量子力學概念精選(九篇)

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第1篇：量子力學概念范文

量子力學課程是工科電類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課程。通過該課程的學習，使學生初步掌握量子力學的基本原理和基本方法，認識微觀世界的物理圖像以及微觀粒子的運動規(guī)律，了解宏觀世界與微觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)的區(qū)別。量子力學課程教學質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的如“固體物理學”、“半導體物理學”、“集成電路工藝原理”、“量子電子學”、“納米電子學”、“微電子技術”等課程的學習。

量子力學課程的學習要求學生具有良好的數(shù)學和物理基礎，對學生的邏輯思維能力和空間想象能力等要求較高，因此要學好量子力學，在我們教學的過程中，需要充分發(fā)揮學生的學習主動性和積極性。同時，隨著科學日新月異的發(fā)展，對量子力學課程的教學也不斷提出新的要求。如何充分激發(fā)學生的學習興趣，充分調(diào)動學生的學習主動性和能動性，切實提高量子力學課程的教學質(zhì)量和教師的教學水平，已經(jīng)成為擺在高校教師目前的一項重要課題。

該課程組在近幾年的教學改革和教學實踐中，本著高校應用型人才的培養(yǎng)需求，強調(diào)量子力學基本原理、基本思維方法的訓練，結合物理學史，充分激發(fā)學生的學習積極性；充分利用熟知軟件，理解物理圖像，激發(fā)學生學習主動性；結合現(xiàn)代科學知識，強調(diào)理論在實踐中的應用，取得了良好的教學效果。

1 當前的現(xiàn)狀及存在的主要問題

目前工科電類專業(yè)普遍感覺量子力學課程難學，其主要原因在于：第一，量子力學它是一門全新的課程理論體系，其基本理論思想與解決問題的方法都沒有經(jīng)典的對應，而學習量子力學必須完全脫離以前在頭腦中根深蒂固的“經(jīng)典”的觀念；第二，量子力學的概念與規(guī)律抽象，應用的數(shù)學知識比較多，公式推導復雜，計算困難；第三，雖然量子力學問題接近實際，但要學生理解和解決問題，還需要一個過程；由于上述問題的存在，使初學者都感到量子力學課程枯燥無味、晦澀難懂，而且隨著學科知識的飛速發(fā)展，知識的更新周期空前縮短，在有限的課時情況下，如何使學生在掌握扎實的基礎知識的同時，跟上時代的步伐，了解科學的前沿，以適應新世紀人才培養(yǎng)的需求，是擺在我們教育工作者面前的巨大挑戰(zhàn)。

2 結合物理學史激發(fā)學生學習興趣

興趣是最好的老師，在大學物理中，談到了19世紀末物理學所遇到的“兩朵烏云”，光電效應和紫外災難，1900年，普朗克提出了能量子的概念，解決了黑體輻射的問題；后來，愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，解釋了光電效應，并提出了光的波粒二象性；德布羅意又在愛因斯坦的啟發(fā)下，大膽的提出實物粒子也具有波粒二象性；對于物理學的第三朵烏云“原子的線狀光譜，”玻爾提出了關于氫原子的量子假設，解釋了氫原子的結構以及線狀光譜的實驗。后來還有薛定諤、海森堡、狄拉克等偉大的物理學家的努力，建立了一套嶄新的理論體系-量子力學。在教學的過程中，適當穿插量子力學的發(fā)展歷史以及偉大科學家的傳記故事，避免了量子力學課程“全是數(shù)學的推導”的現(xiàn)狀，這樣激發(fā)學生的學習興趣和學習熱情，通過對偉大科學家的介紹，培養(yǎng)刻苦鉆研的精神。實踐表明，這樣的教學模式大大提高了學生的學習主動性。

3 結合熟知軟件化抽象為形象

量子力學內(nèi)容抽象，對一些典型的結論，可以用軟件模擬的方式實現(xiàn)物理圖像的重現(xiàn)。很多軟件如matlab、c語言等很多學生不是很熟練，而且編程較難，結合物理結論作圖較為困難；Excell是學生常用的軟件之一，簡單易學卻功能強大，幾乎每位同學都非常熟練，我們充分利用這一點，將Excell軟件應用到量子力學的教學過程中，取得了良好的效果。

如在一維無限深勢阱中，我們用解析法嚴格求解得到了波函數(shù)和能級的方程。而波函數(shù)的模方表示幾率密度。我們要求學生用Excell作圖，這樣得到粒子阱中的幾率分布，通過與經(jīng)典幾率的比較（經(jīng)典粒子在阱中各處出現(xiàn)的幾率應該相等）和經(jīng)典能級的比較（經(jīng)典的能量分布應該是連續(xù)的函數(shù)），通過學生的自我參與，充分激發(fā)了學生的求知欲望；從簡單的作圖，學生深刻理解了微觀粒子的運動狀態(tài)的波函數(shù)；微觀粒子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化了的能級，當n趨于無窮大時微觀趨向于經(jīng)典的結果，即經(jīng)典是量子的極限情況；通過學生熟知的軟件，直觀的再現(xiàn)了物理圖像，學生會進一步來深刻思考這個結論的由來，傳統(tǒng)的教學中，我們先講薛定諤方程，然后再解這個方程，再利用邊界條件和波函數(shù)的標準條件，一步一步推導下來，這樣的教學模式有很多學生由于數(shù)學的基礎較為薄弱，推導過程又比較繁瑣，因此會逐步對課程失去了興趣，這也直接影響了后面章節(jié)的學習，而通過學生親自作圖實現(xiàn)的物理圖像，改變了傳統(tǒng)的“填鴨式”教學，最大限度的使學生參與到課程中，這樣的效果也將事半功倍了，大大提高了教學的效果。

