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量子力學最新研究范文1

量子力學是近代物理的兩大支柱之一，它的建立是20世紀劃時代的成就之一，可以毫不夸張地說沒有量子力學的建立，就沒有人類的現代物質文明[1]。大批優秀的物理學家對原子物理的深入研究打開了量子力學的大門，這一人類新的認知很快延伸并運用到很多物理學領域，并且，導致了很多物理分支的誕生，如：核物理、粒子物理、凝聚態物理和激光物理等[2]。量子力學在近代物理中的地位如此之重，所以成為物理專業學生最重要的課程之一。但在實際教學過程中，學生普遍感到量子力學太過抽象、難以掌握。如何改革教學內容，將量子力學的基本觀點由淺入深，使學生易于理解；如何改革教學手段，培養學生興趣，使學生由被動學習變為主動學習。這是量子力學教學中遇到的主要問題。作者從幾年的教學中摸索到一些經驗，供大家參考。

一、教學內容和方法的改革

傳統的本科量子力學教學一般包括了三大部分：第一部分是關于粒子的波粒二象性，正是因為微觀粒子同時具有波動性和粒子性，才造成了一些牛頓力學無法解釋的新現象，例如測不準關系、量子隧道效應等等；第二部分是介紹量子力學的基本原理，這部分是量子力學的核心內容，如波函數的統計解釋、態疊加原理、電子自旋等；第三部分是量子力學的一些應用，如定態薛定諤方程的求解，微擾方法。以上三個部分相互聯系構成了量子力學的整體框架[3]。隨著量子力學的進一步發展，產生了很多新的現象和成果。例如量子通訊、量子計算機等等。許多學生對量子力學的興趣就是從這些點點滴滴的新成果中得到的。如果我們仍按傳統的內容授課，學生學完了這門課程發現感興趣的那點東西完全沒有接觸到，就會對所學的量子力學感到懷疑，而且極大地挫傷了學習自然科學的興趣。所以作者建議在教學過程中適當添加一些量子力學的新成果和新現象，來激發學生的學習興趣[4]。在教學方法上也應該按照量子力學的特點有所改革。由于量子力學的許多觀點和經典力學完全不同，如果我們還是按照經典力學的方法來講，就會引起學生思維上的混亂，所以建議從一開始就建立全新的量子觀點。例如軌道是一經典概念，在講授玻爾的氫原子模型時仍然采用了軌道的概念，但在講到后面又說軌道的概念是不對的，這樣學生就會懷疑老師講錯誤的內容教給了他們，形成邏輯上的混亂。我們應該從一開始就建立量子的觀點，淡化軌道的概念，這樣學生更容易接受。

二、重視緒論課的教學

興趣是最好的老師。作為量子力學課程的第一節課，緒論課的講授效果對學生學習量子力學的興趣影響很大，所以緒論課直接影響到學生對學習量子力學這門課程的態度。當然很多學生非常重視這門課程，但學這門課的主要目的是為將來參加研究生入學考試，僅僅只是在行動上重視，而沒有從思想上重視起來。如何使這部分學生從被動的學習量子力學變為主動地學習，這就要從第一節課開始培養。在上緒論課時作者主要通過以下幾點來抓住學生的興趣。首先列舉早期與量子力學相關的諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎得主歷來都是萬眾矚目的人物，學生當然也會有所關心，而且這些諾貝爾獎獲得者的主要工作在量子力學這門課程中都會一一介紹，這樣一方面通過舉例子的方法強調了量子力學在自然科學中的重要地位，另一方面為學生探索什么樣的工作才可以拿到諾貝爾獎留下懸念。抓住學生興趣的第二個主要方法是列舉一些量子力學中奇特的現象，激發學生探索奧秘的動力，例如波粒二象性帶來的“穿墻術”、量子通訊、如何測量太陽表面溫度等等，這些都很能激發學生學習量子力學的興趣。綜上所述，緒論課的教學在整個教學過程中至關重要，是引導學生打開量子力學廣闊天地的一把鑰匙。

