现代量子力学教程范文

导语：如何才能写好一篇现代量子力学教程，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：问题式教学法；量子力学；教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0102-02

随着高校教学改革的不断深入，多媒体技术的普及和任课教师专业水平的提高，使得教学内容和教学手段更加丰富多样。量子力学课程是核类专业的基础课，它对于学习和理解核类专业主干课程，如原子核物理学、原子核物理实验方法等具有十分重要的作用和意义。但由于其理论性强，思维方式与经典力学差异较大，量子力学现象在日常生活中比较少见。这样就使得核类专业特别是核类工科专业的学生在学习和理解该门课程时遇到了很大的困难，也使得学生对该门课程的学习没有积极性。因而在课堂上就经常出现这样的一幕：只有老师在讲，学生思考的少，气氛压抑。如何改变这一现状呢？怎么样来调动学生的学习积极性呢？这些都是急需解决的问题。基于此，在分析量子力学与经典力学相互联系的基础上，探究并实践了由经典物理学的问题来引入量子力学学科的问题。将问题式教学法应用于量子力学的实践教学当中。这样既可以活跃课堂气氛，提高学生积极性，又可以培养学生发散性思维，同时还可以巩固学生以前学过的经典物理学的相关知识，进而能提升教学质量。

一、问题式教学法概念

问题式教学（Problem-Based Teaching）是问题式学习（Problem-Based-Learning）的发展，它鼓励学生主动思考问题、自主寻找答案，是以问题为基础来展开学习和教学过程的一种教学模式，通过学生合作解决真实问题来学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力。PBL最早起源于20世纪50年代的医学教育，并且已经被广泛应用于数学、会计、英语等众多学科。

二、量子力学与经典物理的联系及问题式教学法在量子力学课程中的应用

经典物理可以解释天体间的相互作用、电磁波的传播以及系统的热力学平衡等自然现象。20世纪初，当人们发现了放射性现象后，在解释分子原子尺度的物理现象时，经典力学往往无能为力。因此需要建立一个全新的理论，这就是量子力学。它是阐明原子核、固体等性质的基础理论，且在化学、生物学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。在经典力学，做机械运动的物体简化为质点，位置可以用坐标系上的坐标表示。将坐标对时间求导、再求导，得到物体运动的速度■和加速度■。■=■（t） ■=■ ■=■ ①

经典物理中，描述物体运动的规律是牛顿三大定律。描述物体t时刻的状态用t时刻的位置矢量■，动量■。初始位置矢量、动量及所受到的力■知道，由牛顿运动定律就可以知道物体的运动状态。量子力学是用来描述微观粒子运动规律的一门学科。由于微观粒子运动的随机性，使得粒子的动量和位置不能同时确定。在实际的教学中就可以引入这样的问题：量子力学中是怎么样来描述粒子的状态及运动规律呢？这就要找到与经典对应的关系。这样就可以引入量子力学的波函数概念及其物理含义。波函数是描述微观粒子的状态，可以表示为如下的形式：

Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②

此时又引入一个新的问题：波函数遵循什么样的规律呢？与经典牛顿运动定律对于的定理或者定律又是什么呢？这个时候就可以用问题式的方法来引入薛定谔方程问题。

i？攸=■=-■？荦2Ψ+U（r）Ψ ③

上式子表示粒子在相互作用势为U（r）的势场中运动时，描述粒子运动状态波函数随时间的演化所满足的规律。同样，像以上这样利用问题式引入的方式来讲授量子力学课程的相关内容还有很多，如态叠加原理，表象变换等。对于态叠加原理，问题的引入：经典物理有波函数的概念，有波的叠加，那量子力学中描述物体状态的波函数是否也有叠加性，他们之间有什么异动呢？这样就可以将学生引入到量子力学中的态叠加原理的相关内容。

三、需要重视的问题

针对目前核类专业特别是核类工科专业量子力学课程的现状，我们除了将问题式教学法应用到教学实践中，还要从以下的几个方面来激起学生的兴趣，提高学生学习该门课程的积极性。

