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量子力學和狹義相對論范文1
1物理學的發展過程
1.1 宏觀低速階段
研究宏觀低速的理論是牛頓力學,研究對象為宏觀低速運動的物體。例如:汽車、火車的運動,地球衛星的發射。在牛頓力學中,牛頓認為:質量、時間、空間都是絕對的。也就是說,對于時間來講不存在延長和收縮的問題,即時間是在一秒鐘,一秒鐘地或一個小時,一個小時地均勻流失。對于空間和質量來講也不存在著變大或變小的問題。牛頓力學的三大定律,就是在這樣的基礎上建立的。
1.2 宏觀高速階段
研究宏觀高速的理論是愛因斯坦的相對論力學,愛因斯坦在1905年發表了論文相對論力學。愛因斯坦認為空間、質量、時間都是相對的。并且找出了動質量和靜質量之間的關系:其中m0為靜質量;m為動質量。
1.3 微觀低速階段
其理論是薛定諤,海森堡兩個創立的量子力學。研究對象為分子、原子、電子、粒子等肉眼所看不見的物質。
1.4 微觀高速階段
理論是量子場論,研究對象為宇宙射線,放射性元素。例如:“鐳”。量子場論就是粒子通過相互作用而被產生,湮滅或相互轉化的規律。例如:通過對天外射線射向地球宇宙射線的研究發現“反粒子”,即電子的反粒子正電子。負電子與正電子相互作用湮沒—— 轉化為二個γ光子,例如“閃電”。
2物理學與工程技術的關系
物理學與工程技術有著密切的關系,他們之間是相互促進共同發展的。我們平時常說科學技術,實際上科學和技術是兩個不同的概念?？茖W解決理論問題,而技術解決實際問題?？茖W是發現自然界當中確實存在的事實,并且建立理論,把這些理論和現象聯系起來。科學主要是探索未知,而技術是把科學取得的成果和理論應用于實際當中,從而解決實際問題。所以技術是在理論相對比較成熟的領域里邊工作?？茖W與工程技術相互促進的模式主要有以下兩種。
2.1 技術—— 物理—— 技術
例如:蒸汽機的發明和蒸汽機在工業當中的應用形成了第一次工業革命—— 熱力學統計物理—— 蒸汽機效率的提高,內燃機,燃氣輪機的發明。這一次主要是這樣:由于蒸汽機的發明,在當初工業應用上,出現了很多應用技術的問題。例如蒸汽機發明的初期熱效率很低,大概不到5％。這樣,就對物理提出了很尖銳的問題。那就是熱機的效率最高能達到多少？熱機的效率有沒有上限？上限是多少？再一個就是通過什么樣的方式來提高熱機的效率？由于這些問題就促進了物理學的發展,正是在這些問題解決的過程當中,逐漸形成和建立了熱力學統計物理。而熱力學統計物理很好地回答了提高熱機效率的途徑,以及提高熱機效率的限度等等這些理論上的問題。
2.2 物理—— 技術—— 物理
例如:(1)電磁學—— 發電機,電力電器,無線電通信技術—— 電磁學;電磁學從庫侖定律的發現,以及法拉第發現電磁感應定律,直到1865年麥克斯韋建立電磁學基本理論,這些都是科學家在實驗室里邊逐漸形成的,這都是理論建立的過程,而這些理論應用于實際就發明了電動機、發電機等其它電器以及無線電通信技術,而這些實用技術的進一步發展又給電磁學提出來了許多需要解決的實際問題。正是這些問題的逐步解決,使得電磁學更加的完善和在理論上進一步得到了提高。(2)量子力學,半導體物理—— 晶體管超級大規模集成電路技術,電子計算機技術,激光技術—— 量子力學,激光物理;量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論,這種理論應用于解決晶體的問題就形成了半導體技術,而半導體技術的進一步發展就發明了大規模集成電路和超大規模集成電路,而超大規模集成電路的發明是產生電子計算機的主要物質基礎,而正是由于電子計算機技術的發展又向量子力學提出了一些其他更加深刻需要解決的問題,而這些問題的解決就促進了量子力學的進一步發展和完善。(3)狹義相對論,質能關系E=mc2,E=mc2—— 原子彈及核能的利用—— 核物理,粒子物理,高能物理;狹義相對論是20世紀初期愛因斯坦建立的一種理論,他是為了解決電磁學等其他物理學科上的一些經典物理當中理論上的一些不協調和不自恰這樣一種矛盾而提出的一種理論,這種理論當中有一個很重要的理論結果,那就是質能關系E=mc2,E=mc2。而這種質能關系被我們稱為打開核能寶庫的鑰匙,這一理論結果的應用直接導致了或者指導了核能的應用,而對于核能的進一步應用又提出了許多新的問題,而這些新問題的進一步解決使得理論更加完善而得到進一步提高,從而形成像核物理,粒子物理,以及高能物理等等,那么實際技術上問題的解決又進一步促進了物理學的發展。
3結語