4 結合科學發(fā)展前沿拓寬學生視野

在課程的教學中，除了注重理論基礎知識的講解和基礎知識的應用以外，還需介紹量子力學學科前沿發(fā)展的一些動態(tài)。結合教師的教學科研工作，將國內(nèi)外反映量子力學方面的一些最新的成果融入到課程的教學之中，推薦和鼓勵學生閱讀反映這類問題的優(yōu)秀網(wǎng)站、科研文章，使學生了解量子力學學科的發(fā)展前沿，從而達到拓寬學生視野，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。例如近年興起并迅速發(fā)展起來的量子信息、量子通訊、量子計算機等學科，其基礎理論就是量子力學的應用，了解了這些發(fā)展，學生會反過來進一步理解課程中如量子態(tài)、自旋等概念，量子態(tài)和自旋本身就是非常抽象的物理概念，他們沒有經(jīng)典的對應，通過對實驗結果的理解，學生會進一步理解用態(tài)矢來表示一個量子態(tài)，由于電子的自旋只有兩個取向，正好與計算機存儲中二進制0和1相對應，這也正是量子計算機的基本原理，通過學生的主動學習，從而達到提高教學質(zhì)量的目的。另外我們還要介紹量子力學在近代物理學、化學、材料學、生命學等交叉學科中的應用，拓寬學生的視野。

第2篇：量子力學概念范文

關鍵詞 量子力學 教學內(nèi)容 教學方法

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Teaching Methods and Practice of Quantum Mechanics of

Materials Physics Professional

FU Ping

(College of Materials Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430073)

Abstract For the difficulties faced by students in Materials professional to learn quantum mechanics physics course, by a summary of teaching practice in recent years, from the teaching content, teaching methods and means of exploration and practice, students mobilize the enthusiasm and initiative, and achieved good teaching results.

Key words quantum mechanics; teaching content; teaching methods

0 引言

量子力學是研究微觀粒子（如原子、分子、原子核和基本粒子等）運動規(guī)律的物理學分支學科，它和相對論是矗立在20世紀之初的兩座科學豐碑，一起構成了現(xiàn)代物理學的兩塊理論基石。相對論和量子力學徹底改變了經(jīng)典物理學的世界觀，并且深化了人類對自然界的認識，改造了人類的宇宙觀和思想方法，它使人們對物質(zhì)存在的方式及其運動形態(tài)等的認識產(chǎn)生了一個質(zhì)的飛躍。

量子力學是材料物理專業(yè)一門承前啟后的專業(yè)基礎必修課：量子力學的教學必須以數(shù)學為基礎，包括線性代數(shù)、概率論、高等數(shù)學、數(shù)理方法等，其又是后續(xù)課程材料科學基礎、固體物理、材料物理、納米材料等的理論基礎。可見，量子力學課程在材料物理專業(yè)的課程體系中占有非常重要的地位，學生掌握的程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習。作者近年來一直從事量子力學的教學工作，針對量子力學課程教學過程中存在的現(xiàn)象和問題，進行了較深入細致的思考與探討，在實際教學過程中對本課程的教學方法進行了探索與實踐，收到了較好的教學效果。

1 量子力學教學面臨的難點

量子力學研究的是微觀粒子的運動規(guī)律，微觀粒子同宏觀粒子不同，看不見，摸不著，只有借助于探測器才能察覺它的存在和屬性。材料物理專業(yè)學生之前學習的基本上是經(jīng)典物理，而量子力學理論無法用經(jīng)典理論進行解釋，學生對此感到難于理解。因此，經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念對學生思想的束縛，構成了學生學習量子力學的思想障礙；量子力學可以說無處不“數(shù)學”， 由于材料物理專業(yè)學生在數(shù)學基礎方面與物理專業(yè)學生相比較為薄弱，在學習過程中普遍感到數(shù)學計算繁難，對大段的數(shù)學推導表現(xiàn)出畏難情緒?？梢姡孔恿W對數(shù)學的精彩詮釋卻構成了學生學習量子力學的心理障礙。這兩大障礙勢必會影響量子力學和后續(xù)課程的學習。在這種情況下，我們應當怎樣開展量子力學教學從而使學生重視并努力學好該課程就成了一個嚴峻的挑戰(zhàn)。

2 明確教學重點和難點、有的放矢

要講授一門課程，首先應該對課程內(nèi)容有一個清晰的認識。量子力學的內(nèi)容可以包括三個方面：一是介紹產(chǎn)生新概念的歷史背景及一些重要實驗；二是提出一系列不同于經(jīng)典物理學的基本概念與原理，如波函數(shù)、算符等概念和相關原理，是該課程的核心；三是給出解決具體實際問題的方法。三部分內(nèi)容相互聯(lián)系，層層推進，形成完整的知識體系。作為引導者，教師應在這三部分內(nèi)容的教學過程中幫助學生成功地突破兩大束縛。第一部分內(nèi)容教師應考慮如何引導學生入門，從習慣古典概念轉而接受量子概念。在講授這部分內(nèi)容時要將重點放在“經(jīng)典”向“量子”的過渡上，引出量子力學與經(jīng)典力學在研究方法上的顯著不同：經(jīng)典力學是將其研究對象作為連續(xù)的不間斷的整體對待，而量子力學將其研究對象看成的間斷的、不連續(xù)的。學生在學習這部分時應仔細“品嘗”其中的“滋味”，以便啟發(fā)自己的思維自然地產(chǎn)生一個飛躍，完成思想的突破。第二、三部分是量子力學學習的重點與難點，并且涉及大量的數(shù)學推導，教師應采取適當?shù)慕虒W手段，突出重點，強調(diào)難點。在物理學研究中，數(shù)學只是用來表達物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，不能將物理內(nèi)容淹沒在復雜的數(shù)學形式當中。通過數(shù)學推導才能得到的結論，只需告訴學生，從數(shù)學上可以得到這樣的結果就可以了，無需將重點放在繁難的數(shù)學推導上，否則會使學生本末倒置，忽略了對量子力學思想的理解。這樣的教學可以幫助學生突破心理障礙，不會一提量子力學就想到復雜的數(shù)學推導，從而產(chǎn)生抵觸情緒。成功地突破這兩大障礙，是學習量子力學的關鍵。

