量子力学的基本理论(精选5篇)

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量子力学的基本理论范文第1篇

【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.

量子力学的基本理论范文第2篇

摘要：量子力学与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。随着数字媒体业的迅猛发展，当今世界已进入信息风暴的时代，媒体与艺术的高结合性与诉求性使人们不得不用科学的眼光重新审视。本文从两种科学理论出发，阐述媒体与艺术的科学特性，同时将科学的研究方法融入媒体与艺术的研究当中，提出传播扩展粒度的新观念，有助于判定数字媒介扩展空间量的大小。

关键词：量子力学；相对论；媒体；传播扩展粒度；艺术；科学

随着媒体业的迅猛发展，当今世界已进入信息风暴的时代，媒体与艺术的高结合性与诉求性使人们不得不用科学的眼光重新审视。清华大学是中国最重要的高等学府之一，同时也是国家核心研究机构。在清华大学设有“艺术科学中心媒体实验室”，将艺术与科学的融合视为21世纪高等教育的重要命题。由此可见，对媒体、艺术与科学三者的融合研究具在时代价值。

目前研究者们依托于前沿的科学理论和技术成果，在数字媒体方向不断创新，采用新的艺术技法和表达媒介，彰显人文关怀与艺术反思，表现出鲜明的生态文化特征和信息文化特征。[1] 在探求媒体、艺术、科学三者之间的关系以及未来的发展趋势时，很多专家学者从技术应用的角度进行推测与分析。本文另辟蹊径，从物理学两大基本理论――量子力学与相对论出发，将科学的研究方法融入“大媒体”、“大艺术”的研究当中，提出传播扩展粒度的新观念。

1 科学与媒体的分类与特性

（1）两大科学基本支柱。1）量子力学。量子力学是描写微观物质的一种物理学理论。马克斯・普朗克在1900年提出能量量子化假设。假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果相符。量子力学测量时假设的显态与实际微观体系中的隐态，造就了量子力学的前提。2）相对论。在狭义相对论中，爱因斯坦将空间与时间联系起来。认为物理的现实世界由时空坐标t和空间坐标x、y、z组成的，构成了四维的明可夫基里平直时空。在相对论中，用四维方式考察现实世界，能量与动量构成一个不可分割的整体――四维动量，自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。

（2）媒体的分类与特性。1）媒体分类。从技术角度分类，可以分为感觉媒体、表示媒体、呈现媒体、存储媒体、传输媒体。按照感觉器官来分可以分为视觉媒体、听觉媒体、视听媒体。媒体按照使用媒介的不同可以分为数字媒体和传统媒体。[2]2）媒体特性。数字媒体和传统媒体共有的特性均具有传播性。数字媒体较之传统媒体又具有交互性，例如游戏及动态网站与受众间的交互性信息传递。同时艺术与技术的结合，打造了1+1≠1的效果。相对于传统媒体，数字媒体不但具有共同的社会属性，更具有个性。例如一些网上的个以及可以按照个性定制的交互式服务。另外数字媒体相对比较环保绿色，同一时间段内覆盖面积更大、受众更多、相对成本更低廉、单位性价比更高、更容易共享和传播、艺术形态更多样。数字媒体带给人们全新的生活方式，改变了人的思维和生活的方式。

2 媒体、艺术与科学的关系

（1）媒体、艺术与科学是密不可分、相互渗透的。媒体是艺术与科学的承载。而数字媒体平台与网络又是建立在迅速发展的科学技术基础之上。当利用技术手段搭建的平台在运营的过程中，根据受众的需求又有艺术的诉求。艺术离不开科学，没有媒体与科学对艺术的诠释，艺术只是一句空谈。例如音乐的展现需要有播放的平台、相关设备及环境、录音技术手段的支持；优美的图画需要纸张等媒介以及绘画技法来表现；震撼清晰的画面需要高质量的播放平台与优良的制作技术。

（2）艺术与科学是相通的。有人说：每个人都是天生的艺术家。艺术来源于生活，是人感官的享受。科学来源于自然，是人类探求真理的结晶，电影、电视、游戏等均是艺术与科学技术结合的产物。

（3）借助媒体，艺术与科学的发展是相互促进的。随着物质文明与精神文明的发展，人类在精神世界的诉求急于寻求实现的平台与途径。社会观念的变革、人类思想的解放、对美好事物的追求促进科学技术的更新发展。与此同时，科学技术的变革反作用于艺术理念的提升，使人们站在一个新的平台上审视艺术。十报告中指出“促进文化和科技融合，发展新型文化业态，提高文化产业规模化、集约化、专业化水平。”充分体现了三者间的关系。[3] 媒体、艺术与科学在当今“信息风暴”的时代是相互促进、相互渗透的。

3 媒体、艺术的科学性论述

量子理论与相对理论较好的诠释了媒体、艺术的科学性。

3.1 量子力学与相对论在艺术创造中的体现

（1）蒙太奇方法的时空转换。蒙太奇方法是常用的视频信息流的组建方法。但因为每个人的关注点不同，针对同样的素材，利用蒙太奇方法产生的效应也不同。针对大多数人的认知习惯，蒙太奇方法是有共同点的，所产生的主观认知理解也是一样的。而对于某种特定人群可能并没有意义或者对其释义根本是相对的。相对于主观来讲，找到最美的表现瞬间是重要的。例如，在《猜火车》电影中“厕所捡物品”的镜头，主人公将头伸入肮脏的厕所中，而画面中出现的却是主人公在臆想中的漂亮“海洋”里遨游。这是时空的转换，是视觉环境的强烈对比，同时也是蒙太奇手法的运用，是相对论的体现。

