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量子力学基本概念的发展范文1
【关键词】PBL教学法；量子力学；电子科学与技术专业；教学改革
量子力学与相对论的提出，被称为20世纪物理学的两个划时代的里程碑。特别是量子力学的创立，揭示了微观物质世界中物质属性及其运动规律，造就了20世纪人类科学技术的辉煌，推动了原子能技术、航天航空技术、电子技术等方面的发展，并开辟了光子技术的诞生之路，将人类社会推进了信息时代。通过量子力学课程的学习，可使学生掌握量子力学的基本概念和基本理论，具有利用理论知识分析和解决实际问题的能力。量子力学课程的突出特点是理论性强、抽象难懂，在课程教学中需要特别把握好这些抽象理论知识的“入门教育”，把握得当，会达到事半功倍的效果。
根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》的文件精神，提高质量是高等教育发展的核心任务，是建设高等教育强国的基本要求。应适应经济社会发展和科技进步的要求，推进课程改革，提高课堂教学质量，充分调动学生学习积极性和主动性，提高学生的创新意识和创新能力。因此，在近几年量子力学课程的教学改革实践中，针对量子力学教学中出现的学生自主学习热情不高的现状，结合量子力学的课程特点，立足于提高学生学习积极性和培养学生科学探索精神及创新能力，提出了基于“PBL教学法”，即基于问题学习（Problem-Based Learning）、以学生为主体的量子力学课程教学改革的研究，摸索出一套行之有效的教学方案。
1 “PBL教学法”设计方案
“PBL教学法”是一种基于问题学习的教学方法，将学习置于复杂的有意义的问题情境中，激励学生积极探索隐含于问题背后的科学知识，实现知识体系的建构和转化，同时鼓励学生对学习内容展开讨论、反思，教师则以提问的方式推进这一过程，最终使学生在一个螺旋式上升的良性循环过程中理解知识，实现学习的不断延续，以促进学生解决问题、自主学习能力的发展，以及创新意识和创新能力的提高。具体设计模式如图1所示。
图1 “PBL”教学法设计模式框图
与传统教学方法相比，“PBL教学法”对教师备课和教学实施过程提出了更高要求。
1.1 PBL教师备课
（1）确定问题。问题是PBL的起点和焦点。问题的产生可以是学生自己在生活中发现的有意义、需要解决的实际问题，也可以是在教师的帮助指导下发现的问题，还可以是教师根据实际生活问题、学生认知水平、学习内容等相关方面提出的问题。
（2）提供丰富的教学资源。教学资源是实施PBL的根本保障。随着网络课程、精品课程体系的建设，教师可以利用网络课程为学生解决问题提供多种媒体形式和丰富的教学资源。
（3）对学习成果提出要求，给学生提供一个明确的目标和必须达到的标准。
1.2 PBL教学实施
（1）学生分组。学生分组后，要让每个小组清楚地知道自己所要承担的任务，问题解决所要达到的目标，也要确定好小组内每个成员具体的任务分工。
（2）创设问题情境、呈现问题。布朗、科林斯等学者认为，认知是以情境为基础的，发生在认知过程中的活动是学习的组成部分之一，通过创设问题情境可吸引学习者。
1.3 PBL案例分析
例如，在讲到微观粒子的波函数时，有学生认为波函数是经典物理学的波，也有学生认为波函数由全部粒子组成。这些问题的讨论激发了学生的求知欲望，可以通过分组进行小组内讨论，再将讨论结果进行小组间辩论，最后老师对各小组讨论和辩论的观点进行评述和指正，实现学生对一些不易理解的量子概念和原理的深入理解。
2 用量子物理发展的渊源吸引学生
量子力学理论与学生长期以来接触到的经典物理体系相距甚远，尤其是处理问题的思路和手段与经典物理截然不同，但它们之间又不无关联，许多量子力学中的基本概念和基本理论是类比经典物理中的相关内容得出的。因此，在量子力学教学中，一方面需要学生摒弃在经典物理学习中形成的固有观念和认识；另一方面在学习某些基本概念和基本理论时，又要求学生建立起与经典物理之间的联系以形成较为直观的物理图像，这种思维上的冲突导致学生在学习这门课程时困惑不堪。此外，这门课程理论性较强，众多学生陷于烦琐的数学推导之中，导致学习兴趣缺失。教学实践证明，针对以上教学中发现的问题，应特别注意用学科理论自身的魅力吸引学生，通过尽可能还原量子力学早期的发展过程，让学生自己去体会量子力学的基本概念是如何建立并逐步完善的，最大限度地激发学生学习本课程的热情，也有助于学生深入理解教学内容。
3 抽象理论形象化，与学生深入探讨
量子力学课程的突出特点是抽象难懂，对此我们进行了探索。例如在量子力学教学中，“任何实物粒子都具有波粒二象性”是教学中的难点和重点。如何理解波粒二象性？我们可以先从光的波粒二象性入手，通过“光电效应”实验引出问题，通过总结光电效应实验的特点，发现与经典理论之间的严重矛盾，并通过诸多矛盾引出了爱因斯坦的光量子理论和光电方程，进而深入探讨光的本性和实质。随着内容的深入，我们可以进一步提出：波粒二象性是光子和一切实物粒子的共同本质，而且波动性和粒子性这两方面必有某种关系相联系。并顺理成章的指出物质波的概念和德布罗意关系式，从最基本的假定出发作出类比推理，理论的独创性给人深刻的印象。