3 教學方法的改革

3.1 利用現(xiàn)代技術改進教學手段

傳統(tǒng)的板書教學能夠形成系統(tǒng)性的知識框架，教師在板書推導的過程中，學生有時間反應和思考，緊跟教師的思路，從而可以詳細、循序漸進地吸收所學知識，并培養(yǎng)了良好的思維習慣。但全程板書會導致上課節(jié)奏慢，授課內(nèi)容有限。目前隨著高校教學改革的推進，授課學時相繼減少，對于傳統(tǒng)教學方式來講，要完成教學任務比較困難。這就要借助現(xiàn)代科技手段進行教學改革，包括多媒體課件的使用和網(wǎng)絡教學。但是在量子力學教學中，一些繁雜公式的推導，如果使用多媒體課件，節(jié)奏會較快，導致學生目不暇接，來不及做筆記，更來不及思考，不利于講授內(nèi)容的消化吸收。鑒于此，對于量子力學課程，教學過程應采用板書和多媒體技術相結合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，調(diào)動學生的學習積極性。

3.2 建設習題庫

量子力學課程理論抽象，要深入理解這些理論，在熟練掌握教材基本知識的基礎上，需要通過大量習題的演練，循序漸近，才能檢驗自己理解的程度，真正學好這門課程。因此在教學過程中，強調(diào)做習題的重要性。有針對性地根據(jù)材料物理專業(yè)量子力學的教學大綱和教學內(nèi)容，參考多本量子力學教材和習題集，利用計算機技術建設量子力學習題庫，題型包括選擇、填空、證明、簡答和計算題等，內(nèi)容涵蓋各知識點，從簡到繁、由淺至深。題庫操作方便，學生可自行操作，并對所做結果進行實時檢查，從而清楚自己掌握本課程的程度。這一方式在近幾年的教學中取得了良好的教學效果。

3.3 加強與學生互動，調(diào)動學生的學習積極性

教學是一個師生互動的過程，應讓學生始終處于主動學習的位置而不是被動的接受。量子力學課程的學習更應積極調(diào)動學生的積極性，因此教師應在教學過程中加強與學生的互動。增設課前提問、課后討論環(huán)節(jié)，認真批改作業(yè)，積極發(fā)現(xiàn)學生學習過程中存在的問題，并及時對問題進行深入講解，解決問題。另外，由于量子力學是建立在一系列基本假定基礎之上的，抽象難懂，鑒于學生難接受的情況，在授課時注意理論聯(lián)系實際，盡可能進行知識的滲透和遷移，將量子力學在實際中的應用穿插于教學之中，豐富教學內(nèi)容，開拓學生視野，從而調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

4 結語

通過近年來教學經(jīng)驗的總結和探索，形成了一套適合材料物理專業(yè)量子力學課程教學的方法，該方法教學效果良好。在近幾年的研究生入學考試中，學生量子力學課程的成績優(yōu)秀，說明采用這樣的教學方法是成功的。

資助項目：武漢工程大學2010年校級教學研究項目（X201037）

第3篇：量子力學概念范文

圖景。

一、量子力學突破了經(jīng)典科學的機械決定論，遵循因果加統(tǒng)計的非機械決定論

經(jīng)典力學是關于機械運動的科學，機械運動是自然界最簡單也是最普遍的運動。說它最簡單，因為機械運動比較容易認識，牛頓等人又采取高度簡化的方法研究力學，獲得了空前成功；說它最普遍，因為機械力學有廣泛的用途，容易把它絕對化。[2]機械決定論是建立在經(jīng)典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯(lián)系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯(lián)系具有確定性，無論從因到果的軌跡多么復雜，沿著軌跡尋找總能確定出原因或結果；機械決定論的核心在于只要初始狀態(tài)一定，則未來狀態(tài)可以由因果法則進行準確預測。[3]其實，機械決定論僅僅適用于宏觀物體，而對于微觀領域以及客觀世界中大量存在的偶然現(xiàn)象的研究就產(chǎn)生了統(tǒng)計決定論。[4]

量子力學是對經(jīng)典物理學在微觀領域的一次革命。量子力學所揭示的微觀世界的運動規(guī)律以及以玻爾為代表的哥本哈根學派對量子力學的理解，同物理學機械決定論是根本相悖的。[5]按照量子理論，微觀粒子運動遵守統(tǒng)計規(guī)律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現(xiàn)，而只能說它在某處出現(xiàn)的幾率有多大。

玻恩的統(tǒng)計解釋指出，因果性是表示事件關系之中一種必然性觀念，而機遇則恰恰相反地意味著完全不確定性，自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。在量子力學中，幾率性是基本概念，統(tǒng)計規(guī)律是基本規(guī)律。物理學原理的方向發(fā)生了質(zhì)的改變：統(tǒng)計描述代替了嚴格的因果描述，非機械決定論代替了機械決定論的統(tǒng)治。

經(jīng)典統(tǒng)計力學雖然也提出了幾率的概念，但未能從根本上動搖嚴格決定論，量子力學的沖擊則使機械決定論的大廈坍塌了。量子力學揭示并論證了人們對微觀世界的認識具有不可避免的隨機性，它不遵循嚴格的因果律。任何微觀事件的測定都要受到測不準關系的限定，不可能確切地知道它們的位置和動量、時間和能量，只能描述和預言微觀對象的可能的行為。因此，量子力學必須是幾率的、統(tǒng)計的。而且，隨著認識的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)量子統(tǒng)計的隨機性，不是由于我們知識和手段的不完備性造成的，而是由微觀世界本身的必然性（主客體相互作用）所注定。

二、量子力學使得科學認識方法由還原論轉化為整體論

還原論作為一種認識方法，是指把高級運動形式歸結為低級運動形式，用研究低級運動形式所得出的結論代替對高級運動形式的本質(zhì)認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩(wěn)定的觀點和規(guī)律去解釋、說明要研究的對象。其目的是簡化、縮小客體的多樣性。這種方法在人類認識處于初級水平上無疑是有效的。如牛頓將開普勒和伽利略的定律成功地還原為他的重力定律。但是還原論形而上學的本質(zhì)，以及完全還原是不可能的，決定了還原論不能揭示世界的全貌。

