都要與經典力學中的相關概念區分開來，類比說明，闡明清楚其真正內涵。

4.改變傳統教學模式，采用以學生為主體的教學模式。量子力學的現代教學多以“教師講授”為主，同時配合多媒體課件輔助教學，教學模式較傳統教學有所變化，多媒體課件教學雖然能夠在一定程度上激發學生的學習興趣，但仍然是“填鴨式”的教學法，沒能真正地改變傳統教學的弊端。因此在教學過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵學生提問，激發學生的逆向思維和非規范性思維等，通過創設問題情境使師生互動起來，提高學生學習量子力學的積極性，加深學生對這門課程的理解。還要組織學生開展相關課題討論，引導學生自主能動地思考，激發學生的學習興趣。

三、結語

“量子力學”是物理類專業基礎課程中教學的難點和重點，建立新的教學模式，有利于學生學習、理解和掌握這門課程。

參考文獻：

［1］曾謹言.量子力學［M］.科學出版社，1997.

［2］周世勛.量子力學教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學報（自然科學版），2004，（2）：29.

第2篇：量子力學在化學中的應用范文

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0153-02

量子力學是一門比較成熟，但還在發展中的學科，而且作為普通高校物理學專業學生的按照規定必須學習的學科，所以對于教師來說，在教學過程中可以使用啟發式講授技巧，不能只是在乎知識的傳遞，重點應放在培養學生多方面的能力上。根據現在大部分普通高校的物理學專業的授課計劃，全部是在完成基礎力學的學習基礎上再學習量子力學，但是學生在進入對于量子力學的學習之前，接觸到的都是宏觀世界的概念，從量子力學開始，就變成了微觀世界的概念與計算公式，這就導致了在學習中的一些領悟上的障礙。

我建議在領會及理解量子力學之前，應開設量子物理這部分知識的課程，用《新概念物理教程?量子物理學》這本書為教材，書中的概念是以實驗的真實結果為起點，由簡單的內容啟發部分復雜的內容，使許多概念更加容易理解。選取使用狄拉克符號以及矩陣等數學工具，還有不遵照邏輯方面的嚴謹和理論知識上的全面性和細致性的講述結構，這本書中主要針對量子力學方面的內容進行闡述說明，并沒有包含一些基礎的計量方法。描述了微觀世界量子力學的基本原理和基本方法，同時也用了量子力學的知識來解釋認識源自世界的基本規律，也會了解一些必要的近代物理學實驗。但是這本書和“量子力學”內容之間存在著差異，所以普通高校的物理學專業的學生在學習了“量子物理”內容之后，一定要再掌握“量子力學”內容。有了量子物理的基礎，再去學習量子力學就會變得容易理解一些，有助于學生更好的學習量子力學。

《新概念物理教程?量子物理》這個教材在撰寫和講授的思路上是與新概念物理教程系列的力學、熱學教材是一脈相通的。本書包含實驗基礎和基本原理，雙態系統、從一維系統到凝聚態物質到原子、分子到原子核、粒子以及量子力學中的新的研究成果和線性代數、高斯函數和高斯積分、物理常量等三個附錄，所表述的都是偏向于基礎概念的內容。在實質特征方面，這本書注重于用普通基礎的課程風格來講述量子物理。

量子物理實則是普通高校物理學的學生的必須學習的知識，在制定人才培養方案中就應列為主干課程。根據此書的內容來看，是所要學習的基礎物理學中結尾的一部分，也打開了近代物理這個新世界的大門。主要經過這部分的內容的領會，學生就會了解微觀世界的物理現象，讓學生懂得使用已獲得的內容去理解。本課程教學有著承前啟后的意義，通過對此課程的學習，為接下來要學習的課程奠定實質性基礎，比如量子力學、固體物理學、近代物理學實驗等。

在之前的學習普通物理內容的第五部分是“原子物理”，而此書卻有了很大區別，它啟發了新的教學思路，起初就應用量子力學內容上的定義，但是更加周詳的闡述了當代量子物理的各個方面，不算原子物理課程已經成形知識的講授之外，同時還有如量子共振、勢壘隧穿、半導體、超導體、能帶、聲子與元激發、約瑟芬森結等內容，還有一些近一段時間內量子物理方面的新成果。

從知識的連貫性看，此書規定學生要掌握光學、微積分和線性代數的知識。課時的規定是與原子物理課程相似。在擬定物理專業的講授方案上，會遇到一個麻煩，就是如固體物理學、原子核物理學等主要的一些科目，需要等量子力學這部分知識學習之后再繼續學習獲得。那么在學生學習了“量子物理”的內容之后，以后的教學內容就可以在學完量子力學課程之前安排，使學校的教學變得更加機動了，而且學生做近代物理實驗時非常有益。

普朗克量子論中可知曉普朗克量子論的發現和發展的主要過程，還有量子力學在科學研究上和人類社會發展上起到了重要的作用。量子論誕生到現在也有近一百年的時間了，量子力學也逐漸完善，時間也非常久遠。高校所學的基礎物理課程中量子物理的知識在許多地方都是一帶而過，但是所學的量子的知識在基礎物理中是具有舉足輕重的部分。量子力學一些原理是根據偏微分方程得出的，對學生基本學習內容要求的高，就會造成理解領悟上的難度，導致有些問題一直不能完成，然而，大多數普通高校物理專業的學生將在大三時期去學這門課程。

對于在大學期間以物理學為專業的學生來說，大部分都是高中的優秀學生，他們對在物理方面所取得的成果，都有著濃厚的興趣。興趣是發現問題解決問題的原動力，一旦量子物理這門課帶領學生進入微觀的世界，就可以激起和持續的給學生帶來興趣，這一定會有助于學生們學習量子力學，解決了直接學習量子力學的困難。如今，很多相關范圍的內容，如量子化學、量子生物學很多相關知識與量子的知識相輔相成，都是以量子物理這門學科作為基石，正是因為如此，可以自信的認為，如果沒有量子物理的知識，那么就不會有人類現在的生活方式和生活水平。

參考文獻：

[1]趙凱華，羅蔚茵.《新概念物理教程.熱學》改革的思路[J].大學物理.1998，17（4）：35-36

[2]戰麗波.高等師范院校《量子力學》教學內容與教學方法研究[C].魯東大學.2006

第3篇：量子力學在化學中的應用范文

物理學專業可分為“縱向深入”和“橫向擴張”兩方向。“縱向深入”是向更微觀和更高速領域的深入探索，獲得描述新的領域最核心的物理模型。“橫向擴張”是在“縱向深入”中得到的每一個區域的核心物理模型基礎上，應用該模型來探索和解決該領域每一個更具體和更復雜的問題，伸向更精細的世界。