三、重視物理學史的引入

隨著量子力學學習的深入，學生會接觸到越來越多的數學公式以及數學物理方法的內容，雖然學生會對量子力學的博大精深以及人類認知能力驚嘆不已，但在學習過程中感覺越來越枯燥乏味。并且，學生學習量子力學的興趣和信息在這個時候受到很大的考驗，想要把豐碩的量子力學成果以及博大精深的內涵傳達給學生，就得在適當的時候增加學生的學習興趣。實際上，很多學生對量子力學的發展史有很濃厚的興趣，甚至成為學生閑聊的素材，因此，在適當的時候講述量子力學發展史可以增加學生學習量子力學的學習興趣和熱情。在講授過程中，可以結合教學內容，融入量子力學發展史中的名人逸事和照片，如：索爾維會議上的大量有趣爭論和物理學界智慧之腦的“明星照”，或用簡單的方法用板書的形式推導量子力學公式。例如在講到黑體輻射時，作者講到普朗克僅僅用了插值的方法，就給出了一個完美的黑體輻射公式。而插值的方法普通的本科生都能熟練掌握，這一方面鼓勵學生：看起來很高深的學問，其實都是由很簡單的一系列知識組成，我們每個人都有可能在科學的發展過程中做出自己的貢獻；另一方面教導學生，不要看不起很細微的東西，偉大的成就往往就是從這些地方開始。在講到普朗克為了自己提出的理論感到后悔，甚至想盡一切的辦法推翻自己的理論時，告訴學生科研的道路并不是一帆風順的，堅持自己的信念有時候比學習更多的知識還要重要。在講到德布羅意如何從一個紈绔子弟成長為諾貝爾獎獲得者；在講到薛定諤如何在不被導師重視的條件下建立了波動力學；在講到海森堡如何為了重獲玻爾的青睞，而建立了測不準關系；在講到烏倫貝爾和古茲米特兩個年輕人如何大膽“猜測”，提出了電子自旋假設，這些學生都聽得津津有味。這些小故事不僅讓學生從中掌握的量子力學的基本觀點和發展過程，而且對培養學生的思維方法和科研品質都有很大幫助。

四、教學手段的改革

量子力學中有很多比較抽象原理、概念、推導過程和現象，這增加了學生理解的難度。而且在授課過程中有大量的公式推導過程，非常的枯燥。所以在教學過程中穿插一些多媒體的教學形式，多媒體的應用能夠彌補傳統教學的不足，比如：把瞬間的過程隨意地延長和縮短，把復雜的難以用語言描述的過程用動畫或圖片的形式分解成詳細的直觀的步驟表達清楚[5]。相對于經典物理來說，量子力學課程的實驗并不多，在講解康普頓散射、史特恩-蓋拉赫等實驗時，可以運用多媒體技術，采用圖形圖像的形式模擬實驗的全過程。用合適的教學軟件對真實情景再現和模擬，讓學生多冊觀察模擬實驗的全過程。量子力學的一些東西不容易用語言表達清楚，在頭腦中想象也不是簡單的事情，多媒體的應用可以彌補傳統教學的這塊短板，形象地模擬實驗，幫助學生理解和記憶。比如電子衍射的實驗，我們不僅可以用語言和書本上的圖片描述這個過程，還可以通過多媒體用動畫的形式表現出來，讓電子通過動畫的形式一個一個打到屏幕上，形成一個一個單獨的點來顯示出電子的粒子性；在快進的形式描述足夠長時間之后的情況，也就是得出電子的衍射圖樣，從而給出電子波動性的結論和波函數的統計解釋，經過這樣的教學形式，相信學生能夠更加深刻地理解微觀粒子的波粒二象性[6]。但在具體授課過程中不能完全地依賴于多媒體教學，例如在公式的推導過程中，傳統的板書就非常接近人本身的思維模式，容易讓學生掌握，如果用多媒體一帶而過，往往效果非常的不好。所以教學過程中應該傳統教學和多媒體教學并重，對于一些現象的東西多媒體表現更為出色；而一些理論方面的東西傳統的板書更為有利，兩者相互結合可以大大提高教學效率，增強課堂教學效果和調動學生的學習積極性[7]。

五、加強教學過程的管理

量子力學最新研究范文2

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及相關工科專業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和培養其創新能力。盡管如此，但該門課程所涉及的內容較為空洞、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，培養學生的學習興趣是提高教學質量和教學水平的關鍵，但是如何調動學生課堂學習的積極性，成為了廣大教師很棘手的問題。筆者根據近幾年的教學模式，綜合長江大學（以下簡稱“我校”）的教學現狀，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’’教學內容的改進。量子學說的理論與以往所學的傳統物理體系大有不同，重點表現在處理問題的方式上，但是卻又與傳統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學公式推導的煩惱中，從而使學生喪失了學習興趣。根據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，每一步的發展都經過了縝密、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物理之間的區別，同時讓學生在發展歷程中尋找合適的學習方法，有利于培養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，又有利于學生區分量子學說與傳統物理的區別[1]。

（2）重在物理思想，壓縮數學推導。數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，如果過分強調數學的地位和作用，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里實質，而不能將物理思想埋沒在數學公式之中，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。傳統的教學模式使學生一直處于被動接受知識的狀態下，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，更阻礙了其創新思維的培養，而且量子學說的理論抽象，很難被學生理解，傳統的教學方法，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，培養其科學素養，筆者在教學模式上，探索出一些有效的措施。

