量子力學基本概念精選(九篇)

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第1篇：量子力學基本概念范文

【關鍵詞】PBL教學法；量子力學；電子科學與技術專業；教學改革

量子力學與相對論的提出，被稱為20世紀物理學的兩個劃時代的里程碑。特別是量子力學的創立，揭示了微觀物質世界中物質屬性及其運動規律，造就了20世紀人類科學技術的輝煌，推動了原子能技術、航天航空技術、電子技術等方面的發展，并開辟了光子技術的誕生之路，將人類社會推進了信息時代。通過量子力學課程的學習，可使學生掌握量子力學的基本概念和基本理論，具有利用理論知識分析和解決實際問題的能力。量子力學課程的突出特點是理論性強、抽象難懂，在課程教學中需要特別把握好這些抽象理論知識的“入門教育”，把握得當，會達到事半功倍的效果。

根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》的文件精神，提高質量是高等教育發展的核心任務，是建設高等教育強國的基本要求。應適應經濟社會發展和科技進步的要求，推進課程改革，提高課堂教學質量，充分調動學生學習積極性和主動性，提高學生的創新意識和創新能力。因此，在近幾年量子力學課程的教學改革實踐中，針對量子力學教學中出現的學生自主學習熱情不高的現狀，結合量子力學的課程特點，立足于提高學生學習積極性和培養學生科學探索精神及創新能力，提出了基于“PBL教學法”，即基于問題學習（Problem-Based Learning）、以學生為主體的量子力學課程教學改革的研究，摸索出一套行之有效的教學方案。

1 “PBL教學法”設計方案

“PBL教學法”是一種基于問題學習的教學方法，將學習置于復雜的有意義的問題情境中，激勵學生積極探索隱含于問題背后的科學知識，實現知識體系的建構和轉化，同時鼓勵學生對學習內容展開討論、反思，教師則以提問的方式推進這一過程，最終使學生在一個螺旋式上升的良性循環過程中理解知識，實現學習的不斷延續，以促進學生解決問題、自主學習能力的發展，以及創新意識和創新能力的提高。具體設計模式如圖1所示。

圖1 “PBL”教學法設計模式框圖

與傳統教學方法相比，“PBL教學法”對教師備課和教學實施過程提出了更高要求。

1.1 PBL教師備課

（1）確定問題。問題是PBL的起點和焦點。問題的產生可以是學生自己在生活中發現的有意義、需要解決的實際問題，也可以是在教師的幫助指導下發現的問題，還可以是教師根據實際生活問題、學生認知水平、學習內容等相關方面提出的問題。

（2）提供豐富的教學資源。教學資源是實施PBL的根本保障。隨著網絡課程、精品課程體系的建設，教師可以利用網絡課程為學生解決問題提供多種媒體形式和豐富的教學資源。

（3）對學習成果提出要求，給學生提供一個明確的目標和必須達到的標準。

1.2 PBL教學實施

（1）學生分組。學生分組后，要讓每個小組清楚地知道自己所要承擔的任務，問題解決所要達到的目標，也要確定好小組內每個成員具體的任務分工。

（2）創設問題情境、呈現問題。布朗、科林斯等學者認為，認知是以情境為基礎的，發生在認知過程中的活動是學習的組成部分之一，通過創設問題情境可吸引學習者。

1.3 PBL案例分析

例如，在講到微觀粒子的波函數時，有學生認為波函數是經典物理學的波，也有學生認為波函數由全部粒子組成。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，可以通過分組進行小組內討論，再將討論結果進行小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正，實現學生對一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。

2 用量子物理發展的淵源吸引學生

量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相距甚遠，尤其是處理問題的思路和手段與經典物理截然不同，但它們之間又不無關聯，許多量子力學中的基本概念和基本理論是類比經典物理中的相關內容得出的。因此，在量子力學教學中，一方面需要學生摒棄在經典物理學習中形成的固有觀念和認識；另一方面在學習某些基本概念和基本理論時，又要求學生建立起與經典物理之間的聯系以形成較為直觀的物理圖像，這種思維上的沖突導致學生在學習這門課程時困惑不堪。此外，這門課程理論性較強，眾多學生陷于煩瑣的數學推導之中，導致學習興趣缺失。教學實踐證明，針對以上教學中發現的問題，應特別注意用學科理論自身的魅力吸引學生，通過盡可能還原量子力學早期的發展過程，讓學生自己去體會量子力學的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激發學生學習本課程的熱情，也有助于學生深入理解教學內容。