應該說物理和技術有著密切的聯系,物理原理及理論的初創式開發和應用都形成了當時的高新技術,物理學仍然是當代高新技術的主要源泉。所有新技術的產生都在物理學中經歷了長期醞釀。例如:1909年盧瑟福的粒子散射實驗—— 40年后的核能利用;1917年愛因斯坦的受激發射理論—— 1960年第一臺激光器的誕生等,整個信息技術的產生、發展,其硬件部分都是以物理學為基礎的。
參考文獻
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量子力學和狹義相對論范文2
[關鍵詞]普通物理 現代化 內容體系 方法手段
眾所周知，物理學分為經典物理和近代物理。五十年代以前，普通物理只講經典物理，五十年代以來情況發生了很大變化，各國的普通物理中紛紛增添了近代物理的內容，如天體物理，生物物理和技術等。這是科學高速發展和知識更新的必然結果。因此，普通物理課程要與時代接軌就不得不進行改革。本文從“如何進行改革”、“面臨的困難”以及“取得的成效”這三個方面來探討普通物理課程改革問題。
一、普通物理課程現代化的重要性
普通物理學是大學學習前一個階段的主要知識之一，同時也是其他學科或為本學科后續課程服務的基礎。因此，既要重視物理學本身內在的邏輯性和整體的系統性，也要重視與其他學科技術銜接的協調性以及現代科技和物理前沿發展的協同性。毋庸置疑，普通物理學與現代科學技術以及物理學前沿接口的問題，長期以來一直沒有解決好。這已經成為普通物理學教育發展的障礙，從這個意義上講，普通物理學的現代化問題已是迫在眉睫。
二、普通物理課程現代化所涉及的內容
1.教學內容的現代化。近幾年的分析表明，對課程現代化的改革概括起來主要有以下兩個方面：①運用現代的觀點，橫向拓寬和縱向延伸經典物理的內容，也就是用現代的觀點對經典物理概念和規律進行審視，或修正或補充，或重新評價或引深發揮，挖掘新意。例如，在講解力的概念時，介紹四種基本的自然力；在講解守恒定律時，插入對稱性理論；在講授熱學時，補充信息熵，耗散結構的內容；在講授狹義相對論時加進廣義相對論等。②另辟蹊徑，介紹現代物理科學的新發展。教學某些章節之后，可配置一些閱讀參考材料；或開設第二課堂，組織專題講座或報告會，介紹科技前沿的熱點題目；或開設選修課，講解近代物理內容；還可以通過習題和例題滲進現代科技新成就等。上述舉措不但有利于課程內容的現代化建設，開闊學生視野，激發學生的熱情，也有利于教師自身素質的提高。
2.教學體系的現代化。教學體系的現代化應從有利于培養學生的科學素質角度出發?？茖W技術的研究對象和領域正向深度和廣度發展，科學技術的研究方法也由分析方法向系統方法轉移。長期使用分析方法，容易產生孤立的靜止的看待事物和思考問題的習慣性與局限性。系統方法是把科學研究對象當做一個系統來處理，即把研究對象看成是若干相關聯的部分所組成的有機整體，分析各部分在整體中的層次方向。如在教學中將光學與振動和波動一起講，狹義相對論在力學后面講，改變以往將物理內容分為力學、熱學、電磁學、光學、近代物理幾部分的模式，在組織好傳統教學內容的基礎上，大膽地將物理學新成果、新技術、新思想、新方法有機地結合到經典課程內容里。如熱學部分加強熵的內容，介紹在信息科學及其他學科中的應用；磁學部分介紹磁鏡原理、磁流體發電等；光學部分介紹光全息等。要把經典部分和現代部分、現代物理內容與經典物理內容有機地融為一體，教師需要不斷地深入研究與探索。
3.教學方法手段的現代化。要進行教學內容體系的改革，目前的學時就顯得緊張。因此，教學方法和教學手段的現代化是至關重要的。教學方法的現代化應以現代教育理論為基礎，處理好教師和學生的關系，重在加強學生能力和素質的培養。教學手段的現代化要求充分運用教學媒體和其他工具以增強教學效果，如幻燈、投影、錄像、CAI等。運用現代化教學手段能使物理課既深入又生動，而且信息量大，有力地保證了教學改革的順利進行。
三、普通物理課程現代化改革所面臨的困難
普通物理課程的現代化面臨二個矛盾：一是課程現代化與學時的矛盾；二是如何進行現代化。
先談課程現代化與學時的矛盾。就程守誅、江之永先生合編的普通物理教材來說，從1961年第一版到1979年第二版，一直到1982年的修訂本，很明顯，是在不斷地對原來的經典內容進行改革，并充實了近代物理的內容。如狹義相對論、量子力學、激光技術等。教材內容不斷增加，而學時不可能增加，甚至可能減少（因為新的學科，如計算機應用課程的開設）。這就是課程現代化與學時的矛盾。再談如何進行現代化的問題。現在的普通物理一般分為經典物理和近代物理兩部分，近代物理的理論基礎是相對論和量子力學。眾所周知，相對論和量子力學不僅包含大量的數學知識，而且還非常抽象。怎樣避開高深、枯燥的數學，用形象化的圖畫來表示抽象的東西，這就要求教師要用普通物理的風格來講相對論和量子力學。在普通物理課程中，對當前物理學中最前沿的熱點作適當的介紹固然是課程現代化的一個方案，但如何用普通物理的風格對前沿物理學熱點作適當的介紹仍是擺在教師及教育工作者面前的一個難題。