（1）發揮學生主體作用。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。在講解完規定的教學任務之外，還應設定教師與學生的互動環節，通過創設問題情景，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，對培養學生的創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時，有的學生認為是全部粒子組成波函數，有的學生認為是經典物理學的波。這些問題的討論激發了學生的求知欲望，從而進一步激發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，向學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，力學從誕生到發展所蘊含的創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展之路，讓學生了解到量子力學的魅力所在，啟發學生的創新思維。

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關鍵詞：科學史；近代物理；教學改革；高等教育

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）50-0072-03

近代物理是高等學府物理類、化學類和電子類學科的一門必修課，通常放在講授完大學物理之后。大學物理的內容主要是理論力學、電動力學、熱力學和統計物理。近代物理的內容主要是相對論和量子力學。由于相對論和量子力學離我們的日常生活經驗比較遠，所以學起來比較晦澀難懂。本文介紹了筆者如何通過講授近代物理知識和對應的近代物理科學史相接合，來提高同學們對近代物理的理解和興趣。

一、近代物理科學史簡介

近代物理的科學史是一部十分生動活潑的歷史，時間跨度大概是從1900年到現代。這段時間可以說是十分不平凡和波瀾壯闊的一百多年。這期間發生了人類歷史上僅有的二次世界大戰，其中涌現的具有極高才華和貢獻的科學家數量差不多抵得上人類歷史上前五千年的科學家數量總合。而人物傳記作家也多對他們的人生經歷極為感興趣，出了很多關于他們的傳記[1-3]。另外這些近代物理學家們很多本身也頗博學多才，具有良好的文學才能和修養，因此很多人他們自己也出自傳。這些傳記和自傳都能給《近代物理》課堂上的科學史教學提供豐富的素材和參考。相對論和量子力學的理論和公式雖然比較高深難懂，但是它們解釋的現象由于跟人們的日常經驗相悖，所以還是會引起人們廣泛的興趣。比如時間和空間是不可分的，物體的動量和時間不能同時精確測量，光速是宇宙中最快的速度，這些一般人憑經驗的確很難理解。進而人們也會對提出和發現這些理論的科學家們（如愛因斯坦）感興趣。圖1為作者按照時間順序出場依次在課堂上介紹的量子力學史上各個重要的歷史人物。這些科學人物大多數彼此交往比較密切，在學術上好像切磋和影響，進而也加速了思想火花的碰撞和創新性理論的誕生。

在課堂上講述近代物理科學史的過程中，還可以幫助同學們了解在學術研究過程中需要注意的問題。比如搞科研不能囿于自己的私密空間，而要鼓勵多做學術交流。學術交流的好處是：（1）可以了解最新的研究動態；象在近代物理史上著名的哥本哈根學派就是個很好的例子。1921年，在著名量子物理學家波爾的倡議下，成立了哥本哈根大學理論物理學研究所，由此形成哥本哈根學派。其中波恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。由于哥本哈根學派提供了很好的學術交流環境和學術氛圍，在這個學派里鼓勵發表不同的觀點，不迷信權威，所以涌現出了很多重要的量子力學成果。（2）可以發現自己的不足；比如愛因斯坦于1919年在剛開始推導廣義相對論的時候，在公式里人為增加了一個常數項，從而得出他起先所認為的靜態宇宙模型。不過1922年亞歷山大?弗里德曼摒棄了這個常數項，從而得出相應的宇宙膨脹理論。比利時牧師勒梅特應用這些解構造了宇宙大爆炸的最早模型，模型預言宇宙是從一個高溫致密的狀態演化而來。到1929年，哈勃等人又用實際的觀測證明我們的宇宙的確處于膨脹狀態。通過學術交流，愛因斯坦終于接受了宇宙膨脹理論，并承認添加宇宙常數項是他一生中犯下的最大錯誤。（3）可以激發自己的靈感；比如波爾在1911年從丹麥哥本哈根大學獲得博士學位后去英國學習，先在劍橋湯姆遜主持的卡文迪許實驗室工作，幾個月后又去曼徹斯特在盧瑟福的手下搞科研，這使得他對湯姆遜關于原子的西瓜模型和盧瑟福的核式原子模型了如指掌，同時他又很熟悉普朗克和愛因斯坦的量子學說，這些學術交流活動激發了他的靈感，使得他最終于1913年初創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合起來，提出了自己的波爾原子模型。（4）可以激勵自己不斷進步和成長。比如薛定諤在1925年受到愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和德布羅意的物質波的假說的啟發，從經典力學和幾何光學間的類比提出了對應于波動光學的波動力學方程，從而奠定了波動力學的基礎。但是他一開始并不清楚他自己建立的波動方程中的波具體代表什么物理概念。起初他試圖把波函數解釋為三維空間中的振動，把振幅解釋為電荷密度，把粒子解釋為波包，但他無法解決“波包擴散”的問題。最終經過他與波恩的多次學術交流，他逐漸認識到波函數其實是代表粒子在某時某個位置出現的幾率，是一種幾率波。

