試議大學(xué)物理量子部分的教學(xué)嵌入物理學(xué)史的重要性

1、試議大學(xué)物理量子部分的教學(xué)嵌入物理學(xué)史的重要性    論文摘要：量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步作出了巨大貢獻。很多大學(xué)生對量子物理非常感興趣，但對怎么學(xué)好這門課程卻很迷茫。如果在教學(xué)過程中適當(dāng)引入量子發(fā)展史有利于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理，不僅能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察能力、分析問題和解決問題能力、思維能力、求實精神、創(chuàng)新精神及辯證唯物主義世界觀。論文關(guān)鍵詞：大學(xué)生；量子物理；物理學(xué)史量子力學(xué)是反映微觀粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）運動規(guī)律的理論。它是20世紀(jì)初在大量實驗事實和舊量子

2、論基礎(chǔ)上建立起來的，是人們認(rèn)識和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步作出了重要貢獻。通過量子物理的教學(xué)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科研能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新精神、科學(xué)思維能力以及辯證唯物主義的科學(xué)觀。另外，量子物理是處于發(fā)展中的理論，怎樣將量子論和廣義相對論（引力作用）統(tǒng)一起來仍是困擾人們的問題?！跋依碚摗钡奶岢鍪谷藗兛吹搅讼Ｍㄟ^這部分的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的橫、縱向思維和不斷追求科學(xué)真理的精神。因此，在大學(xué)物理的教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)

3、增加量子物理的教學(xué)內(nèi)容。由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同，叫人無法理解，以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！蹦敲丛鯓幼寣W(xué)生在輕松愉快的狀態(tài)下學(xué)好量子物理呢？在教學(xué)過程中適當(dāng)引入物理學(xué)史有利于學(xué)生掌握其核心，既培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有利于實現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)，而非純粹的概念和公式的教學(xué)。下面主要從幾個方面闡述物理學(xué)史在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。一、非物理專業(yè)大學(xué)生學(xué)習(xí)量子物理的需要即使是物理專業(yè)的學(xué)生，多數(shù)人在學(xué)習(xí)量子物理時一直如在云里霧里，雖然知道微觀粒子的波粒二象性，也知道不確定原理，了解原子

4、的軌道理論，但是卻不知道為什么這樣。這一方面是由于量子物理里好多概念、思想和宏觀世界里的完全不同。另一方面，學(xué)生沒有掌握量子物理的核心，沒有從整體上把握量子物理的基石。一些教材對這部分的介紹也較少。如果在教學(xué)中能夠引入量子物理的發(fā)展史，不僅能吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有利于學(xué)生理解量子物理的概念和思想，使學(xué)生能夠身臨其境地感受到那場史詩般壯麗的革命，深刻體會量子論的偉大，有利于學(xué)生辯證唯物主義觀的形成。而非物理專業(yè)的學(xué)生與物理專業(yè)的學(xué)生相比，在學(xué)習(xí)量子物理時難度更大。這是由于物理專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了許多物理專業(yè)課，如原子分子物理、物理學(xué)史等課程，為量子物理的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。而非物理專

5、業(yè)的學(xué)生沒有前期的知識鋪墊，對知識的掌握難度增大。如果能適當(dāng)加入量子發(fā)展史的介紹，不僅降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，這就更突顯出物理學(xué)史在大學(xué)物理教學(xué)中的重要作用。從整體上介紹量子物理的發(fā)展史可以使學(xué)生掌握量子物理的核心，從整體上把握量子物理的基石，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補原理。2這三大核心原理中，前兩者摧毀了經(jīng)典世界的因果性理論，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和客觀實在性理論。一些實驗和理論斗爭的介紹不僅可以吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，好多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)大廈已經(jīng)基本建成，后輩的工作只是做些細(xì)枝

