前言：中文期刊網精心挑選了量子力學定態的概念范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。
量子力學定態的概念范文1
關鍵詞：量子力學；教學改革；物理思想
作者簡介：王永強（1980-），男，山西河曲人，鄭州輕工業學院技術物理系，講師。（河南?鄭州?450002）
基金項目：本文系鄭州輕工業學院第九批教學改革項目“《量子力學》課程體系與教學內容的綜合改革和實踐”資助的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0070-02
“量子力學”是20世紀物理學對科學研究和人類文明進步的兩大標志性貢獻之一，已經成為物理學專業及部分工科專業最重要的基礎課程之一，是學習“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。通過這門課程的學習，學生能熟練掌握量子力學的基本概念和基本理論，具備利用量子力學理論分析問題和解決問題的能力。同時，這門課程對培養學生的探索精神和創新意識及科學素養亦具有十分重要的意義。然而，“量子力學”本身是一門非常抽象的課程，眾多學生談“量子”色變，教學效果可想而知。如何激發學生學習本課程的熱情，充分調動學生的積極性和主動性，提高量子力學的教學水平和教學質量，已經成為擺在教師面前的重要課題。近年來，筆者在借鑒前人經驗的基礎上，結合鄭州輕工業學院（以下簡稱“我校”）教學實際，在“量子力學”的教學內容和教學方法方面做了一些有益的改革嘗試，取得了較好的效果。
一、“量子力學”教學內容的改革
量子力學理論與學生長期以來接觸到的經典物理體系相去甚遠，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。針對以上教學中發現的問題，筆者對“量子力學”課程的教學內容作了一些有益的調整。
1.理清脈絡，強化知識背景
從經典物理所面臨的困難出發，到半經典半量子理論的形成，最終到量子理論的建立，對量子力學的發展脈絡進行細致的、實事求是的分析，特別是對量子理論早期的概念發展有一個準確清晰的理解，弄清楚到底哪些概念和原理是已經證明為正確并得到公認的，還存在哪些不完善的地方。這樣一方面可使學生對量子力學中基本概念和基本理論的形成和建立的科學歷史背景有一深刻了解，有助于學生理清經典物理與量子理論之間的界限和區別，加深他們對這些基本概念和基本理論的理解；另一方面，可使學生對蘊藏在這一歷程中的智慧火花和科學思維方法有一全面的了解，有助于培養學生的創新意識及科學素養。比如：對于玻爾理論，由于對量子化假設很難用已經成形的經典理論來解釋，學生往往會覺得不可思議，難以理解。為此，在講解這部分內容時，很有必要介紹一下玻爾理論產生的歷史背景，告訴學生在玻爾的量子化假設之前就已經出現了普朗克的量子論和愛因斯坦的光量子概念，且大量關于原子光譜的實驗數據也已經被掌握，之前盧瑟福提出的簡單行星模型卻與經典物理理論及實驗事實存在嚴重背離。為了解決這些問題，玻爾理論才應運而生。在用量子力學求解氫原子定態波函數時，還可以通過定態波函數的概率分布圖，向學生介紹所謂的玻爾軌道并不是真實存在的，只是電子出現幾率比較大的區域。通過這樣講述，學生可以清晰地體會到玻爾理論的承上啟下的作用，而又不至于將其與量子力學中的概念混為一談。
2.重在物理思想，壓縮數學推導
在物理學研究中，數學只是用來表述物理思想并在此基礎上進行邏輯演算的工具，教師不能將深刻的物理思想淹沒在復雜的數學形式之中。因此，在教學過程中，教師要著重于加強基本概念和基本理論的講授，把握這些概念和理論中所蘊含的物理實質。對一些涉及繁難數學推導的內容，在教學中刻意忽略具體數學推導過程，著重于使學生掌握其中的思想方法。例如：在一維線性諧振子問題的教學中，對于數學方面的問題，只要求學生能正確寫出薛定諤方程、記住其結論即可，重點放在該類問題所蘊含的物理意義及對現成結論的應用上。這樣，學生就不會感到枯燥無味，而能始終保持較高的學習熱情。
二、教學方法改革
傳統的“填鴨式”教學法把課堂變成了教師的“一言堂”，使得學生在教學活動中始終處于被動接受地位，極大地壓制了學生學習的主觀能動性，十分不利于知識的獲取以及對學生創新能力及科學思維的培養。而且，“量子力學”這門課程本身實驗基礎薄弱、理論性較強，物理圖像不夠直觀，一味采取灌輸式教學，學生勢必感到枯燥，甚至厭煩。長期以往，學習積極性必然受挫，學習效果自然大打折扣。為了提高學生學習興趣，激發其學習的積極性，培養其科學探索精神及創新能力，筆者在教學方法上進行了一些有益的探索。
1.發揮學生主體作用
除卻必要的教學內容講解外，每節課都留出一定的師生互動時間。教師通過創設問題情景，引導學生進行研究討論，或者針對已講授內容，使學生對已學內容進行復習、總結、辨析，以加深理解；或者針對未講授內容，激發學生學習新知識的興趣（比如，在講授完一維無限深方勢阱和一維線性諧振子這兩個典型的束縛態問題后就可引導學生思考“非束縛態下微觀粒子又將表現出什么樣的行為”），[1]這樣學生就會積極地預習下節內容；或者選擇一些有代表性的習題，讓學生提出不同的解決辦法，培養學生的創新能力。對于在課堂上不能解決的問題，積極鼓勵學生利用圖書館及網絡資源等尋求解決，培養學生的科學探索精神。此外，還可使學生自由組合，挑選他們感興趣的與課程有關的題目進行討論、調研并完成小組論文，這一方面激發學生的自主學習積極性，另一方面使其接受初步的科研訓練，一舉兩得。
2.注重構建物理圖像
在實際教學中著重注意物理圖像的構建，使學生對一些難以理解的概念和理論形成較為直觀的印象，從而形成深刻的記憶和理解。例如：借助電子束衍射實驗，通過三個不同的實驗過程（強電子束、弱電子束及弱電子束長時間曝光），即可為實物粒子的波粒二象性構建出一幅清晰的物理圖像；借助電子束衍射實驗圖像，再以光波類比電子波，即可凝練出波函數的統計解釋；[2]借助電子雙縫衍射實驗圖像，可使學生更易接受和理解態疊加原理；借助解析幾何中的坐標系，可很好地為學生建立起表象的物理圖像。盡管這其中光波和電子波、坐標系和表象這些概念之間有本質上的區別，但借助這些學生已經熟知和深刻理解的概念，可使學生非常容易地接受和理解量子力學中難以言明的概念和理論，同時，也可使學生掌握這種物理圖像的構建能力，對培養學生的創新思維具有非常積極地作用。
三、教學手段和考核方式改革
1.課程教學采用多種先進的教學方式
如安排小組討論課，對難于理解的概念和規律進行討論。先是各小組內討論，再是小組間辯論，最后老師對各小組討論和辯論的觀點進行評述和指正。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。另外課程作業布置小論文，邀請國內外專家開展系列量子力學講座等都是不錯的方式。