二、近代物理知識簡介

近代物理的知識主要分為兩大類：相對論和量子力學。相對論分為狹義相對論和廣義相對論，內容包括伽利略坐標系、邁克爾遜-莫雷實驗、洛倫茲變換、閔可夫斯基空間、質能關系式和相對論能量-動量關系式等。量子力學知識包括黑體輻射、光電效應、波爾原子模型、康普頓效應、德布羅意波、戴維遜和革末實驗證實了電子的波動性、不確定性原理和薛定諤方程等。這些近代物理理論的公式通常比較復雜，需要用到高等數學的知識，比如薛定諤方程是一個偏微分方程，狄拉克方程里包含矩陣。因而對于近代物理公式的求解就變得十分困難，也不太直觀。圖2羅列了按時間順序出現的課堂上需要講授的量子力學公式。

黑體輻射公式描述的是頻譜（單色能密度）u（v，T）和溫度以及頻率的關系式。光電效應是指每種金屬存在截止頻率。當照射在金屬上的頻率小于截止頻率時，不管光強多大，照射時間多長，也不會有光電子產生。而當照射在金屬上的頻率大于截止頻率時，不管光強多小，也會產生光電子，且響應時間小于1納秒。光電子具有各種初速度，其最大初動能與光輻射頻率成線性關系，而與光輻射強度無關。當頻率在截止頻率之上時，單位時間內發射出來的電子數目即光電流強度與光輻射強度成正比。在光電效應理論中，光的能量和光的頻率成正比，光的動量和光的波長成反比。

波爾的原子模型給出了電子在分立軌道上的能量公式。能量和電荷的四次方成正比，跟定態的平方成反比。電子在定態具有分立的能量，在定態運動時不輻射電磁能量；但電子可以從一個定態能級躍遷到另一個能量低的定態能級，相應于兩個能級差的能量將作為光子被釋放出來。德布羅意公式則是給出了物體的能量和動量與其說對應的物質波的波長和頻率之間的關系。動量和波長成反比，而能量和頻率成正比。薛定諤方程精確地給出了物質波函數的表現形式。微觀粒子的量子態可用波函數表示。當波函數確定，粒子的任何一個力學量及它們的各種可能的測量值的幾率就完全確定。波函數跟粒子的質量和勢能相關。波函數的自變量中包含空間坐標和時間坐標。由于薛定諤方程中出現虛數i，所以波函數原則上應是復數。它同時滿足能量守恒，是線性的、單值解的。它給出的自由粒子解與簡單的德布羅意波相一致，滿足因果律。相對于薛定諤方程之于非相對論量子力學，狄拉克方程[4]是相對論量子力學的一項描述自旋-1/2粒子的波函數方程，不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理，實則為薛定諤方程的洛倫茲協變式。這個方程預言了反粒子的存在。

三、近代物理科學史和近代物理知識的結合講解

近代物理課如果只是講解近代物理知識，往往顯得枯燥無味，難以理解。其實任何科學知識都不是憑空產生的，往往經歷了好幾代人的不懈努力，最終從量變到質變，導致相對論或量子力學的建立。薛定諤方程也不是一蹴而就，而是經過很多科學家幾十年的努力。如果一開始就講解薛定諤方程，同學們通常很難理解。而如果采用循序漸進的方法并結合科學史來講，抽絲剝繭，逐漸揭開真理的面紗，那么同學們不光饒有興趣，而且更容易理解。圖3列出了結合科學史和科學人物的近代物理講解流程。在講解科學史的過程中，重點講解科學人物和他們的研究方法，以及這些近代物理公式是怎么一步步得來的。通過近代物理知識和科學史的結合講解，可以啟發同學，讓他們了解任何知識都是建立在前人知識和研究的基礎上。比如普朗克的黑體輻射公式來自于瑞利-金斯定律和維恩位移定律的啟發。瑞利-金斯定律能夠解釋低頻率下的結果，卻無法解釋高頻率下的測量結果。而維恩位移定律能夠解釋高頻率下的結果，卻無法解釋低頻率下的測量結果。而普朗克公式是把這兩種定律公式進行一下內插。通過這種歷史背景的介紹，同學們就對普朗克公式的來龍去脈知道得一清二楚，對此公式也就理解得更深刻。普朗克公式其實一開始是一個不得已而為之的公式，然后普朗克對此公式進行反推，發現只有認為能量是量子化的，才能得出跟實驗結果相吻合的普朗克公式。能量是非連續而是分立的，即使這個想法在當時是多么背離人的日常經驗和驚世駭俗，由于它是唯一的解釋，普朗克也就不得不接受了這個能量量子化思想。