首先，需要激起学生的好奇心。其次，在解答习题中将问题式教学融入其中，要做到课堂知识和课后习题的问题式教学双覆盖。最后，需要学生知道处理量子力学问题的一般方法，同时适当鼓励学生。为了充分调动学生参与课程教学的积极性和主动性，必须在教学过程中把握学生对知识的掌握程度，对表现优异的学生进行表扬并登记，从心理层面激励其更加积极参与到教学互动中。本科阶段的量子力学是一门入门课程，是继续学习物理学的基础。只有让学生认识到了量子力学课程的重要性，才能达到预期的教学目标。

通过经典物理与量子力学的类比对应关系，在量子力学讲授相关知识时，用问题式的方式引入知识点。激发学生对该门课程的学习积极性。使用该教学方式以来，学生的学习积极性和教学质量都得到了提高，达到了教学改革的目的。

参考文献：

[1]唐晓雯，任艳荣.基于问题式学习教学模式的探索与实践[J].教学研究，2006，29（1）：24-26.

[2]张建伟.基于问题式学习[J].教育研究与实验，2000，（3）：55-60.

[3]刘梦莲.基于问题式学习（PBL）的设计[J].现代远程教育研究，2003，（1）：39-43.

[4]蒋新宇，施树云，于金刚.问题式教学法在有机化学实验教学中的应用[J].光谱实验室，2012，29（4）：2548-2550.

[5]周世勋.量子力学教程）[M].第二版.北京：高等教育出版社，2009.

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关键词：电子自旋 轨道运动 角动量 能级

0 引 言

许多实验事实证明电子具有自旋，下面叙述的斯特恩—革拉赫实验（Stern-Gerlach）实验是其中一个。

图1 斯特恩-革拉赫实验

图2一个角动量为、磁矩为的陀螺在磁场中进动频率的矢量图

图1中由O射出的处于s态的氢原子束通过狭缝和不均匀磁场，最后射到照相片P上，实验结果是相片上出现两条分立的线。这说明氢原子具有磁矩，所以原子束通过非均匀磁场时受到力的作用而发生偏转；而且由分立线只有两条这一事实可知，原子的磁矩在磁场中只有两种去向，即它们是空间量子化的。这可有下面的讨论看出。假设原子的磁矩为M ，它在沿竖直方向z轴的外磁场B中的势能为： ■

式中■是原子磁矩M和外磁场之间的夹角。原子在z方向所收到的力是：■

如果原子磁矩在空间可以取任何方向的话，cos■应当可以从+1连续变化到-1，这样在照相片上应该得到一个连续的带，但实验结果只有两条分立的线，对应于cos■=+1和cos■=-1。

1 电子自旋

为了说明见金属原子能级的双层结构，G.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit在1925年首先提出，可以设想电子具有某种方式的自旋，其角动量等于（1/2）（h/2π）。这个自旋角动量是不变的，是电子的属性之一，所以也称电子的固有矩。电子既有某种方式的转动而电子是带负电的，因而它也具有磁矩，这磁矩的方向同上述角动量的方向相反。每个电子具有自旋磁矩■，它和自旋角动量■的关系是：

■ （1.1）

式中-e是电子的电荷，μ是电子的质量。■在空间任意方向上的投影只能取两个数值：

■ （1.2）

■是玻尔磁子。由（1.1）式，电子自旋磁矩和自旋角动量之比是：

■

（1.3）

这个比值称为电子自旋的回旋磁比率。我们知道轨道角动量轨道磁矩的关系是

■ （1.4）

即轨道远东的回旋磁比率是■，因而自旋回转磁比率等于轨道运动回转磁比率的两倍。

2 轨道磁矩

原子中的电子有轨道角动量，由于电子是带电粒子，因此就应有相应的磁矩，称为轨道磁矩。由量子力学计算得到的结果和经典电磁学的基本是一样的，只是在计算中需用量子力学的角动量带入。电磁学中由电流环引起的磁矩定义为■