量子力学的基本理论范文第3篇

关键词电子理论；密度泛函理论；材料科学

中图分类号 TU5 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0184-02

近几年，密度泛函理论与分子动力学相结合，在材料设计、合成、计算等诸多方面有明显进展，成为计算材科学的重要基础和核心技术。其他量子力学多体问题往往会具有一些“硬伤”，在计算的效率上，计算结果的精确度上，甚至于计算的方法上都难以达到一定的高度，随着密度泛函理论的出现，使量子力学的研究又提升到另一个层次，与其他解决量子力学多提问题的方法相比，采用密度泛函理论所进行的研究能够给出让人满意的结果，尤其使数据的精确，更能够应用到其他领域的研究中，例如化学、数学等，甚至应用于工业生产和人们的生活中。

1 电子理论概述――以密度泛函理论为例

近年来随着物理学的快速发展，人类在探索与发现量子力学和微观事物本质问题上的研究成果越来越多，现今科学学科的分支确定更加细致化，仅就材料物理学科来说，建立了计算机材料分支学科。物理材料的基本性质多数会受到电力结构的影响，故而研究电子理论也必须借助于量子力学。发展电力理论为研究材料科学奠定了坚实基础，同时也给材料科学的研究提供了有利的预测依据，能在一定程度上提高材料科学的发展速度，因此在材料物理科学中论述电力理论的意义和可行性是十分明显的。

电子理论是一种传统理论的统称，但实际上电子理论中包含很多小的概念和理论，不同的理论也有不同的表述方式，密度泛函理论是较早的一种量子理论，他是以Thomas-Fermi的理论为基础，产生于1960年到1970年。对于密度泛函理论来说，它与传统的量子理论的不同在于对基本物理性质的描述方法，也是一种基准。前者是将粒子密度作为基本物理量，而后者则将研究重点放在粒子密度上，使得二者有很大的不同。

密度泛函理论并不是一成不变的，而是随着科学研究的愈加深入而逐步发展的。从基本理论到现在的非局域泛函，不断有新的理论来扩充这一理论所涵盖的范围，同时，这些理论互相弥补，也使得计算结果越来越精确和有效。可以说，这一理论是一种活的理论，它不但在本身领域不断深入发展，还与其他理论相互联系，活跃前进。

我们所称的密度泛函理论具有很强的特点，主要在于需要通过计算机的运算来进行，运行的计算机中需要装载相联系的软件。在市面上我们可以看到许多有关软件，上面我们说到，不同的密度泛函理论所计算出的结果也不尽相同，主要差别在于数据的精确性，中间的差别在一定程度上与所使用的软件有关。这一理论由于它的应用性广泛，被用于多个领域的计算中，但也存在其本身的问题。但是，总体来说，密度泛函理论是一种相对较成熟的理论体系，今后其发展也将会更加多样。

2 密度泛函理论在材料科学中的应用

如上所述，密度泛函理论在应用中已经得到了广泛的实践。“近几年来DFT同分子动力学方法相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有明显的进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术”。

2.1 电性材料科学中的应用

在电能与热能之间的转换的领域上，各国的研究者都在深入进行研究，试图找到一种新的电子特征。有的科学家利用密度泛函理论研究出某种材料的导电性能与金属相比的优劣；有些科学家利用密度泛函理论框架中的小的理论，研究了电子、磁及其相互作用的问题，“结果表明，体系的性质随原子位上库仑相互作用参数U的改变而显著变化”。有的科学家运用密度泛函理论，将增强的表面超导和图像翻转现象进行了计算和预判。

2.2 磁性材料科学中的应用

磁性材料科学是起源很早的一门科学，我们都知道，铁是最早被发现具有磁性的物质，千百年来，人们对磁性科学的态度从神秘到了解，现在已经通过多种方法在研究。有些科学家通过密度泛函理论获得了FeN的结构、结合能和磁矩，并且研究出团簇的尺寸的不同对原子的磁矩没有必然的影响，反而原子会在某一范围内变化。

2.3 光学材料上的应用

光学材料一般是指传输光的介质材料，有些科学家利用密度泛函理论研究而得出：“在有机多层光电子发射二极管、光族材料和高密度光数据贮存材料上有潜在应用。”

2.4 在纳米材料上的应用

纳米材料是指物质的3个纬度中至少有一个纬度的量级是纳米。纳米材料自被发现以来，逐步广泛应用在生产、生活中，我们生活中所常见的纳米防爆膜、纳米微针等，现在在信息产业、能源产业、环境产业等都有广泛的应用，同时科学界对纳米的研究还在更加深入和精确。一些科学家利用密度泛函理论，研究出某些物质能够吸收红外，并且这种吸收能力极强。