3 抽象理論形象化，與學生深入探討

量子力學課程的突出特點是抽象難懂，對此我們進行了探索。例如在量子力學教學中，“任何實物粒子都具有波粒二象性”是教學中的難點和重點。如何理解波粒二象性？我們可以先從光的波粒二象性入手，通過“光電效應”實驗引出問題，通過總結光電效應實驗的特點，發現與經典理論之間的嚴重矛盾，并通過諸多矛盾引出了愛因斯坦的光量子理論和光電方程，進而深入探討光的本性和實質。隨著內容的深入，我們可以進一步提出：波粒二象性是光子和一切實物粒子的共同本質，而且波動性和粒子性這兩方面必有某種關系相聯系。并順理成章的指出物質波的概念和德布羅意關系式，從最基本的假定出發作出類比推理，理論的獨創性給人深刻的印象。

在此，還可以以學生的口吻提出兩個問題。

問題1）物質粒子既然是波，為什么人們在過去長期實踐中把它們看成經典粒子并沒有犯什么錯誤？

我們可以通過實物粒子子彈的德布羅意波長的求解找到答案，這是由于普朗克常數h是個小量，一般實物粒子的德布羅意波長λ=h/p很短，短到可以忽略不計。

問題2）在什么情況下可以近似的用經典理論來處理問題？在什么情況下又必須顧及運動粒子的波粒二象性？

進而作出解答，一般來說，當運動粒子的德布羅意波長遠小于該粒子本身的尺寸時，可以近似的用經典理論來處理；否則，需要用量子理論來處理。

這種層層深入，帶著問題尋找答案的教學方法符合邏輯思維，學生很容易接受，將抽象而復雜的問題形象化、簡單化。

4 聯系量子力學的未來發展激發學生求知的渴望

盡管量子力學是以微觀世界為研究對象，但它對我們日常生活的影響卻非常大。例如，在當今科學界還提出了量子通信的新概念，是實現完全保密的最佳通信方式，直接導致引領現今量子信息理論和研究的熱潮，代表著21世紀信息技術革命―量子通信技術的發展方向。教師可以鼓勵學生對與量子力學緊密相關的實際應用技術進行調研，打消學生學習量子力學“無用化”的顧慮，激發學生自主學習的熱情。

5 結束語

近幾年，針對量子力學教學中出現的實際問題，結合量子力學的課程特點，我們提出了基于“PBL教學法”的量子力學課程教學改革的研究，取得了一些成效，對于理論性較強的其他課程也具有較強的理論指導意義和推廣應用價值。

【參考文獻】

[1]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[R].2010.

[2]曾謹言.量子力學：卷1[M].2版.北京：科學出版社，1997：235-278.

[3]鄒艷.淺談量子力學的教學改革[J].物理與工程，2009，19（4）：40-41.

第2篇：量子力學基本概念范文

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3篇：量子力學基本概念范文

關鍵詞：量子力學；經典科學世界圖景；非機械決定論；整體論；復雜性；主客體互動

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

經典科學基本上是指由培根、牛頓、笛卡兒等開創的，近三百年內發展起來的一整套觀點、方法、學說。經典科學世界圖景的最大特征是機械論和還原論，片面強調分解而忽視綜合。以玻爾、海森伯、玻恩、泡利、諾伊曼等為代表的哥本哈根學派的量子力學理論三部曲：統計解釋—測不準原理—互補原理所反映的主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（位置、動量、能量等）的出現都是幾率性的；量子力學對微觀粒子運動的幾率性描述是完備的，對幾率性的原因不需要也不可能有更深的解釋；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性，確立了科學活動中主客體互動關系。[1]量子力學的發展從根本上改變了經典科學世界

圖景。

一、量子力學突破了經典科學的機械決定論，遵循因果加統計的非機械決定論

經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典力學的因果觀之上，解釋原因和結果的存在方式和聯系方式的理論。機械決定論認為因和果之間的聯系具有確定性，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一定，則未來狀態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象的研究就產生了統計決定論。[4]

量子力學是對經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計規律，我們不能說某個電子一定在什么地方出現，而只能說它在某處出現的幾率有多大。

玻恩的統計解釋指出，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，統計規律是基本規律。物理學原理的方向發生了質的改變：統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治。

經典統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、統計的。而且，隨著認識的發展，人們發現量子統計的隨機性，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認識的觀點。它用已分析得出的客觀世界中的主要的、穩定的觀點和規律去解釋、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，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。部分不僅與周圍環境發生一定的外在聯系，同時還要表現出“主體性”，可將自身的內在聯系傳遞到周邊，并直接參與整體的變化。因而，部分與整體呈現了有機的自覺因果關系。在特定的臨界狀態，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特征，也是量子論、量子力學理論思想的靈魂。用經典觀點來看，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一圖案，這是經典物理學通過部分還原認識整體的方法，是“向上的原因”。可是微觀粒子在某些實驗條件下，只表現波動性；而在另一些實驗條件下，只表現粒子性。這兩種實驗結果不能同時在一次實驗中出現。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，造成經典科學觀與現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。經典科學一味地強調外在聯系觀，而量子力學則更強調關注事物內部的有機聯系。所以，量子力學把內在聯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展到探索復雜性