在此，还可以以学生的口吻提出两个问题。
问题1）物质粒子既然是波，为什么人们在过去长期实践中把它们看成经典粒子并没有犯什么错误？
我们可以通过实物粒子子弹的德布罗意波长的求解找到答案，这是由于普朗克常数h是个小量，一般实物粒子的德布罗意波长λ=h/p很短，短到可以忽略不计。
问题2）在什么情况下可以近似的用经典理论来处理问题？在什么情况下又必须顾及运动粒子的波粒二象性？
进而作出解答，一般来说，当运动粒子的德布罗意波长远小于该粒子本身的尺寸时，可以近似的用经典理论来处理；否则，需要用量子理论来处理。
这种层层深入，带着问题寻找答案的教学方法符合逻辑思维，学生很容易接受，将抽象而复杂的问题形象化、简单化。
4 联系量子力学的未来发展激发学生求知的渴望
尽管量子力学是以微观世界为研究对象，但它对我们日常生活的影响却非常大。例如，在当今科学界还提出了量子通信的新概念，是实现完全保密的最佳通信方式，直接导致引领现今量子信息理论和研究的热潮，代表着21世纪信息技术革命―量子通信技术的发展方向。教师可以鼓励学生对与量子力学紧密相关的实际应用技术进行调研，打消学生学习量子力学“无用化”的顾虑，激发学生自主学习的热情。
5 结束语
近几年，针对量子力学教学中出现的实际问题，结合量子力学的课程特点，我们提出了基于“PBL教学法”的量子力学课程教学改革的研究，取得了一些成效，对于理论性较强的其他课程也具有较强的理论指导意义和推广应用价值。
【参考文献】
[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[R].2010.
[2]曾谨言.量子力学：卷1[M].2版.北京：科学出版社，1997：235-278.
[3]邹艳.浅谈量子力学的教学改革[J].物理与工程，2009，19（4）：40-41.
量子力学基本概念的发展范文2
理论物理作为大学物理系本科的必修课，在大学生用一年到两年的时间学完普通物理之后开始学习。传统的所谓四大力学，即理论力学、热力学和统计力学、电动力学、量子力学，应该在第三年和第四年学完。这四门课的分量都很重，用到的数学知识很多超过基础的高等数学的范围。因此，合适的教材对于师生都很重要。著名教材为数不少，最著名的像兰道和他的助手撰写的大部头巨著，堪称经典；但其难度通常超过一般大学生的接受水平，因而一些导论性的教程更受欢迎。而随着现论物理学不断向着更高水平、更深层次和更为广泛的领域的发展，教材的内容也不断地更新。本书正是在这种思想指导下编写而成的。
作者从事大学理论物理学位课程教学30多年，积累了丰富的经验，对传统的理论物理的讲授模式形成了自己一些独特的看法。他尝试以5个模块形式，把他认为应该掌握的理论物理内容以一种统一的和自成体系的形式纳入到单独的一卷教程之中。这5个模块涵盖了20世纪理论物理学的所有重要分支，包括非相对论量子力学，热与统计物理、多体理论，经典场论（包括狭义相对论和电磁学）以及相对论量子力学和夸克与轻子的相互作用的规范理论。
本书把这5个模块分成20章。第一模块为非相对论量子力学，含第1-4章： 1. 量子力学的基本概念；2.表象理论；3. 近似方法；4.散射理论。第二模块为热与统计物理，含第5-12章：5. 热力学基础；6. 量子态和温度；7. 微观状态的概率和熵； 8.单原子理想气体； 9. 经典热力学的应用； 10. 热力学势及导数； 11.物质转换和相图； 12. FermiDirac和BoseEinstein统计。第三模块为多体理论，含第13-16章：13. 多粒子系统量子力学和低温热力学； 14. 二次量子化； 15. 相互作用电子气； 16. 超导。第四模块为经典场论和广义相对论.含第17-18章：17. 场的经典理论；18. 广义相对论。第五模块为相对论量子力学和规范理论，含第19-20章：19. 相对论量子力学；20. 夸克和轻子相互作用的规范理论。
本书的一个突出特点是完整地给出了所有重要结果的详细数学证明，使一个完成了高中数学课程和大学第一年物理学学位课程的学生能够理解和欣赏理论物理很多重要结果的导出过程。只要是完成了较高一点水平的数学课程，读者都会发现，书中的每一部分都是他们所需要的。
本书描写的理论概念和方法通常包含在一年级研究生的课程中。本书附录中列出了一份推荐阅读的书目清单，以便读者参考。
量子力学基本概念的发展范文3
关键词：量子力学；量子理论；矩阵力学；波动力学；测不准原理
量子力学揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质，光的吸收与辐射等等方面。从1900年到1913年量子论的早期提出，到经过许多科学家如玻恩、海森伯、玻尔等人的努力诠释，量子力学得到了进一步发展。后来遭到爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理。双方展开了一场长达半个世纪的论战，至今尚未结束。