3 结论

经典的电子理论认为，正离子所形成的电场是均匀的，而自由电子由于是运动的而不具有这种特性，自由电子和正离子相互碰撞不能形成新的物质，而仅仅是作为一种机械运动。正因为自由电子的不规律运动，所以没有显性的表现形式，但一旦给自由电子一个外在的力，例如磁场，自由电子就会有规律有方向地进行移动，从而形成电流。本文所讨论的密度泛函理论，是在电子理论中具有重要地位的一种理论，尽管它现在已经广泛应用于化学计算中，但是电子理论是包含多种其他理论，因此密度泛函理论更需要其他理论作为依据和支撑，其本身也能够为其他理论研究提供理论支持，因此，无论是主要利用该理论或者是借鉴密度泛函理论的原理或计算方法，做出的研究也渐渐投入到实践中，从而真正有益于人类。

参考文献

[1]Hasnip Philip J，Refson Keith，Probert Matt I J，Yates Jonathan R，Clark Stewart J，Pickard Chris J. Density functional theory in the solid state.[J]. Philosophical transactions. Series A， Mathematical， physical， and engineering sciences，2014，3722011：.

量子力学的基本理论范文第4篇

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

量子力学的基本理论范文第5篇

关键词：量子密码；量子加密；安全

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)08-1752-02

如今，应用广泛的密码基本都是依靠数学计算方法来实现的――用复杂的数字串对信息进行加密。无论多么复杂的数学密钥也可以找到规律，破解复杂的数学密码成为计算网络安全的重要隐患。由美国专门制定密码算法的标准机构――美国国家标准技术研究院与美国国家安全局设计的SHA-1密码算法，早在1994年就被推荐给美国政府和金融系统采用，是美国政府目前应用最广泛的密码算法。然而2005年初，山东大学王小云教授和她的研究小组宣布成功破解SHA-1，因为王小云的出现，美国国家标准与技术研究院宣布，美国政府5年内将不再使用SHA-1密码算法。

随着信息安全技术的发展,量子通信网络的安全问题逐渐得到了人们的关注。1984年，Charles Bennett与Gilles Brassard利用量子力学线性叠加原理及不可克隆定理，首次提出了一个量子密钥协议，称为BB84协议（BB84 protocol），可以实现安全的秘密通信。1989年IBM公司的Thomas J. Walson研究中心实现了第一次量子密钥传输演示实验。这些研究成果最终从根本上解决了密钥分配这一世界性难题。经研究发现以微观粒子作为信息的载体，利用量子技术，可以解决许多传统信息理论无法处理或是难以处理的问题。“量子密码”的概念就是在这种背景下提出的。当前，量子密码研究的核心内容就是，如何利用量子技术在量子信道上安全可靠地分配密钥。从数学角度上讲如果把握了恰当的方法任何密码都可破译，但与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。通常把“以量子为信息载体，经由量子信道传送，在合法用户之间建立共享密钥的方法”，称为量子密钥分配（quantum key distribution, QKD），其安全性由“海森堡测不准原理”及“单量子不可复制定理”保证。2000年美国Los Alamos实验室自由空间中使用QKD系统成功实现传输距离为80km。目前，量子通信已进入大规模实验研究阶段，预计不久量子通信将成为现实。

“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，它表明，在同一时刻以相同的精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，它表明，在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，所以说不可能。可利用量子的这些特性来解决秘密密钥分发的难题。

1量子密码理论

量子密码技术应用量子力学的基本理论,包括海森伯格的测不准原理和单光子的不可分割性,从而解决了典型密码一直无法完善处理的安全性问题。假设窃听者可观察到传统信道上发送的信息，也可观察及重发量子信道上的光子。

Alice每发送出一个光子，Bob就随机选择一个相应的极化基B1或B2对收到的光子进行测量。因此，对Alice发出每一个光子，Bob就根据选择的极化基对光子的测量得到一个元（即集合｛|〉，|〉，|〉，|〉｝中的一个元）。Bob记下他的测量并保密。当Alice发送完相应于m的所有比特的光子后，Bob告诉Alice他测量每个光子的极化基。Alice则反馈Bob她发送的光子极性的正确基。他们保存使用了相同基的比特，而抛弃其他使用不同基的比特。由于使用了两个不同的基，因此Bob所获得的比特大约会有一半与Alice所发送的比特相同。这样Alice与Bob就可将Bob所得到的与Alice所发送的相同的比特用作传统密码系统的密钥

2量子密码安全协议

Charles H. Bennett与Gilles Brassard 1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来被称为BB84协议。BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输信息的。发送者Alice和接收者Bob用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体，对应的量子信道可以是光纤。另外他们还需要一条公共经典信道，比如无线电或因特网。公共信道的安全性不需考虑，BB84协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方Eve窃听的可能。

3量子共享密钥举例

假设Alice与Bob想借助量子信息建立他们的共享密钥进行秘密通信。首先他们需要两个信道：一个是量子信道，另一个是传统信道。他们利用量子信道来交换从纠缠光子源泉分享出来的极化光子，利用传统信道将通常的信息发送给对方。假设窃听者可观察到传统信道上发送的信息，也可观察及重发量子信道上的光子。