從經典科學思維方式來看，世界在本質上是簡單的。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萬化的天體行為。因而現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。經典科學的簡單性是與把物理世界理想化相聯系的。經典物理學所研究的是理想的物質客體。它不但用理想化的“質點”、“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。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。

在現代科學中，牛頓的經典力學成了相對論的低速現象的特例，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一。復雜性比簡單性更基本，可能性比現實性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科學思維方式，不是以現實來限制可能，而是從可能中選擇現實；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分之后再進行溝通，而不是僅僅限于孤立和分離，它強調的是一種整體的協同。

四、量子力學使科學活動中主客體分離邁向主客互動

經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生干擾，這種干擾本身又對我們的認識產生了干擾；人只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所觀測到的結果，可是這種經典概念在描述微觀客體時又不能不加以限制。這突破了經典科學完全可以在不影響客體自然存在的狀態下進行觀測的假定，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如何去觀察它。一種實驗安排，人們可以看到光的波現象；另一種實驗安排，人們又可以看到光的粒子現象。但就光子這個整體概念而言，它卻表現出波粒二象性。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”。

參考文獻：

[1]林德宏.科學思想史[M].第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].第2版.北京：清華大學出版社，1993：1-2.

[3]劉敏，董華.從經典科學到系統科學[J].科學管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋偉.因果性、決定論與科學規律[J].自然辯證法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力學80壽誕[J].大學物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏禮兵，姜巍.近現代科學觀的演進及其啟示[J].科學管理研究，2004,22(5)：56-58.

第4篇：量子力學基本概念范文

本書給出物理學（特別是力學，電動力學，量子力學，統計力學等）中常用的具有基本工具性質的數學理論和方法，包括線性代數、實分析和復分析、特殊函數和Fourier分析、群輪、數值方法、概率和統計等經典數學，還涉及混沌、分形、弦論等新的數學領域。除基本概念和重要結果外，還配備了具有物理背景的例子和習題，列出相應的進一步研究的專著。本書作者從事多個物理領域的研究（如量子光學，量子場論，格規范理論和生物物理等）。本書是作者在美國New Mexico大學及上海復旦大學的有關課程講稿的基礎上形成的，主要用作研究生和大學高年級學生的一學年的專業教材，也適合物理學研究人員的需要。本書2013年出版后重印了3次，頗得同行好評。其明顯的特點是：論述簡明而直接，涉及數學分支較全，例題數量較多并與物理學結合緊密，具有實用性和可讀性。

全書共19章：1.線性代數。除經典內容外，特別論述了具有物理（量子力學）背景的關于Dirac記號、反酉算子、反線性算子和密度算子、對稱性、Moore-Penrose廣義逆等的基本結果；2.Fourier級數；3.Fourier變換和Laplace變換。2-3章特別包含了關于Dirac δ函數和調和振子的主要結果；4.無窮級數。其中包含Dirichlet級數和 ζ函數，Bernoulli數和多項式，以及一些靜電學問題；5.復變理論。以解析函數等為主，并給出復分析方法對弦論的一些應用；6.微分方程；7.積分方程。6-7章主要講述常微分方程和積分變換的基本結果；8.Legendre函數；9.Bessel函數。8-9章在前兩章的基礎上給出特殊函數的基本結果；10.群論。主要討論Lie代數，以及應用于物理學的一些重要類型的群的性質和表示，如旋轉群、緊單Lie群、辛群、Lorentz群、Poincare群等。第11章：張量與局部對稱性；12.型。11-12章包含有關的基本數學理論和方法，給出對電動力學，引力場理論，黑洞等有關問題的應用；13.概率和統計。給出常用統計方法，還介紹了隨機數生成；14.Monte Carlo 方法。給出一些試驗實例及在統計力學中的應用；15.泛函導數。討論泛函微分方程；16.道路積分。研究一些經典的道路積分，攝動理論，以及它們對量子電動力學和非Abel規范理論的應用；17-19.討論一些比較專門的數學理論和方法：重正規化群，混沌和分形，弦論。

本書可作為我國大學理科有關專業研究生和大學高年級學生的教學用書，也可供物理學和數學研究人員參考。

第5篇：量子力學基本概念范文

關鍵詞：微電子；半導體物理；教學質量；教學方法

作者簡介：湯乃云（1976-），女，江蘇鹽城人，上海電力學院計算機與信息工程學院，副教授。（上海200090）

基金項目：本文系上海自然科學基金（編號：B10ZR1412400）、上海市科技創新行動計劃地方院校能力建設項目（編號：10110502200）的研究成果。

中圖分類號：G642.0     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2012）13-0059-02