2.堅持研究型教學方式[3]
把課程教學和科研相結合，在教學過程中針對教學內容，吸取科研中的研究成果，通過結合最新的科研動態，向學生講授在相關領域的應用以培養學生學習興趣。在量子力學誕生后，作為現代物理學的兩大支柱之一的現代物理學的每一個分支及相關的邊緣學科都離不開量子力學這個基礎，量子理論與其他學科的交叉越來越多。例如：基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚態物理到中子星、黑洞各個層次的研究以量子力學為基礎；量子力學在通信和納米技術中的應用；量子理論在生物學中的應用；量子力學與正在研究的量子計算機的關系等，在教學中適當地穿插這些知識，擴大學生的知識面，消除學生對量子力學的片面認識，提高學生學習興趣和主動性。
3.利用量子力學課程將人文教育與專業教學相結合
量子力學從誕生到發展的物理學史所包含的創新思維是迄今為止哪一門學科都難以比擬的。在19世紀末至20世紀初，經典物理學晴空萬里，然而黑體輻射、光電效應、原子光譜等物理現象的實驗結果嚴重沖擊經典物理學理論，讓經典物理學陷入危機四伏的境地。1900年，德國物理學家普朗克創造性地引入了能量子的概念，成功地解釋了黑體輻射現象，量子概念誕生。1905年，愛因斯坦進一步完善了量子化觀念，指出能量不僅在吸收和輻射時是不連續的（普朗克假設），而且在物質相互作用中也是不連續的。1913年，玻爾將量子化概念引入到原子中，成功解釋了有近30年歷史的巴爾末經驗光譜公式。泡利突破玻爾半經典、半量子論的局限，給予了令玻爾理論不安的反常塞曼效應以合理解釋。1924年，德布羅意突破普朗克能量子觀念提出微觀粒子具有波粒二象性，開始與經典理論分庭抗禮。[4]和學生一起重溫量子力學史的發展之路，在教學過程中展現量子力學數學形式之美，使學生在科學海洋中得到美的享受，從精神上熏陶他們的創新精神。
4.考試方式改革
在本課程的教學中采用了教考分離，通過小考題的形式復習章節內容，根據學生的實際水平適當輔導答疑，注重學生對量子力學基礎知識理解的考核。對于評價系統的建立，其中平時成績（包括作業、討論、綜合表現等）占30％，期末考試占70％。從實施的效果來看，督促了學生的學習，收到了較好的效果，受到學生的歡迎。
四、結論
通過近年來的改革嘗試，我校的“量子力學”教學水平穩步提高，加速了專業建設。2009年，我?！傲孔恿W”被評為校級精品課程，教學改革成果初現。然而，關于這門課程的教學仍存在不少問題，如教學手段單一、與生產實踐結合不夠緊密等等，這些都需要教師在今后教學中進一步改進。
參考文獻：
[1]周世勛.量子力學教程(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]呂增建.從量子力學的建立看類比思維的創新作用[J].力學與實踐,
2009,(4).
量子力學定態的概念范文2
多年以前，高科技最牛的美國就已不把電子計算機列為高科技產品了。
但巨高性能計算機仍是信息時代的高科技標志物件之一。2012年諾貝爾物理學獎發給了法國人塞爾日·阿羅什和美國人大衛·維恩蘭德，這兩位科學家的研究成果為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。
惡搞一下：法國人浪漫，而簡稱美國人為美人，那么，浪漫人美人=？
文藝范兒的信息
不往濫俗里想，那么，答案就是很文藝化的表達了。其實，“信息”最初是相當文藝范兒的，而不是20世紀中期才開始熱門起來的科技詞匯。
一般認為，中文的“信息”一詞出自南唐詩人李中《暮春懷故人》：“夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺?！薄?“美眉音信消息全無啊，夢里也夢不到你，我獨自上樓倚欄，望眼欲穿望到長路盡頭也不見你?！边@么拙劣地意譯，也讓人感覺到深深的思念。
其實，在李中之前一百多年，與李商隱齊名的唐朝大詩人杜牧《寄遠》里就有“信息”了：“塞外音書無信息，道旁車馬起塵埃。”還有比小杜更早的，唐朝詩人崔備的《清溪路中寄諸公》：“別來無信息，可謂井瓶沉?！?/p>
宋朝的婉約派大詞人柳永、李清照也用過“信息”這個詞。因金兵入侵而流離失所的李清照思念當年安樂的故鄉，心理上把信息的價格定成了真正的天價：“不乞隋珠與和璧，只乞鄉關新信息?！薄昵暗奶扑沃袊?，其高科技雖是世界第一，但信息技術還是跟現在沒法比的，要靠驛馬、鴻雁甚至人步行來傳遞信息，速度慢而效率低，信息珍貴啊。
在地球的西方呢？雖然香農1948年就劃時代地把信息引為數學研究的對象，賦予其新的科學的涵義；至1956年，“人工智能”術語也出現了。可最早討論數據、信息、知識與智慧之間關系的，卻是得過諾貝爾文學獎的大詩人艾略特（T. S. Eliot；錢鐘書故意譯為“愛利惡德”）。他在1934年的詩歌“The Rock”中寫道：
Where is the Life we have lost in living？
Where is the wisdom we have lost in knowledge？
Where is the knowledge we have lost in information？
Where is the information we have lost in data？
我們迷失于生活中的生命在哪里？
我們迷失于知識中的智慧在哪里？
我們迷失于信息中的知識在哪里？
我們迷失于數據中的信息在哪里？
盡管第四句是好事者后加的，但詩人還是直指本質地提出了信息暴炸時代最困擾人的難題：如何不讓我們的生命和智慧都迷失在數據中？
量子計算機和量子信息技術，提供了一種讓生命和智慧不要淹沒在數據的海洋中的途徑、工具和可能。
量子與量子計算機
量子理論是現代物理學的兩大基石之一，為從微觀理解宏觀提供了理論基礎。客觀世界有物質、能量兩種存在形式，物質和能量可以互相轉換（見愛因斯坦的質能方程），量子理論就是從研究極度微觀領域物質的能量入手而建立起來的。
我們知道，微觀世界中有許多不同于宏觀世界的現象和規則。經典物理學理論中的能量是連續變化的，可取任意值，但科學家們發現微觀世界中的很多物理現象無法解釋。1900年12月14日，普朗克在解釋“黑體輻射”時提出：像原子是一切物質的構成單元一樣，“能量子（量子）”是能量的最小單元，原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。這是量子物理理論的誕生。
1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出“光量子（光子）”的概念，并提出光的“波粒二象性”。1920年代，德布羅意提出“物質波”概念，即一切物質粒子均有波粒二象性，海森堡等建立了量子矩陣力學，薛定諤建立了量子波動力學，量子理論進入了量子力學階段。1928年，狄拉克完成了矩陣力學和波動力學之間的數學轉換，對量子力學理論進行了系統的總結，成功地將相對論和量子力學兩大理論體系結合起來，使量子理論進入量子場論階段。