假设Alice先选定一个比特串m=0111001010发送给Bob。Alice随机选择极化基：

B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1，B2，B2，B2

则她发送量子比特（即光子）给Bob：

|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉

Bob随机选择极化基：

B2，B2，B2，B1，B2，B1，B1，B2，B2，B1

然后对Alice发送的量子比特进行测量，并记下每次测量的结果。且Bob告诉Alice他选择的极化基。Alice则反馈Bob他选择的第2、4、5、7、8、9个极化基与她选择的相同。于是：

|〉，|〉，|〉，|〉，|〉，|〉

就是Bob测量到的正确结果，它们对应的比特是：1，1，0，1，0，1。因此Alice与Bob就得到了相同的比特串110101，他们就可用此比特串作为秘密通信的密钥。如果Alice发送一个大约112长的量子比特串给Bob，则他们就可得到一个可用于DES加密体制的56比特的密钥。

4量子密钥分发

一般来说，利用量子（态）进行秘密密钥分发的过程可由下面几个步骤组成。

1）量子传输：设Alice与Bob要利用量子信道建立一个共享的密钥，则Alice随机选取单光子脉冲的光子极化态和极化基将其发送给Bob。Bob再随机选择极化基进行测量，将测量到的量子比特串秘密保存。

2）数据筛选：由于传输过程中噪声以及窃听者的干扰等原因将使量子信道中的光子极化态发生改变，还有Bob的接受仪器测量的失误等各种因素，会影响Bob测量到的量子比特串，所以必须在一定的误差范围内对量子数据进行筛选，以得到确定的密码串。

3）数据纠错：如果经数据筛选后通信双方仍不能保证各自保存的全部数据无偏差，可对数据进行纠错。目前比较好的方法是采用奇但凡校验，具体做法：Alice与Bob将数据分为若干个数据区，然后逐区比较各数据区的奇偶校验子。例如计算一个数据区的1的个数并进行比较，如果不相同，则将该数据区再强加于人发，然后再继续上面的过程。在对某一数据区进行比较时，双方约定放弃该数据区的最后一个比特。并且操作过程重复多次，可在很大程度上减少窃听者所获得的密钥信息量。量子信息论的研究表明这样做可使窃听者所获得的信息量按指数级减少。虽然数据纠错减少了密钥的信息量，但保证了密钥的安全性。

综上所述，随着科技的进步，信息交换手段越来越先进，速度也越来越快，信息的内容和形式越来越丰富，信息的规模也越来越大。由于信息量的集聚增加，保密需求也从军事、政治和外交领域扩展到民用和商用。量子密码学正在逐步渗透到通信、电子政务、金融系统乃至航天科技。我国是国际上最早从事量子密码技术研究的国家之一，20多年来，我国密码科技工作者在芜湖“量子政务网”等多个项目中取得优异成绩，我们正在逐步迈进量子信息时代。

参考文献：

［1］徐茂智.信息安全与密码学[M] .北京:北京清华大学出版社,2007.

［2］马瑞霖.量子密码通信[M] .北京:北京科学出版社,2006,6.

［3］吴吉义.软件项目管理理论与案例分析[M] .北京:北京中国电力出版社,2007.

［4］曾贵华.量子密码学[M].北京:北京科学出版社,2006.

［5］曹轶乐,杨伯君.量子密码术[J].光通信技术,2004,4.

［6］屈平.量子密码术开辟通信安全新时代[J].世界电信,2004(8).

量子力学的基本理论范文第6篇

关键词：材料科学；结构化学；教学内容

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）18-0032-02

湘潭大学目前除了化学专业、应用化学专业开设结构化学之外，材料物理、材料化学、材料科学与工程这3个材料科学类的专业也开设结构化学课程，5个专业使用的教材均为周公度、段连运先生编著，北京大学出版社出版的结构化学基础（第4版）一书。根据近几年来材料科学类结构化学的教学实践情况，考虑到材料科学学科与化学学科之间的差异，根据材料科学与工程教学指导委员会制订的高等学校材料物理、材料化学专业规范，优化适合于材料科学类3个专业的结构化学课程的教学内容实有必要。

一、结构化学的内容和课程的任务

结构化学是研究原子在空间相互结合成分子或化学实体的方式（结构）、依据（化学键本质）、规律及结构与性能间的联系，它是联系材料宏观与微观的桥梁，是材料设计的基础。结构化学以在分子水平上研究自然科学问题为其主要目标与特征，这决定了它不仅是研究化学反应机制、化学的内在规律性、各类化学体系立体构型、键型及构效关系的指南，而且已成为材料科学、分子生物学、金属有机化学等新兴、边缘或综合学科发展的支柱。结构化学不仅与化学各分支学科，而且与材料科学、物理学、地学、生命科学、冶金学等学科有广泛的横向联系与交叉。结构化学的另一个重要内容就是与合成化学、理论化学以及材料科学、生命科学、固体物理等相邻学科一起，建立分子工程学、晶体工程学等学科。

结构化学课程是材料科学类的一门基础课，其任务是使学生深刻掌握微观物质运动的基本规律，获得原子、分子和晶体结构的基本理论、基础知识，深入掌握物质结构和性能的相互关系，牢固树立结构决定性能的观点，了解研究分子和晶体结构的近代物理方法。通过这门课程的学习，培养学生的创新精神和实践能力，进一步培养学生从结构的观点分析问题和解决问题的能力。结构化学的教学对于锻炼学生思维、开发学生智力、发展学生能力、提高学生综合素质有着极其重要的作用。凡具有较好理论基础的大学毕业生，适应能力强，后劲足，结构化学的教学起着十分重要的作用。