隨著半導體和集成電路的迅猛發展，微電子技術已經滲透到電子信息學科的各個領域，電子、通信、控制等諸多學科都融合了微電子科學的基礎知識。[1]作為微電子技術的理論基礎，半導體物理研究、半導體材料和器件的基本性能和內在機理是研究集成電路工藝、設計及應用的重要理論基礎；作為微電子學相關專業的特色課程及后續課程的理論基礎，“半導體物理”的教學直接影響了后續專業理論及實踐的教學。目前，對以工程能力培養為目標的微電子類相關專業，如電子科學與技術、微電子、集成電路設計等，均強調培養學生的電路設計能力，注重學生的工程實踐能力的培養，在課程設置及教學上輕視基礎理論課程。由于“半導體物理”的理論較為深奧，知識點多，涉及范圍廣，理論推導復雜，學科性很強，對于學生的數學物理的基礎要求較高。對于沒有固體物理、量子力學、統計物理等基礎知識背景的微電子學專業的學生來說，在半導體物理的學習和理解上都存在一定的難度。因此需要針對目前教學過程中存在的問題與不足，優化和整合教學內容，探索形象化教學手段，結合科技發展熱點問題，激發學生的學習興趣，提高半導體物理課程的教學質量。

一、循序漸進，有增有減，構建合理的教學內容

目前，國內微電子專業大部分選用了電子工業出版社劉恩科等編寫的《半導體物理學》，[2]教材知識內容體系完善，涉及內容范圍廣、知識點多、理論推導復雜、學科交叉性強。該教材的學習需要學生有扎實的固體物理、量子力學、統計物理以及數學物理方法等多門前置學科的基礎知識。但是在以培養工程技術人員為目標的微電子學類專業中，國內大部分高校均未開設量子力學、統計物理學及固體物理學等相應的前置課程。學生缺少相應固體物理、統計物理與量子力學等背景知識，沒有掌握相關理論基礎，對半導體物理的學習感到頭緒繁多，難以理解，容易產生畏學和厭學情緒。

在課程教學中教師必須根據學生的數理基礎，把握好課程的內容安排，抓住重點和難點，對原有的教材進行補充更新，注意將部分量子力學、統計物理學、固體物理學等相關知識融合貫穿在教學中，避免學生在認識上產生跳躍。例如在講解導體晶格結構內容前，可以增加2-3個學時的量子力學和固體物理學中基礎知識，讓學生在課程開展前熟悉晶體的結構，了解晶格、晶胞、晶向、晶面、晶格常數等基本概念，掌握晶向指數、晶面指數的求法，了解微觀粒子的基本運動規律。在講解半導體能帶結構前，增加兩個學時量子力學知識，使學生了解粒子的波粒二象性，掌握晶體中薛定諤方程及其求解的基本方法。在進行一些復雜的公式推導時，隨時復習或補充一些重要的高等數學定理及公式，如泰勒級數展開等。這些都是學習“半導體物理學”必備的知識，只有在透徹理解這些基本概念的前提下，才能對半導體課程知識進行深入地學習和掌握。

另一方面，對于微電子學專業來講，側重培養學生的工程意識，“半導體物理”課程中的部分教學內容對于工科本科學生來說過于艱深，因此在滿足本學科知識的連貫性、系統性與后續專業課需要的前提下，大量刪減了涉及艱深物理理論及復雜數學公式推導的內容，如在講述載流子在電場中的加速以及散射時，可忽略載流子熱運動速度的區別及各向異性散射效應，即玻耳茲曼方程的引入，推導及應用可省略不講。

二、豐富教學手段，施行多樣化教學方法，使教學形象化

半導體物理的特點是概念多、理論多、物理模型抽象，不易理解，如非平衡載流子的一維飄移和擴散，載流子的各種復合機理，金屬和半導體接觸的能帶圖等。這些物理概念和理論模型單一從課本上學習，學生會感覺內容枯燥，缺少直觀性和形象性，學習起來比較困難。為了讓學生能較好地掌握這些模型和理論，需要采用多樣化的教學方法，充分利用PPT、Flash等多媒體軟件、實物模型、生產錄像等多種信息化教學手段，模擬微觀過程，使教學信息具體化，邏輯思維形象化，增強教學的直觀性和主動性。同時，教師除開展啟發式、討論式等教學方法調動學生學習的主動性、積極性外，[3，4]還可以應用類比方法幫助他們理解物理概念或模型。如講半導體材料中的缺陷及躍遷機制時，為了幫助學生理解，可以做一個類比：將階梯教師里單位面積的座位數比做晶格各能級上的電子能態密度，把學生當作電子，一個學生坐在某一排的某個座位上，即認為這個電子被晶格束縛。當有外來學生進入教室，在教室過道上走動時，可類比為間隙式缺陷；而當外來學生取代現有學生的座位時，可類比為填隙式缺陷等等。通過類比，學生對半導體內部的點缺陷的概念的理解就清楚形象多了。