“量子”詞源拉丁語quantum，意為“某數量的某事物”?，F代物理學中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子；或者說，一個物理量如果有不可連續分割的最小的基本單位，則這個物理量（所有的有形性質）是“可量子化的”，或者說其物理量的數值會是特定的數值而非任意值。例如，在（休息狀態）的原子中，電子的能量是可量子化的，這能決定原子的穩定和一般問題。
雖然量子理論與我們日常經驗感覺的世界大不一樣，但量子力學已經在真實世界應用。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。現代社會要處理大量數據和信息，需要計算的機器（計算機）。量子力學的突破，使瓦格納等于1930年發現半導體同時有導體和絕緣體的性質，后來才有了用于電子計算機的同時作為電子信號放大器和轉換器的晶體管，再有了集成電路芯片，今天的一個尖端芯片可集聚數十億個微處理器。
隨著計算機科技的發展，發現能耗導致發熱而影響芯片集成度，限制了計算速度；能耗源于計算過程中的不可逆操作，但計算機都可找到對應的可逆計算機且不影響運算能力。既然都能改為可逆操作，在量子力學中則可用一個幺正變換來表示。1969年，威斯納提出“基于量子力學的計算設備”，豪勒夫等于1970年代論述了“基于量子力學的信息處理”。1980年代量子計算機的理論變得很熱鬧。費曼發現模擬量子現象時，數據量大至無法用電子計算機計算，在1982年提出用量子系統實現通用計算以減少運算時間；杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。1994年，數學家彼得·秀爾提出量子質因子分解算法，因其可破解現行銀行和網絡應用中的加密，許多人開始研究實際的量子計算機。
在物理上，傳統的電子計算機可以被描述為對輸入信號串行按一定算法進行變換的機器，其算法由機器內部半導體集成邏輯電路來實現，其輸入態和輸出態都是傳統信號（輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態），存儲數據的每個單元（比特bit）要么是“0”要么是“1”，即在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個。而量子計算機靠控制原子或小分子的狀態，用量子算法運算數據，輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交，其中的變換為所有可能的幺正變換；因為量子態有疊加性（重疊）和相干性（牽連、糾纏）兩個本質特性，量子比特（量子位qubit）可是“0”或“1”或兩個“0”或兩個“1”，即可同時存儲4個二進制數（00、01、10、11），實現量子并行計算（量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種傳統計算，所有傳統計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加，給出量子計算機的輸出結果），從而呈指數級地提高了運算能力——一臺未來的量子計算機3分鐘就能搞定當今世界上所有電子計算機合起來100萬年才能處理完的數據。用量子力學語言說，傳統計算機是沒有用到量子力學中重疊和牽連特性的一種特殊的量子計算機。從理論上講，一個250量子比特（由250個原子構成）的存儲器，可能存儲2的250次方個二進制數，比人類已知宇宙中的全部原子數還多。而且，集成芯片制造業很快將步入16納米的工藝，而量子效應將嚴重影響芯片的設計和生產，又因傳統技術的物理局限性，硅芯片已到盡頭，突破的希望在于量子計算。
量子世界的死貓活貓與粒子控制
喜好科技的文藝青年可能看過美劇《生活大爆炸》，其中有那只著名的“薛定諤貓”：一只被關在黑箱里的貓，箱里有毒藥瓶，瓶上有錘子，錘子由電子開關控制，電子開關由一個獨立的放射性原子控制；若原子核衰變放出粒子觸動開關，錘落砸瓶放毒，則貓死。薛定諤構想的這個實驗，被引為解釋量子世界的經典。而量子理論認為，單個原子的狀態其實不是非此即彼，或說箱里的原子既衰變又沒有衰變，表現為一種概率；對應到貓，則是既死又活。若我們不揭開蓋子觀察，永遠也不知道貓的死活，它永遠處于非死非活的疊加態。
宏觀態的確定性，其實是億萬微觀粒子、無數種概率的宏觀統計結果。微觀粒子通常表現為兩種截然不同的狀態糾纏一起，一旦用宏觀方法觀察這種量子態，只要稍一揭開箱蓋，疊加態立即就塌縮了（擾破壞掉），薛定諤貓就突然由量子的又死又活疊加態變成宏觀的確定態。用實驗研究量子，首先要捕獲單個的量子。即若不分離出單個粒子，則粒子神秘的量子性質便會消失?？茖W家們長期以來頭疼的是，未找到既不破壞量子態，又能實際觀測它的實驗方法，他們只能在頭腦中進行思想實驗，而無法實際驗證其預言。
而阿羅什和維恩蘭德的研究，發明了在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行觀測和操控的方法，則可實證地說出薛定諤貓究竟是死貓還是活貓，而且為研制超級量子計算機帶來了更大可能，因為量子計算機中最基礎的部分——得到1個量子比特已獲成功。
光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子，光子形成可見光或其他電磁波，原子構成物質。他們研究光與物質間的基本相互作用，方法大同小異：維因蘭德利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。他平行放置兩面極精巧的鏡子，鏡間是真空空腔，溫度接近絕對零度（約-273℃）。一個光子進入空腔后，在兩鏡面間不斷反射。阿羅什則通過發射原子穿過阱，控制并測量了捕獲的光子或粒子。他用一系列電極營造出一個電場囚籠，粒子像是被裝進碗里的玻璃球；然后用激光冷卻粒子，最終有一個最冷的粒子停在了碗底。阿羅什在捕獲單個光子后，引入了特殊的里德伯原子，作為觀測工具，從而得到光子的數據。維因蘭德向碗中發射激光，通過觀測光譜線而得到碗底粒子的數據。
2007年以來，加拿大、美國、德國和中國的科學家都說自己研制出了某種級別的量子計算機，但到今天卻仍無一個投入實用。光鐘更接近現實，因為可操控單個量子，就能按意愿調控量子的振蕩（相當于鐘擺）頻率，越高越精；目前實驗的光鐘，若從宇宙產生起開始計時，至今只誤差5秒。光鐘可使衛星定位和計算太空船的位置更精確……
神話般的量子信息技術