總之，普通物理現代化是一項重要而艱難的任務。通過幾年的實踐，普通物理現代化取得了成果，但也存在矛盾。這說明普通物理現代化是一項長期而細致的工作，絕不能一蹴而就。需要廣大教育工作者不斷積累經驗，互相交流，去弊存利，把普通物理課程現代化改革逐步推向前進。
參考文獻：
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量子力學和狹義相對論范文3
人類以新的視野觀察和認識世界
相對論是研究時間、空間、運動這三者關系的理論體系的總稱，它是這100多年來人類最偉大的兩個理論之一（另一個偉大理論是量子力學）。相對論的偉大是不足以用諾貝爾物理學獎來評價的。如果真有一個上帝的話，上帝過去總是說：“人類一思考，上帝就發笑。”相對論誕生之后，上帝改口了：“人類一思考，上帝就發慌。”
相對論是關于時空和引力的基本理論，依據研究的對象不同，分為狹義相對論和廣義相對論。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學，使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣性場與普遍參照系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對論嚴格考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。
狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律，并提示了質量與能量相當，著名的質能關系式，即E=MC2，可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。廣義相對論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。至今，相對論宇宙學進一步發展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對論天體物理學的分支學科都有一定的進展，吸引了許多科學家為之奮斗。
相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。它發展了牛頓力學，推動物理學發展到一個新的高度。一位法國物理學家曾經這樣評價愛因斯坦：“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現在是、將來也還是人類宇宙中最光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻，將更加深入地進入人類思想基本要領的結構中?！?/p>
對稱性原理對物理學研究有著十分重要的指導意義，愛因斯坦最善于應用這一原理，整個相對論都是在此基礎上建立起來的。特別是在建立廣義相對論的過程中，愛因斯坦還對原理做了創造性發展。過去是實驗方程對稱性，但愛因斯坦認為“這個鏈很有趣，如果從洛倫茲對稱性以外的對稱性出發，推導出方程，再利用它進行實驗，不是更好嗎”？愛因斯坦成功地實現了這個關系的倒置。他所說的這種新的對稱性就是引力場方程在非歐幾里德空間的協變。
相對論的建立也把化學和生物學推向了新的高峰。19世紀末，化學領域取得了巨大的成就，但也遇到了巨大的困難。其主要原因是“原子不可分，元素不能變”的觀念根深蒂固。20世紀物理學的這場革命，從根本上改變了化學的基本概念，并使之獲得了很多新的研究方法。由物理學家開創的化學鍵理論，X射線衍射法的運用，推動了結構化學的發展。20世紀后的化學，主要通過研究電子在分子和原子中的分布和運動，由此更深刻地揭示物質的性質和化學變化的規律。
分子生物學創立于20世紀50年代，物理學對其形成和發展產生了舉足輕重的作用。X射線衍射方法的運用使生物大分子晶體結構分析成為可能。特別是薛定諤于1944年出版的《生命是什么》一書“從思想上喚起生物學革命”。該書在運用統計物理的概念分析生命現象后指出，生命物質的運動必然服從已知的物理學定律。這啟發了人們用物理學的思想和方法探討生命物質運動的規律。
科技和社會產生了諸多變革