三、結合微電子行業領域的迅速發展，以市場為導向，培養學生興趣

微電子技術的發展歷史，實際上就是固體物理與半導體物理不斷發展和創新的過程，[5]1947年發明點接觸型晶體管、1948年發明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發存儲器等微電子領域的重大發明，都與一系列的固體物理、[6]半導體物理及材料科學的重大突破有關。縱觀微電子工業的發展，究竟是哪些半導體理論推動了微電子技術的發展，哪些科學家推導并得出了這些理論？他們在理論推導的同時遇到了哪些困難？這些理論規律又起源于哪些實驗？到了21世紀，也就是今后50年微電子技術的發展趨勢和主要的創新領域，[5，6]即以硅基CMOS電路為主流工藝，系統芯片SOC（System On A Chip）為發展重點，量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；[7]與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如MEMS，DNA Chip等，也都于半導體科學相關。這些新的微電子發展趨勢主要涉及半導體物理中的哪些知識？涉及哪些領域等？

針對以上問題，教師在講授半導體物理的基礎上，對教材進行補充更新。在保持基礎知識體系完整性的同時，避免面面俱到，刪減課本中一些不必要的內容，大量加入近幾十年來發展成熟的新理論、新知識，突出研究熱點問題，力求做到基礎性和前瞻性的緊密結合，使學生在掌握基礎知識的同時對微電子發展歷史中半導體技術的發展趨勢有一個清晰地認識，讓學生能從中掌握事物的本質，促進思維的發展，形成技能；同時注重與信息化技術相結合，將近幾年半導體技術的最新研究成果，如太陽能電池等半導體光伏發電技術在國家綠色能源戰略上的地位，半導體光電探測器在國家航天戰略上的應用等，使學生能及時掌握半導體技術前沿發展趨勢。將這些問題分成若干個相關的專題分派給學生，學生自行查閱和搜集資料，他們在課堂上講述該專題，教師加以引導和幫助。這種方式不僅充分調動課堂氣氛，加深他們對所學知識的理解，同時也讓學生學習了半導體物理課程在微電子專業中課程體系的作用，在科學意識上加深了半導體物理課程的重要性，激發學習興趣和欲望。

同時，為幫助學生了解學術前沿，培養專業興趣，還可邀請校內外的專家做講座，學生可以利用課余時間，根據自己的興趣選擇聽取，加深對半導體物理課程的了解，培養專業學習興趣。

四、總結

總之，“半導體物理學”是微電子技術專業重要的專業基礎課，為后續專業課程的學習打下理論基礎。在“半導體物理”教學過程中，應積極采用現代化教學手段提高學生積極性，在教學過程中合理安排教學內容，與時俱進引入科技熱點，削弱傳統的課本知識與市場需求的鴻溝，培養適應社會需求的微電子人才。

參考文獻：

[1]張興,黃如,劉曉彥.微電子學概論[M].北京:北京大學出版社,2000.

[2]劉恩科,朱秉升,羅晉生.半導體物理學[M].北京:電子工業出版社,

2008.

[3]陳國英.《半導體器件物理基礎》課程教學的思考[J].常州信息職業技術學院學報,2007,(6):56-57.

[4]王印月,趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育,2003,(1):69-71.

[5]王陽元,張興.面向21世紀的微電子技術[J].世界科技研究與發展,

1999,(4):4-11.

第6篇：量子力學基本概念范文

Mirco A.Mannucci The University of Queensland,Australia

Quantum Computing for

Computer Scientists

2008, 384pp.

Hardcover

ISBN 9780521879965

N.S.揚諾夫斯基等著

量子計算是計算機科學、數學和物理學的交叉學科。在跨學科研究領域中,量子計算開創了量子力學的許多出人意料的新方向,并拓展了人類的計算能力。本書直接引領讀者進入量子計算領域的前沿,給出了量子計算中最新研究成果。該書從必要的預備知識出發,然后從計算機科學的角度來介紹量子計算,包括計算機體系結構、編程語言、理論計算機科學、密碼學、信息論和硬件。

全書由11章組成。1.復數,給出了復數的基本概念、復數代數和復數幾何;2.復向量空間,以最基本的例子Cn空間引入,介紹了復向量空間的定義、性質和例子,給出了向量空間的基和維數、內積和希爾伯特空間、特征值和特征向量、厄米特矩陣和酉矩陣、張量積的向量空間;3.從古典到量子的飛躍,主要內容有古典的確定性系統、概率性系統、量子系統、集成系統;4.基本量子理論,主要有量子態、可觀測性、度量和集成量子系統;5.結構框架,主要包括比特和量子比特、古典門、可逆門和量子門;6.算法,包括Deutsch算法、Deutsch-Jozsa算法、Simon的周期算法、Grover搜索算法和Shor因子分解算法;7.程序設計,包括量子世界的程序設計、量子匯編程序設計、面向高級量子程序設計和先于量子計算機的量子計算;8.理論計算科學,包括確定和非確定計算、概率性計算和量子計算;9.密碼學,包括古典密碼學、量子密鑰交換的三個協議(BB84協議、B92協議和EPR協議)、量子電子傳輸;10.信息論,主要內容有古典信息和Shannon熵值、量子信息和馮•諾依曼熵值、古典和量子數據壓縮、錯誤更新碼;11.硬件,主要包括量子硬件的目標和挑戰、量子計算機的實現、離子捕集器、線性光學、NMR與超導體和量子器件的未來。最后給出了5個附錄,附錄A量子計算的歷史,介紹了量子計算領域中的重要文獻;附錄B習題解答;附錄C 使用MATLAB進行量子計算實驗;附錄D 了解量子最新進展的途徑:量子計算的網站和文獻;附錄E選題報告。