二、材料科学的特征

材料科学与工程正在发生深刻的变化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表现在3个方面。第一，材料科学技术化，材料技术科学化，材料科学与工程技术日益融合，相互促进；第二，新材料、新技术、新工艺相互结合，为各个工程领域开拓了新的研究内容，带来了新的生命力和发展前景；最后，学科之间的相互交叉渗透，使得各学科之间的关系日益密切，难以分割。基础科学与现代技术的新成果也和材料科学与工程的发展交织在一起。

从教材角度看材料科学，具有3个特征：基础性、前沿性和应用性。基础性，一方面指材料科学的研究是建立在物理、化学的基础上，没有扎实的理化基础从事材料研究与开发是难以想象的。另一方面，当前材料科学研究显示出突出的交叉性和综合性，学科内容及规模不仅体系庞大而且纷繁芜杂，没有扎实的基础就难以抓住要害，不能适应学科的变化和发展，这就要求教材毫不含糊地重视基础。前沿性是指材料科学的发展速度迅猛，只有在教材中恰当地反映这些变化，才能使学生适应日后的研究工作。应用性是指材料研究的目的而言，是为了实际应用。当今材料研究从实验室到工业化的时间大大缩短，材料研究与开发已成为高科技的重要组成部分，要求在教材中有意识地体现这一特征。

三、结构化学课程教学的主要内容与基本要求

根据结构化学的研究内容和材料科学学科的特征，材料科学类的结构化学课程不仅要兼顾物理系的材料物理和化学系的材料化学2个专业，包含适当的量子力学基础、固体理论和表面结构化学，还要适当地介绍一些的功能材料，不能“有理无物”，而且既要与材料物理课程和材料化学课程紧密地相联系，又要区别开来，既要与计算物理课程和计算化学课程相联系，又要区别开来，突出材料结构与性能的关系，简要介绍分子设计学。遵循加强基础、强化能力、整体优化、精选内容、更新知识、突出应用、反映前沿及简明扼要的原则，进行教材编写。

在内容的选取上，首先把握更新与精选，处理好“新”与“基”的关系。在加强基本教学内容的前提下适当反映新内容，拓宽知识面，体现“少而精”、“精而新”的原则。不仅要反映现代科学的发展趋势和学科的前沿理论，而且应注重结构化学课程对其他课程和学科的渗透，提高综合度。其次充分重视理论联系实际。在不同部分侧重点不同，力求加强宏观与微观的联系，掌握规律。第三，注意演绎法和归纳法2种方法的应用。RHoffmann曾说：“化学理论的最主要作用是提供一种思维方式，以总结更新知识”。结构化学作为理论化学的重要组成部分，要求该课程使学生在2种思维模式即演绎法和归纳法方面均得到较好的训练。中国传统教学偏重演绎，优点是严谨，但缺乏创新意识，而美国等国家在教学上侧重归纳，优点是独立思考和创造能力强，缺点是基础不够扎实。因此，我们力求将2种思维模式在各个章节都有所体现，期望学生受到全面的训练。第四，充分注意习题的作用。习题是锻炼思维的体操，是学习过程中的重要一环，做习题不仅是理解、掌握知识，而且是学会如何运用知识。虽然做习题本身不是科学研究，但对研究能力的养成有重要作用。许多科学大师都曾津津乐道于他们早年在习题中的受益。A Sommerfeld曾写信给他的学生W Heisenberg，告诫他：要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。杨振宁也曾回忆他的大学学习：西南联大教学风气是非常认真的，我们那时念的课，一般老师准备得很好，学生习题做得很多。的确，“勤奋地去做练习”，“习题做得很多”，往往是达到成功的一个阶梯。因此例题习题选编的恰当与否直接影响教学效果，这在内容多、学时少、提倡自学的当今时代显得尤为重要，对于结构化学课程而言更是如此。习题不能全部简单化，我们编写了一定数量的综合训练题。最后，注意课外读物的作用。课外读物有利于拓宽学生的知识面，培养学生的自学能力。阅读原始研究论文能够培养学生良好的思维能力和思考问题的方法，提高他们分析问题和解决问题的能力。在结构化学中，每一个基本原理或理论大都对应一位科学大师，学习他们的研究方法及写作技巧，对学生将来从事科研等工作十分有益。

因此，材料科学类的结构化学课程教学内容应包括下列6部分内容，各部分的基本要求如下：

1.量子力学基础和原子结构。这部分内容在第1、2章中讲授。要求了解量子力学的基本假设，掌握氢原子和类氢离子的薛定谔方程及求解要点，提高对原子结构的认识，深入理解原子轨道的意义、性质和空间图象。了解多电子原子的自恰场方法及中心力场近似法，了解核外电子布居的依据，了解角动量的偶合及原子光谱项的意义。

2.化学键理论和分子结构。这部分内容主要在第3、5、6、10章中讲授。要求重点掌握化学键的三个基本理论：分子轨道理论、价键理论和配位场理论。其中第3章要求了解线性变分法处理H2+和H2，了解共价键本质及典型的双原子分子的电子排布。第5章要求掌握价键理论在多原子分子结构中的应用，掌握s-p杂化轨道的造法及键角公式。要求掌握HMO方法及其在共轭分子中的应用，掌握前线轨道理论和能量相关图及其应用。第6章要求掌握配位场理论在配位化合物结构中的应用，π-σ配键化合物和过度金属簇合物的电子结构或成键特征与性能。了解分子光谱、电子能谱原理。掌握现代化学键理论在讨论非金属化合物成键特征及结构与性能关系方面的应用。