縱向世界

下圖是目前物理學的四個“基本理論”所統治的區域，它是一個普遍的力學系統，用一個數學模型來描述物質、時間和空間，以及他們之間的關系。這四個“基本理論”是人類幾百年來“縱向深入”所得到的四個核心物理模型。

一、經典力學（Classical Mechanics）

圖中左下區域是“宏觀低速”區域，稱為經典力學（Classical Mechanics）領域，即最早的牛頓力學及其后續發展的拉格朗日力學，哈密頓力學等。在中學物理課程中主要涉及的部分是牛頓力學。這里基本的數學模型是：空間是最簡單的歐幾里得幾何的三維空間，時間是另外一個和空間維完全無關的維度。物質是質點，或者是有限體積的質點集合（剛體，流體），或者是遍布全空間無限體積的質點集合（場，如電磁場）。質點在空間中的運動符合伽利略變換。

這個領域孕育了第一次工業革命和第二次工業革命。它的“縱向深入”突破點是麥克斯韋的電動力學，并由此導致量子力學和相對論力學領域的出現。

二、相對論力學（Relativistic Mechanics）

圖中的右下區域是縱向深入到“宏觀高速”的區域，即愛因斯坦的相對論力學（Relativistic Mechanics）領域。

這里基本的數學模型是：狹義相對論（Special Relativity）時空是閔可夫斯基四維時空，即一維時間和三維空間由光速不變原理緊密聯系，組成一個平直的四維時空背景。廣義相對論（General Relativity）的時空是黎曼時空，即一個彎曲的四維時空。相對論力學里物質依然是經典力學里的質點、體或場，但是它會直接影響時空背景。質點在四維時空中的運動符合洛侖茲變換。

這個模型揭示了時間和空間不再是經典力學中和物質運動獨立無關的背景，而是與物質的質量、能量和運動緊密聯系。

三、量子力學（Quantum Mechanics）

圖中左上區域是縱向深入到“微觀低速”的區域，即量子力學（Quantum Mechanics）的地盤。它的建立以普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意等物理學家的工作為先導，以海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學家的工作為主體。

這里基本的數學模型是：時空還是經典力學中歐幾里得的三維空間加上獨立的一維時間，物質運動還是符合伽利略變換，但物質本身卻不再是質點或者質點的集合，而是分布在全空間的波函數。一切物理量的取值都要靠它與波函數在全空間的積分才能得到。

這個模型揭示了真實的微觀物質不是只具備粒子性的質點，而是同時具有波動性，即分布在全空間的波。

這個領域是現代物理學最大的領域，它孕育了20世紀后半葉的高新技術產業革命，使人類全面步入信息時代。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

圖中右上區域便縱向深入到“微觀高速”區域，即量子場論（Quantum Field Theory）領域。它是量子力學和狹義相對論的結合。從量子力學的幾位創始人到標準模型的建立者，諸多20世紀物理學家們的工作完成了這個建立過程，其中包括楊振寧教授和李政道教授的貢獻。

這里基本的數學模型是：物質的基本粒子是分布在完全的閔可夫斯基四維時空的波動場的激發態，場的基態是能量不為零的真空態。一個基本粒子的出現和消失（產生和湮滅）是它的場在該模式上的躍遷。場用量子化的拉格朗日密度來描述。

這個模型揭示了真實的物質不僅是量子力學中分布在全空間的波，還和狹義相對論中的時空背景緊密相連。

從各個區域所建立起來的基本數學模型來看，量子場論區域是目前描述自然界最精確的模型，量子力學區域是描述自然界的低速近似，相對論力學區域是描述自然界的宏觀近似，經典力學是描述自然界的宏觀低速近似（顯然關系已經不大了）。

在這我們只能用“近似”兩個字，因為人類在了解和認識自然界的過程中是一個不斷深入的漸進的認識過程，一個不斷積累的認識過程，這個過程將永遠不斷地有新的發現，就像我們觀賞大自然的美景一樣，沒有終極，越看越美麗，越看越新奇。

橫向世界

一、經典力學（Classical Mechanics）

經典力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立剛體力學、流體力學、聲學，以及經典的光學、電學、熱力學、磁學等學科。現在的物理學家已經很少涉及這個領域，因為在這個領域里基本的模型早已建立完畢并經受住了時間的考驗，物理學家也早已把這個地盤交到工程師的手上了，研究的主流變成是對這些規律的應用，這個領域與人類日常生活關系最近。

對于有志于從事機械、建筑、汽車、航天、熱能動力等專業的學子來說，牛頓力學和熱力學等是必須要掌握的物理基礎，這些物理基礎引發了人類第一次工業革命。對于有志于從事電力、通訊、電子工程等專業的學子來說，經典電磁學和電動力學是必須要掌握的物理基礎，這些基礎引發了人類第二次工業革命。

學好這些基礎，能讓你輕快地進入到這些實用的領域中發展。

二、相對論力學（Relativistic Mechanics）

相對論力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立天體物理學、宇宙學等學科方向，研究宇宙大尺度物理現象，如引力等，從業人數在物理學界占較小的部分。

對于有志于研究天文學和恒星、地外行星、黑洞等各種天體以及宇宙奧秘的學子來說，這個領域便是其歸宿。這個領域的實驗主要以望遠鏡觀測為主。相對論力學領域是人類認識宇宙和了解宇宙的最前沿，它是人類了解太空的一扇窗口，但是離人類日常生活較遠。工作單位一般是各個天文臺、大型的地面觀測站和太空觀測站等科研部門。

三、量子力學（Quantum Mechanics）

量子力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立原子物理學、分子物理學、量子光學、量子電子學，以及凝聚態物理學等學科。物理學家中在這個領域的人數最多，僅凝聚態物理專業的人數就要占所有物理學家的三分之一以上，是物理學最大的分支。保守估計以量子力學為基礎理論的這個區域中的物理學家人數應該超過所有物理學家總人數的一半。近十年的諾貝爾物理學獎有6次頒給了這個領域的科學家。

這個領域的特點是基礎理論模型完善，計算方便。實驗規模小，可在實驗室桌面上進行。理論和實驗課題數量多且分散，而且作為研究物質結構的基礎領域，和化學與生物學等其他學科聯系緊密，因此它橫向擴張的速度最快，成果也遠多于物理學其他三個區域。