其中i是轨道电流，■是面积元，于是

■ （2.1）

其中-e和是me电子的电荷和质量。式（2.1）可改写为：■ （2.2）

由上式可知，数值比和gi及物理常数有关。gi=1，称为轨道g因子。磁矩和轨道角动量的方向相反。轨道磁矩的大小：■

原子磁矩常以■玻尔磁子作为单位，■是原子磁矩的最小单位。

将■代入式（2.2），则得

其中■。磁矩在z方向上的最大值是■。

磁偶极子在磁流密度为■的均匀外磁场中，会受到一个力矩■

在磁场中磁偶极子的势能： ■

即当磁偶极子的取向和磁场方向一致时势能最小。陀螺受到力矩作用会作进动。陀螺在力矩作用下的进动频率■为： ■

这里是■间的夹角。

按波尔模型，原子中的电子在轨道上运动，可类似于力学中的陀螺。将上面的考虑用到原子陀螺的情形，在磁场中电子轨道的进动频率为Larmor频率，可写为：

这里引入一个新的量r，称作旋磁比（gyromagnetic）。它的值就是原子轨道磁矩与轨道角动量之比，也是原子轨道角动量在1T（特斯拉）的外场中的进动频率。进动频率和外磁场强度成正比，与轨道角动量的大小和取向（■）无关。由于磁矩y绕外场B进动，所以■在x和y上的分量的平均值都是0，只有z分量可观测到。

3 自旋-轨道耦合

位于磁场B中的一个磁矩■具有势能：■

在推导这个表达式时只考虑了外磁场，但是，这个结果是普遍成立的。

在半经典的玻尓模型中，电子围绕原子核旋转，并具有角动量L。但是，从这个电子的角度看，是带正电的原子核以同样的角速度围绕着这个电子旋转。因此，旋转的原子核将在电子所在位置产生一个磁场B，其方向平行于电子的轨道角动量L。这个磁场也会同电子内禀自旋磁矩■发生相互作用。因为■与电子的内禀自旋S成正比，又因为对于给定的一个轨道B和L成正比，所以不难看出有关的势能ES将具有如下形式：■

式中的K为常数，在这里我们不必去考虑它的精确值。

从效果上说，自旋-轨道相互作用就像塞曼效应那样，能使■的每一个能级分裂成两个支能级；这后者对应于两个SZ值。其中SZ为：

4 塞曼效应的理论解释

原子能级在磁场中分裂为2J+1层，每层从无磁场时能级的移动是：

（4.1）

设有一光谱线，有能级E1和E2之间的跃迁产生，因此谱线的频率v同能级有下列关系：

在磁场中，上下两能级一般都要分裂（也有不分裂的），因此新的光谱线频率v同能级有下列关系：

（3）式表达塞曼效应中裂开后的谱线同原谱线频率之差。也可以列成波数改变的形式，用c除（3），

式中■，为洛伦兹单位。

塞曼跃迁也有选择定则；只有下列情况的跃迁发生：

5 结 语

自1925年G.Uhlenbeck和S.A.Goudsmit提出电子自旋假设，人们关于电子自旋的研究逐渐深入，并应用量子化理论详细的解释了电子自旋和轨道运动之间的相互作用，完美的解释了斯特恩-革拉赫实验，电子自旋理论是人类科学的进步，它的确立为科学研究奠定了基础。

本论文阐述了自旋的粒子态函数和自选角动量的性质，解释了原子能级分裂，电子自旋理论丰富了量子力学理论。

参考文献：

[1]褚圣麟.原子物理学[M].北京:高等教育出版社，2008.

[2]周世勋.量子力学教程[M].北京:高等教育出版社，2008.

[3]杨建邺.泡利和电子自旋[J].现代物理知识，1989，03(1):15-18.