量子力學認為整體與部分的劃分只有相對意義，整體的特征絕非部分的疊加，而是部分包含著整體。部分作為一個單元，具有與整體同等甚至還要大的復雜性。部分不僅與周圍環(huán)境發(fā)生一定的外在聯(lián)系，同時還要表現(xiàn)出“主體性”，可將自身的內(nèi)在聯(lián)系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現(xiàn)了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態(tài)，部分的少許變化將引起整體的突變。[6]

波粒二象性是微觀世界的本質(zhì)特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經(jīng)典觀點來看，也就是按照還原論的思想，粒子與波毫無共同之處，二者難以形成直觀的統(tǒng)一圖案，這是經(jīng)典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”?？墒俏⒂^粒子在某些實驗條件下，只表現(xiàn)波動性；而在另一些實驗條件下，只表現(xiàn)粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現(xiàn)。于是，玻爾的互補原理就在客觀上揭示了微觀世界的矛盾和我們關于微觀世界認識的矛盾，并試圖尋找一種解決矛盾的方法，這就是微觀粒子既具有粒子性又具有波動性，即波粒二象性。這就是整體論觀點強調(diào)的“向下的原因”，即從整體到部分。同樣，海森伯的測不準原理說明不能同時測量微觀粒子的動量和位置，這也說明絕不能把宏觀物體的可觀測量簡單盲目地還原到微觀。由此我們可以看出，造成經(jīng)典科學觀與現(xiàn)代科學觀認識論和方法論不同的根本在于思考和觀察問題的層面不同。經(jīng)典科學一味地強調(diào)外在聯(lián)系觀，而量子力學則更強調(diào)關注事物內(nèi)部的有機聯(lián)系。所以，量子力學把內(nèi)在聯(lián)系作為原因從根本上動搖了還原論觀點。

三、量子力學使得科學思維方式由追求簡單性發(fā)展到探索復雜性

從經(jīng)典科學思維方式來看，世界在本質(zhì)上是簡單的。牛頓就說過，自然界喜歡簡單化，而不喜歡用什么多余的原因以夸耀自己。追求簡單性是經(jīng)典科學奮斗的目標，也是推動它獲取成功的動力。開普勒以三條簡明的定律揭示了看似復雜的太陽系行星運動，牛頓更是用單一的萬有引力說明了千變?nèi)f化的天體行為。因而現(xiàn)代科學是用簡單性解釋復雜性，這就隱去了自然界的豐富多樣性。

量子力學初步揭示了客觀世界的復雜性。經(jīng)典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯(lián)系的。經(jīng)典物理學所研究的是理想的物質(zhì)客體。它不但用理想化的“質(zhì)點”、“剛體”、“理想氣體”來描述物體，而且把研究對象的條件理想化，使研究的視野僅僅局限于人們自己制定的范圍之內(nèi)。而客觀世界并不是如此，特別是進入微觀領域，微觀粒子運動的幾率性、隨機性；觀測對象和觀測主體不可分割性等都足以說明自然界本身并不是我們想象的那么簡單。

在現(xiàn)代科學中，牛頓的經(jīng)典力學成了相對論的低速現(xiàn)象的特例，成為非線性科學中交互作用近似為零的情況，在量子力學中是測不準關系可以忽略時的理論表述。復雜性的提出并不是要消滅簡單性，而是為了打破簡單性獨占的一統(tǒng)地位。復雜性是把簡單性作為一個特例包含其中，正如莫蘭所說的，復雜性是簡單性和復雜性的統(tǒng)一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現(xiàn)實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現(xiàn)實來限制可能，而是從可能中選擇現(xiàn)實；不是以既存的實體來確定演化，而是在演化中認識和把握實體。復雜性主張考察被研究對象的復雜性，在對其作出層次與類別上的區(qū)分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調(diào)的是一種整體的協(xié)同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經(jīng)典科學思維方式的一個指導觀念就是，認為科學應該客觀地、不附加任何主觀成分地獲取“照本來樣子的”世界知識。玻爾告訴人們，根本不存在所謂的“真實”，除非你首先描述測量物理量的方式，否則談論任何物理量都是沒有意義的！測量，這一不被經(jīng)典物理學考慮的問題，在面對量子世界如此微小的測量對象時，成為一個難以把握的手段。因為研究者的介入對量子世界產(chǎn)生了致命的干擾，使得測量中充滿了不確定性。在海森伯看來，在我們的研究工作由宏觀領域進入微觀領域時，我們就會遇到一個矛盾：我們的觀測儀器是宏觀的，可是研究對象卻是微觀的；宏觀儀器必然要對微觀粒子產(chǎn)生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產(chǎn)生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經(jīng)典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經(jīng)典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態(tài)下進行觀測的假定，從而建立了科學活動中主客體互動的關系。

例如，關于光到底是粒子還是波，辯論了三百多年。玻爾認為這完全取決于我們?nèi)绾稳ビ^察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現(xiàn)象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現(xiàn)象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現(xiàn)出波粒二象性。因此，海森伯就說，我們觀測的不是自然本身，而是由我們用來探索問題的方法所揭示的自然。[8]

量子力學的發(fā)展表明，不存在一個客觀的、絕對的世界。唯一存在的，就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義，不在于它能夠描述出自然“是什么”，而在于它能夠明確，關于自然我們能夠“說什么”。

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[摘要]20世紀三次物理學革命之一的量子力學突破了經(jīng)典科學的機械決定論，使之轉化為非機械決定論；使得科學認識方法由還原論轉化為整體論；使得科學思維方式由追求簡單性到探索復雜性；確立了科學活動中主客體互動關系。

關鍵詞：量子力學；經(jīng)典科學世界圖景；

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第4篇：量子力學概念范文

關鍵詞：量子力學；現(xiàn)代物理；地方應用型高校

筆者于1997年畢業(yè)于衡陽師范高等?？茖W校物理教育專業(yè)，那時用的是?？茖W校自編的量子力學教材，內(nèi)容較簡化，學習起來較吃力；2005年進入湖南師大讀研后，又學習了高等量子力學，許多東西似懂非懂；2016年開始向本科生講授量子力學課程，也只有在這時候，才懂得了困惑自己多年的一些問題。從這個歷程中，可見學好量子力學這門課程是多么難。