這個領域孕育了20世紀的現代科技革命，如半導體元件的發明、激光器的誕生、磁存儲介質、液晶，以及最熱門的納米材料、超導體等都是拜他它所賜。因此這個領域不但適合想從事物理研究的學子加入，而且也適合想從事微電子學、納米材料、量子信息技術等新興專業的學子們學習。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

量子場論模型應用到具體的物質運動形式上建立了量子電動力學（QED），電弱統一理論，量子色動力學（QCD）等理論，作為粒子物理（高能物理）的基礎理論，同時研究基本粒子的束縛態如重子、介子和原子核結構等。這個領域是向物質奧秘探索的最前沿，基本理論內容最深奧、計算難度大，但是橫向擴張的工作很多。實驗需要在大型的粒子加速器上進行，規模龐大，課題集中，成果多是十年磨一劍，因此進展緩慢。

對于有志于探索物理最前沿的學子來說，這個領域最適合,但更需要具備耐得住寂寞和世俗誘惑的能力。這個領域風光無限，魅力無限。

結語

第4篇：量子力學在化學中的應用范文

關鍵詞：結構化學；課程特點；學習興趣；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0118-03

結構化學是在原子、分子的水平上研究原子、分子和晶體結構的運動規律以及物質微觀結構與其性能關系的科學[1-4]。著名化學家L.Pauling說過“當任何一種物體，當它的性質和物體的結構聯系起來時，那么這樣一種性質最容易最清楚地被理解”，理論化學家R.Hoffmann也曾說過“化學理論最重要的作用是提供一種思維機制，以總結更新知識”。從中可見結構化學地位的重要性。該課程涉及的知識面廣，內容相對抽象，要求學生具有較多的數理知識和豐富的空間思維能力，同時還要努力擺脫宏觀現象的傳統概念的束縛。大部分學生始終把學習結構化學當成一種負擔，學習起來感覺很枯燥，一知半解，似懂非懂，難以進入狀態。因此，本人根據結構化學課程的特點和學生在學習過程中存在的主要問題以及如何培養學生的學習興趣三方面進行了積極的思考和有益的探索。

一、結構化學課程的特點

在高等師范院校中，結構化學課程通常開設在第三學年，是在學生修完高等數學、大學物理、無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等課程基礎上開設的。該課程主要包括三種理論（量子理論、化學鍵理論和點陣理論），三種結構（原子結構、分子結構和點陣結構），三個基礎（量子力學基礎、對稱性基礎和晶體學基礎），這也是學生學習結構化學時所要掌握的主要內容及學習方法[2]。

結構化學是學生本科階段初次接觸的理論課程，它是一門以量子力學為基礎，從微觀的角度來研究物質結構的學科，具有概念多，內容抽象，系統性、理論性較強等特點。另外，結構化學與數學、物理等學科互為交叉，所以要求學生具有嚴密的邏輯思維和扎實的數學、物理學等基礎知識。其次，化學是一門以實驗為基礎的自然科學，但是其研究的微觀結構狀態很難在宏觀的實驗中觀察出來，所以還要求學生具有較強的空間思維能力。因此，結構化學比較深奧、難學、難懂，往往被大多數學生認為是最難學的課程之一。

二、學生學習結構化學過程中存在的主要問題

1.從心理上害怕結構化學。結構化學所涉及的基本概念及理論高度抽象，一方面，有些老師在上第一節課時會告訴學生結構化學這門課程很重要，也很難學，許多同學都因不及格而重修；另一方面，學生還沒開始正式學習，就從高年級學生那里得知結構化學難學，不及格率較高。因此，從心理上學生對學習結構化學產生一種畏懼和抵觸心理。

2.學生學習結構化學存在誤區。很多學生對結構化學的學習內容沒有充分認識，認為研究生入學資格考試不考結構化學，學習結構化學根本沒用，只是為了應付考試。實際上這是一種誤區，部分高校（如南開大學）物理化學專業碩士學位研究生的入學考試就包含結構化學。而且結構化學也非常有用，可以了解化學反應的本質，可以合成滿足人類一定需要的新物質，也是學習高等化學的基礎等。

3.學生數理知識薄弱。結構化學內容涉及面廣，如需具備高等數學、無機化學、有機化學、物理化學及量子力學等知識，學習化學的學生數理知識普遍較差，對于結構化學中大量的數學推導過程感覺很費力，致使學生對該課程產生排斥心理。

4.缺乏微觀分析能力。量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎[5]。結構化學以量子力學為理論基礎，使人們對物質世界的認識從宏觀層次進入了微觀層次。而量子力學獨立于經典物理學，自成一套理論體系，內容抽象，脫離生活實際，邏輯性強，抽象思維程度高，學生易受宏觀思維定式束縛。

5.理論與實踐脫節。結構化學是重要的基礎科學之一，是一門以實驗為基礎的學科，在與物理學、生物學、天文學等學科的相互滲透中，得到了迅速的發展，也推動了其他學科和技術的發展。但是，在學習這門課程的同時，多數學生只在乎教程中的理論知識，從而忽略了思考與其他學科的相互關聯。另外，大多數學生學習結構化學缺乏實踐，把學習它當成了一項應付考試的任務，這與學習這門課的宗旨背道而馳。

6.學生之間缺乏交流。結構化學以數學邏輯推導為基礎，物理模型抽象難懂，學生學習方式單一、被動。學生的學習方式主要體現個體性，教師與學生之間，學生與學生之間經常處于一種緊張甚至對立的狀態，課堂上很少看見人際間的交流、觀點的交鋒和智慧的碰撞，學生的學習始終處于被動應付狀態。學生缺少自主探索、合作交流、獨立獲取知識的機會，很少有機會表達自己的理解和意見。

三、激發學生學習結構化學的興趣

根據結構化學課程的上述特點及學生學習過程中存在的主要問題，培養學生學習興趣是提高結構化學教學質量的前提和關鍵。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”學生只有有了學習興趣，才會積極配合教師的教學，教師才能夠更新教學理念，提高課程教學效果。下面筆者結合兩年來在結構化學教學實踐中的親身體會，介紹在結構化學課程教學中如何激發學生的學習興趣。