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1耗散结构理论的建立

1.1 “时间悖论”产生的思想火花

在1940年至1955年这段时间里,密希里·贝索(Michele Besso)与爱因斯坦(Einstein)之间不断地进行着书信的来往。借以来讨论时间及其不可逆性等问题。而爱因斯坦给以的回答是“不可逆性是一种幻觉,是一种主观印象,它来自某种意外的初始条件。”[2]但是,贝索没有停止他探寻真理的脚步,直到80岁,他试图用一种方法调和广义相对论和时间的不可逆性直至他逝世离开。而爱因斯坦另一段文字:“过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉,然而,这种区别依然持续着。”[2]很多看过这样话的人,都无法从中发现什么,唯有他,普利高津以一个科学家的视角对这些文字认真参悟着,通过翻阅大量爱因斯坦与贝索之间的信件的方式,并深入体味爱因斯坦的这段话,产生了这样的疑问:一种幻觉又怎么能说“这种区别依然持续着”呢？

1.2 动力学与热力学之间的“时间悖论”

“时间悖论”无法得到的进一步解释令普利高津渐渐开始痴迷地进行着这一命题的研究,因为他知道这些都是有前人可靠知识理论作为基础的。首先,时间作为一种外部参量是没有方向的,时间仅仅是描述物理过程的时空行为的第四坐标。在动力学中,是无法区分过去和将来的。因此,传统力学上的物理图像是可逆并且对称的[7]。但是热力学第二定律指出力学能可全部转换成热能[9],但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功(热机不可得)即一个孤立系统,无论其初始条件和历史如何,它的一个状态函数熵会随着时间的推移单调的增加,直至达到热力学平衡态时趋于极大,从而指明了不可逆过程的方向性[4]。由此,是否存在一个理论可以同时实现两者的完美解释？就成为了普利高津丞待解决的问题。

1.3 热力学第二定律与生物进化论之间的矛盾

生物进化论阐明了一个低级到高级,简单到复杂,无序到有序的演化方向。而热力学第二定律则说明了一个有序到杂乱的过程,两者之间有着极大的矛盾。当牛顿“把分割天体和地球之间的壁垒推倒,并且把两者结合起来,统一成为一个整体的宇宙”的时候,我们的世界被分成了两部分,即一个物理的世界、量的世界;一个生物的世界、质的世界。普利高津试图将这两种文化,两个世界完美地联系在一起,并为之不懈奋斗二十年,终于在1969年的“理论物理与生物学”国际会议上提出这一新的理论来进行完美解释。

纵观耗散结构理论的建立,回想伟大的先哲列宁曾说过,“自然科学的成果是概念。任何物理理论的建立,人体那是从总结现象入手,进而建立物理概念,提出物理模型,寻找它们的运动规律,并不断回到实践中去,进一步丰富和发展已经提出的理论。其中新的物理概念的提出具有决定性的意义。”耗散结构理论的建立也大体经历了同样的历程。正是普利高津存疑并迁移到物理学史上,不断地进行审视,思考,并发现“时间悖论”的不可调和,最终建立了与经典力学,量子力学,相对论三座丰碑相媲美的物理学第四大擎天柱。

2耗散结构理论的建立对当代大学生的启示

2.1 存疑质理勇于突破

知识就像大海般广而深,每每遇到一个问题,我们要用进行思考,研究,正如前人的“宁信书不如无书”。普利高津始终坚持留存着“时间悖论”的疑惑,这是他研究的开始,并最终获得意想不到的启发,我们当代大学生在学习中也要学会提出问题,从辩证唯物主义的角度去思考,切勿让自己的疑惑停留在懵懂阶段,要大胆质疑,勇敢地去探究,才能深入体会各个理论的精妙之处。