科幻作家克萊頓（著有《侏羅紀公園》、《失去的世界》等）在科幻小說《時間線》中，曾文藝化地描述量子計算，用了“量子多宇宙”、“量子泡沫蟲洞”、“量子運輸”、“量子糾纏態”、“電子的32個量子態”等讓常人倍感高深的說法。其中一些如今正在證實或變現。
如果清朝政府的通信密碼不被日本破譯，那么李鴻章后去日本談判時就很可能是另外一種結局，今天也不會有的問題了。目前世界的密碼系統大都采用單項數學函數的方式，應用了因數分解等數學原理，例如目前網絡上常用的密碼算法。秀爾提出的量子算法利用量子計算的并行性，能輕松破解以大數因式分解算法為根基的密碼體系。量子算法中，量子搜尋算法等也能分分鐘攻破現有密碼體系?？烧f量子這種技術在現代軍事上的意義不亞于核彈。但同時，量子信息技術也將發展出一種理論上永遠無法破譯的密碼——量子密碼。
保密通信分為加密、接收、解密三個過程，密鑰的保密和不被破解至為關鍵。量子密碼采用量子態作為密鑰，是不可復制的，至少在理論上是無破譯的可能。量子通信是用量子態的微觀粒子攜帶的量子信息作為加密和解密用的密鑰，其密鑰安全性不再由數學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規律來保證，竊密者只有突破物理法則才有可能盜取密鑰（根據海森堡的測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息）。而且量子通信中，量子糾纏態（有共同來源的兩個粒子存在著糾纏關系，似有“心靈感應”，無論距離多遠，一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也發生變化，速度遠遠超過光速，一旦受擾即不再糾纏。愛因斯坦稱這種發生機理至今未解的量子糾纏為“幽靈般的超距作用”）被用于傳輸和保證信息安全，使任何竊密行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態，從而留下痕跡。
量子力學定態的概念范文3
關鍵詞：大學物理教學；趣味教學；教學效果
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0190-02
大學物理是理工科院校的一門重要基礎課，歷來是學校教學比較重視的部分，但現實的情況是教學效果往往不盡如人意。學生抱怨枯燥，不想學，以致于上課沒興趣學，課下不會做作業，考試不及格，重修后有的學生還不及格。這樣的結果對教師的教學積極性影響很大，讓教師有一種出力不得好的感覺。如何改變這種現狀呢？作者根據多年的大學物理教學經驗，嘗試著在教學過程中引入趣味教學，結合具體生活中的實例，讓學生帶著疑問去聽課，聽課的過程中通過講解的內容來解釋學生的好奇心理，逐漸把學生的學習興趣提高上來，取得了不錯的效果。下面就從典型的近代物理部分說明這種方法的具體操作。
一、從神話故事“天上一天、地上一年”引出相對論部分的教學
大學物理教學中，大家都聽說過愛因斯坦的相對論，但相對論究竟是怎么一回事，學生是比較陌生的。并且這一部分內容學習起來，對于工科院校的學生又是比較難的。每每講到這個地方，筆者都在想如何讓學生帶著興趣學習這部分內容呢？這個時候就可以這樣處理，大家從小就喜歡看《西游記》，《西游記》里有一種思想就是“天上一天、地上一年”，那么這種說法對嗎？如果不對，為什么古人會產生這種思想呢？如果對，那科學依據在哪里呢？讓學生帶著這種疑問來學習，學習氛圍一下子就活躍起來了。下面我們就從愛因斯坦狹義相對論的時空觀來解決這個問題：
愛因斯坦在1905年提出了兩個基本假設：相對性原理和光速不變原理。并且利用這兩個基本假設推出了狹義相對論的時空觀[1]。
1.同時的相對性。如圖1，火車相對于地面的速度為u。取地面為k系，火車為k′系。在車廂中間放一閃光燈M。假設某一時刻閃光燈突然閃了一下，在火車看來，由于MA=MB，且光線左右傳播的速度都是c，所以光線到達A和B是同時的，即在火車看來，光線到達A和到達B這兩件事是同時發生的。若在A、B兩處放上已校對好的鐘，則閃光到達A、B兩處時兩鐘的讀數一樣。
同樣兩件事，在地面看來怎么樣呢？在地面看來，光在傳播時，車也要運動。在光由M到達A、B的過程中，A要迎著光走一段距離，B要背離光走一段距離。而相對地面光向左、右的速度應是相等的，因此，光必定先到達A，后到達B。即在地面看來，光線到達A和到達B這兩件事是不同時發生的。同樣兩件事，在一個慣性系內同時發生，而在另一個慣性系內卻不同時發生，這就是同時的相對性。
同樣的兩件事，相對于不同的慣性系，它們的時間間隔是不同的。這就是時間量度的相對性。
這兩件事在k′系看來是發生在同一地點（M點）的。我們就把發生在同一地點的兩件事的時間間隔叫作固有時間，顯然相對于觀察者靜止的鐘顯示的時間就是固有時間。在k系看來，這兩件事發生在不同的地點（M點和M′），相應的時間間隔叫非固有時間。固有時間是最短的。即地面上靜止的人看到車上的鐘變慢了。這個現象叫作鐘慢效應。鐘慢效應被普遍的作為科幻或神話小說的題材。如“天上一天，地下一年”等。
講到這里，就可以告訴學生，如果一個物體的運動速度達到光速時，理論上是可能出現“天上一天、地上一年”的現象的，但實際上是實現不了的，牽涉的復雜因素我們在后續的課堂上會詳細講解。
二、從“哥本哈根之謎”引出量子力學部分的教學
大學物理的教學中，近代物理中的量子力學部分一直是學生比較難學的地方，很多學生的反映都是抽象，難理解，以至于課堂上很快就不想聽了。對這部分筆者是這樣做的，首先給學生介紹一部在世界范圍內都著名的話劇“哥本哈根”。話劇“哥本哈根”里的人物有三位，分別是海森堡、玻爾以及玻爾的妻子。對于海森堡和玻爾要對學生有個簡短的介紹：
海森堡：德國物理學家，量子力學的奠基人。1932年獲諾貝爾物理學獎。海森堡在學術上的成就是1925年創立了矩陣力學，后來證明和薛定諤波動力學的本質是一致的。海森堡提出了不確定原理，揭示了微觀世界混沌的本性。海森堡還完成了核反應堆理論，二戰期間主持希特勒的原子彈計劃，但他并不認同希特勒。他甚至想由各國科學家之間達成默契以制止原子彈的生產。所以二戰之后，海森堡宣稱自己是一位英雄，是自己憑科學界的良知抵制并挫敗了希特勒的原子彈計劃。但科學家對海森堡有兩種意見，一種是他不想造原子彈；一種是他沒有能力造原子彈。
玻爾：丹麥的物理學家，哥本哈根學派的創始人，1922年獲諾貝爾物理學獎，提出了玻爾模型，成功解釋了氫原子光譜；利用互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學。后來致力于原子核的研究，提出核裂變并釋放巨大能量的“核反應模型”。二戰爆發不久，加入美國的“曼哈頓計劃”，與費米、奧本海默等科學家一起投入原子彈的研究，并成功研制成世界上第一顆原子彈。二戰后極力反對發展核武器。玻爾與海森堡的關系既是師生，又情同父子，由于二戰期間分別身處兩大敵對陣營，于1941年的“哥本哈根會談”之后友誼逐漸冷淡。