1.明確學習結構化學的目的與意義。結構化學包括很多有用的基本概念和許多重要的規律和原理。教師要讓學生了解通過結構化學的學習可以學到扎實的基礎知識和和理論知識，可為后續專門化課程的學習做好必要的理論基礎。同時也讓學生知道通過結構化學的學習可以了解化學反應的機理，例如，NO分子分解為N2和O2時在熱力學上是可以自發進行的，但此反應是動力學禁阻的，只有用結構化學中的前線軌道理論才能夠容易證明這一點。另外，通過結構化學知識的學習，人們很容易合成出新物質（如新材料、新藥的合成），其結構測定與分子的設計過程必須具有扎實的結構化學知識。還有結構化學的發展對化學學科的發展也有重大的推動作用（化學界化學的兩次革命性飛躍）等。

2.介紹科學奇聞趣事，陶冶學生情操。結構化學教學內容理論性較強，若在課堂教學中引入科學大師的物理學史教育，有助于激發學生的學習熱情。例如，在介紹薛定諤方程時，可以向大家介紹薛定諤的奮斗歷程，薛定諤被稱為量子物理學之父，23歲時獲得奧地利維也納大學哲學博士學位，1926年建立波動力學（39歲），1933年獲得諾貝爾物理學獎（46歲），同時告訴學生薛定諤不僅僅數學物理好，而且他的文學功底也非常好，于1944年整理出版了一本著作《生命是什么》。這樣學生在了解相關知識背景的同時，開闊了視野，提高了思維能力，受到了科學態度、科學精神的熏陶，激發了其學習熱情。

3.充分利用多媒體輔助教學，提升課堂教學效果。多媒體輔助教學作為一種現代化的教學手段，可以把文本、音頻、視頻、圖像、圖表、動畫等多種媒體信息綜合為一體化并進行加工處理，為課堂教學提供了豐富、直觀、真實的語言材料，啟迪學生的思維，從而優化課堂結構，提高課堂教學效果。例如原子核外電子運動狀態、電子云的概念、雜化軌道理論、等徑圓球密堆積結構、離子晶體結構等都比較抽象，想象力較差的學生理解起來相對困難，若我們在計算機軟件中，用二維、三維動畫模擬顯示[6]，將抽象、微觀的內容具體化、宏觀化，使學生能夠實現對物質微觀結構更好的理解。

4.把最新科研成果引入課堂，以科研促進教學，激發學生學習興趣。教師還可以精心創設一些引人入勝的實踐環節，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到所學知識的實用性。教材內容往往有所落后，已不適應當今社會發展的需要，而社會生活和科學知識卻不斷地迅猛發展，及時給學生補充最新的信息，將新的科研動態、知識引入結構化學教學課堂，豐富課堂內容，將抽象生硬的知識點轉化為生動具體的科研案例進行解釋和說明，調動了學生的學習積極性，保證了教學質量，促進了我們教學理念的轉變，使課堂教學的面貌大為改觀。

5.不斷改進教學方法，吸引學生的學習興趣。教師可采用多種形式的教學方法，創造一個輕松愉快的學習氛圍，激發學生的學習興趣。教師教學語言要盡可能做到用詞準確，條理清晰，生動有趣，富有感染力，學生易于接受。另外教師可以采用討論式教學方法，這種方法主要運用習題范例和關鍵知識點的應用實例，或者是就某一個關鍵問題進行辯論，師生平等互動，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效率。同時教師也可采用提問式課堂教學，引發學生好奇心，讓學生進行創造性的思維活動，不斷地激發他們的求知需求。再者，教師還可以精心創設一些引人入勝的教學情境，增強教學內容的趣味性，使學生在學習過程中能夠感受到其樂融融，從而達到“我要學”的最佳境地。

6.加強師生之間的情感交流，提高學生的學習熱情。課堂教學不僅是知識信息的交流過程，也是情感信息的交流過程。心理學家莫維爾說：“情感如同肥沃的土地，知識的種子就播種在土壤里。”可見積極的情感能調動學生的學習積極性，有利于優化課堂教學，改善課堂教學效果，提高學生的學習熱情。

四、小結

綜上所述，本文介紹了結構化學課程的特點、學生學習過程中存在的主要問題以及如何激發學生的學習興趣，那么如何將結構化學抽象、難以理解的知識形象化，如何運用各種合理的教學方法提高自己的教學水平，培養和激發學生的學習興趣，仍然是教師特別是青年教師需要長期思考的一個問題。

參考文獻：

[1]潘道皚，趙成大，鄭載興.物質結構（第2版）[M].北京：高等教育出版社出版，2004.

[2]周公度，段連運.結構化學基礎（第4版）[M].北京：北京大學出版社，2008.

[3]彭鵬，柴春霞.高等師范院校結構化學課程的難點探析[J].周口師范學院學報，2010，27（3）：75-77.

[4]孫巧珍.關于結構化學教學改革的實踐體會[J].考試周刊，2011，（18）：27-28.

[5]曾謹言.量子力學教程（第2版）[M].北京：科學出版社，2003.

[6]宋國拓，蔡俊.淺議化學教改前景――計算機輔助教學的應用[J].西北民族學院學報.2000，21（3）：23-25.

第5篇：量子力學在化學中的應用范文

關鍵詞：布朗運動 量子力學 物質場 波動函數

引子：這篇論文是洗衣服時出現的一些現象，讓我很好奇，所以我開始了對布朗運動的研究。

布朗運動：懸浮微粒永不停息地做無規則運動的現象（說明一下：永不停息是不存在的，長時間或較長時間，人們是可以接受的），很對不起大家，剛開始就要括號說明，只是現在的定義，真是永不停息。布朗運動的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現在這些類似運動都稱為布朗運動。

1827年，植物學家R·布朗首先提出發現這種運動。在他之后的很長時間，人們對布朗運動進行了大量的實驗、觀察。最后古伊在1888-1895期間對布朗運動提出自己的認識：

布朗運動并不是分子運動，而是從分子運動導出的一些結果能向我們提供直接和可見的證據，說明對熱本質假設的正確性。按照這樣的觀點，這一現象的研究承擔了對分子物理學的重要作用。

古伊的文獻產生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個實驗測量原子大小的人）把布朗運動正確解釋的來源歸于古伊。實話實說，古伊的文獻太重要了，在我看來：一語中的。太對了，古伊是歸納總結的天才，也是真正從實驗的角度來解釋布朗運動的第一人。

古伊的話有三個重點：

一、布朗運動不是分子運動。

二、說明熱本質假設的正確性(下面會專門論述熱的本質問題）。

三、利用分子布朗運動的結果來承擔對分子物理學的研究。

1905年愛因斯坦根據分子運動論的原理提出布朗運動理論，同時期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。

愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運動論，由于熱的分子運動大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動，可能這里所討論的運動就是布朗運動，觀測這種運動和預期的規律性，就可能精確測量原子的大小，反之證明熱分子運動的預言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現在人們認為這是對布朗運動的根源及其規律性的最終解釋，我認為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運動的原則創造性提出熱分子運動論，利用這一理論可以測量分子原子的大小，把布朗運動近似為熱分子運動論。或許是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對論的意思。“有大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會發生大小可以用顯微鏡觀測到的運動”。運動的絕對性，不過這里他說的是發生相對于物質本身的運動，可能這是相對論的名稱來源吧。我的評價：初級的絕對論。在絕對論中只要有物質存在就有物質運動，運動是絕對的。愛因斯坦的熱分子運動論：舍本取末，換句話說他把布朗運動等同于分子運動了，認為熱分子運動引起了的不規則運動，就是觀察到的布朗運動。既然相對論是初級的絕對論，我今天提出絕對論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運動不是熱分子運動，但是可以引起熱分子運動，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運動引起的熱分子運動，他沒有分析布朗運動的根源：物質為什么會存在布朗運動。當顯微鏡越來越清晰的時候，愛因斯坦的擴散統計方程就不能適用了。

現在隨著科學的不斷進步，量子理論對真空漲落的認識不斷加深，量子理論也對布朗運動的根源給出自己的看法，同樣今天絕對論也給出自己對布朗運動的認識：

一、布朗運動不是分子運動，或者說不是單個粒子間的運動。

二、布朗運動是一個由點到面，再由面到點的運動形式。

三、布朗運動是與波動函數有關的物質運動的一個特性。

布朗運動不是分子的運動或者說不是單個粒子之間的運動，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應為長時間，不過人們習慣認識，所以沒有改為長時間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質場運動的疊加效應，滴水穿石的道理也是如此。

簡單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態對物質運動產生了如何的影響呢？這是我們應該思考的問題，這里我引入二個概念：物質場與波動函數。

說一下自己的看法：一滴水的運動比如一個粒子的運動，大海是一個物質場，一盆水也是一個物質場，同樣一滴水也可是一個物質場，那么一個電子也可是一個物質場，也就是說一個量子可以看作是一個物質場，量子的運動可以當成物質場在運動。

其實為了研究布朗運動，引入物質場這個概念，把物質現實中的存在狀態看成是一個物質場的存在，相信大家能夠理解。把物質形態存在的狀態不去看它把當成一個獨立的物質場存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當成一個獨立的物質場存在，那么這個物質場中的電子、原子、質子等粒子都是這物質場的一部分，那么這物質場中的一切物質都應是這物質場的一部分。

一個統一的物質場。對于運動而言，物質場有整體的運動，也有物質場的內部運動：質子、電子、中子等微粒之間的運動，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運動，手的運動和身體內部的運動時截然不同的，但作為一個整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個完整的物質場表現是被我拿了起來，整個的分子、原子、電子構成的物質場共同被我拿了起來。

諸如這些運動是整體的完整的物質場，對另一個完整的物質場的作用，牛頓力學已經很好的應用到多個方面，宏觀物理研究的物體很明確，運動也很明顯，都可以準確測量計算。為什么這里一定要強調完整的物質場呢？一滴水進入了大海之后，這一滴水的完整物質場依然存在，而變成大海的物質場一部分，這一滴水所有的運動，所有的信息都變成了大海物質場的一部分，大海的每一滴水都是一個完整的物質場，但都是大海物質場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當空氣蒸發水蒸氣時，大海不會單獨讓哪一個完整的小水滴去蒸發，而是大海整個的一個物質場在做蒸發這件事，與個體的物質場的狀態關系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學把電子看成小水滴，把一個物質粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學人士都能夠理解。

光電效應的原理：把光子看成一個物質場，把金屬板看成一個物質場，光照到金屬板上，放出電子（當然需要一個極限頻率）是一個物質場對另一個物質場的反應，那么釋放的電子是物質場的整體行為，不是單個電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠流不出100米的大壩。每個物質場都有自己的固有頻率，超過這個頻率的東西來破壞它，這個物質場就發生變化用大錘去打東西，物質會反應不同的。

另一個問題：固體微粒之間結合很好，但是一個個的原子又是相互隔開，可是這一個個原子又構成統一的物體。為什么？：波動函數，物質的特性是一個個小的原子共同表現出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數的合金材料以及其它合成物質，為什么這些材料表現出了原來不同的特性呢，物質場的特性為什么變化呢？

物質的特性變化了，那么每一個小的物質場的特性也會變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運動方式變化了，也就是電子和質子以及其它的微粒運動形式變化了，整個的物質場的量子波動函數變化了。

波動函數是為了形象說明布郎運動的本質引入的一個物質特征，一個物質場的波動函數體現物質作布郎運動的能力，也體現了物質場內部物質運動能力。波動函數是物質場與物質場之間結合（疊加）能力的一種體現。一個物質場中會有很多不同的波動函數如：分子之間，原子之間，電子之間，質子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動函數是物質運動的一種能力的體現。

當然這個概念也很符合量子力學的波動方程的需要，那就是所有的物質場都有自己的波動函數，而且不止一個。當波動函數達到一定數值，物質場之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質場卻可以是融合在一起的（當然還有比電子更小物質，那它們的物質場更會融在一起）

波動函數越高，物質融合的越快，反之越慢，諸如擴散現象，滲透等等，固體之間的波動函數低，所以最好融化或鍛打成液態式的結合，需要外部的力量加大它的波動函數。波動函數是物質作布郎運動的一種能力，我更愿意認為波動函數是物質運動的一種能力（在絕對論中運動是物質的生命）。與物質本身的溫度有關，與外界的干涉有關。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會增波動函數值。（下面我們還要專門研究熱的本質問題）

用一個方程式來表達吧。

H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動函數。其實我的波動函數和量子力學中的的物質波不是完全相同。

波動函數是物質場的特性，是物質生命能力的一種體現。表現在粒子上，粒子就具有波動性，同時物質運動一定需要能量的，也一定出現物質的波動。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質場具有波動函數。就象一整鐵的內部具有輕微的布郎運動，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運動。所有的粒子都具有這塊鐵的物質特性。也就是所有的粒子都有自己相應的波動函數。這與這塊鐵的運動和外界條件都有關系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構成一個統一的物質場，是所有的物質場的疊加效應，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質場了。