而能量量子化這個理論不管在當時看上去多么荒謬，還是有人慧眼識珠的。5年之后的1905年，愛因斯坦憑著他對物理學的敏銳欣然接受了能量量子化這個觀點，并在此基礎上解釋了光電效應。近代物理的科學史是一環扣一環，十分引人入勝。在課堂上授課時通過人物->公式->人物…->公式的順序把所有近代物理的公式合理地銜接起來，自成一個整體，同學們學習起來就會思路清晰，公式也會記得牢，進而對公式能活學活用。普朗克和愛因斯坦彼此惺惺相惜，而普朗克也是少數很快發現愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一。在愛因斯坦發表光電效應的8年之后，波爾也接受了能量量子化這個觀點，并進而創新性地提出了三個假設：（1）定態假設，即電子只能在一系列分立的軌道上繞核運動，這些軌道對應確定能量值的穩定態，電子在這些狀態（軌道）上不輻射電磁波；（2）躍遷假設，即原子在不同定態之間躍遷，以電磁輻射形式吸收或發射能量；（3）角動量量子化假設，即電子軌道角動量是分立的，首尾位相相同的環波才能穩定存在。波爾根據這三種假設成功推導出了氫原子的光譜公式，和實驗結果完全吻合。

接下來就輪到德布羅意登場。在波爾提出原子模型的10年之后，1923年德布羅意創新性地在他的博士論文里提出了波粒二象性的觀點。以前的量子論觀點都是圍繞光和能量，沒有觸及實際的物質或粒子。而德布羅意破天荒地提出任何物體都具有波粒二象性，既包括光，也包括電子、原子甚至人體等所有宇宙中的物體。德布羅意當時的博士生導師朗之萬不認可這個觀點，但是他比較有責任心，沒有直接否決掉德布羅意的博士論文，而是把論文寄給愛因斯坦定奪。而愛因斯坦對物理的理解十分透徹，他馬上承認了德布羅意的博士論文的正確性，并且將論文送去柏林科學院，使此理論在物理學界廣為傳播。1924年，德布羅意又提出可以用晶體作光柵觀察電子束的衍射來驗證他的波粒二象性理論，因為電子的波長和晶格間距處于同一個數量級。很快就有人響應了德布羅意的實驗設想，1927年，克林頓?戴維森和雷斯特?革末用電子轟擊鎳晶體，果然發現電子的衍射圖譜，和布拉格定律預測的一模一樣，這證實了德布羅意的波粒二象性理論正確無誤。既然電子是一個波，那就應該有個波動方程。所以德布羅意的理論極大地啟發了海森堡和薛定諤，導致這兩位科學家同時在1925年分別發表了薛定諤方程和矩陣力學，兩者可以得到同樣的結果。薛定諤隨后證明，兩者在數學上是等效的。薛定諤方程使用微分方程的形式，比矩陣力學容易理解，所以近代物理的授課一般只講薛定諤方程。薛定諤提出了薛定諤方程之后，又有個新問題，就是此方程不符合相對論協變性原理，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中應該是相同的。所以需要有另外一個量子力學方程來滿足相對論。這個任務最終是3年之后（即1928年）由狄拉克來完成的。至此，在講述有趣的近代物理科學史的同時同學們也掌握了豐富的近代物理知識。

總而言之，在近代物理的教學過程中結合近代物理科學史進行授課，提高了同學們對于近代物理知識的理解和興趣，避免了填鴨式的教育，讓同學們在掌握知識的同時更了解了科學家們科學的研究方法，“授之以漁不如授之以魚”。該教改收到了十分良好的效果。

參考文獻：

[1]格雷克.牛頓傳[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]艾薩克森.愛因斯坦傳[M].長沙：湖南科技出版社，2012.

量子力學最新研究范文4

Quantum Themes

The Charms of the Microworld

2009, 225pp.