而話劇“哥本哈根”描述的是1941年海森堡和玻爾之間的談話，當時海森堡乘火車去哥本哈根找到了玻爾。兩人在晚餐后為了避開竊聽，選擇了在室外談話，當然談話的內容至今是個謎。海森堡到底向玻爾談了什么，有沒有向玻爾透漏德國的原子彈計劃，有沒有向玻爾透漏自己核裂變的進展，有沒有向玻爾打聽盟軍原子彈計劃的進展等等。當然，今天這些都無從得知，但不可否認的是“哥本哈根之謎”不僅是科學史，也是“二戰”史上的一個謎團，至今仍令科學家們撲朔迷離。
課堂上介紹到這里，學生已經有了足夠的好奇心，這個時候再給學生強調，如果想看懂話劇“哥本哈根”，如果想了解這段歷史，你就必須要懂普朗克的能量子假說、愛因斯坦的光的波粒二象性、玻爾的定態假設、德布羅意的物質波、薛定鄂的波動力學、玻恩的波函數的統計假設、海森堡的矩陣力學、狄拉克的相對論量子力學、泡利的不相容原理等等[2]。你還要理解量子力學中的基本概念，比如薛定諤方程、算符、波函數、展開假定及全同性原理等等。而所有的這些將在我們隨后的課堂中學到。只有懂了這些，將來有機會你看話劇“哥本哈根”的時候，你才會發現那是一種享受，而不是一種煎熬。
通過這樣的辦法，讓學生對要學的內容感興趣，讓學生帶著好奇心去學習，往往能夠起到事半功倍的效果。
三、結語
工科大學物理的教學，歷來是比較難的地方，通過在課堂教學中引入具體的典故、事例，往往可以激發學生的學習興趣，讓學生帶著疑問、帶著好奇心去學習，逐步把學生的學習興趣提高上來，經?？梢云鸬绞掳牍Ρ兜男Ч?。
參考文獻：
量子力學定態的概念范文4
美國高能物理學家卡普拉認為：“東方思想為現代科學提供了堅固合適的哲學基礎”[1-13]；量子論權威海森伯也說：“東方傳統的哲學思想與量子力學的哲學本質之間有著某種確定的關系”[1-6]。所指主要在于：量子論揭示了宇宙并不是物體的集合，而是統一體中各部分間相互關系的復雜網絡，根本不能把世界分成獨立存在的最小單元；空間和時間并不是一種真實的存在，只是觀察者用于描述自己環境所用的語言要素；以通過變化產生動態模式的觀念，深入理解一體化宇宙的整體有機與和諧互補。
作為華夏文明源頭活水的《周易》，確實包含著這些哲理。本文依據《周易》思想形成的邏輯闡述哲理，取現代科學的實驗成果予以印證，盡可能不在概念異同上浪費筆墨，還要讓讀者能夠清楚明白。董光璧教授指出：“科學史界越來越多的學者認識到，站在現代科學的立場去尋找歷史來龍去脈的做法有誤入歧途的危險，轉而采取從原來的境況中重新闡釋科學思想”[2-2]。本文即是依據這種思路的嘗試，期望能在整體文化史的視角下，把華夏先賢睿智的思想和現代科學精確的驗證銜接起來，做到以古為鑒。
一、易圖新解
談到《周易》，通常都說分易經和易傳，實際上還應該包括易圖。“書不盡言，言不盡意，圣人立象以盡意”，不但指出在遠古時代，記事主要用象和圖；即使有了文字，要描述客觀事物的全貌，象依舊比文字更優越。我們先從易圖談起，重點是理清先民們認識宇宙的思路。
人類所有知識的起點，開始于對自然知識的積累。面對無涯無際、無始無終的浩瀚宇宙，每個人都會有無盡的遐想。華夏先民和古希臘哲人不同，非常謙恭地把自己視為大自然的一分子（后來被概括為“天人合一”），古希臘的自然觀則是人與自然界分離（最終被抽象為物質和意識對立），于是先民們就以圓表示宇宙整體或現實生活中的任一事物。面對寒暑易節、日月更替，男女交媾，生生不已的自然現象，進而悟出世上沒有不變的東西；為了表示一切都在變易的動態模式，又在圓內加了一條S曲線，形成被稱為陰陽魚的太極圖。這就是中華先賢對世間萬象及宇宙本身做出的最高抽象，即一切動變皆源于陰陽之間的相互作用，靜態是“萬物負陰而抱陽，沖氣以為和”；而動態是“陰極陽生，陽極陰生”。這里的“生”并非是雞生蛋的生，而是指負陰抱陽的整體中此消彼長、彼消此長的變化。既然一切都是“變動不居，周流六虛”的動態過程，很有必要掌握幾種重要的動態模式，進而用代表陰陽的兩種符號推演出必然出現8種本質不同的態，太極圖周圍又加添了八卦符號。
小結：宇宙是由兩系統構成的整體；因為整體必然由部分構成，華夏先民即以陰陽作為最高的抽象；負陰抱陽的一體化宇宙及宇宙中的事物，都是陰陽有序、和諧互補的有機整體；陰陽一體、此消彼長的過程即是展現在眼前的紛紜萬象；演化過程可以分為8種不同狀態（或稱模式）——這就是易圖中包含的哲理。
二、易傳新釋
易傳是許多代人智慧的結晶，孕涵著非常豐富的哲理，本文僅圍繞“形而上者謂之道，形而下者謂之器”展開討論。華夏先賢依據有形和無形將物理客體分為道和器，老子稱其為無和有，后賢稱其為氣和物。首先必須判定這種兩分法是否正確，才可以繼續討論下去。
哲學作為指導認知的學問，如不立足于二元就無法討論變與不變，問題在于如何對整體劃分。中華先賢堅持天人合一，將包括人在內的全宇宙抽象為陰陽一對范疇，屬于純客觀的兩分法，無論對自然、社會和生命哪種現象都適用，不妨稱其為存在二元論。古希臘哲人的世界觀是人和自然分離，進而演化成人與神分離，再變成物質和意識的對立，最終定位在唯物唯心之爭，屬于認識二元論?！叭撕蜕竦姆蛛x是二元論的起點”，“思維和物質并列支持了自然科學，成為西方宇宙觀的基礎理論”[1-8]，卡普拉的概括是準確的。董光璧又向前邁出可喜的一步：“近代科學一開始就確定了只研究被視為第一性的質量和重量，排除一切同感覺有關的第二性”[3-8]。將二元論改稱二性說，意外地暴露出西方的兩分法中存在著悖論：如果物質和意識這對范疇能夠成立，二者都應該是第一性的；如果意識屬于離不開物質的第二性，就不能跟物質構成一對范疇。因為如果允許這樣做，物質和顏色、硬度等可以構成最抽象的對立。東方和西方古賢雖說都使用兩分法，一個是純客觀地劃分，一個是人為地構建。問題已經轉化為道、無和氣是不是真實的物理客體。100年前人們對這種分類法都會持否定態度，本世紀依據相對論和量子理論從宇觀和微觀兩個領域發現的許多事實，都證明華夏先賢的分類法是正確的。
60年代中期，彭齊亞斯和威爾遜發現了各向同性的3K微波背景輻射，宇觀上物理客體分斷續的天球和連續輻射得到普遍認可，愛因斯坦說的“真空不空”被證實。在微觀領域，“量子場論給出的基本圖象是：全空間充滿著相互作用著的各種不同的場；場的基態是真空，激發態表現為粒子”[3-387]。即可知物理客體確實是兩個系統：一個是用質量和時空描述的經驗世界，一個是用能量和位形描述的無形世界。易傳中關于道和器的分類沒有錯，二者都是真實的存在物。
承認物理客體分為兩類，同時派生出兩個問題：宇宙的結構究竟怎樣？兩類客體間如何作用？對西方學者來說，這兩個問題完全屬于始料未及，華夏先賢在2千年前就已經有了較成熟的見解。接下來先討論基礎物理學理論中的錯謬及產生的根源。