一、量子论的早期
1 普朗克的能量子假设
普朗克在黑体辐射的维恩公式和瑞利公式之间寻求协调统一，找到了与实际结果符合极好的内插公式，迫使他致力于从理论上推导这一新定律。但是，他经过几个月的紧张努力也没能从力学的普遍理论直接推出新的辐射定律。最后只好用玻尔兹曼的统计方法来试一试。他根据黑体辐射的测量数据计算出普适常数，后来人们称这个常数为普朗克常数，也就是普朗克所谓的“作用量子”，而把能量元称为能量子。
2光电效应的研究
普朗克的出能量子假说具有划时代的意义，但是，不论是他本人还是同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦最早明确地认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元.1905年，爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。在那篇论文中，爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，提示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。与此同时，他还大胆地提出了光电方程，当时还没有足够的实验事实来支持他的理论，因此，爱因斯坦称之为“试探性观点”。但他的光量子理论并没有及时地得到人们的理解和支持，直到1916年，美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程作出了全面的验证，光量子理论才开始得到人们的承认。 3 固体比热的研究
1906年，爱因斯坦将普朗克的量子假说应用于固体比热，解释了固体比热的温度特性并且得到定量结果。然而，这一次跟光电效应一样，也未引起物理界的注意。不过，比热问题很快就得到了能斯特的低温实验所证实。量子理论应用于比热问题获得成功，引起了人们的关注，有些物理学家相继投入这方面的研究。在这样的形式下，能斯特积极活动，得到比利时化学工业巨头索尔威的资助，促使有历史意义的第一届索尔威国际物理会议的召开，讨论的主题就是《辐射理论和量子》，这次会议在宣传量子理论上起了很好的作用。
4量子假说运用于原子模型
哈斯是奥地利的一位年表物理学家，他在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。汤姆生专门讨论原子结构的书《电与物质》和维恩的文章促使他运用量子公式来阐述原子结构，这是将量子假说运用于原子结构的最初尝试。
丹麦人玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型学说，为了证实其正确性，玻尔利用量子假说来解决原子的稳定性问题。要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造，因为一致公认的经典电动力学并不适于描述原子规模的系统行为。1913年，玻尔在他的第二篇论文中以角动量量子化条件作为出发点来处理氢原子的状态问题，得到能量、角频率和轨道半径的量子方程。可见，玻尔的对应原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地应用于原子模型理论。玻尔的原子理论完满地解释了氢光谱的巴耳末公式；从他的理论推算，各基本常数如e、m、h和R（里德伯常数）之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大的进展。
二 量子力学的建立与发展
1德布罗意假说 2电子自旋概念的提出 半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法，并写成了。这得到了海森伯的赞同，不过，如何解释双线公式中多出的因子2，一时还得不到解答。玻尔试图从相对论推出双线公式，但仍然没有结果。终于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英国物理学家托马斯才解决了这个问题。这样一来，电子自旋的概念很快被物理学界普遍接受。
3矩阵力学的创立 集正是线性代数中的矩阵，此后，海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。
玻恩着手运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。与数学家约丹联名发表了
《论量子力学》一文，首次给矩阵力学以严格的表述。接着，玻恩、约丹、海森伯三人合作，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守定律，以及强度公式和选择定则，从而奠定了量子力学的基础。