6、末節(jié)的修補和完善。但當(dāng)時物理學(xué)天空漂浮著兩朵小烏云，一朵是“以太的絕對        參考系”，另一朵是“黑體輻射的紫外線災(zāi)難”。前者導(dǎo)致了相對論的建立，后者導(dǎo)致了量子物理的建立。對量子物理三大基石的掌握，即波恩的概率解釋、海森堡的不確定性和玻爾的“互補原理”是量子物理的三大支柱。大學(xué)所學(xué)的量子物理學(xué)是基于這三個支柱的。這就像數(shù)學(xué)中的公理一樣，對于大學(xué)生而言不能去討論為什么，只能是是什么。二、大學(xué)生素質(zhì)教育的需要大學(xué)物理的量子部分教學(xué)不同于物理專業(yè)學(xué)生的量子物理教學(xué)。大學(xué)物理教學(xué)的目的主要是增強學(xué)生分析問題和解決問

7、題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法、辯證唯物主義觀等素質(zhì)教育，重在方法而非純理論教學(xué)。因此，大學(xué)物理的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生對物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法有比較系統(tǒng)的認(rèn)識和正確的理解，為進一步學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。更為重要的是，在大學(xué)物理課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)在傳授知識的同時注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力，注重培養(yǎng)學(xué)生科研探索精神和辯證唯物主義世界觀的形成。量子物理發(fā)展史的介紹和講解有助于培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。1.辯證唯物主義世界觀的培養(yǎng)在大學(xué)物理的教學(xué)過程中融入物理學(xué)史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀。如關(guān)于光的本性的爭論持續(xù)了300年，光的波動理論和微粒理論艱苦卓絕地斗

8、爭了300年。量子論就是在這種斗爭中逐漸建立起來的。托馬斯·楊的雙縫干涉實驗、菲涅爾的圓盤衍射等實驗形象的描述可使學(xué)生體會到光的波動性；而光電效應(yīng)實驗、康普頓的X射線散射實驗等實驗的介紹可使學(xué)生深刻體會光的粒子性；德布羅意電子波及實物粒子波理論的介紹及戴維遜和革末關(guān)于電子的實驗，電子通過鎳塊時展現(xiàn)了X射線衍射圖案，證明了電子具有波動性，由此人們認(rèn)識到了光及實物粒子的波粒二象性。這部分的教學(xué)可使學(xué)生領(lǐng)悟到看似毫不相干的量實際上存在著深刻的聯(lián)系，波動性和粒子性原來是不可分割的一個整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面，雖然在每個確定的時刻只有一面能夠體現(xiàn)出來，但它們確實集中在一個人的身上。從中

9、學(xué)生們可以深刻體會到任何事物都存在兩面性，人們要辯證地看待問題。這部分歷史的簡單介紹還可以使學(xué)生深刻體會到人們對真理的認(rèn)識是隨著科技的發(fā)展而不斷完善的過程，也是一個艱苦長期的斗爭過程。對光的波粒二象性的認(rèn)識有利于培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀。 論文下載吧 2.分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)在大學(xué)物理的教學(xué)過程中適當(dāng)引入一些實驗的描述或利用多媒體等手段演示實驗過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和解決能力。對康普頓實驗的講解分析可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力，尤其是康普頓的分析過程，而非純理論上的推導(dǎo)分析?？灯疹D在研究X射線被自由電子散射的時候發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：散射出來的X射線

10、分成兩個部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在著函數(shù)關(guān)系。如果運用通常的波動理論，散射應(yīng)該不會改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL才對。但是怎么解釋多出來的那一部分波長變長的射線呢？康普頓苦苦思索，試圖從經(jīng)典理論中尋找答案，卻撞得頭破血流。終于有一天，他作了一個破釜沉舟的決定，引入光量子的假設(shè)，把X射線看作能量為h的光子束的集合。這個假定馬上讓他看到了曙光，眼前豁然開朗：那一部分波長變長的射線是因為光子和電子碰撞所引起的。光子像普通的小球那樣，不僅帶有能量，還具有動量。當(dāng)它和電子相撞，便將自己的能量交換一部分給電子。這樣一來，光子的能量下降，根據(jù)公式E=h，