質量、電量和能量是基礎物理學中用以量度物質、電荷和能多少的三個重要概念，即此可知物理學不只研究物質，長期以來只分析物質不分析能量是一大失誤。很早就弄清了光、熱都是電磁波，卻沒有認真考慮過物質和電磁波是不是同類客體，通常所說的能量即指電磁波而言。雖說巴里·派克已明確指出：“電磁波會離開振動電荷進入空間，因而開創了一個獨立的存在”，并沒有引起學界的重視?！百|量不過是能量的一種形式，即使靜止物體也有儲備在質量中的能量”，也明確告訴我們，質量和能量不應該屬于同類物理客體。
質量是對物質多少的量度，其載體叫物體；電量是對電荷多少的量度，其載體是帶電粒子；能量的載體是什么？因為質量、電量和能量都不是物理客體本身，所指皆為非實存因素。故而物理學根本就不研究物質，而物質本來就無法研究，跟無法品嘗“水果”（類概念）的滋味同理。
推論1、物理客體分兩個系統：一個是用質量和時空描述的有形世界，這類客體的基本量度是質量；一個是用能量和位形描述的無形世界，其基本量度是能量。經典物理和量子理論分別適用于不同系統，不應該將它們混為一談。
“能”這個名詞會造成一種假象：“‘能’是物質以外的某種東西，是加到物質里面去的某種東西”。這種觀點很值得商榷。遙控裝置發出電磁波，衛星就會改變姿態；物體吸收熱能溫度升高，放出熱能溫度降低。都足以證明“能”確實可以在物體中自由出入，如果要說經驗世界中的物體具有質量，無形系統的物理客體具有能量，可能就正好說中了客觀真實。
說“能（即運動）”，“熱在差不多兩個世紀內被看做特殊的神秘的物質，而不是被看做普遍物質的運動形式”；認為“熱之唯動說”應該取代熱素說，又不得不承認“被熱素說所統治的物理學卻發現了一系列非常重
要的熱學定律”，如此難以自圓其說的諸多矛盾，就因為把熱素改稱熱能，已經統統化為烏有。一言以蔽之，質量只能量度經驗世界的物體，能量是無形世界傳遞的振動波；既可以被物體吸收，又可以被放出；物體同時將在溫度、形態、結構和狀態等不同方面呈現出變化。比如冰吸收能量將變成水，進而還可以變成氣，就是盡人皆知的實例。推論2、經驗世界所有的運動和變化，都是無形世界功能的顯示，即能量是引起世間萬物運動變化的總根源。
將物理客體分為兩類，是不是囿于對《周易》的偏愛做出的牽強比附，下文圍繞以太公案和時間、空間看看愛因斯坦持何種見解。
19世紀之前，以太在西方被認為是傳遞光、電的介質；19世紀末邁克爾遜—莫雷實驗測出地球相對以太速度為0，物理學界公認由之判定以太并不存在。本世紀初愛因斯坦創立狹義相對論時引入光速不變原理，沒有涉及以太是否存在，不少人都說愛氏是拋棄以太存在之后創立了該理論。1920年愛因斯坦在一次講演中卻說，依據廣義相對論，“沒有以太的空間是不可思議的”，“但是這種以太又不能認為具有重量媒質所有的那些性質，也不可以認為它是由某些其運動可被追隨的粒子所組成的，而且也不可能把運動概念應用于它”[6-112]。這里所描述的以太，基本上就相當于道、無和氣。
目前有些人認為應該恢復以太學說，有些干脆就把“真空”說成是傳遞光、電的介質，這就涉及到不空的真空中的物理客體究竟是什么，要害要于必須承認還有半個宇宙長期被忽略了。愛因基坦在場方程中發現了“真空不空”，彭齊亞斯用儀器測出廣袤的宇宙空域存在著連續輻射，該用什么概念稱呼并不重要，不可思議的是二千年前老子就對之作出非常精當的描述：“其上不皎，其下不昧，繩繩兮不可名，復歸于無物。是謂無狀之狀，無物之象，是謂惚恍。迎之不見其首，隨之不見其后?！?/p>
天津大學黃乘規教授從標準和非標準分析兩個領域都證明“空間是不可分割的連續統”?？茖W觀測和數學論證都證明了老子是正確的。海森伯的矩陣理論和杰弗里·丘的“靴袢假設”，所描述的都是那半個宇宙的狀況。
到底應該如何理解愛氏描寫的以太，涉及到時間和空間究竟是什么，最后的一句已經包含著時空概念不再適用于以太的意思。時隔32年，他在《狹義和廣義相對論淺說》英譯本15版的序言中補充說：“時間—空間未必是一種可以認為離開物理實在的實際客體而獨立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延性（重點號為原文所有）。這樣，‘空虛空間’這概念就失去了它的意義”[6-112］。顯而易見這種有著空間廣延性的客體，絕對不是指經驗世界中的物體。可惜的是在沒有講清這種“物理實在的實際客體”究竟是什么之前，他就不得不帶著深沉的困惑離開了人世。
我們只想在上述引文中補充一句：這些客體還有時間的持續性。如此即可以成就愛因斯坦的業績：愛氏“開創了”半個宇宙，那半個宇宙的客體具有空間的廣延性和時間的持續性。假設其最小單元為普朗克子h，用時間T（周期）量度即是能量（h/T），用長度λ（波長）量度即是動量（h/λ）；正是那半個宇宙的能量和動量，決定和改變著經驗世界中物體的結構、狀態及其運動變化。通常都說“愛因斯坦的場方程可以用來確定宇宙的整體結構，是現代宇宙學的出發點”[1-160]。一般的解釋是“物質不僅決定了周圍空間的結構，而且反過來也受其環境影響”[1-171]；“物質和能量要使時空向其自身彎曲”[7-60]。實際情況則是，那半個宇宙能量的聚集形成彎曲時空，彎曲時空決定著物體的運行；并非是“物質”使時空彎曲，反過來又決定自己的運動。不立足于兩系統相互作用，場方程永遠不可能得到正確解釋，現在的那種解釋根本無法排除物質（以彎曲時空為中介）作用于自己之嫌。
以日心說為基礎的開普勒三定律屬于開放的動態模式，行星軌道與星體質量無關，由橢圓半長軸立方和公轉周期平方（即彎曲時空R /T ）決定，根本就不需要什么切線力去平衡所謂的恒星引力。要找第一推動者，就是那半個宇宙的物理客體，第一推動即來源于特定的時空組合（R /T ）。以地心說為基礎的牛頓引力定律屬于封閉的靜態模式，其間起關鍵作用的引力勢亦是時空組合（l /t ）。二者的差異僅在于，適用于開放系統的是環形時間—周期，適用于封閉系統的是人為設定的線性時間，即時間之矢。哪種理論更貼近于自然的真實，明眼人一看便知。
推論3、時間和空間不是真實的存在，是量度那半個宇宙客體的概念構架，正象用質量和電量量度經驗世界的客體一樣，所指都不是物理實在本身。
推論4、愛因斯坦開創的那半個宇宙是分裂、組合、再分裂、再組合的動態網絡；正是它和經驗世界中分立的客體相互作用、和諧互補，保證了一體化宇宙具有動態有機的活性。
小結：易傳中“形而上者謂之道，形而下者謂之器”的分類是正確的；“萬物負陰而抱陽，沖氣以為和”的判斷，說中了一體化宇宙動態網絡的真實狀況和作用機制。現代科學的新發現雖說和這種理論吻合得很好，要使當前的諸多悖論冰釋，需要做許多梳理工作，首先應該把立足于經驗世界解釋那半個宇宙現象的“鏡像”理論倒過來。因為那半個宇宙只能從動態意義上，用過程和相互關聯的術語描述，幾千年來定格在人類頭腦中的卻是機械世界觀的決定論框架。
三、易經新說