4波动力学的创立 5波函数的物理诠释 6测不准原理和互补原理的提出 海森伯在创立矩阵力学时，对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要“坐标”、“速度”之类的词汇，这些词汇已不再等同于经典理论中的那些词汇。为解释这些词汇坐标的新物理意义，海森伯抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他意识到电子轨道本身的提法有问题，人们看到的径迹并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电了的不确定的位置，而不是电子工业的准确轨道。因此，在量子力学中，一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置，同时也只能以一定的不确定性具有某一速度 。可以把这些不确定性限定在最小范围内，但不能等于零。这就是海森伯对不确定性的最初思考。海森伯的测不准原理是通过一些实验来论证的，他还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析得出结论：能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。
海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。于是提出了互补原理。他指出，平常大家总认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的作何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说互相排斥的不同性质在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。其他量子力学结论也可从这里得到解释。
三 关于量子力学完备性的争论
玻恩、海森伯等人提出了量子力学的诠释之后，遭到了爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理，双方展开了一场长达半个世纪的大论战，许多理论物理学家、实验物理学家和哲学家卷入了这场论战，至今还未告结束。
正是由于以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根学派的长期争论，才使得量子力学越来越完备，很多问题得到了系统性的研究。
1965年，贝尔在定域隐参量理论的基础上提出了一个著名的关系，人称贝尔不等式，于是有可能对隐参量理论进行实际的实验检验，从而判断哥本哈根学派对量子力学的解释是否正确。从70年代开始，各国物理学家先后完成了十几项检验贝尔不等式的实验。这些实验大多数都明显地违反了贝尔不等式，而与量子力学理论预言的相符。但也不能就此对爱因斯坦和玻尔的争论作出最后裁决。目前这场论战还在进行之中，没有得出最后的结论。
[2]卢鹤绂.哥本哈根学派量子论诠释.上海:复旦大学出版社,1984
量子力学基本概念的发展范文4
粒子物理学一直是我们对于最小尺度物质终极结构研究的前沿，但随着技术的进步和研究的进展，粒子物理本身现在已经拓展到研究宇宙的结构和发展历史，成功地把极小尺度与极大尺度连接在一起，成为了一个快速发展的巨大研究领域。要掌握它，通常不得不追随研究的进展去读各种主题的不同著作，内容涉及粒子物理学的历史背景、基本的实验数据、量子场论、数学概念、理论模型以及宇宙学的大量概念等。本书作者尝试把粒子物理的全部理论和实验内容的大部分论题纳入到一套著作中，系统而全面地介绍近几十年来粒子物理取得的巨大进展。
标准模型（SM）是电弱相互作用与量子色动力学（QCD）的一种统一理论，从20世纪60年代创立开始，迄今已经取得了极大成功，至少在原则上解释了所有已知的现象。它的基本概念超出了粒子物理范围，已经成为宇宙学、原子核理论以及某些凝聚态物理的核心。本书解释了SM的基本概念和实验基础。作者在第一卷中详细地阐述了量子场论，为粒子物理的深入研究做好了充分的准备，并揭示了SM在历史上是如何形成的。尽管第二卷可以看作是第一卷的后续，但实际上除了一些基本公式偶然需要参考第一卷之外，它自成一个体系。
所有的重要概念和截面公式都从第一原理以自成体系的方式推导出来。读者如果具有本书第一卷中给出的场论知识，应当能够自己推导出在第二卷中给出的所有除包含高阶修正之外的公式。而对于高阶过程，除了必须重新生成精确的 Z共振峰数据之外，都只给出了定性的讨论。对于理解一些特殊过程的方程式所必须的数学公式和工具在附录中给予补充介绍。
本书没有讨论重夸克衰变、微物理问题、以及必须非微扰处理的所谓的软过程等。此外，对于超出SM的问题本书完全没有提及。作者准备将它们作为本书第三卷的主要内容。