Hardcover

ISBN 9789812835451

T. Padmanabhan著

量子理論是理論物理學最抽象的一個分支,但是它給出的所有明確而具體的預言無一不在反復的實驗中得到了精確的驗證。這一不爭的事實以及它的深刻和奧妙的哲學含義,總是讓普通公眾及科普作家甚至一些專業的研究人員著迷不已。最近,人們發現微觀物理與宏觀物理之間存在著大量意想不到的和極為重要的密切聯系和相互影響。按照當前流行的宇宙學觀點,暗物質、暗能量、宇宙結構的形式、甚至早期宇宙物理乃至宇宙的起源都與量子理論的概念密切相關。這些新的和影響深遠的突破性進展促使作者決心寫這樣一部科普著作,力圖以一種能讓受過基礎教育的外行知道什么是量子理論、量子理論已經取得了哪些成就以及這個理論未來將走向何方,介紹這些最新的成果。作者強烈地認為,在目前這樣做是非常值得的。

作者認為科普著作應避免以下兩種極端傾向,一是必須要依靠數學才能解釋清楚;二是為了迎合讀者而扭曲概念本來的含義。為此作者力求從一開始就用盡可能通俗的語言吸引讀者的興趣,并以嚴格的科學方式描述概念,避免陷于哲學爭論之中或給人一種刻意炒作的印象;其次作者還努力要讓本書的內容盡可能多地包括最新的進展,不用數學語言而仔細地解釋概念和細節以及那些必需的技術術語,但重點放在量子理論的一些最基本的前沿論題,特別強調量子理論與引力及宇宙學的交匯點。避開了關于量子力學的哲學基礎、實驗細節以及一些技術應用的詳細介紹。

全書內容分成7章,各章的標題分別為:1.無所不能的經典物理學;2. 然后出了個愛因斯坦;3. 微觀世界的瘋狂;4. 粒子,無所不在的粒子;5. 宇宙和量子;6. 引力的實質;7. 開始的時候……。

這是一部面向普通讀者的高級科普讀物,其內容新穎,敘述深入淺出、簡潔易懂,難易與“New Scientist”或“Scientific American”的文章相當。對于那些對當前成為人們熱點話題的暗物質、暗能量以及宇宙的演化感興趣的一般公眾,它是一部值得一讀的好書。而對于從事量子理論及宇宙學研究的專家學者以及相關專業的大學生和研究生,本書也極具參考價值。

丁亦兵,

教授

(中國科學院研究生院)

量子力學最新研究范文5

自從 Thompson 于100多年前發現了作為第一個基本粒子的電子以來，粒子物理逐漸成為現代科學的前沿，受到了普遍的關注，吸引了越來越多的實驗家和理論家投入其中。他們企圖發現物質的最深層結構，探究這些最基本組分之間的作用力，并致力于這些作用力的統一描述的實驗和理論研究。粒子物理實驗家和理論家們當前還面對許多需要進一步努力解決的難題。比如，到底有多少代夸克和輕子存在？費米子質量是怎么來的？“上帝的粒子”Higgs粒子究竟有沒有？CP破壞來源是什么？為什么物質與反物質如此的不平衡？引力怎樣才能與其它相互作用統一起來？

本書不僅涵蓋了幾乎所有重要的基本概念和最新的發展，還詳細地介紹了天體物理學、宇宙學與粒子物理之間的新的交叉學科，即所謂的天體粒子物理學的基本知識。

本書的兩位作者（兄弟二人）都是巴基斯坦著名的理論粒子物理學家、諾獎得主Salam 的學生，從事粒子物理研究幾十年。本書是他們在世界多所大學講授粒子物理的講義發展而成的。第1版出版于1992年，2000年出版了第2版，對于原書做了很多修改和補充。本書是2012年出版的第3版。它對于原書做了大量的更新和擴充。有7章徹底改寫了。添加了許多新的內容和大量習題。

全書內容共分成18章：1. 導論； 2. 散射和粒子的相互作用； 3. 時空對稱性；4. 內部對稱性；5. U-群和SU（3）；6. SU（6）和夸克模型；7. 色、規范原理和量子色動力學；8. 重味； 9. 重夸克等效理論； 10. 弱相互作用；11. 強子弱流的性質和手征對稱性；12. 中微子； 13. 弱電統一； 14. 深度非彈性散射； 15.重味的弱衰變； 16. 粒子的混合與CP-破壞； 17. 大統一、超對稱和弦； 18. 宇宙學和天體粒子物理學。書末有兩個附錄，分別簡要地介紹了量子場論和重整化群與運行耦合常數的基本知識。

本書對于粒子物理的介紹非常豐富，推導很詳細，而且盡量不用形式化的量子場論而更多地依靠量子力學知識。因此適合于廣泛的讀者，諸如高能物理、粒子物理、原子核物理學、天文學和天體粒子物理學等領域的研究生和研究人員，選做粒子物理的教材和重要的參考書。

量子力學最新研究范文6

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

摘 要：實驗是科學研究的基礎，能夠創造新知識、產生新技術.近代物理實驗對培養學生綜合能力具有特殊功能，是培養創新思維品質、分析解決問題能力、實踐能力和實驗技能的重要環節.近代實驗技術在許多科學領域與工程實踐中有廣泛應用.本文結合原子物理學課程、近代物理實驗課程特點和學生實際，探討近代物理實驗的教學方法和教學組織形式，培養學生創新意識和創新能力.