易經包括用于卜筮的八卦、六十四卦及卦辭、爻辭等內容，這里不討論具體的應用，或是否科學、準與不準等問題，只討論數字8。
量子力學定態的概念范文5
關鍵詞：物理教學 科學方法 教育 方式 原則
中學物理教學大綱中明確規定：“要重視科學態度和科學方法的教育”。加強科學方法教育是近年來中學物理教學改革與研究中的熱門話題，然而如何將科學方法教育和知識教育有機結合在一起，并在教學實踐中加以落實，卻有相當難度。這主要原因是我國物理教材的編選，教學內容的選配，都將物理知識的邏輯性放在首位，過分強調物理知識的完整性和廣泛性，而對各知識點的內在聯系及各物理學家對此的研究過程卻展示得不夠，或采用軟處理的方法將其隱含于知識之中。即使對物理學家的研究加以介紹，也是各采用了略去研究過程中大量的具有方法意義的內容，因而不利于學生從中體會科學家的研究方法，再加上傳統教育和應試教育的影響，我國的中學物理教學長期以來都比較重視純知識教學，而較忽視科學方法的教育，或是認為只有知識教學才是實在的，科學方法教育只是一理想的口號，難以在實際教學工作中得到落實。這就要求我們有必要對在中學物理教學中如何實施科學方法教育的問題，進行深入的研究與思考以求在知識教學的過程中，同步提高學生的綜合能力和科學素養。
―、物理科學方法的內容及其教育功能
所謂物理科學方法，指的是研究物理問題時經常采用的一些方法和手段，如觀察和試驗方法、歸納和演繹方法、科學抽象和理想化方法、比較和類比方法、分析和綜合方法、數學方法以及科學假設方法等。這些方法大多隱含在物理知識之中，比如在力學和電學中經常使用的是比較和類比方法；在熱學中經常使用的是歸納和演繹方法；在原子物理學中經常使用的是科學假設方法。
科學方法教育是物理教學的重要組成部分，是培養創新人才的有力手段。物理教學的目的之一，就是應該讓學生熟練地掌握這些具體的物理科學方法，使學生在接受知識的同時，受到科學方法的教育。在物理教學中注重物理科學方法的教育和訓練，有助于發展學生的智力和能力，使學生在掌握知識的過程中，智力和能力得到充分的培養，從而有效地提高學生的科學素養。例如，采用探究教學模式，在創設一定教學情景的條件下，讓學生通過實驗或邏輯推理的方法，去發現各個物理量之間的聯系與規律；通過學生的動手實踐或采用比較、分析和綜合的方法，來增加學生的感性認識，從中體會物理概念的形成過程或物理規律的形成過程，既開拓了思路，又更深層地領會教材內容。又如，注重觀察與實驗的方法，能培養學生的實驗能力與想象能力，激勵學生對物理現象的變化過程，變化的相關因素和可能的結果進行大膽的想象、猜想與驗證，以激發學生的創造性思維。再如，讓學生自主參與類似于物理學家當年的研究過程，來培養學生的科學意識和訓練的科學方法。
在物理教學中我們要培養學生的科學素養，科學素養包括科學知識、科學觀念、科學的研究方法、科學的思維方法以及科學態度、科學的價值等。重視和加強科學方法教育，不僅能使學生體會、認識和掌握科學的研究方法和科學的思維方法，而且還能在逐步養成學生的科學態度，樹立科學思想和觀念。
二、物理教學實施科學方法教育的方式
對科學方法的理解與掌握比物理知識的理解與掌握難得多。因為物理教材中科學方法因素大多是隱含的，科學方法教育也大多是隱含的，所以科學方法教育必須于物理知識的教學相結合，與學生的解題訓練相結合，以知識傳授與解題訓練作為科學方法教育的載體，讓學生在學習知識的過程中潛移默化受到科學方法的熏陶。
1.寓科學方法教育與物理知識傳授之中
從知識角度看，物理教學是學生在教師指導下能動地認識物理現象的本質和規律的過程。用方法論觀點分析學生的認識過程與物理學家探究物理世界的過程，可知它們有一定的相似之處：兩者都是從問題出發，都要檢索已有的知識，都要用到觀察實驗方法、科學思維方法和教學方法等；物理學家要根據理論或假設去解釋或預言物理現象，學生需根據所學理論方法去解釋物理現象或有關實際問題，解決問題的模式幾乎相同，只是創造性和復雜性的程度不同而已。這就決定了物理科學方法教育必須寓與知識傳授之中，兩者應是密不可分的。
例如，在“電磁感應”教學中，創設問題情景，讓學生做指導性實驗，探尋感應電流的形成條件，影響感應電動勢大小的因素，感應電流的磁場與原磁場磁通量的變化關系，用自己的話來表述電磁感應現象、法拉第電磁感應定律和楞次定律，并進一步加以實際運用。這種教學模式的操作程序為：“觀察實驗―歸納驗證―具體運用 ”。教學中每一步驟由教師分步引導，啟發學生自己去歸納發現結果。這就是觀察、實驗方法與歸納、演繹方法在物理知識教學中的應用。
再如，在“電場”教學中，將電勢能與重力勢能類比，讓學生接受電勢能的概念；將電場力做功與重力做功類比，讓學生接受電場力做功的特點，同時從中學到類比方法。在“原子物理”的教學中，通過介紹原子模型的演變、發展，讓學生認識到“實驗―假設―新實驗―新假設”這樣一種科學假說方法。諸如上述例子在物理學中非常多，只要我們潛心挖掘并與物理教學有機地結合起來，對學生科學素養的培養是大有裨益的。
2 寓科學方法教育于物理解題訓練之中
從學的方面說，學生是知識的主體，外因需要通過內因起作用，不僅知識的掌握和能力的培養必須通過學生積極的努力才能做到，而且科學方法的掌握也必須通過學生自己的嘗試和體驗才能達到，學生必須在解決實際問題的應用中才能逐步掌握物理的科學方法。
為了讓學生掌握一些典型的科學方法，教師需要編寫一些必須運用科學方法來解決的訓練題。如我們知道“單擺”是一個理想模型，在學習這一節之后，可安排如下系列問題，讓學生討論：雙線擺；小球在半徑很大的光滑半圓形凹槽的最低點兩側來回振動，單擺懸于光滑斜面上來回振動實例，讓學生從中掌握類比與等效替代的方法。
再比如數學方法的運用。眾所周知，數學是研究物理問題的工具，數學語言是表達物理概念和物理規律最簡潔、最深刻的語言；數學方法是進行物理分析、計算和推理的有效手段。把物理問題轉化為數學問題，再應用數學知識解決物理問題，這是物理教學中應該著重加強訓練的內容。請看下面的實例：
在原子反應堆中，用石墨作減速劑，使快中子減速。已知碳核的質量是中子的12倍。假設把中子與碳核的每次碰撞都看成是彈性正碰，而且認為碰撞前碳核是靜止的。問至少經過多少次碰撞，中子的動能才小于10 E0。（lg12=1.114，lg11=1.1041）
解析：設中子和碳核的質量分別為M和m，碰撞前中子的速度為V。，碰撞后中子和碳核的速度分別為V和V ，根據動量和能量守恒定律得：
（1）
解（1）（2）得V=- V。
先把物理問題轉化為數學問題，設E1 ，E2 ，。。。，E n 分別表示中子在第1次，第2次，。。。第n次碰撞后的動能。由數學歸納法可推得：
E 1= E0，E 2= E1 = E0，所以有En = E0。
再用數學知識解決物理問題，因為En = E0已知，所以10 E = E??? 。?