說到這些，大家可能會樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學上著名的不確定原理和測不準原理，因為你要對這一個量子測量，那你就要破壞這個粒子在物質場的狀態，你永遠不能無法精確測量一個量子系統。因為你測量一滴水的結果就會脫離大海這個物質場。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測大海一樣大的儀器，否則無法測量這一滴水在大海中運行狀態。但是我們可以運用統計學對整個的物質場的運動進行統計。我們可以計算大海每天蒸發了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實量子力學碰到的最大問題，不是實驗不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測，而且無法確定位置，因為任何一個物質場都是一個面，一個量子只是一個點，而運動和變化是物質場與物質場之間發生的，與單個的粒子運動關系不大。當然也不能說一點沒有，就象人與人打架一樣，是兩個物質場在運動，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個物質場在對外界的物質場共同的感受。可不是只是手不舒服，所以我們能夠精確地確認各個量子運動疊加之后統計結果（宏觀物理），但我們不能很精確一個物質場內部的那一小點起作用。物質是整體運行的，當外部的物質變化時內部的物質也會有相應變化的，量子運行方式會發生一些改變。

量子力學從來沒有從一個面去研究物體，只注重了一個點，而經典物理只注意宏觀物理現象的規律性，也就是注意面了。

量子力學注重研究了物質場的內部運動：單個粒子的運動（點）。經典物理學：牛頓力學，相對論只注重了物質場與物質場的外部運動（面）。

而布郎運動是把物質場的內部和外部運動結合一起的表現運動，是點到面，再面到點全過程，所以對布郎運動的研究也是一個科學研究物質運動史的一個縮影。

人對事物的認識總是漸近的，按照絕對論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統都是宇宙整體的一部分，所有的運動都是宇宙生命的一種體現。

現在用量子理論中的概念說明熱的本質問題：熱量只是能量的一種表現形式。熱的來源一般是：化學反應，物理作用（包括核反應），能量轉化。等等的這一切源于：量子運行方式的改變。量子運行只會一個場，一個場的變化，也就是說量子運動只可123456 不會連續不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運行方式改變只可這個場直接到那個場，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態，或是氣態，液態，沒有中間的狀態。能量有許多表現形式，而熱量是能量的一種表現形式，所以我們可以測定溫度等等現象。量子運行方式改變了，物質的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個不少，電子一個不少，可是它們之間的運行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質也就變化了。

第6篇：量子力學在化學中的應用范文

一、結構化學課程的教學現狀分析

目前結構化學教學面臨兩大難題。首先，結構化學中的很多概念過于抽象，教師難以形象地去講授，學生難以理解和接受。其次，隨著現代化學學科本身的快速發展以及與其他學科的交叉融合，使得結構化學的教學內容快速膨脹，而結構化學的教學課時不但沒有增加反而有所減少，這就勢必產生“任務重，時間少”的難題。

為了解決這兩大難題，人們已做了一些有益的嘗試和探索，如，整合教材內容，采用多媒體教學等。這些改革都不同程度地改進了結構化學的教學，也取得了一些積極的效果。但是，這些改革措施和方法并沒有徹底解決這兩大難題。我們結構化學教學組經過長期的嘗試和探索，得到了一種行之有效的方法，這就是在結構化學的教學中采用目前先進的可視化量子化學分子設計軟件來輔助教學。下面予以介紹，以期為同行們提供一些借鑒。

二、可視化量化計算軟件的使用

使用可視化的量子化學軟件，通過計算得出教材中的結論，將抽象的概念變為直觀的圖形，也可以通過化學軟件的使用使學生了解到所學的基本概念在實際中的應用，在課堂上用多媒體的形式加以演示。在實際教學過程中具體做法如下：

第四章對于分子的對稱操作和點群的有關知識，利用可視化軟件畫出具體的圖形，在課堂上利用多媒體對具體的圖形進行各種對稱變化和操作，形象直觀容易接受。

丁二烯分子π軌道圖形

另外，對于結構化學知識在實踐中的應用、NMR數值的測定、偶極距、分子光譜等問題都可以利用量子化學軟件計算得出與實驗相符合的數值，使學生進一步了解學習結構化學課程的作用。

總之，可視化量化計算軟件可以使結構化學的教學從單純的理論講授變成理論與實踐相結合的課程，將結構化學抽象的概念變成直觀的圖形；通過讓學生動手進行計算，分析計算結果，加深了學生對課程內容的理解，使學生便于接受和理解，同時提高了他們的學習興趣，培養他們的科研能力。

第7篇：量子力學在化學中的應用范文

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。

（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用

（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。

（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算。可以安排學生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。

三、預期的效果

第8篇：量子力學在化學中的應用范文

關鍵詞：大學物理；物理學史；課堂教學；興趣激發

作者簡介：李玲（1980-），女，湖北荊州人，長江大學工程技術學院，講師。（湖北 荊州 430020）

基金項目：本文系長江大學工程技術學院教研基金項目（項目編號：JY201112）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大學物理課程的意義

物理是自然科學的基礎性學科，它的知識體系和思維方法貫穿人們學習自然科學知識的始終，培養人的科學精神，陶冶人的科學思維，教會人應用科學方法解決具體問題。大學物理是工程技術學院（以下簡稱“我院”）相關系部許多專業課的理論基礎，但因有些學生認識不到這門課的重要性，經常在課程中期出現畏難厭學現象。現通過改革課堂教學內容，提高學生對物理的學習興趣，以期提高教學質量。

物理學史上的許多名人軼事及其主要研究成果的研發過程都對今人有積極的指導作用，如光學波粒二象性對立統一的認知發展過程。若能結合教學內容將物理學史中有代表性的知識體系發展融入教學過程，既可激發學習興趣，改變滿堂灌的理論推導，又可有機地將物理知識要點與科學的世界觀及哲學發展理論結合起來，有利于學生知識底蘊的累積和眼界的開闊。

表1 大學物理全模塊教學內容及課時分配

我院經過數年的大學物理模塊化教學改革[1]后，將學科內容分為六個模塊（表1），參考課時分配，本文討論如何在課堂教學中將物理學發明史、名人史等容易激發學生興趣的內容導入，以及導入后其對課題教學可起到的積極作用，課程內容以我院現在使用的大學物理教材[2]為準。