一、教學指導思想

正因為這門課程很難學，所以不能期望太高，何況在生源較差的地方應用型高校。與此同時，教師要以人才市場需求和學術發(fā)展為雙重依據(jù)，保持學科體系的完整性，把量子力學教好。對于若干個學生中的精英，要使其受到完整的課程體系訓練，培養(yǎng)物理學科的領頭雁；而對于其他學生，則通過教學方式和考核方式的多樣性，讓其順利通過這些理論性較強的課程考核，培養(yǎng)物理文化的傳播者。

筆者采用的教學方式以傳統(tǒng)講授法為主，PPT用得很少。因為這門課程必須經(jīng)過數(shù)學演算和推導，才能對量子世界有所理解。不要求學生步步推導，但教師至少要去一步一步地算，給學生留下深刻的印象，讓學生知道，做學問是老老實實地工作。每章結束后，設置一個小測試，題目來自上課時講的一些重點概念、符號、規(guī)律以及一些簡單的公式推導。這樣可以保證學生能從書本里查找答案，掌握基本知識。

二、正確看待學生的學習狀況

學生的學習狀況也如所預料的一樣，認真聽的只有幾個有考研意愿的人，其他人幾乎是以玩手機來消磨時間。小測試的時候，總有十多人先不做，坐等別人的答案。筆者認為，教育不能指望人人都會成為精英，能成為“欲栽大樹柱長天”的人只需幾個即可。同一個專業(yè)里，也需要各種層次的人才，如理論計算、實驗操作、知識傳播、人際協(xié)調(diào)，等等。量子力學教師需要關注學生的聽課狀態(tài)，以人人能學會為原則（教育機會均等），隨時調(diào)整自己的教學策略；同時也要牢記自己的使命，把量子力學的靈魂傳播到位，把它的科學精神傳播到位。

三、量子力學的魂與精神

量子力學的魂是：微觀粒子的運動狀態(tài)是不確定的，只能用概率波去描述；微觀粒子的運動能量不是連續(xù)的，而是離散的；測量微觀粒子的力學量時得不到確定值，只能得到系列的可能值及其出現(xiàn)的概率，但它們的統(tǒng)計值是確定的，即得到的宏觀量；量子力學里的微觀粒子不一定是電子質(zhì)子等實物粒子，還可能是經(jīng)過一次量子化和二次量子化后的某種運動單元，如電磁場光子、諧振子粒子。量子力學的精神是：科學研究是一件嚴肅的事情，必需老老實實地演算和推導，來不得半點投機取巧。

四、教學心得體會

1.量子力學的研究對象。量子力學是研究微觀粒子的運動，但是課本開始介紹的黑體輻射卻是能觀察到的宏觀現(xiàn)象，這該怎樣理解？一是將空窖里的輻射場當成大量微觀粒子組成的系統(tǒng)，它們服從Bose-Einstein分布l=ωl/（eβεl-1），只是它們不是有原子分子結構的實物粒子罷了。二是認為這些粒子的能量是量子化的εl=ω，不再是宏觀的連續(xù)能量了。這樣一來，物體的輻射就是發(fā)射和吸收微觀粒子的過程了。

2.二次量子化。把輻射場處理成能量量子化的大量微觀粒子，把原點附近做振動的原子或分子處理成能量量子化的線性諧振子等就是一次量子化。最簡單的二次量子化就是體現(xiàn)在對線性諧振子的處理上。線性諧振子的能級是分立的，En=ω（n+1/2），τΦ謀菊魈為Ψn。由于相鄰能級上的本征態(tài)具有遞推關系，即由Ψn可以推出Ψn-1或Ψn+1這時又把態(tài)Ψn看成是由n個粒子組成的系統(tǒng)，每個粒子具有能量E=ω，這樣一來，遞推關系里的算符就可以看成產(chǎn)生算符和湮滅算符了。

3.不確定性。這點和統(tǒng)計力學有某種相似性。統(tǒng)計力學并不知道微觀粒子確定的運動狀態(tài)，所以只好假定每種微觀運動狀態(tài)出現(xiàn)的概率相等，即等概率原理。這樣一來，就可以理解測量微觀粒子的力學量時，得不出確定值的原因，只能得出一系列的可能值以及這些可能值出現(xiàn)的概率。同樣，描述粒子的運動狀態(tài)也只能用概率波來描述了。

第5篇：量子力學概念范文

關鍵詞：量子力學 教學改革 物理思想

“量子力學”作為學習“固體物理”、“材料科學”、“材料物理與化學”和“激光原理”等課程的重要基礎，同時也是物理學專業(yè)及相關工科專業(yè)最核心的基礎課程之一。20世紀，“量子學說”被作為物理科學研究和人類文明進步的標志性貢獻，引起了廣泛地重視。通過對量子學說的學習，能夠使學生充分利用到所學的理論知識，對問題進行分析和尋求解決方法，提高學生的科學素質(zhì)和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內(nèi)容較為空洞、抽象，對學生學習造成阻礙，使學生喪失了學習的興趣，學生也很難熟練掌握量子學說課程的要點。因此，培養(yǎng)學生的學習興趣是提高教學質(zhì)量和教學水平的關鍵，但是如何調(diào)動學生課堂學習的積極性，成為了廣大教師很棘手的問題。筆者根據(jù)近幾年的教學模式，綜合長江大學（以下簡稱“我?！保┑慕虒W現(xiàn)狀，在“量子學說”教學方面，整理出一套符合我校教學實際的改革和嘗試，并取得了較好的效果。

1.“量子力學’’教學內(nèi)容的改進。量子學說的理論與以往所學的傳統(tǒng)物理體系大有不同，重點表現(xiàn)在處理問題的方式上，但是卻又與傳統(tǒng)物理有著不可分割的關系，可以說，量子學說中很多的概念和理論都來源于傳統(tǒng)的物理學說。這就要求在學習量子學說的同時，既要摒棄以往學習物理形成的固有思考方式，又要遵循某些與傳統(tǒng)物理中相通之處的原理和學習法則。然而，這種思維上的反差必然導致學生在學習時的困惑，除此之外，量子學說較強的理論性也誤導學生陷于數(shù)學公式推導的煩惱中，從而使學生喪失了學習興趣。根據(jù)這些教學中存在的問題，筆者提出了以下相應的有益改進。