即10 = 有，2n（lg13-lg11）=6，得n=41.1
所以需要42次碰撞，中子的動能才小于10 E 。
物理學中使用數學方法的例子很多，諸如極值方法、數列方法、微積分方法等這些方法使物理學解決實際問題更為方便、準確。
三、物理教學實施科學方法教育的原則
課堂教學是實施科學方法教育的主渠道。開展物理科學方法教育，要做到潛移默化、潤物無聲，不留教育痕跡，讓學生在學習物理知識的同時，在不知不覺中接受物理科學方法的教育。物理課堂實施科學方法教育應遵循以下三條原則。
1.隱含性原則
實施物理科學方法教育的最好方式就是滲透。在課堂教學中結合物理概念和規律的導出，物理習題的講解，物理實驗的演示和觀察，進行物理科學方法的滲透。在進行科學方法滲透時，要做到含而不露，讓學生在不知不覺狀態下接受物理科學方法的培養和熏陶。例如，在“萬有引力定律”教學中，結合牛頓導出萬有引力定律的過程，穿插物理科學方法教育，可以做到不留痕跡。蘋果落地使牛頓產生一種靈感，他猜想地球和蘋果之間有引力，是不是所有物體之間都有引力？牛頓利用了演繹推理的方法，把牛頓運動定律用于天體運動，用地球表面物體的重力加速度和月球軌道上的加速度進行類比，導出了萬有引力定律公式，并把它推廣到所有物體之間。牛頓導出萬有引力定律的過程，應用了假設、聯想類比、推理演繹、合理外推等多種科學方法，牛頓的思維活動也包括了多種非邏輯思維方法和邏輯思維方法。學生聽得津津有味，并未感受到老師在給他們進行物理科學方法教育，卻從聽課中知道了科學方法對物理學發展的重要作用，知道了科學方法對研究物理問題的潛在影響。
2.融合性原則
融合性就是把實施物理科學方法教育、學習物理知識和培養學生能力結合在一起，將三者融為一體，促進知識的掌握和能力的培養。知識、方法和能力在學生生活中是密切聯系、相互依賴、相互制約的。在傳授知識的同時，滲透物理科學方法，有利于學生掌握物理知識，促進對學生的多種能力的培養。如在導出牛頓第二定律時就要用到控制變量法這一方法；在應用牛頓第二定律解題時就要用到隔離法和正交分解法等典型的物理方法。當學生能自覺運用這些物理方法去研究問題、分析問題時，也就是學生具備了一定的實驗能力、思維能力、分析和解決實際問題的能力。能力是通過學習知識和方法等實踐活動來培養的。知識越豐富，方法越多越巧，解決問題的能力也就越強。因此，一堂課的教學目標，不但要有知識目標，能力培養目標，還要有科學方法教育目標，把三者有機融合為一體。
2.適度性原則
適度性就是科學方法教育要根據教材的需要，學生的可接受程度，挖掘教材的方法教育因素，制訂出切合實際的滲透目標，不宜過難，要求過高。當教材內容確有進行科學方法滲透的必要才加以滲透，反對脫離教材內容而空談方法教育。
由于物理科學方法是穿插和隱含在教材之中，有的內容是和科學方法緊密地結合在一起，需要運用科學方法推導和歸納物理結論。在講解這部分內容時進行科學方法的教育，使學生理解結論的來龍去脈，效果就非常明顯；有的章節內容只是隱含一些物理方法，在講授這些知識時，對科學方法教育只要點到為止，起到畫龍點睛的作用；有的物理知識和物理方法聯系較少，就不必硬要進行科學方法教育，特別是脫離教材與內容空談科學方法，只會使學生感到茫然，結果適得其反。
例如，在“原子核式模型”教學中，從 粒子散射實驗觀察到的現象，經過猜測、假設、推理、演繹，最后提出了原子核式結構模型，用新的理論舊的學說，將人們對對原子核式模型的認識又深入一層。教材將方法和內容緊密結合在一起，突出了從實驗事實出發，通過多種思維方法，建立正確的物理學說這一方法。又如，有關“功和功率”的計算用到的物理科學方法相對較少，就不必硬要和科學方法相聯系。
四、物理科學方法教育應注意的問題
物理教學實施科學方法教育，除了明了物理科學方法的內涵、實施方法和遵循原則外，還應注意以下幾個問題。
1.教師要提高對科學方法教育重要性的認識
由于科學方法是隱含在物理教學的各個知識之中，因此在實際教學中常常會被以單純知識性為主的教育評價掩蓋，而被物理教育工作者所忽視。這就要求我們能從物理教育對人的培養功能的高度來提高認識，物理知識的掌握誠然重要，但科學方法的掌握對人的成長具有更重要的意義。
同時從學校教育的目的來看，我們的學生將來未必也不能都成為物理學家，他們在學校所學的物理知識并不一定在他們的實際工作中有著直接的應用，而隨著時間的推移，在學校學習的“完整的知識體系”也會在記憶中逐漸“支離破碎”。因此，從長遠的觀點看，甚至可以認為掌握科學方法比單純地記憶一些定態的物理知識更為重要。
2.要積極挖掘教材中實施科學方法教育的素材
實施科學方法教育，不能脫離物理知識的教學，這就要求我們在進行知識教學準備過程中，注意挖掘物理學發展過程中科學家是如何進行研究和發現的，是如何從困境中通過冥思苦想實現“柳暗花明又一村”的歷史過程。以物理知識為背景進行科學方法教育，我們的學生就能在學習知識的同時，體會到物理學的研究方法，從而增進他們的智慧。
物理教材孕藏著豐富的科學方法，如從力的合成到串、并聯電路總電阻的等效思想；從伽利略的斜槽落球的理想實驗到牛頓的“天地間力學規律”的統一；從奧斯特的“電生磁”到法拉第對電磁感應現象的猜想和探究；從原子結構的發現到量子力學的建立等等，無不包含著極其深刻的物理科學方法。盡管這些內容在教材中并未占據很大的篇幅，但是，只要我們能從認識上給予足夠的重視，備課時在考慮知識教學的同時，還挖掘知識背后的方法因素。那樣科學方法教育就不是無本之木，無源之水。
3.點撥和滲透是實施科學方法教育的有效舉措
因為科學方法教育的具體內容，往往是以隱型的方式出現在教材中，即科學方法教育在目前的教材中還未占據明顯的突出位置，因此，物理教學應以物理知識的教學為主，物理科學方法教育就要以物理知識的教學為背景，在充分考慮到知識背后所隱藏的科學方法因素的同時，還在教學中不失時機地進行點撥和滲透。這樣既不會削弱知識的教學，又會使科學方法教育進行得自然、順暢，也不致于造成進行科學方法教育而使生動、活潑的物理教學變得過于呆板。
如在進行力的合成與分解的教學中，只需適當地一句：這個力與那幾個力共同作用的效果相同，從作用效果上看，這個力的作用效果相當于那幾個力共同作用的效果。就像電阻串、并聯的總電阻一樣，這種利用效果相同的等效方法是物理學研究中常用的方法。學生自然會從這段話中體會出等效方法的內涵，也會從一次次的具體應用中認識到所學的科學方法。又如，在講授電磁感應現象時，可以從復習電流的磁效應入手，提出奧斯特發現電流產生磁場，人們利用這一發現制成了電動機，那么磁能否產生電呢？這個問題的提出本身就隱含著一種科學方法。通過新課的學習，學生會從中體會出科學家是如何提出問題和解決問題的思路和方法。
總之，只要我們能從物理教學對人的培養功能的高度來認識，真正將科學方法教育視為物理教學的目的之一，應深入挖掘教學內容中的科學方法的教育因素，不失時機地加以點撥和滲透，則在物理教學中落實科學方法教育是不難實現的。
參考文獻：
1.曹昭金 《物理科學方法教育的基本方式和途徑》，中學物理教學參考1999.6