11、E下降導(dǎo)致下降，頻率變小，便是波長變大。這樣，X射線被自由電子散射的問題得到完美的解決。然后再進行        理論推導(dǎo)，根據(jù)動量和能量守恒解決該問題，這樣不僅使學(xué)生印象深刻，還鍛煉了物理思維能力。3(/).求實精神的培養(yǎng)通過大學(xué)物理量子史部分的教學(xué)，介紹科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于追求真理的精神，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的勇氣、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和刻苦鉆研的作風(fēng)。4.科學(xué)觀察和思維能力的培養(yǎng)在教學(xué)的過程中適當(dāng)融入量子發(fā)展史的內(nèi)容有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和思維能力。如玻爾的互補原理的提出過程。當(dāng)海森堡完成“不確定原理”后向玻

12、爾請教，兩人就“不確定原理”是從粒子性而來還是波動性而來展開了論戰(zhàn)，從而提出了互補原理：波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們卻在一個更高的層次上統(tǒng)一在一起，作為電子的兩面性被納入一個整體概念中。這就是玻爾的“互補原理”。它連同波恩的概率解釋、海森堡的不確定性共同構(gòu)成了量子論“哥本哈根解釋”的核心，至今仍然深刻地影響人們對于整個宇宙的終極認(rèn)識。講解過程中應(yīng)形象生動地描述海森堡和玻爾的討論過程及他的思維過程，使學(xué)生有種身臨其境的感覺，從而培養(yǎng)科學(xué)觀察和思維的能力。在教學(xué)過程中適當(dāng)介紹思維實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及科學(xué)分析能力。如海森堡不確定性原理的提出過程就借助了思維實驗及1935年愛因斯坦提出

13、EPR思維實驗等。5.創(chuàng)新意識的培養(yǎng)通過學(xué)習(xí)大學(xué)物理學(xué)的研究方法、量子物理的發(fā)展史以及物理學(xué)家的成長經(jīng)歷等，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，激發(fā)學(xué)生的求知熱情、探索精神、創(chuàng)新欲望以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。如普朗克能量子假設(shè)的提出體現(xiàn)了敢于向舊觀念、權(quán)威學(xué)家挑戰(zhàn)的精神。而創(chuàng)新意識對一個學(xué)生來說是非常重要的，對社會生產(chǎn)力的發(fā)展也起著重要作用的。6.科學(xué)美感的培養(yǎng)以麥克斯韋方程組為例，描述麥?zhǔn)戏匠趟憩F(xiàn)出的深刻、對稱、優(yōu)美，使得每一個科學(xué)家都陶醉在其中，玻爾茲曼情不自禁地引用歌德的詩句“難道是上帝寫的這些嗎？”描述麥克斯韋方程組的美。一直到今天，麥?zhǔn)戏匠探M仍然被公認(rèn)為科學(xué)美的典范。許多偉大的科學(xué)家都為它

14、的魅力折服，并受它深深的影響，有著對于科學(xué)美的堅定信仰，甚至認(rèn)為：對于一個科學(xué)理論來說，簡潔優(yōu)美要比實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確來得更為重要。依此引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識物理學(xué)所具有的明快簡潔、均衡對稱、奇異相對、和諧統(tǒng)一等美學(xué)特征，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)審美觀，使學(xué)生學(xué)會用美學(xué)的觀點欣賞和發(fā)掘科學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，逐步增強認(rèn)識和掌握自然科學(xué)規(guī)律的能力。7.科學(xué)探索精神的培養(yǎng)物理學(xué)在追求著大統(tǒng)一。許多科學(xué)家獻身于這項偉大的事業(yè)，比如弦理論的提出。講述其發(fā)展過程可激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神。三、科學(xué)發(fā)展的需要科學(xué)發(fā)展到今天，是建立在前人取得成就的基礎(chǔ)上的。牛頓都說：“我站在了巨人的肩上?！币允窞殍b，才能少走彎路。物理學(xué)發(fā)展到今天只剩下了最后一個分歧，但也很可能是最難以調(diào)和和統(tǒng)一的分歧，即量子物理和引力理論。只有了解和掌