（1）知識條理化，強化知識背景，增強趣味性。量子學說從誕生到最終建立，每一步的發(fā)展都經(jīng)過了縝密、細致、實事求是的分析，并不斷地完善和改進。通過介紹量子學說的發(fā)展背景，引起學生的學習興趣，并有利于學生明確量子學說與傳統(tǒng)物理之間的區(qū)別，同時讓學生在發(fā)展歷程中尋找合適的學習方法，有利于培養(yǎng)學生的科學思維能力。在解釋某些理論和原理時，可以穿插講述其歷史背景，方便學生理解。通過這種方式，既能讓學生掌握理論知識，又有利于學生區(qū)分量子學說與傳統(tǒng)物理的區(qū)別[1]。

（2）重在物理思想，壓縮數(shù)學推導。數(shù)學在其相關學科的運用，所起到的作用只是一種輔助工具。在物理研究中也不例外，如果過分強調(diào)數(shù)學的地位和作用，只會本末倒置。因此，在教學過程中，教師應著重加強基本概念和蘊含的區(qū)里實質(zhì)，而不能將物理思想埋沒在數(shù)學公式之中，應把重點放在物理意義和實際運用上，只有這樣，學生才能保持較好的學習熱情。

2.教學方法改革。傳統(tǒng)的教學模式使學生一直處于被動接受知識的狀態(tài)下，抑制了學生自主學習的主動性，不僅不利于學生對知識的獲取，更阻礙了其創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，而且量子學說的理論抽象，很難被學生理解，傳統(tǒng)的教學方法，無法被學生接受，并會引起學生的反感，甚至厭學。如此一來，必然打擊學生學習的主動性，更降低了學習效率。為了促進學習效率，提高學生學習興趣，培養(yǎng)其科學素養(yǎng)，筆者在教學模式上，探索出一些有效的措施。

（1）發(fā)揮學生主體作用。教師在課堂學習中有著舉足輕重的作用，除了傳授學生知識以外，還有著更重要的引導作用。在講解完規(guī)定的教學任務之外，還應設定教師與學生的互動環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)設問題情景，引導學生進行思考和分析，使學生對所學的知識進行歸納總結。另外，還可以通過以問題的形式結束未講授的內(nèi)容，引起學生的興趣，并鼓勵學生課下利用課外資源尋求答案；還可以以小組的形式，讓學生團結合作，對感興趣的物理理論進行探討分析，并完成相關的小組論文。

（2）注重構建物理圖像。由于物理理論都比較抽象，不利于理解，所以構建圖像很重要，它不僅能夠完整地表達所要傳達的信息，而且能夠方便學生理解和記憶。圖像簡潔、清新的特點，使學生更熟練地掌握物理圖像的構建能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維也有促進作用。

3.教學手段和考核方式改革。（1）用多種先進的教學模式。采用小組討論課，可安排小組內(nèi)討論，然后是小組之間進行辯論，最后由教師對辯論進行點評和更正。例如，在講到微觀粒子的波函數(shù)時，有的學生認為是全部粒子組成波函數(shù)，有的學生認為是經(jīng)典物理學的波。這些問題的討論激發(fā)了學生的求知欲望，從而進一步激發(fā)了學生對一些不易理解的概念和量子原理進行深入理解，直至最后充分理解這些內(nèi)容。另外布置課外論文和邀請知名專家進行講座都是不錯的方式。

（2）堅持研究型教學方式。教學中不再單一地只講授課堂知識，而是把科研融入到課堂學習之中，結合最新的科研動態(tài)，向?qū)W生介紹所學的原理在其相關領域中的運用，以引起學生的興趣。

（3）將人文教育與專業(yè)教學相結合。量子概念誕生于1900年，它首次由德國物理學家普朗克引入；1905年，愛因斯坦進一步完善了量子的概念；1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中；1924年，德布羅意通過量子的概念提出微觀粒子具有波粒二象性；由此可見，物理學史上，力學從誕生到發(fā)展所蘊含的創(chuàng)新思維是迄今為止任何一門學科都難以比擬的，教師和學生一起回顧量子力學的發(fā)展之路，讓學生了解到量子力學的魅力所在，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

第6篇：量子力學概念范文

平行宇宙是指從某個宇宙中分離出來，與原宇宙平行存在著的既相似又不同的其他宇宙。

平行宇宙來自量子力學，因為量子力學有一個不確定性，就是量子的不確定性。平行宇宙概念的提出，得益于現(xiàn)代量子力學的科學發(fā)現(xiàn)。在20世紀50年代，有物理學家在觀察量子的時候，發(fā)現(xiàn)每次觀察的量子狀態(tài)都不相同。而由于宇宙空間的所有物質(zhì)都是由量子組成，所以這些科學家推測既然每個量子都有不同的狀態(tài)，那么宇宙也有可能并不只是一個，而是由多個類似的宇宙組成。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

第7篇：量子力學概念范文

本書是由兩位在此領域中有頗多成果的意大利著名專家根據(jù)這方面的最新進展所寫的一本新的教科書性質(zhì)的專著，它包括了熱動力學，統(tǒng)計力學和多體問題的經(jīng)典課題和這方面的最新進展。

19世紀末，開爾文公爵發(fā)表著名的演說，其中提到以經(jīng)典力學、經(jīng)典熱力學和經(jīng)典電磁理論為基礎的物理學大廈已經(jīng)建成，后人只需要做些小修小補的工作。然而在明亮的物理學天空中飄著兩朵烏云，其中之一便是黑體輻射問題。實驗發(fā)現(xiàn)黑體輻射無法用連續(xù)能量的觀點來處理，這對經(jīng)典的物理學提出了巨大的挑戰(zhàn)。為解決這一問題，一個嶄新的學科――量子力學應運而生。它是由普朗克最先提出，由愛因斯坦、波爾、薛定諤、狄拉克等天才的物理學家們發(fā)展完善，是公認的20世紀物理學最偉大的突破之一。本書回顧了量子力學的發(fā)展歷史，介紹了量子力學的基本知識，是一本優(yōu)秀的量子力學教材。