本書適合計算機科學的本科學生和相關研究人員,也適合各級科研人員自學。

陳濤,碩士

(中國傳媒大學理學院)

Chen Tao,Master

第7篇：量子力學基本概念范文

關鍵詞：熱力學與統計物理 教學內容 教學方法 考核方式 材料物理專業

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（c）-0170-02

材料物理專業是材料科學與物理學的一個交叉學科，專業特點要求在課程設置上既有材料科學方面的課程又要有物理類課程。安徽工業大學材料物理專業于2003年開始進行籌劃建設，2005年實現了首次招生。經過幾年的探索、規劃和實踐，基本完成了專業定位和課程體系設置[1]，正逐步完善專業建設。現階段，保留了量子力學，熱力學與統計物理（以下簡稱熱統）和固體物理學作為本專業的物理類必修課程。其中，熱力學與統計物理是一門重要的專業基礎課，無論對后續的物理類還是材料類課程的學習都起到承上啟下的知識連接作用。本課程的設置目的使學生能夠熟練掌握熱力學和統計力學的基本原理和研究方法，逐步建立分析微觀世界的思路和方法，訓練學生嚴格的邏輯思維能力，培養演繹推理能力，提高解決具體問題的能力。

1 熱力學與統計物理課程教學中存在的主要問題

熱統課程內容由熱力學和統計物理兩部分組成。其中，熱力學是研究熱現象的宏觀理論，它從若干經驗定律出發，通過嚴密的邏輯演繹方法，最終給出系統的宏觀熱性質；而統計物理則是研究熱現象的微觀理論，它從微觀粒子的力學規律出發，加上統計假設，獲得系統的宏觀性質。從內容上來看，熱統課程的理論性強，教學內容繁雜。尤其，在當前高校推行素質教育和培養應用型人才的指導下，基礎理論課課程教學學時均有不同程度的壓縮。我校熱統課程安排為40個學時，由此帶來了教學學識少和教學內容多的嚴重矛盾。我們根據我校材料物理專業特色方向和后續課程，在熱統教學內容上做出了適當的調整。

現行的熱統教材理論性強，較適合理科生使用，缺乏較合適的工科材料類學生使用的熱統教材。在組織教學中，我們以汪志誠編寫的《熱力學?統計物理（第四版）》作為主要參考教材[2]，同時綜合了多本經典教材，如：胡承正編著的《熱力學與統計物理學》，包景東編著的《熱力學與統計物理簡明教程》等[3～4]。根據我校材料物理專業培養目標和專業特色方向，本著“先進、有效、有用”的原則，對熱統課程的教學內容應該進行認真清理與重構，形成適合本校實際的課程講義。

在教學方法和考核方式上也應根據我校實際進行相應的改革。熱統課程是一個理論性強的課程，其中的物理概念抽象，物理公式繁雜。安徽工業大學材料物理專業是在工科背景下成立并發展起來的，學生的數理基礎相對薄弱，在學習的過程中會有些吃力。長期的教學實踐告訴我們，如果采取傳統的灌輸式教學方法，只能使熱統課堂教學枯燥無味，學生被動的接受知識，失去了學習興趣，甚至對后續的專業課學習產生抵觸情緒。另外，傳統的閉卷考試常造成學生不重視平時的學習過程，期末復習只看教學課件，期待老師劃重點，搞突擊記憶。

針對上述現狀，我們嘗試著進行了教學內容，教學方法和考核方式的改革和實踐。

2 教學內容的改革

2.1 優化教學內容

熱統課程的熱力學部分與先修課程，如大學物理、物理化學和工程化學基礎的部分內容重復率較高。我們在充分了解本專業學生的先修課程和后續課程的教學內容后，對與其他課程有交叉重疊的部分進行了壓縮和刪減。比如：熱力學部分的熱力學基本定律，熱力學函數，化學平衡條件，理想氣體的化學平衡等都在先修課程里面作為重點內容進行講授的。在實際教學時，只作復習性的簡述或以學生自學的方式完成。但為保證熱力學基本概念與規律的嚴格性與系統性，對重要的基本概念和定律還是進行重點講解。通過這樣的調整，節省了熱力學部分的教學學時，加大了統計物理部分的學時講授。統計物理是從宏觀系統的微觀結構入手，從內容上與量子力學和固體物理課程聯系緊密，也為后續的計算材料學課程，甚至可為本科畢業論文工作提供前期的知識準備。在統計物理教學部分，將在先修課程中學習過的麥克斯韋速度分布率和能均分定理略講；固體的熱容量的德拜理論是固體物理課程的重點教學內容，在熱統教學中，這部分只簡單提及。經過這樣的教學內容優化后，節省了課時，加強了課程之間的聯系，提高了教學效率。