本书（卷2）内容分成两大部分，共11章。第一部分为电弱动力学，含第1-6章：1. 标准模型；2.中性流；3.W粒子；4. Z共振峰物理；5. 电弱理论的精确检验；6. CKM矩阵。第二部分为QCD动力学，含第7-11章：7. QCD；8. 深度非弹性散射；9. 喷注和碎裂；10. 胶子； 11. 强子反应中的喷注。书末给出了12个附录，对于正文中的一些较为困难而又十分重要的数学细节作了补充介绍。
本书对于粒子物理专业的研究生是一部难得的教材。具有量子力学和狭义相对论基础知识的读者可以用本书作为自学粒子物理的很好的参考书。
量子力学基本概念的发展范文5
我们对物理这门学科并不陌生，早在17世纪，伟大的物理学家伽利略就曾想出用理想斜面来研究力和运动的关系。他开创了“观察实验、科学思维、与数学相结合的研究方法”，发现了惯性定律、自由落体规律、力学相对性原理，从此奠定了动力学的基础。而天才的物理学家牛顿将研究方法发挥到极至他在前人研究的基础上，采用归纳演绎、综合分析的方法，总结出牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学。同时也确立了他在物理学界至高无上的地位,并被称为经典力学之父。但是人创造了历史必然也会受到历史的制约，因此经典力学有其巨大的成就性，但其也存在着局限性。
一、经典力学的成就
经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家相信,天地四方,古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述.许多科学家宣称物理学的大厦已基本建成，留给后人的只是补充与完善。经过三次革命，第一次,是一位年轻的物理学家几乎仅靠单枪匹马之力引发的。他就是伟大的理论物理学家，阿尔伯特•爱因斯坦。19世纪末科学家们发现,当研究有关光的问题时,用经典物理的理论解释一些相关现象,就会产生尖锐的矛盾.为了解决这一矛盾,爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论；第的导火索是物理学史上的三大发现：伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线 ,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界,人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释，为了克服这一困难,德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点,爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论.因此对其做出阐述是：经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体，相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。
二、经典力学的局限性
（一）绝对时间、绝对空间等基本概念引入。按照伟大的物理学家牛顿所阐述的是，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。但是莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。另一方面量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
（二）牛顿虽然对引力作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。爱因斯坦的广义相对论对万有引力做出一种解释，就是时空本身是有弹性的，可以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在有质量的物体周围弯曲呢？爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没有说明引力的本质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的解释也没有说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观点也未得到肯定，因而至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。
（三）在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了。.爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使到原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。爱因斯坦从力学的观点出发，考虑两个球体的弹性碰撞，利用动量守恒定理和相对论速度相加定理能够导出著名的质速度公式 ，该式说明，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。