全書共12章，分4個部分。第一部分 量子力學的提出與建立，包括第1章。分析了經(jīng)典物理學對處理黑體輻射、光電效應和康普頓散射的困難，介紹海森堡不確定性原理、波爾對應原理、含時的與定態(tài)的薛定諤方程、物理實際對薛定諤方程解的限制、本征波函數(shù)與本征值、波函數(shù)的完備性與正交性、疊加原理、互補原理以及相位的概念。最后明_了量子力學的幾個基本假設，強調(diào)了薛定諤方程本質(zhì)上是一種假設。第二部分 使用薛定諤波動方程處理量子力學問題，包括2-7章：2.求解一維無限深勢阱；3.自由粒子；4.線性諧振子；5.一維半無限有限高勢壘；6.勢壘隧穿處理α粒子衰變；7.一維有限深勢阱等模型的薛定諤方程的解。介紹球坐標空間，引入分離變量法，求解了氫原子的薛定諤方程。第三部分 使用海森堡矩陣力學處理量子力學問題，包括第8-10章：8.介紹角動量理論和自旋算符理論；9.介紹微擾理論；10.定態(tài)一級微擾和二級微擾，并成功應用于解釋Stark效應。最后介紹含時微擾，給出了費米黃金規(guī)則公式。第四部分 彈性散射理論，含第11-12章：11.并以剛球散射和方勢阱散射模型為例，求解散射振幅與微分截面；12.介紹狄拉克發(fā)展的酉算子和酉變換。

本書內(nèi)容簡單，利于理解，適合作為物理系本科生的專業(yè)教材。與常見的量子力學教材相比，本書有兩個優(yōu)勢，一是求解的數(shù)學過程完整且準確，可以幫助讀者建立堅實的數(shù)學基礎；二是在每一章的前言部分，都有對量子力學發(fā)展歷史的介紹，其中對當時的物理學家們的言行描寫尤為生動，妙趣橫生。如果讀者閱讀英文有困難，也可以參考北大曾謹言教授編寫的《量子力學》，兩本書內(nèi)容相近，可以互為輔助。

本書內(nèi)容涉及2個領域：熱力學和經(jīng)典統(tǒng)計力學，其中包括平均場近似，波動和對于臨界現(xiàn)象的重整化群方法。作者將上述理論應用于量子統(tǒng)計力學方面的主要課題，如正規(guī)的Feimi和Luttinger液體，超流和超導。最后，他們探索了經(jīng)典的動力學和量子動力學，Anderson局部化，量子干涉和無序的Feimi液體。

全書共包括21章和14個附錄，每章后都附有習題，內(nèi)容為：1.熱動力學：簡要概述；2.動力學；3.從Boltzmann到BoltzmannGibbs；4.更多的系統(tǒng)；5.熱動力極限及其穩(wěn)定性；6.密度矩陣和量子統(tǒng)計力學；7.量子氣體；8.平均場理論和臨界現(xiàn)象；9.第二量子化和HartreeFock逼近；10. 量子系統(tǒng)中的線性反應和波動耗散定理：平衡態(tài)和小擾動；11.無序系統(tǒng)中的布朗運動和遷移；12.Feimi液體；13.二階相變的Landau理論；14.臨界現(xiàn)象的LandauWilson模型；15.超流和超導；16.尺度理論；17.重整化群方法；18.熱Dreen函數(shù)；19.Feini液體的微觀基礎；20.Luttinger液體；21.無序的電子系統(tǒng)中的量子干涉；附錄A.中心極限定理；附錄B.Euler 伽馬函數(shù)的一些有用的性質(zhì)；附錄C.Yang和Lee的第二定理的證明；附錄D.量子氣體的最可能的分布；附錄E.FeimiDirac和BoseEinstein積分；附錄F.均勻磁場中的Feimi氣體：Landau抗磁性；附錄G.Ising模型和氣體-格子模型；附錄H.離散的Matsubara頻率的和；附錄I.兩種液流的流體動力學：一些提示；附錄J.超導理論中的Cooper問題；附錄K..超導波動現(xiàn)象；附錄L.TomonagaLuttinger模型確切解的抗磁性方面；附錄M.無序的Fermi液體理論的細節(jié)；附錄N.習題解答。

本書適于理工科大學物理系的大學生、研究生、教師和理論物理、材料物理、超流和超導以及相變問題的研究者參考。

第8篇：量子力學概念范文

量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規(guī)律的物理科學。它是20世紀人類文明發(fā)展的一個重大飛躍，量子力學的發(fā)展引發(fā)了一系列劃時代的科學發(fā)展與技術發(fā)明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。

19世紀末，正當人們?yōu)榻?jīng)典物理取得的重大成就而驚嘆不已的時候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發(fā)現(xiàn)的熱輻射定理。德國物理學家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出一個大膽的假設：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過程中能量是以hv為最小單位，一份一份交換的。這個能量量子化的假設不僅強調(diào)了熱輻射能量的不連續(xù)性，而且與輻射能量和頻率無關由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經(jīng)典范疇。當時只有少數(shù)科學家認真研究這個問題。

著名科學家愛因斯坦經(jīng)過認真思考，于1905年提出了光量子說。1916年，美國物理學家密立根發(fā)表了光電效應實驗結果，驗證了愛因斯坦的光量子說。

1913年，丹麥物理學家玻爾為解決盧瑟福原子行星模型的不穩(wěn)定(按經(jīng)典理論，原子中電子繞原子核做圓周運動要輻射能量，導致軌道半徑縮小直到跌落進原子核，與正電荷中和)，提出定態(tài)假設：原子中的電子并不像行星一樣可以在任意經(jīng)典力學的軌道上運轉，穩(wěn)定軌道的作用量fpdq必須為h的整數(shù)倍(角動量量子化)，即fpdq=nk，n稱之為量子數(shù)。玻爾又提出原子發(fā)光過程不是經(jīng)典輻射，是電子在不同的穩(wěn)定軌道態(tài)之間的不連續(xù)的躍遷過程，光的頻率由軌道態(tài)之間的能量差AE=hy確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態(tài)直觀地解釋了化學元素周期表，導致了72號元素鉛的發(fā)現(xiàn)，在隨后的短短十多年內(nèi)引發(fā)了一系列的重大科學進展。這在物理學史上是空前的。