100年前，愛因斯坦發表了具有劃時代意義的5篇物理學論文，奠定了相對論的基礎，并為量子理論的發展做出了重要貢獻。原子能、晶體管、計算機、激光、納米材料、宇宙飛船、生命科學等20世紀重大的發明，都是由愛因斯坦開創的近代物理學的結晶。
相對論和量子力學的建立使人類進入到信息時代。固體物理已有幾個世紀的歷史，直到20世紀初，由于X射線衍射的發現以及金屬的自由電子論和能帶理論的提出才使其成熟了。20世紀30年代后，量子力學使它成為一門研究固體多種物理性質、微觀結構及其內部運動規律的學科。近年來，固體物理的研究對象由晶體擴展到非晶體和物體的表面，故更名為凝聚態物理學。半導體材料、磁性材料、納米材料等是它研究的主要對象，這為計算機的誕生和發展奠定了科學和技術基礎。 電路板
信息革命始于20世紀40年代，以計算機問世為標志，目前方興未艾。從1904年發明二極管起，到1946年世界上第一臺電子管計算機研制成功為止，是信息技術史上的“電子管時期”。1947年隨著半導體晶體管的問世，信息技術史進入了“晶體管時期”。此后，集成電路的發明打破了電路與元件分離的傳統觀念，使電子設備微型化。經過大規模集成電路階段后，超大規模集成電路又在迅猛發展。而計算機就是由這些物理元件組成的信息處理器。以激光器發明為標志的光電子技術，使信息技術上了一個新臺階。因為采用光子作為信息載體，其響應速度比電子快3個數量級，也不存在電磁串擾等。待到光子集成電路問世后，計算機的發展將更迅速，應用前景將更廣闊。前兩次工業革命延伸的是人的肢體功能，這次革命拓展的是人的大腦功能。因此，信息革命是更深刻的革命。海灣戰爭、科索沃戰爭和伊拉克戰爭就是最有力的證明。
20世紀初愛因斯坦相對論開啟的科技革命和20世紀六七十年代開始的高科技時代，對人類思想文化的影響更是震撼性的。以網絡信息技術為例，我們由此可窺一斑而知全豹。由于數字技術的應用，人類從觀念到生活方式都發生了天翻地覆的變化。可以說，計算機、信息網絡技術影響到了當今思想文化的每個角落。姑且不說數字技術改變了幾百年來鉛與火的印刷，上千年筆與紙的書寫，現在文化的交流、知識信息的傳播，甚至到了動一下指頭，點擊上網即可實現的地步。這與以前關山隔阻，需飛越千山萬水，克服重重困難才能達到目的的情況相比，簡直有天壤之別。
相對論與我們的生活息息相關
盡管大多數人至今還不知道相對論究竟是怎么回事，但事實上，它早就深刻地影響到整個人類社會，直接或間接地影響了我們每一個人的生活。1919年，愛因斯坦在與兒子埃德瓦的談話中說：“當一只甲蟲在一根彎曲的樹枝上爬行的時候，它并沒有覺察到這根樹枝是彎曲的，我有幸覺察到了甲蟲沒有覺察到的東西?！睈垡蛩固沟倪@一覺察，在其后近100年中改變了整個世界，并且，這種改變現在還在繼續。
GPS導航系統現在已經是一個滿大街都可以看到的常用小電器了，可能每個司機都有一個車載的導航系統，或者手機里裝有一個導航軟件。如果沒有相對論，那么導航系統就會出大問題。愛因斯坦指出：“傳統的時間概念只能在簡單的條件下才能確定，當多種因素暫時聯系起來的時候，傳統的計時方法就會失去作用?！币驗楦鶕鄬φ?，衛星上的時鐘會比地面上的時鐘走得快，每天大約快38微秒（0.000038秒），如果不校正的話，GPS導航系統每天積累的誤差將超過10千米（這個誤差是垂直方向上的，不是水平方向上的），如果美軍用這個來導航導彈的話，那麻煩就大了。因此，在GPS衛星發射前，要先把其時鐘的走動頻率調慢100億分之4.465，把10.23兆赫調為10.22999999543兆赫，這些數字全靠有了相對論才能那么精確地計算出來。
量子力學和狹義相對論范文4
結果有些出入意料，希格斯老爺爺遺憾落選，獎項授予美國的大衛·維蘭德（David J.Wineland）和法國的塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）。這兩名實驗物理學家在過去20多年的研究中開創了測量與操縱單個量子系統的實驗方法。阿羅什的實驗方法是用原子測量單個光子，而維蘭德的實驗是用激光控制單個離子。他們都反復進行了一系列實驗，并發表了大量論文。
科學背景
高中物理講過，原子中間是一個極小的原子核，是電子，不過原子層次的物理現象沒法用牛頓的經典力學解釋，為了說清楚原子的事兒，物理學家們創立了量子理論。這個理論認為物質粒子也具有波的性質；粒子也不像皮球那樣缺乏個性地沿著確定的路徑運動，而是可以同時處于多種狀態，循著無窮多的任意路徑達到最終狀態。物理過程必須考慮所有可能路徑的總匯。