2.2 適當引入材料學科前沿內容

創新型人才的培養要求課程內容要體現先進性和現代化。通過合理的補充與熱統課程相關的材料學和物理學最新的學術成就與進展，有意識的突出課程的廣度，豐富和具體化基本理論內容。增加學科前沿內容，我們從兩個方面進行。一方面是在講授基礎理論知識的同時，引入與該知識密切相關的科學技術發展的介紹。例如：在對溫度和溫標作復習簡述的時候，介紹測溫儀表和測溫技術。電阻溫度計，熱電偶測溫技術，紅外測溫技術等在后續的材料類課程學習，課程設計和實驗及畢業論文工作是非常重要的一部分。在講授氣體的節流和膨脹過程一節時，介紹了獲得低溫的技術，以及與低溫有關的材料性能的變化，超導電現象的發展歷史及科研現狀等；在講授單元系的相變時，加強了對二級相變和臨界現象的講授，介紹了磁性材料，超導材料，超流體等方面的最新研究進展；在統計物理部分，介紹玻色-愛因斯坦凝聚的新進展，講授統計物理部分的金屬中的自由電子時，適當介紹計算材料學和計算物理方面的研究現狀等。另一方面是通過鼓勵學生現場聽取相關的學術報告，或者觀看相關報告的視頻。通過前沿知識的適當引進，開闊了學生的視野，激發了學生的學習和科研興趣，獲得了較好的教學效果。

2.3 注重理論聯系實際

材料類專業是應用性很強的專業，要求熱統課程教學內容要體現實用性，加強理論與實際的聯系。我們鼓勵學生通過本科生科研訓練計劃（SRTP）和大學生創新創業計劃的方式參與相關教師的課題研究，或者開設課程設計和實驗。如在講授相變的章節時，為了讓學生加深對二級相變的理解，開設了高溫超導轉變的實驗，巨磁電阻材料的相變實驗等。組織學生參觀學校相關的實驗室，如參觀計算材料實驗室，使學生了解相圖的理論計算方法，第一性原理計算及材料設計方法。經過這樣的訓練，學生對物理概念有了深入的理解，提高學生的應用能力，研究能力和創新能力。

3 教學方法和考核方式的改革

3.1 學生為主體，教師為主導

在組織課堂教學時，認真貫徹以學生為主體，教師為主導的教學思想，加強師生互動，爭取使學生由被動接受知識變為主動探索知識。在課前，給學生預留思考題進行課前預習，讓學生帶著問題去聽課，做到有的放矢。在組織教學時，對重點章節進行精講，適時開展物理基本概念和基本問題的討論，啟發學生思考和推理。對相對容易理解的章節組織學生自學，或者制作成ppt課件，在課堂上講解，教師在做總結式講授。課后，要求學生獨立完成作業和習題，以期加深對基本概念的理解和應用。

3.2 重物理思想 簡化數學推導

在組織教學的過程中，重點講解基本概念，突出物理思想。借助于多媒體教學，對于較抽象、難理解的概念和原理，可通過制作圖文并茂的課件，或者觀看相關視頻的方式，使抽象的概念形象化，增強學生的感性認識。適當補充基本概念辨析題和思考題以促進學生對基本概念的深入理解和掌握。對于必要的數學推導，使用板書的方式進行詳解和推導，留給學生足夠的時間思考并跟上教師的思路。

3.3 考核方式的改革

考核是教學過程的主要環節之一，應具有實用性和針對性，并能體現學生的綜合素質。我們在考核方面，加大了平時成績的比例，增加了課堂回答問題，課堂討論，撰寫科研小論文等環節的考核。在期末的閉卷考試中，減少死記硬背的概念題和公式，把考核重點放在學生對基本物理概念的理解和基本理論知識的實際應用上。

4 實踐效果

在教學實踐中逐步形成了適合我校材料物理專業實際的熱統課程講義。實踐證明，改革措施在緩解授課學時與教學內容的矛盾，拓寬學生知識面等方面效果顯著。尤其，熱統課程作為材料物理專業的前期先修基礎課，對后續的課程學習起著承上啟下的重要作用。通過上述的教學改革后，學生的學習積極性大大提高，熱愛本專業的學習，踴躍參加SRTP和大學生創新創業的計劃，甚至部分同學提前加入教師團隊的課題組，對未來的工作或者繼續深造充滿信心。

參考文獻

[1] 方道來，童六牛，夏愛林，等.材料物理專業定位及課程體系設置的探索[J].安徽工業大學學報：社會科學版，2011（23）：104-105.