由于量子論的深刻內(nèi)涵，以玻爾為代表的哥本哈根學派對此進行了深入的研究，他們對對應原理、矩陣力學、不相容原理、測不準關系、互補原理、量子力學的概率解釋等都作出了貢獻。

1923年4月，美國物理學家康普頓發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應。按經(jīng)典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而愛因斯坦光量子說這是兩個“粒子”碰撞的結果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，使光量子說得到了實驗的證明。

光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動量的粒子。1924年，美籍奧地利物理學家泡利發(fā)表了“不相容原理”：原子中不能有兩個電子同時處于同一量子態(tài)。這一原理解釋了原子中電子的殼層結構。這個原理對所有實體物質(zhì)的基本粒子(通常稱之為費米子，如質(zhì)子、中子、夸克等)都適用，構成了量子統(tǒng)計力學——費米統(tǒng)計的基點。為解釋光譜線的精細結構與反常塞曼效應，泡利建議對于原子中的電子軌道態(tài)，除了已有的與經(jīng)典力學量(能量、角動量及其分量)對應的三個量子數(shù)之外應引進第四個量子數(shù)。這個量子數(shù)后來稱為“自旋”，是表述基本粒子一種內(nèi)在性質(zhì)的物理量。

1924年，法國物理學家德布羅意提出了表達波粒二象性的愛因斯坦——德布羅意關系：E=hv，p=h/波長，將表征粒子性的物理量能量、動量與表征波性的頻率、波長通過一個常數(shù)h相等。

第9篇：量子力學概念范文

2000多年前的物理學，中國、古希臘都有研究，但是真正意義上的精確科學，也就是說用數(shù)學、微積分這樣的精確科學，實際上是在中世紀即在15世紀16世紀的時候，也就是牛頓、伽利略的時代，開創(chuàng)了物理學精確科學的先河，此后物理學得到了很大發(fā)展，后來的熱學、電磁學、聲學、連續(xù)介質(zhì)動力學等問題也在十七、十八、十九三個世紀取得了很大發(fā)展。現(xiàn)在就從牛頓、伽利略時代起談談物理學的發(fā)展與人類的文明進步的關系。

一、工業(yè)革命前的人類文明

工業(yè)革命前的物理學雖然在漫長的歷史進程中不斷發(fā)展，但是并沒有給人類帶來生產(chǎn)力上的巨大改變，人類還處于刀耕火種的農(nóng)業(yè)時代，那是的生產(chǎn)力很低下，人們的生活水平上千年來沒有真正的突破。

二、人類的機械化時代

牛頓力學的建立和熱力學的發(fā)展導致了第一次工業(yè)革命

1665年夏，年僅23的牛頓因英國爆發(fā)瘟疫而避居鄉(xiāng)下，他一生最重要的成果，幾乎所有的重要數(shù)學物理思想多誕生與不這個時期。在他45歲時，劃時代的偉大巨著《自然哲學之數(shù)學原理》出版，奠定了整個經(jīng)典物理學的基礎，并對其他自然科學的發(fā)展產(chǎn)生了不可磨滅的推動和影響。

三、人類的電氣化時代

經(jīng)典電磁學是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第用過的線圈

電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)后，人們認識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎上產(chǎn)生了電磁場的概念。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。該理論實現(xiàn)了物理學的第三次綜合，即電、磁、光的綜合。

四、人類的高科技時代

人類社會發(fā)展到今天，已進入信息時代、核能時代、新材料時代和太空時代，也就是說進入了高科技時代。而這一切的基礎是20世紀物理學革命的產(chǎn)物――相對論和量子力學。

19世紀，經(jīng)典物理學的成就到達了頂峰。可是，世紀末的邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗形成了物理學萬里晴空中的“兩朵烏云”；而電子、X射線和放射性等新發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學遇到了極大的困難。有的物理學家呼喚：“我們?nèi)匀辉谄诖诙€牛頓?！毙枰奕说臅r代造就了巨人。這第二個牛頓便是愛因斯坦。

1905年，愛因斯坦以“同時”的相對性為突破口，提出了“光速不變原理”和物理規(guī)律在慣性系中不變的“相對性原理”，導出了洛侖茲變換，從而驅(qū)散了第一朵“烏云”。這就是狹義相對論。在此基礎上，他又得到的質(zhì)能相當?shù)耐普揈=mc2，預示了原子能利用的可能。

1913～1916年，愛因斯坦從引力場中一切物體具有相同的加速度得到啟發(fā)，提出了“加速參照系與引力場等效”和物理規(guī)律在非慣性系中不變的“相對性原理”，從而得到了引力場方程。這就是廣義相對論。他預言，光線從太陽旁邊通邊時會發(fā)生彎曲。1919年，英國天文學家愛丁頓以全日蝕觀測證實了這一預言，從而開創(chuàng)了現(xiàn)代天文學的新紀元。愛因斯坦也因此名噪全球。

1900年，普朗克為驅(qū)散第二朵“烏云”，提出了“能量子”假設，量子論誕生了。1905年，愛因斯坦在此基礎上提出“光量子”假說，用光的波粒二象性成功地解釋了“光電效變”。同年，他把量子概念用點陣振動來解釋固體比熱。1912年，愛因斯坦又由量子概念提出了光化學當量定律。1916年，他由玻爾的原子理論提出了自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的概念，孕育了激光技術。此后，對量子力學的建立作出重要貢獻的著名物理學家還有：1923年提出實物粒子也具有波粒二象性的德布羅意，1925年建立量子力學的矩陣力學體系的玻恩和海森伯等，1926年建立量子力學的波動方程的薛定諤。同年，玻恩給出了波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋，海森伯提出反映微觀世界特性的“不確定度關系”。量子力學揭示了微觀世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學的發(fā)展奠定了理論基礎。它是20世紀物理學革命的。