3.点阵理论和晶体结构。这部分内容主要在第4、7、8、9章中讲授。要求根据分子的几何构型确定分子所属的点群，初步了解群的表示和特征表的意义。了解偶极矩、旋光性与分子结构的关系。要求着重了解X射线衍射等方法所依据的基本原理，以及在测定结构中的作用和应用范围，为了解与掌握现代化学中的重要实验方法打下初步的理论基础。掌握描述晶体结构的表达方法，掌握金属、离子化合物的晶体结构与性能。了解用结构化学理论研究固体表面的结构和性能的方法。

4.功能材料结构与性能。这部分内容在11章中讲授。初步了解几类重要的功能材料，加深理解结构决定性能的观点，初步了解功能材料结构与性能的关系。

5.分子设计基础。这部分内容在12章中讲授。初步了解分子设计的基本原理及其应用。

量子力学的基本理论范文第7篇

20世纪后半叶，物理学在此前建立起来的狭义相对论、量子力学、量子电动力学、统计物理和许多重要物理实验基础上，以前所未有的速度发展着.许多物理学的分支学科，如原子、分子物理、原子核物理、固体物理、等离子体物理以及粒子物理等，都得到极大发展.与此同时，科学发展的另一个重要特征是学科间相互渗透和交叉综合.物理学和其他学科相互渗透，产生了一系列交叉学科和边缘学科，如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理等等.物理学的新概念、新理论和新的实验方法向其他学科转移，促成各学科的发展并成为其组成部分.

20世纪后半叶，新技术特别是高新技术发展之快也是前所未有的.高技术包含的科学知识高度密集，综合性极高，如红外和红外成像技术、激光技术、计算技术、信息技术、航天技术、生物技术等等，都无一例外地与物理学等学科的基本概念、基本理论和基本实验方法密切相关，其发展在很大程度上依赖包括物理学在内的各学科的发展.

现代军事科学技术的知识密集性、综合性极高，处于科学技术的前沿，近几年来的局部战争向人们展示，现代战争在相当大程度上是高新技术的较量.现代军事科学技术离不开物理学和物理学的新成就，如红外夜视、激光制导、激光雷达、三相弹等都与物理学原理和物理学实验技术密切相关.

这一切都表明，在科学技术发展的进程中，物理学不但在历史上曾经是处于主导地位的，在20世纪是处于主导地位的，而且毫无疑问，21世纪物理学在科学技术发展中也必将处于主导地位，它的作用将会更加突出.

大学物理课是一门重要基础课，它的作用一方面是为学生较系统地打好必要的物理基础，另一方面是使学生初步学习科学的思维方法和研究方法，这些都起着增强适应能力、开阔刘义洪盈赘大争物双教争敬沮思路、激发探索和创新精神、提高人才素质的重要作用.学好大学物理，不仅对学生在校学习十分重要，而且对学生毕业后的工作和在工作中进一步学习新理论、新知识、新技术、不断更新知识，都将发生深远的影响.物理课的这一作用，特别为许多专家、教授、高级工程技术专家所强调.

我国工科大学物理的学时一直少于理科.因此，目前实施的教学内容，主要是传统物理课内容在给定学时范围内一再精选后形成的.总的来讲，工科大学生的物理基础较薄弱，物理知识面也较窄，特别是近代物理和现代工程技术有关的物理基础和现代工程技术方面的新知识更显薄弱.如我们的课程基本要求中没有物性学、分子、原子核、粒子等内容;没有偏振光干涉、核磁共振、穆斯堡尔效应等内容;量子物理、统计物理等近代物理基础的基本概念、基本理论和知识甚为薄弱.这些内容，工科一般专业在后续课中多不再涉及，而它们恰恰是当今学习新理论、新知识和新技术所要涉及的，有些甚至已成为当今高新技术的组成部分.在这个意义上讲，大学物理课内容“老的多、新的少”.因此，更新内容，加强现代物理和现代工程技术有关知识，特别是有关基础知识，是工科物理教学改革必须面向的首要问题.

二、工科物理课教学改革

工科大学物理课程的教学改革是很复杂的，也是很困难的，不可能一嗽而就.应该坚持以下原则:不应改变物理课作为基础课的地位和作用，应着力研究现代高级工程技术人才应具备什么样的物理基础;要重点研究如何处理好经典物理和近代物理及有关近代内容的关系;应在培养学生科学思维方法和分析问题、解决问题能力上加大力度，与研究教学内容改革的同时，还必须系统地研究教学方法、考试方法等教学环节的改革.

工科大学物理课内容改革的重点在于加强物理学基础(包括经典物理基础和近代物理基础)，同时适当地介绍反映现代物理和现代工程技术的新知识，扩大学生的知识面，在整个教学过程中提高学生分析及解决问题的能力和独立获取知识的能力.由于工科物理课程教学时数少，只靠课程内容和体系本身改革回旋余地小，改革要将课内课外、理论教学与实验教学、课与课间关系诸方面综合考虑.（一)课程教学内容改革，应以物理课程教学基本要求为依据.在保证经典的前提下，进一步精选经典物理内容，突出教学内容及能力培养，避免过分强调系统性和严密性等，在整个经典物理教学过程中应贯彻加强近代思想;在近代物理基础的基本要求部分，加强量子力学和统计物理基础知识，以利于学生在校和离校后进一步学习新理论、新知识和新技术;加强现代工程技术物理基础专题，这部分内容应侧重物理原理，而不要停留在科普水平上，上述三部分内容的讲授学时，分别约占总学时的58%、27%和15%.