二、大學物理全模塊教學內容

1.力學

力學部分的講授內容比較多，是物理學實踐探索方法與思想體系建立的基礎。質點運動學有兩次課，第一次課緒論開端討論物理學科的研究范圍，介紹從古人對自然的樸素的感性認知，到近代利用微積分等數學工具歸納推導大量天文觀測數據及實驗室數據而獲得的經典物理學基本定理與定律，再到近現代的量子物理和相對論，物理的發展史即人類文明的發展史。這兩次課中要將大學物理用到的微積分、矢量等數學知識進行系統化介紹，而微積分的發明者之一牛頓正是近代物理的標志人物。

牛頓定律部分由于學生熟悉內容，在理論講授部分很容易分散注意力，因此，介紹相關物理學史知識可以有效地激發學生興趣。如被稱為近代物理學之父的伽利略，其著名的比薩斜塔落體實驗、斜面實驗皆入選最美麗的十大物理實驗，[3]其物理思想如慣性、力與運動的關系等，是牛頓定律得以建立的基石。而牛頓在1687年發表的《自然哲學的數學原理》里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律是經典力學的基石。質點動力學的最后一節非慣性系略有些抽象。以科里奧利命名的旋轉參考系中的慣性力有許多常見實例，很容易激發學生探究興趣，如臺風氣旋、下水方向、河道兩邊的不對稱沖刷，以及著名的列入十大最美物理實驗之一的傅科擺。[3]

剛體力學三次課相對來講較難較抽象，需要用到微積分、空間立體幾何及矢量叉乘知識，質點的角動量守恒可以將開普勒第二定律的反向證明作為計算實例，而歷史上牛頓正是由開普勒第二定律推導定義角動量的概念。在大段相對沉悶的概念講解和定理推導之后，第谷與開普勒師生的歷史故事以及他們對物理學發展的貢獻很容易引起學生的興趣。

2.振動與波

由于簡諧振動的振動方程、平面簡諧波的波動方程等都比較抽象，其對應物理量的計算和轉換多，所以此處學生最易產生厭學情緒。

機械振動兩次課，第一節課可用中國2013年6月太空課堂的單擺實驗導入；第二次課的利薩，及其后的阻尼振動及共振在生活中的應用及歷史中的實例就更多了，例如著名的18世紀拿破侖士兵齊步過橋致橋塌事件。在西方，波動現象的本質首先是由達芬奇發現的。機械波致質點受迫振動也可舉共振的例子，如中國古代戰場上利用共振器判斷敵軍多寡和方位、唐朝寺廟鐘磬聲波共鳴等事例。第二次課中可以用1842年多普勒在散步時的“多普勒效應”導入，目前該效應應用很廣。

3.熱學

熱學部分我院僅勘工和化工類專業需要學習。氣體動理論部分的兩次課中涉及到微積分的計算不太多，學生們對克拉伯龍方程也有一定基礎，總體難度不大。第二次課講自由度及麥氏速率分布率時，由于涉及到統計學，相對比較枯燥且理論公式冗長。可以在前期已觀察到學生狀態及接受水平的基礎上，淡化理論，介紹一下科學家麥克斯韋生平。麥克斯韋被譽為牛頓與愛因斯坦之間最偉大的物理學家，其一生對物理學的卓越貢獻不僅表現在對后世產生巨大影響的電磁學上。他在熱力學方面提出的麥克斯韋速率分布式也是應用最廣泛的科學公式之一，在許多物理分支中起著重要的作用。同時代的科學家玻爾茲曼將麥克斯韋速率分布式應用到保守力場中，提出了玻爾茲曼速率分布律，在熱力學研究中也具有重要地位。玻爾茲曼把物理體系的熵和概率聯系起來，闡明了熱力學第二定律的統計性質并引出了能量均分原理。

熱力學基礎三次課，可聯系科學發展史上對永動機的探索導入。如第一類永動機不可能被創造出來是違背了能量守恒定律，但其探索過程為熱力學第一定律的建立提供了實驗基礎；第二類永動機則違背了熱力學第二定律。此外，熱機的發明是工業革命的標志之一，第二次課的循環過程可借此話題導入。

4.光學

光學是一個古老而充滿活力的學科。[4]從十七世紀中葉牛頓和惠更斯分別提出光的微粒學說和波動學說之后，對于光的本質的討論一直是科學界熱點話題，直到二十世紀愛因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛頓對光學的研究可視為近代光學的開端，其棱鏡分解白光實驗入選十大最美物理實驗，[3]而牛頓環實驗至今仍是大學普通物理實驗室經典必選實驗之一。因牛頓的權威，光的微粒學說在科學界占主導地位達一個多世紀。光的干涉第一次課以十九世紀初托馬斯楊的雙縫干涉實驗導入，這一實驗揭開了近代波動光學的序幕，亦是十大最美麗的物理實驗之一。[3]第二次課薄膜干涉可以用牛頓環導入。第三次課中介紹在物理學史上有重要地位的邁克爾遜（1907年獲諾貝爾獎）干涉儀。

在衍射部分，將菲涅爾等實驗證明的著名泊松亮斑在第一次課中作簡單介紹，可以很好激發學生的討論熱情，因泊松亮斑的相關歷史很多學生都有所了解。第二次課的X射線衍射的發現過程亦十分有趣，倫琴（1901年獲諾貝爾獎）夫人戴婚戒的手骨底片是第一張X光照片。

光的偏振總體上是介紹性質的講授，重點是1808年發現的馬呂斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重點但比較有趣的雙折射現象則是早在1669年就被人們發現的，其在生活中可作為辨別晶體與非晶體的一種方式。

5.電磁學

經典電磁學理論是大學物理中的必修模塊，雖然理論推導多、微積分計算多，但現在電磁學在生活中的應用無處不在，且名人輩出，將課上得生動有趣并不困難。如靜電學部分的庫侖定律是1785年的庫侖扭秤實驗確立的，電荷的不連續性是由1909年密立根油滴實驗證明，該實驗是十大最美物理實驗之一。[3]第三次課講授的靜電場高斯定理因“數學之王”高斯得名。高斯生平傳聞軼事很多，尤其是其研究生時期，誤將懸留兩千余年未解的尺規作正十七邊形問題作為導師布置的課后作業一夜解決的故事，與學生們發散討論其心理學與教育學意義，對于學生打破心理設限努力鉆研學習很有意義。