量子理論雖然如天書，卻是微觀世界真實的客觀規律。它不但用于原子能級、光譜、半導體、超導等現象，也被用于化學、生物等領域，還用來計算分子結構以及解釋生物化學過程。沒有量子理論，孰不會有晶體管、集成電路、激光，也就不會有計算機與計算機通訊?？梢哉f，量子的宏觀應用已經使人類從電氣時代進入了微電子時代。
暈死人的量子世界
維蘭德來自于美國加州，中學時并不是最優秀學生，在高中最后一年才對物理產生了興趣。大學原本讀的數學專業，后來才改學物理，拿到物理博士學位后在美國國家標準技術研究所當研究員。他在那里干了37年，主要研究用離子束縛（iontrap）探索量子世界。
維蘭德與阿羅什的研究是直接操控并測試單個粒子的量子系統。對于維蘭德的實驗，他的方法是用電場把單個離子（如汞離子）限制在一個勢阱（可以把它想象成一個無形牢籠）內，就像用磁場把磁懸浮列車懸在空中一樣。這個離子在勢阱里只能來回運動，無法逃逸出去。
被束縛在勢阱里的離子整體只能來回振動（你可以理解為折返跑），而離子內部的電子也有不同的能級。這個振動的能量是量子化的，也就是一級一個臺階，只能在不同的能級之間跳躍。離子內部的能量也是量子化的，也是一級一個臺階。
維蘭德的秘訣是調節激光的頻率，迫使離子內部能級跳上一個臺階的同時讓它的振動能級跳下一階，這樣離子就會從內部高能級回落到低能級，不斷重復下去達到降低振動能級的效果，使離子處于運動能量最低的狀態。離子從高能級向低能級躍遷的時候釋放的能量轉換為一個光子，而光子的頻率正比于它的能量。在固體與氣體中，原子能級躍遷時的發光受到其他原子以及自身運動的影響，導致頻率的擾動。而單個孤立的離子則不受這些因素的干擾，因而可以實現很高的頻率精度。在另一個實驗中，通過不同的激光對離子照射，使它同時處于兩個量子狀態——這就是量子力學里“薛定諤的貓”，而且進行了相應的測量。在更為復雜的實驗中，三個離子形成量子纏繞狀態，構成三個可以用于量子計算的量子位元（qubit）……過去對量子力學的檢驗大多是基于統計結果，而通過對單個離子的精準控制，維蘭德等人的各種實驗與測量直接從微觀層次驗證了量子力學。
阿羅什與維蘭德殊途同歸。他的實驗是通過兩面鏡子來回反射把光子關進一個空腔，通過測量這些光子對高能級原子的影響得出光子的量子信息。
應用與展望
量子力學和狹義相對論范文5
關鍵詞：實驗探究；邊緣科學知識 ；綜合科學知識；實際應用科學知識
江西省2008年實行人教版高中物理新課程至今，教材有較大突破，體現為以下幾點：
一、教材將以前的三本書分成七本書，其中必修為兩本，是所有學生必學的內容。選修有五本，是側重理科學生學習的。而且選修的五本就不同省份高考的考生來說，只須選學其中四本。這樣學生的負擔大大降低了。
二、教材內容梯度好，欄目豐富。
例如選修3-4第十一章機械振動共分五節，第一節主要通過水平彈簧振子、沙漏的擺動、豎直彈簧振子的實驗探究得出簡諧運動的位移隨時間變化的關系，從而定義簡諧振動。書中的兩個兩“做一做”又從其他角度實驗探究驗證簡諧振動的位移隨時間變化的圖象，該節提供了七個實驗探究簡諧振動的位移隨時間變化的圖象，讓學生思維更開闊，對簡諧振動定義獲得過程留下很深的絡印，和較大的興趣。
三、教材新增實際應用的理論探究，對學生理解新問題有更深的指導，有利于提高學生的綜合素質。
例如選修3-4第十二章機械波新增了“多普勒效應”和“惠更斯原理”兩節。通過學習“多普勒效應”，學生就能理解如何測車速來監控車的違章情況；如何算出星球靠靠近或遠離我們的速度；彩超的原理等，還可激發學生對科學的興趣。通過學習“惠更斯原理”，學生增強了對波的反射、折射、衍射現象的邏輯理解，對學生利用邏輯思維理解和分析問題有較大的提高。
四、教材新增了對邊緣科學的學習
例如選修3-2第十章“傳感器”和選修3-4第十五章“相對論簡介”，讓學生知道狹義相對論和廣義相對論的基本邏輯理解，對科學的探究有更廣的猜想。而傳感器是實際應用較普遍的，介紹了光敏電阻、熱敏電阻、溫控開關等文件在電器中的工作原理，還有一些常見電路的分析，使學生對電子技術在現代化產品的開發與應用有了解，加強了學生對科學學習的重要性認識和興趣。
五、增設實驗，培養探索式學習
選修3-5第十六章第一節 實驗：探究碰撞中的變量
從生產、生活中的現象（包括實驗現象）中提出研究的問題——碰撞前后會不會有什么物理量保持不變呢？接著提出了猜想。為了證實猜想而提出了“實驗的基本思路”和實驗中“需要考慮的問題”。同時，提供三套實驗方案供學校選擇，最后讓學生親自動手，經歷并體驗尋找碰撞中“不變量”的過程。重點是引導學生經歷碰撞問題的研究過程。