(二)开设物理类和技术类专题选修课(或讲座).物理类选修课:如现代物理导论、混沌、原子和分子物理、核物理、天体物理、等离子体物理、凝聚态物理、嫡和信息、傅里叶光学、非线性光学、非线性力学等、技术类选修课:如现代工程技术专题、激光技术、光散射技术、全息技术、穆斯堡尔谱学、核磁共振技术、薄膜技术、换能器、红外技术、低温和超导等.选修课应着重物理概念、物理思想和方法，不追求数学严密性，不过分强调系统性和完整性.

(三)教学手段改革是教学改革的重要组成部分.粉笔加教鞭不适应改革的需要已经成为人们的共识.近几年来，有许多院校在多媒体辅助教学上做了大量的工作.实践证明，把多媒体技术应用于教学可以改变信息的包装形式，在计算机上把图、文、声、像集成在一起，提高教学内容的表现力和感染力，能调动学生主动运用多种感观积极参与多媒体的活动，使学生由知识的被动接受转为主动发现.同时，这也为教学研究提供了有力工具，为教学的顺畅实施与高效提供了可靠的技术保障.在提高认识的基础上，加大这方面的资金投人，多媒体辅助教学必将成为21世纪教学手段的主体.而多媒体辅助教学软件也应向智能化方向发展.1997年n月6日，中国物理学会正式宣布中国物理教育网建立.这就为网上教学和科研提供了方便，物理教育工作者应充分利用这一有利条件，从网上获取信息服务于教学.名校、名师更应在网上传播自己的教法和经验，使大家受益.

量子力学的基本理论范文第8篇

本文介绍了材料类专业大学物理教学现状，分析了目前教学中的不足，提出了大学物理除了培养学生基本自然科学素养外，还应为专业课程奠定物理基础，并针对性提出了优化大学物理课程内容和教学方法的建议，旨在提高材料类专业大学物理的教学质量。

关键词：

大学物理；材料类专业；教学改革

1引言

物理学研究的是物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及相互转化，它的基本理论是各个自然学科工程技术的基础，广泛的应用于生产、生活实际。大学物理课程则是以物理学的基本原理和基础应用为内容的高等学校理工科各专业学生一门重要的必修基础课，该课程是养成学生科学素养的重要组成部分，对培养学生树立科学的世界观，增强学生分析问题、解决问题的能力，以及探索精神和创新意识的培养等方面具有重要作用。同时，各理工类专业领域中都会涉及到物理学的基本原理、基本结论和基本方法，因而大学物理课程能为学生在后续的专业课程学习以及将来工作中解决生产技术问题，进行技术改造和技术创新奠定重要的基础，是合格的理工科毕业生、科技工作者和工程技术人员所必备的知识。对于不同专业，所需的物理知识侧重点是不同的，如电子类专业侧重于电磁学，化工类专业侧重于热学，机械类专业侧重于力学等。要充分发挥大学物理课程的作用，就应当根据各专业特点，合理安排大学物理内容，在教学过程中结合学生专业的需求有重点、有选择地进行物理教学。我们以材料类专业为基础，探讨分专业大学物理教学的教学模式。

2大学物理教学现状

2.1专业针对性不足

大学物理作为自然科学的基础，除了培养学生科学素养外，也应该起着连接基础理论知识与实际应用技术的桥梁作用。然而目前很多高校各理工专业都采用相同或类似的教材和大纲。这种安排虽照顾到了物理学各个基本组成部分，但是内容庞大，容易让学生产生学习的畏惧感，同时也不能体现出各专业的特点以及对物理知识要求的侧重点的差异，容易让学生学无所用的感觉，从而影响学习的积极性，仅仅是应付了事。

2.2教学设计不合理

传统的大学物理教学，更多的偏重于理论知识教学，实践教学（包括课堂演示实验）偏少，容易造成理论和实践的脱节教学中有很多的专业术语和复杂繁琐的理论推导，需要学生很好的掌握高等数学知识。然而随着目前高校的扩招，很大部分学生的数学基础薄弱，学习中一旦理解不了，容易出现畏难和厌学情绪，从而影响学习效果。

2.3学时少，内容多

随着高校扩招，办学规模扩大以及专业技术的不断发展，高校的教学计划也在不断的调整，大学物理教学内容也一再压缩。根据教育部高等学校物理基础课程指导委员会颁布了《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》[1]，大学物理建议学时不少于126学时，但实际上目前各院校材料类专业大学物理课程学时普遍少于此建议。大学物理课程内容多，难度大，学时的压缩增大了教师教学难度，也导致学生难以在短时间内掌握如此多的知识。如何在短时间内教给学生足够的知识，对大学物理教学来说是一个不小的挑战[2]。