穩恒磁場八次課，第一次課可介紹中國古人在磁學方面的發現，司南和指南針的意義；1820年近代磁學標志性的奧斯特實驗等，也是學生們熟悉且有興趣的內容。第二次課的畢奧-薩伐爾定律，可介紹其定律的得出與安培、拉普拉斯等在數學上的幫助密不可分，再次強調大學物理學習中高數知識的重要性。安培是一位在數學、物理、化學領域都有很高造詣的科學家，約第四、五次課中學習的磁場安培環路定理、安培定律都由他發現，被稱為“電學中的牛頓”。

電磁感應部分則由著名科學家法拉第的故事導入。被譽為電磁學領域的平民巨人，著名的自學成才的科學家法拉第，生于英國一個貧苦鐵匠家庭，僅上過小學。1831年，他作出了關于力場的關鍵性突破，永遠改變了人類文明。[4]法拉第是一位無以倫比的實驗物理學家，在電磁學、化學、電解、氣體液化等實驗方面都做出了巨大貢獻。而且法拉第十分幸運地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又長于數學的麥克斯韋，第三、四次課中的感生電場和位移電流假設都是由麥克斯韋提出。麥克斯韋于1873年出版了科學名著《電磁理論》，系統、全面、完美地闡述了電磁場理論，這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。1888年，赫茲經反復實驗，終于發現了人們懷疑和期待已久的電磁波，由法拉第開創、麥克斯韋總結的電磁理論，得以完美的證明。

6.相對論與近代物理

這部分內容我院只有全模塊的勘工和建環專業按十六課時教學并考試，其他專業都只作為了解內容，用物理學史的故事串講主要內容即可：

（1）被譽為20世紀最偉大物理學家的愛因斯坦，其狹義相對論的兩個重要結論：時間延緩和長度收縮效應，及物理學史上著名的雙生子佯謬已被實驗證明，而為愛因斯坦贏得1921年諾貝爾獎的是光電效應的研究。

（2）光電效應方程中的普朗克常數對描述光的量子性非常重要，因研究黑體輻射而提出該常數的普朗克（1918年諾貝爾物理學獎）是量子力學的創始人。有趣的是，普朗克本人并不認同量子理論的許多觀點，直到愛因斯坦利用能量子假設完美地解釋了光電效應。

（3）被戲傳一舉拿下諾貝爾獎（1929）的德布羅意也是量子力學創始人之一，以物質波假設理論最初的確是在其博士論文中提出的，因德布羅意是法國公爵兼德國王子，使其曾被傳聞是一位花花公子，事實上德布羅意終身獻身于科學，深居簡出，是個標準的工作狂。

（4）提出氫原子能級假設的天才玻爾是著名的哥本哈根學派創始人，量子力學的奠基人之一。

（5）概率波動力學的創始人薛定諤，提出著名假設“薛定諤的貓”。

三、結束語

本文按長江大學使用的《大學物理》教材[2]中各章節先后順序列出各章可能提及的名人軼事，希望對執教于大學物理的同仁們在課堂教學中有所助益。

參考文獻：

[1]李玲，梅麗雪.獨立學院大學物理模塊化教學探討[J].華章，

2009，（9）.

[2]康垂令， 伍嗣榕，李玲.大學物理[M].武漢：武漢理工大學出版社，2013.

[3]宮鐵波，張炳恒.十大經典物理實驗回顧[J].大學物理實驗，

第9篇：量子力學在化學中的應用范文

1專業知識體系的調整

2006年教育部全國高等學校教學研究中心、材料科學與工程教學指導委員會聯合制定的《高等學校材料化學專業規范(討論稿)》(以下簡稱“規范”)中所制定的專業知識體系對于我校應用型人才培養來說，顯得內容偏多，理論偏深，要求偏理，工程意識不強，因此，結合我校應用型人才辦學實際，對“規范”中所界定的專業知識體系中內容做了相應的調整，從而形成了我校材料化學專業發展的專業知識體系。該體系內容調整的思路和原則是:精簡內容，保證基本理論和必要的基本知識，降低難度，突出應用特色，體現學科進展;達到學生具備繼續學習的理論基礎和應用所學知識于工程實踐的能力，適于培養應用型、創新型人才的要求。如“規范”中的量子力學基礎、計算化學、電子論、材料科學中的數學等理論性強的內容一律刪除。調整后，體系由化學基礎知識、材料科學基礎知識、專業方向知識三個部分所組成，其中化學基礎知識包括基本的化學知識，化學原理、化學方法;材料科學基礎知識包括材料的結構、材料的化學制備，材料的分析測試、材料的物理性質以及材料的成型加工等;專業方向知識包括高分子材料的制備、結構、性能、加工以及應用等，詳見表1。

2課程體系的設置

設置什么樣的課程來貫徹實施上述專業知識是我們一直以來探索的一個重要的教學改革問題。課程設置不同所獲得的教育效果也就不同。在這方面各學校辦學情況不同其做法也不一樣［2－4］。經過幾年的教學實踐，我們認為，材料化學既然是研究材料的化學問題的科學，材料化學專業人才培養理當強調化學基礎的學習，只有具備厚實的化學基礎，才有可能弄清材料的化學問題，并用化學方法去研究和解決材料的化學以及其他問題，未來發展才有后勁;另外，化學基礎好更有利于學生就業。因此，我們設置了無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、化工原理、高分子化學、材料化學和材料科學基礎、高分子材料等9門核心課程來完成化學基礎、材料學基礎和專業方向等三部分知識，并做到統一考慮內容取舍、不重疊，處理好課程的相對完整與課程間融合銜接;精簡繁多的數學推導和敘述性的內容，做到“簡明”而不弱化基本理論，以滿足材料化學專業本科教育專業認證的基本要求;引進學科近展的新內容，反映學科發展的方向。在教學內容上，無機化學、有機化學、化工原理、高分子化學和高分子材料等都緊密聯系工業生產實際，滲透工程意念;分析化學以儀器分析方法為主;物理化學強化熱力學基礎和界面與膠體化學及其在材料化學中的應用;材料化學注重材料制備和分析測試;材料科學基礎主要介紹材料的物理性質和材料的成型與加工(如表1所示)。

3課程標準的制定

教學的規范化、標準化是課程實施質量的保障，為此，我們陸續制定了上述核心課程的課程標準。在課程標準中規定了各門課程的性質、課程目標、課程內容，以及學生在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀等方面的基本要求，全面體現素質教育、創新教育的理念和課程功能。課程標準是教材編寫、教學及其評估的依據，同時也是管理和評價課程、加強課程建設的基礎，它的制定和實施，將全面推動教學質量的提高，這對于培養素質全面、富有應用型、創新型人才具有深遠意義［5］。