（四）经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。
（五）在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。
同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。在1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
量子力学基本概念的发展范文6
关键词：创新能力；思想；科学方法；课堂讨论
在为培养创新人才而实施的研究性教学中，课堂教学仍然占有主导地位，而创新能力的培养则应成为课堂教学的主旋律。在理科的课堂教学中怎样培养大学本科生的创新能力呢?笔者通过自己多年的教学与教学督导实践，提出以下几点思考供各位同仁参考，不当之处，请批评指正。
一、思想是课堂教学的主线
创新是一个民族进步的灵魂。创新人才的基本素质是具有创新意识、创新精神和创新能力。因此培养学生的创新意识、创新精神和创新能力是教学的首要任务。任何一门学科都是人类数千年文化思想发展与继承的结晶，现代科学特点之一是发展神速，呈现了知识量激增和知识更新，新陈代谢加速的形势。以此出发，知识的学习是无穷尽的，学习并掌握一门学科或一堂课的基本内容只是走了一个台阶，而形成这些内容或问题(定义、定律、规律、原理……)的历史背景，提出或解决问题的出发点、观点和方法则是教学中的精髓所在，这些东西能使学生进入一个更新、更高的境界，这也就是我们的先辈早就说过的“与其给人以鱼，不如授人以渔”。正是在此意义上，我们说思想是课堂教学的主线，或者说，思想是课堂教学的龙骨。为此，在课堂中教师要带领学生一道去分析、研究、探索、发现，一道跟随历史发展的足迹去类比、归纳、演绎、综合、假定……在引入新课时，也要从历史发展的角度提出所要讨论问题的实验材料、各种矛盾或困难，可以这样向学生表述：“这就是当时摆在科学大师面前的难题，也是现在呈现在我们面前的问题，请大家和我一道思考。”例如，在物理和化学专业的量子物理(或量子力学)、结构化学课中，电子自旋的本质是一个尚待解决的问题，我们在课堂上对学生说：“自旋的本质至今仍是一个谜，诺贝尔奖的桂冠正等待着勇于攀登者去探索!”正是这种诱导与启发，让学生自己去“发现”与研究问题，能激发学生强烈的兴奋感与探本求源的积极性，这种亲历探究，是让学生真正体验科学魅力的最佳途径。
任何科学的发展都离不开人，任何科学的内涵都有不少有关人的丰富的内容。每一个科学规律，每一个科学发现不仅伴随着这些智者长年累月的艰苦探索，也几乎都伴随着无数次失败或失误，从成功与失误的对比中，更能使学生得到启迪，更利于培育他们的创新精神。英国著名化学家戴维就曾感触至深地说：“我的那些最重要的发现是受到失败的启发而获得的。”为此，要求教师能有机地、恰如其分、不喧宾夺主地结合课程内容阐述科学史。已故北大化学家付鹰教授说得好：“一门科学的历史，是那门科学中最宝贵的一部分，科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”因此在理科教学中，我们可以选择一些典型事例(如物理学中热的本质、光的本性、化学中的电离学说……)进行分析，从成功与失误，正确与错误，一个观点或另一个观点的对比中传授知识，引导学生跟踪历史的步伐去探索与判断。在“结构化学”课量子力学基础中讲爱因斯坦关于光量子假设时，我们用几分钟讲了普朗克的悲剧：到19世纪末，经典物理学已发展到了很完善的地步，以至不少物理学家公开声称，物理学的基本定律已被发现完了，剩下的事仅仅是解方程，“玩弄”数字符号罢了。可是随着人们实践的不断发展，经典物理学的天空出现了两朵乌云。其一就是黑体辐射的规律，维恩和瑞利・金斯的理论都只能解释部分现象，如果按照瑞利・金斯公式，在紫外波段能量将发散，这就是艾伦费思特所说的紫外灾难。1900年当时已年过40的普朗克运用内插法将维恩与瑞利・金斯的两个公式结合成一个新的公式，能完全与实验吻合，这就是大名鼎鼎的普朗克公式。在这个公式中他不得不提出一个假设：E=hv――“能量子”，普朗克也因此获1918年诺贝尔物理奖。但是由于传统观念的束缚，他日夜操劳：或者把能量子假设纳入经典理论的轨道，或者寻找回避这一假设的途径。就这样整整花了十五年，力图放弃这一革命的假设。他有一次和儿子散步时，甚至说：“我现在做的事或者毫无贡献，或者可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”就在旧的传统观念禁锢普朗克思想的时候，1905年当时年仅26岁的爱因斯坦，接过并推广了由普朗克提出几乎又被他扼杀的能量子假设，提出了新的“光量子”假设，建立了爱因斯坦的光量子说，同年，爱因斯坦还用能量子假设探讨了固体的比热。可是就在此时，普朗克还认为爱因斯坦“在其思辨中有时可能走得太远了”。普朗克的这个悲剧是发人深省的。