2.4教学手段单一

目前大学物理教学更多的是采用教师用多媒体讲授，学生被动接受的方式。这种以教师为中心的教学方式减少了学生和老师的互动交流，导致了学生的学习的主动性下降，课堂注意力不集中。如何运用形式多样的教学方法，提升学生的积极性，也是大学物理教学改革的方向。

3材料类专业大学物理的分专业教学改革

基于以上大学物理在教学中所遇到的问题和困难，笔者在本校材料类专业中进行了大学物理分专业教学的改革尝试。所谓分专业教学，即在满足培养学生基本物理科学素养的基础上，根据各专业的特点，合理制定不同的教学计划，弱化与专业关系不大的物理知识，加深与专业关系密切的部分教学，加强与专业相关的物理前沿科技介绍，为专业课程学习奠定良好的物理基础。通过改革明确学生学习的目的，提高学习兴趣。

3.1教学内容的调整

根据材料类专业课程特点，综合考虑学生的数学基础和专业培养方案，本着科学素养培养+材料专业物理基础的原则，结合材料学科发展趋势，对大学物理知识进行重组，形成材料类大学物理教学体系。

3.1.1热学

热性能是材料学研究的重要方面，如材料热膨胀、热传导等。目前的大学物理教材中只以理想气体为对象介绍热力学定律和分子动理论，对于固体和液体甚少提及。为此，笔者在讲授热力学定律时，同时介绍热力学定律对固体、液体的简单应用，介绍熵、焓的概念，并结合具体材料介绍相变概念。在介绍分子动理论时，以气体为研究对象，得出气体速率分布，并引出玻尔兹曼统计，简要介绍统计物理在材料学中的应用。

3.1.2光学

传统大学物理中光学部分主要讲解波动光学，包括光的干涉、衍射、光栅和光的偏振，着重在讲光程差计算、条纹特点、光强变化等，涉及到多个实验装置和大量公式，学生极易混淆，学习效果不好。因此我们弱化干涉，衍射条纹计算，减少实验装置，重点在相干叠加的物理思想。适当增加材料的光学性质介绍，如法拉第效应、光弹性效应等，增加光谱分析在材料检测中的应用。

3.1.3力学

力学是整个物理学的基础，材料的力学性能也是材料学研究的重要方向，而当前大学物理教学主要在质点运动学、动力学、机械振动和机械波。为与材料专业相适应，我们引入了弹性体力学和流体力学部分基础知识，让学生更多了解材料的力学性能及其研究方法。质点力学是力学的基础，讲授时我们特别强调物理研究的思想、物理概念和方法，如理想物理模型、矢量叠加原理、微元法等，培养学生科学的研究方法。

3.1.4电磁学

整个电磁学知识体系庞杂，学习难度大。其中静电场、稳恒磁场和电磁感应，是整个电磁学的基本，讲授时我们主要强调物理思想、概念和方法。导体和电介质、磁介质是描述材料的电磁性质的基础和基本方法，与材料专业密切相关，为此我们做了重点学习，让学生了解材料电磁性质的描述和研究方法。

3.1.5近现代物理

近现代物理主要包括相对论和量子物理。其中相对论与材料专业关系不大，因此，仅作简介，让学生了解基本的时空观概念。量子物理是研究微观粒子运动规律，而任何材料总是由基本粒子构成的，是材料研究的基础，然而量子物理知识复杂且难以理解，要求数学知识也较高，故仅介绍量子力学基本原理和原子物理的初步知识。

3.2教学方式改革

大多数大学教学中采用多媒体讲授式教学模式，即教师在讲台上讲，学生在下面听[3，4]。这种模式教学课堂传输知识量大，知识点和公式都直接投影在屏幕上，可以省去教师书写节省时间，但教学过程中过于依赖多媒体而忽略了板书，板书书写可以突出关键性的知识难点，学生也可以跟上老师的思维从而理解重要的知识点。因此在教学实践中，采用“多媒体+板书”的教学方式是有效的方式。物理作为一门实验学科，所有理论都需要通过实验验证，因此在ppt课件中，适当引入相关的动画和视频资料，可以起到事半功倍的效果，比教师枯燥的讲授要生动、深刻得多，既丰富了教学内容又开阔了学生视野。在教学过程中，启发式教学比满堂灌更能提起学生兴趣，教师要从现象引入，引导和启发学生进行积极思考，逐渐解开难题，教会学生用科学的思维方法解决问题。教学是个双向的过程，一定要加强师生间的互动，才能达到好的教学效果，教师要适时的提出问题，让学生思考回答。

4结语

总之，大学物理作为理工类专业的基础课，自有其重要性，我们需要重视大学物理的教学，既要培养学生自然科学的素养，又要架好和专业课程之间的桥梁。实践证明，考虑到材料类专业自身特点，本文中提到的教学改革方法能有效提高学生学习兴趣和物理素养，奠定专业学习必要的物理基础。然而，大学物理课程改革是一个复杂的系统过程，我们需要坚持不懈的进行研究和探索，完善教学体系，充分利用课堂时间，达到更好的教学效果。

作者：白浪单位：攀枝花学院材料工程学院

参考文献：

[1]教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会．非物理类理工科大学物理课程教学基本要求[J]．物理与工程，2006，16(5)，1~8.

[2]程南璞.材料类专业中数理方法课程的改革与实践[J].西南师范大学学报（自然科学版），2011，36(2):202-205.

量子力学的基本理论