關鍵詞 ：創新思維；創新能力；開放式教學

中圖分類號：G642.4文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）01-0233-02

1 引言

眾所周知，在近代物理學的發展過程中，兩個重要的物理實驗與經典的物理學理論尖銳矛盾，一個是黑體輻射中的紫外災難（ultra-violet catastrophe），另一個是邁克爾遜 A.A.Michelson-莫雷E.W.Morley實驗.它們導致量子理論和相對論的建立，開創了近代物理的新紀元.Einstein提出的狹義相對論，改變了Newton力學的絕對時空觀，而量子理論則涉及物質運動形式和規律的根本改變[1-3].量子理論不僅能夠揭示極為廣泛的自然現象，同時還引發了極為廣泛的新技術上的應用.近代物理理論和技術的應用推動了原子物理、核物理、粒子物理、凝聚態物理和天體物理等的研究，產生了半導體、核工程、激光等新的現代科學技術.這些新技術在能源、材料、工程技術、工農業、國防、生物科學、醫學等諸多領域有著十分廣泛的應用.縱觀物理學的發展過程，實驗始終是科學研究的基礎，能夠創造新知識、產生新技術，是培養創新思維品質、分析解決問題能力、實踐能力和實驗技能的重要環節.但學生不重視實驗課程，動手能力和主動性較差，個性和潛能不能充分發揮，因此我們嘗試推進近代物理實驗教學改革.

2 合理設置教學內容 突出思想方法和現代實驗技術

近代物理學的兩大支柱-量子論和相對論，前者研究微觀粒子的統計行為，后者則研究高速（接近光速）運動物體的行為，許多經典物理學的規律已不再適用，兩者在生活中又沒有相應的模型與之對應，因此研究過程離不開新的物理思想、方法和現代測量技術.近代物理實驗課程，目的是使學生掌握先進的研究問題的思想、方法、技術和手段，跟蹤最新科學研究動態，培養學生創新思維品質，造就高素質人才.我們在近代物理實驗項目建設過程中，經充分論證，設置了黑體輻射、弗蘭克-赫茲實驗、X射線物象分析、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、微波測量技術、激光拉曼、塞曼效應、鈉原子光譜、核磁共振等12個必修項目，另外我們正在積極建設原子核物理技術實驗-快速電子的動量與動能的相對論關系實驗項目.這些實驗包括了近代物理學發展過程中具有經典性、物理思想影響深遠的物理實驗，體現實驗技能和現代測試技術的實驗及現論、現代新技術在各領域應用的實驗，使學生掌握基本理論、研究問題的思想方法和高級實驗技能，培養學生創新思維意識、創新能力、分析解決問題能力和自主研究問題的興趣與能力.

3 合理選擇教學方法 培養創新思維品質

近代物理實驗課程是物理學專業和應用物理學專業高年級學生的必修課程，重在培養學生的創新思維品質和科學素質，提高學生科學認知的水平和能力.12個近代物理實驗項目中涉及到原子物理實驗、X光技術、微波技術、磁共振技術等[4-5].針對教學內容和學生實際適時調整教學方式方法，對于實驗原理、儀器構造、操作注意事項等內容，用現代多媒體技術手段呈現并認真分析講解.對于具體的操作方法、技能，教師要充分發揮主導和示范作用，學生須嚴格按操作規程序完成操作.如塞曼效應實驗中，法布里-珀羅標準具的調節；激光拉曼實驗中外光路的調節及應用程序的使用；掃描隧道顯微鏡實驗中針尖、樣品的安裝，STM工作軟件的使用等以提高學生的基本實驗技能.對于綜合研究性、設計性的實驗內容，教師要創設實驗教學環境，提出需要研究解決的問題，采用探索研究式、啟發式、討論式等教學方法并根據實驗進展適時引導、啟發、答疑、解惑，改變學生機械、被動的重復教材實驗過程的狀態，引導學生思維活動，培養學生的創新思維品質，同時鼓勵學生大膽質疑，相互討論，使學生不迷信、不盲從于教材和教師,充分發揮學生的積極性、主動性，將實驗過程變成積極思維、勇于探索的創造性過程,培養學生創造性思維品質和創新能力.