一方面為下兩節“動量和動量定理”“動量守恒定律”的引入提高實驗的基礎；另一方面，讓學生親自經歷探究自然規律的過程，感悟自然界的和諧與統一；同時，將實驗技能的訓練與科學探究過程的體驗，有機地結合。教科書設計這一節實驗課，重在培養探究式學習的目的。
六、增設與其它學科相關知識，提高學習認識綜合知識的聯系。牢固樹立人類對世界探求是不斷深入的思想。
例如：3-5第十七章 波粒二象性 第5節“不確定性關系”，本節內容是在上一節基礎上進一步深化的。學生已經知道單個微觀粒子的運動具有不確定性，但它在空間某點出現的概率卻可通過波動規律確定。本節通過光的單縫衍射實驗，具體分析了這種不確定性的數量關系，給出了量子力學中一個著名的教學關系式——不確定性關系：。通過介紹經典物理學和圍觀物理學中物理模型與物理現象的巨大差異，量子力學對社會進步的重要性及對量子理論的論爭，為學生用新的觀點來認識微觀物理世界提供了有效的空間，也為學生今后學習量子力學搭建過渡之橋。雖然我們不可能知道單個粒子運動情況，但是大量粒子的運動卻是有規律的。這種隨機現象遵從統計規律，要從波的理論推測它的哪個地方的幾率有多大。反復強化這個概念，不確定性關系的模型才能逐漸在學生心中建立。通過物理模型與物理現象的教學，讓學生明確，模型是人類認識自然的一種方式，模型是對自然的一種抽象、純化，但模型本身并不是自然本身。
教材簡要介紹了量子力學對人類社會的重要貢獻，讓學生明確已學的能量子、光子、波粒二象性、不確定關系是量子力學的基礎，盡管以量子理論為基礎建立起來的現代技術已取得巨大成功。但是，對于“量子”的圖景和哲學意義，卻一直存在嚴重的分歧和激烈的爭論。讓學生樹立科學是不斷發展的思想，將爭議回歸到愛因斯坦那句話：整整50年有意識的思考，并沒有使我更接近“光量子是什么”這個問題的答案?，F在的理論并不是對微觀粒子運動規律的終極觀念，這種為了滿足我們“肉眼凡胎”而創立的模型，雖然比較完美地解釋了現在所觀測到的一切，但隨著認識的深入，我們現在認為的單個微粒運動的隨機規律也可能是不完備的模型，我們也可能會了解它的真實圖景，科學研究沒有終點站。
量子力學和狹義相對論范文6
摘?要：基本物理常數是物理學中的一些普適常數。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的聯系，物理學中許多劃時論的創立和新研究領域的開辟，往往與某個基本物理常數的發現或準確測定密切相關。
關鍵詞：物理常數；光速；普朗克常數
基本物理常數是物理學中的一些普適常數。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的關系，在科學理論的提出和科學試驗的發展中起著很重要的作用。
物理學中許多新領域的開辟以及重大物理理論的創立，往往與相關基本物理常數的發現或準確測定密切相關?；疚锢沓档臏y定及其精度的不斷提高，生動地反映了實驗技術和測量方法的發展與更新，現在，許多基本物理常數的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8~10-10量級。本文僅以光速C和普朗克常數h為例來說明。
光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數值非常大，遠非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應的彈性介質便不復存在，由此引來了關于以太（假想的彈性介質）的種種爭論。
1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導出了電磁波的速度C等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為C =3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學的不相及的兩個傳播速度C電磁波與C光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以C為橋梁把以前認為彼此無關的光學與電磁學統一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內在聯系，無需任何彈性介質，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質。至此，光速C的地位陡然升高。
麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規律，統一了光學與電磁學，開創了物理學的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風的吹拂，然而試圖探測其影響的Michelson-Mor1ey實驗卻得出了否定的結果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據伽利略變換得出的經典速度合成規律，在不同慣性系中的光速應不同，甚至會出現違背因果關系的超光速現象，也難以解釋。總之，對于麥克斯韋電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。
由此可見，真空中的光速C從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中C的取值都相同。C作為基本物理常數，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標志。
1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續的大膽假設。1905年Einstein為解釋光電效應，把能量子假設推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數，h幾乎處處出現，它宣告物理學新的研究領域――量子物理學誕生了。
量子物理學的進展表明，普朗克常數h是量子物理學的重要常數， h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經典物理的定量界限（正如C是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學的框架內描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經典物理學的規律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數之列。
普朗克常數h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關系到宇宙存在形式的基本常數。宇宙中廣泛存在著有形的物質與輻射，其間的能量交換（如物體發光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數，即若h=0，則表明輻射與有形物質之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質的能量交換，將不斷地從有形物質中吸取能量，最終導致有形物質的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數h不為零，輻射的能量是不連續的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質的能量交換中越不起作用，相應的輻射自由度凍結，從而使有形物質與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當今豐富多采的形式存在下去。
下面介紹一下近代精確測量C和h的方法。
測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光C。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度?！庇捎诠馑偈嵌x，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結束了300多年精密測量C的歷史。
h首先由普朗克給出，他利用黑體輻射位移定律中的Wien常數b與k（Boltzmann常數）、C、h的關系，由b、k、C算出h，用實驗方法測定h則始于Millikan，他利用光電效應的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用Josephson效應，這是超導體的一種量子效應。
1900年，Thomson在總結以往幾百年的物理學時指出：“在已經基本建成的科學大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和Michel-son―MOrley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現了兩個基本物理常數h和C。
參考文獻：
[1] [美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年