在自然科学的发展史中，人类对真、善、美的追求，文化艺术的熏陶也是激发科学家创新思维的原动力。数学中的一个重要分支――群论，在物理和化学中占有重要的地位，它源于“对称性”这一基本概念，而对称性又源于人类对美的追求。在古希腊、古埃及、我国殷商时期出土的大量文物中，从花鸟虫鱼、飞禽走兽到飞天的，无不呈现为各种各样的对称图案。正是这种对称性，导致了一系列守恒定律，其中由左右对称导致的宇称守恒律，它们都被认为是永恒的颠不可破的绝对真理。至20世纪50年代，在亚原子领域，种种实验表明：θ介子与τ介子具有相同的质量、电荷与寿命，应为同一种κ介子，但在衰变中却显示它们的宇称不相同，与其他实验矛盾，这就是著名的之θ～τ谜。坚信宇称守恒的绝大多数物理学家对此迷惑不解，而深受中国古老文化熏陶的两位年轻的中国科学家李政道、杨振宁，也许受了阴阳太极图的启示，敢于“冒天下之大不韪”，提出在弱相互作用中宇称不守恒及实验验证的建议。可是当时另一位很著名的以理论思维极强、发现错误见长的物理学家泡利却扬言：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我可以跟任何人打赌，做出来的结果一定是左右对称的。”以中国女科学家吴健雄为首的实验小组证实了这一发现。李、杨因此获1957年度诺贝尔物理学奖。可见，具有一定的文化艺术素养对于理科生也是有益的。事实上，许多著名的科学家都有很好的文化素养，有的甚至可以说是多才多艺。如：爱因斯坦不仅是一位大物理学家，也是一个造诣很深的哲学家，一个很优秀的小提琴手。相对论量子力学的奠基人著名物理学家狄拉克的文学水平很高，杨振宁称赞他的文章是“秋水文章不染尘”，没有一点渣子，他的笔是神来之笔。我国科学家杨振宁、李政道、钱学森、苏步青的文采都令人称羡。因此，在课堂中，结合教学内容花3～5分钟，用三言两语“打侃”，对学生的启迪与激励远远超过知识的传授。
在科学发展的漫长历程中，人们对于自然规律的认识是逐渐深化的，绝对真理少之又少，现今广泛呈现在各学科中的定理、定律或理论都只是相对真理。随着生产力水平与科技水平的提高，这些相对真理或则被，或则会被修改、被完善。因此，在教学中一定要以辩证
的发展的观点讲解这些内容，要讲它们的局限和不足。要使学生不仅对定理、定律不迷信、不僵化，反而有敢于挑刺、敢于质疑的叛逆精神。教师还可结合自己的科研向学生简介自己的构思，引导学生去创造。例如，我们在结构化学中，对阐释分子结构中的两种理论分子轨道理论与价键理论进行了对比分析，指出其不足与发展前景，也简介我们自己的工作。这样不仅破除了大二学生对科研的神秘感，也激起了学生对科学研究的热情。
二、科学方法――培养创新能力的基本途径
科学方法是人们发现真理和改造自然的桥梁与手段。一般地说，科学方法包括归纳、演绎、观察、实验、假定、类比、推断、分类、理想模型、思想实验等方法。在课堂中结合科学史进行科学方法的教育，就不仅可以让学生学到作为知识活动结果的结论，还可以学到如何运用这些科学方法来进行创造，发展科学。
在科学发展史中，运用科学方法进行科学创造，取得重大成果的例子比比皆是。众所周知，抽象的逻辑思维与演绎是数学家发展数学的最基本方法，数学领域的绝大部分辉煌成果都由此而得。类比法是古今中外物理学家最常运用的思维方法，类比使物理学家取得重大突破的例子不胜枚举：库仑定律把静电相互作用与万有引力类比；卢瑟福将原子结构与太阳系进行类比；德布罗意将微观粒子与光子类比；薛定谔将物质波与机械波类比……归纳法是使化学家取得重大发现的主要方法之一，人们熟知的元素周期律就是门捷列夫在分析当时已发现的六十余种化学元素的性质与原子量的关系后归纳得出的。在当代，对有机合成具有重要指导意义的“分子轨道对称守恒原理”也是以大量有机化学实践为基础，正确运用归纳、类比、综合等方法而得出的，这一规律的发现者之霍夫曼因此获1981年诺贝尔奖。在天文学、地学、生命科学等学科中也可举出许多类似的例子。
在教学中，教师不仅要通晓本学科的科学发展史，更要善于精心组织教学内容，运用科学方法进行教学活动。尤为重要的是教师若能在讲授中逻辑思维缜密、推理演绎严格、讲授语言简练准确，娓娓道来、滔滔不绝，这种示范作用将使学生折服，受益终身。我国著名科学家吴有训两支粉笔讲完一堂课的完美形象，使同样是著名科学家的钱伟长在进入耄耋之年后仍念念不忘。
三、课堂讨论――激发创新火花的催化剂
在以学生为主、学习为主的开放式、研究性教学实施时，由教师根据教学内容精心组织适量的课堂讨论，是激发创新火花的催化剂。上世纪中叶以著名物理学家玻尔为首的哥本哈根学派培养了一大批诺贝尔奖获得者，他们以各种形式进行的学术讨论会对科学创造或发现所带来的推动作用是举世闻名的。