4 采取開放式教學模式 促使知識向能力轉化

12個近代物理實驗項目計劃課時僅為48學時,這就需要打破傳統的教與學、理論與實驗、時間與空間的界限，采用開放式的教學模式，實現教與學的互動.開放式教學指設備、場地、內容、時間、興趣、思維、教學方法、教學手段等全面開放,以促進學生將知識轉化為能力.就原子物理部分實驗而言，教師可以根據理論課的教學進程、教學內容靈活安排實驗內容和時間，課堂上提出要探討研究的課題，引導學生進行分析討論并綜合運用所學知識、技能，提出研究解決問題的思路方法，設計實驗方案.如：在玻爾理論的教學過程中，課堂上可引導學生分析討論，提出實驗驗證原子內部能量量子化的思想方法并設計實驗方案，然后與弗蘭克-赫茲實驗進行比較修改完善設計方案.在這個基礎上并在這個時間點安排學生完成弗蘭克-赫茲實驗實驗，證明原子內部量子化的量子化.弗蘭克-赫茲實驗是驗證性實驗，但教師在授課過程中提出能夠引發學生思維的問題，創設思維環境，調動學生積極思考問題，并綜合運用所學知識解決問題，理論與實驗的有機結合使這個驗證性實驗變成了設計性實驗，促進學生將所學知識向能力進行轉化.對于原子的核式結構模型、原子的空間量子化、實物粒子的波粒二象性等教學內容雖然沒安排相應的實驗或沒有實驗條件，同樣可以采用這種方式進行教學，如驗證盧瑟福散射公式、原子的空間量子化等，教師創設思維環境，提出有待解決的問題，引導學生分析討論，調動學生思維,探求解決方案,然后讓學生查閱相關資料，完善改進自己的設計方案，培養獲取信息的能力、運用所學知識分析解決問題的能力及創造性思維能力.原子物理學課程中[6-7]，巧妙的構思與設計貫穿于教學過程始終，在教學過程中，教師要善于創設問題情境，解放學生的思維空間，學生大膽想象、設計、爭論、探究，教師及時引導、修正、解惑、答疑，理論課與實驗課有機結合統籌安排的教學效果明顯優于傳統的二者分開教學的教學效果.

由于設備、場地、內容、時間、興趣、思維等全面開放，教師可以精選實驗儀器設備開發新的實驗項目進行科學研究或作為學生的選修項目.對于選修實驗項目，教師要明確提出任務要求，學生根據實驗任務要求綜合運用所學知識技能進行構思,并正確選擇實驗儀器,設計實驗方案,獨立進行實驗操作，培養學生綜合運用知識解決物理問題的能力和創造能力.學生也可以參與教師的科研工作，培養學生實驗設計能力、組織實施能力和知識應用能力.除此之外，學生也可根據自己的專業特點、興趣愛好，有目的有計劃的進行自主實驗，即學生根據自己要研究解決問題的，查閱資料并認真研究,提出分析、解決問題的構想，自主選擇儀器、設計研究方案，然后在教師的指導下獨立進行實驗研究，對于實驗過程中出現的一些新的問題及時與教師研究討論，不斷修改完善實驗方案，尋求解決問題的最佳途徑.自主實驗在時間、空間、實驗內容、實驗方案的設計等方面給學生充分的自主權,充分的學習思維空間,豐富的想象空間，充分發揮學生的積極性,培養學生觀察、思維、設計、操作、創新能力.

近代物理的理論和技術在諸多領域有廣泛應用，在教學過程中，將理論課、實驗課的教學內容適當拓寬，實現理論、實驗、應用同步教學.如將理論課與實驗資源、網絡資源有機結合，引導學生探究描隧道顯微技術、核磁共振層析技術、核能利用、X射線衍射物象分析技術、血管造影技術、激光技術等內容，激發學生的創造熱情和潛能，培養學生科學嚴謹的科學態度.

5 結語

近代物理實驗是一門綜合性較強的實驗課程，在教學過程中恰當的選擇教學方法、適當拓展教學內容，采用以學生為主體、教師為主導的開放式實驗教學模式，使學生進入創新思維能力、分析解決問題能力、實驗技術和實驗能力不斷提高的良性循環中.開放性教學的實施,給學生充分的學習、思維和想象空間，使學生運用知識、技能獨立分析和解決實際問題的能力、動手實踐能力、思維能力和創新能力得到提高.但實施過程中也會遇到各種意想不到的問題，教師面臨前所未有的挑戰，這就要求教師不斷充實和完善自己，確保教學質量穩步提升.

參考文獻：

〔1〕曾謹言．量子力學教程[M]．科學出版社，2003.

〔2〕曾謹言，龍貴魯，裴壽鏞．量子力學新進展（第三輯）[M].清華大學出版社，2003.

〔3〕曾謹言，裴壽鏞，龍貴魯．量子力學新進展（第二輯）[M].清華大學出版社，2001.

〔4〕張天喆，董有爾．近代物理實驗[M]．科學出版社，2004.

〔5〕吳思誠，王祖銓．近代物理實驗[M]．北京大學出版社，1995.