[2] 汪志誠.熱力學?統計物理[M].北京：高等教育出版社，2010.

第8篇：量子力學基本概念范文

關鍵詞：電動力學；知識結構；邏輯體系；研究方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）33-0167-02

本文根據我校的教學實際并結合電動力學的教學特點，分別介紹了學生學習和教師教學過程中應明確的電動力學的地位、知識結構和邏輯體系以及研究方法，希望能為電動力學的學習與教學提供有益的幫助。

一、明確電動力學的地位

電動力學主要闡述宏觀電磁場理論，其研究對象是電磁場的基本屬性、它的運動規律以及它和帶電物質之間的相互作用，可見它與自然界中的四種基本相互作用（引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用）之一有直接聯系。由于光的理論本質是電磁理論，所以電動力學還是光學理論的基礎。電動力學作為物理學專業一門理論基礎課，是理論物理（理論力學、熱力學統計物理、電動力學、量子力學）的重要組成部分，包括物理學發展史上具有里程碑意義的兩個物理理論，即麥克斯韋電磁理論和愛因斯坦狹義相對論。本課程最重要、最直接的先行課程是電磁學和數學物理方法，后繼課程是量子力學、固體物理等。因此，電動力學要在電磁學的基礎上，利用數學工具嚴格、定量地講清宏觀電磁相互作用的基本概念、基本理論和基本方法，使學生加深對電磁場性質和時空概念的理解，獲得本課程領域內分析和處理一些基本問題的初步能力。同時為后繼相關課程打下必要的基礎。

以上將經典電磁場理論放在整個物理學中做了概括的論述，目的是為了使學生對它的地位和意義有一個恰當的認識，避免過份強調本學科的作用，造成“只見樹木，不見森林”的錯覺。

二、明確電動力學的知識結構和邏輯體系

在課程內容體系和結構的組成與安排上，一般采用兩種方法：“從特殊到一般”的分析歸納法和“從一般到特殊”的演繹法，這兩種方法是同樣重要的。但是，多年來電動力學的教學大大忽視了分析歸納法，實際上這不符合物理學發展的規律。從認識論的角度來看，分析歸納法所指的“從特殊到一般”就是由實踐到理論的過程，即將豐富的實踐經驗進行深入的分析，由表及里，去偽存真，總結概括出帶有規律性的東西而上升為理論。演繹法所指的“從一般到特殊”就是由理論再到實踐的過程，即理論要經過實踐檢驗，并且經過實踐檢驗而被證明是正確的理論再指導實踐。由此可見，分析歸納法與演繹法的結合正是在某一個認識層次上實踐―理論―實踐的全過程，同時體現了理論與實踐的緊密結合。因此，在電動力學課程內容體系和結構的安排上，可力求從實驗事實出發，提出問題，分析問題，總結出規律和假設，再經實驗驗證升華為科學理論，在更為普遍的意義上解決實際問題。這樣，使分析歸納法和演繹法有機地結合起來，更好地貫穿理論聯系實際的重要原則。具體來說，對于麥克斯韋理論的講述，是從靜電場、靜磁場和時變場的實驗定律出發，分析在時變場情形下所出現的深刻矛盾，為解決矛盾提出位移電流這一科學假設，并總結出麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式。之后的大量實驗驗證了它是在隨時間變化的普遍情形下完全正確的電磁場理論。然后以此理論為基礎，討論在特殊情形和不同方面電磁場的性質和運動規律，如電磁波的傳播，電磁波的輻射、散射和衍射，運動帶電粒子的輻射等。對于狹義相對論的闡述，也同樣注重理論原理與實驗基礎之間的緊密結合。

在國內外，有些電動力學書的邏輯體系與上述不同。其中一類是以歸納法和演繹法并重，先詳細討論靜態場與似穩場，然后用歸納法得出麥克斯韋方程組，以后就用演繹法討論電磁波的輻射、傳播等問題；第二類是以靜電場為起點，應用狹義相對論對庫侖力進行洛倫茲變換，從中引出磁場的概念，導出磁場的場方程，繼續推出麥克斯韋方程組，然后討論輻射、傳播等問題，基本邏輯體系仍屬于演繹法范疇；此外，還有采用“逐步公理法”的邏輯體系，它以矢量場的亥姆霍茲定理為核心，對每種具體電磁場，根據實驗規律對該場的源和“渦源”提出假設（即公理），然后對每種場做深入的研究，這也是一種以演繹法為主的邏輯體系；還有人采用分析力學方法，引入電磁場的拉格朗日函數，導出電磁場的基本規律等。

三、注意學習電動力學的研究方法

第9篇：量子力學基本概念范文

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論