2.2 永不言弃勇于探索

任何一个问题的提出都需要反复进行思考,研究,只有朝着自己坚持的方向努力前进会有成功的可能。当我们回首普利高津建立耗散理论全过程的时候,倘若,每遇到一个矛盾就放弃,那么,他所要放弃的不是一个科学研究,而是他的青春,他那如黄金般宝贵的二十年。很多人在许多个矛盾面前的时候,也许会被吓到,还能够像普利高津一样不断地思索探求吗？答案也许是否定的。倘若,当代大学生以这样的一种持之以恒的态度去学习那么我们将收获的是无尽的知识。面对难以简单分析的数据的时候,首先要相信只要自己坚持计算下去总会有结果的。不论结果如何,当我们努力在复杂的数据里进行多个运算的时候,总会收获一些知识。普利高津也正是抱着这样一种探求知识的态度才得以成功构建出耗散理论。而当下大学生一旦拥有这样的品质才能攻克一个个难关,收获属于自己的成功。

2.3 细微之处寻求真知

严谨是一种态度,一种对事一丝不苟的态度。而作为耗散理论的建立者普利高津同样有着这样一种可贵的科学作风。诚然,爱因斯坦与贝索的通信是简单的学术探讨,谁能想象这些书信给这个比利时科学家打开了一扇怎样的大门？去探求自然界的发展方向,普利高津在巨大的矛盾促使下,开始了属于他一生的工作。确立了一个自组织体系来装载两个分立的世界。在这个躁动的时代,当代大学生缺少了一份属于科学求知特有的淡定气度。而有了这样一个严谨的学习态度才能在繁杂的社会生活里寻得属于自己的幸福。踏实地翻阅书籍,深深地汲取知识,牢牢地构建一个强有力的知识体系。试想,普利高津曾经也是这样踏实地进行实验,小心地求证,在求索的道路上不断向前成长着。

2.4 推陈出新引领创新

当一个个矛盾出现的时候,普利高津以其独特的视角,站在物理学、生物学上进行审视,思考,研究同时不懈求索,勇于创新,从平衡态转移到衡态,当最小熵产生原理在衡线性区的成功又进一步促使普利高津试图将它用到远离平衡的非线性区去,经过多年的努力,始终没能成功。但是正是挫折,让他认识到在远离平衡的系统的热力学性质可能与平衡态、衡态的热力学性质有重大原则差别。他们在这种新的思想指导下重新进行探索,终于建立起了—种新的学说—— 耗散结构理论,最终他成功了。不是所有人的探索都是成功的,但是他们的精神是值得我们学习继承的。当代大学生需要创新地学习,我们学会用新的方式去认识世界。就像我们不再用手中的笔去演算数据而是利用excel来进行数据处理,既节省了时间也避免了人工计算的误差,符合当代社会对大学生的要求,不是简单的一处便利,而是优秀的创新迁移品质的体现。当代大学生引领了潮流,而创新则可为这股潮流注入活力,卷起滔天巨浪,为我们走向社会奠定基石。

3创新有利于当代大学生走向社会

3.1 创新使社会服务更显优质高效

当代大学生进入社会之后,需要提供各种各样优质高效的服务,而原有固定的方式去提供服务当然可以产生一定的经济效益,但是就目前激烈的竞争环境而言,需要我们要有更加全新的模式来提供服务,以求获得更高的经济效益。便捷快餐的应运而生是一种创新,正是这样的创新带来了全球性的可观收益。当代大学生应当敢于创新,用创新的思维方式去需求更加优质高效的服务。

3.2 创新使社会发展愈发迅猛有力

社会的发展需要创新来提供动力。科学创新能够在技术上为社会发展提供保障,若没有在水稻品种上的创新,怎么能有充足的粮仓以确保人民温饱？创新并不仅仅是科学技术上的创新,生活中细微之处的改变,尝试用全新的观念去看人待物也是一种创新,由此当代大学生应当懂得创新有利于我们更快融入社会,并且为社会发展贡献自己的力量。

市场经济的就业环境下,当下大学生需要有一个全新的理念去应对,因而需要创造性的思维方式,通过各种不同的方式实现就业从而走向社会。不但如此,企事业单位也需要一批勇于突破,善于思考,敢于创新的大学毕业生带来新的思想。诚如是,科学的发展需要我们开动思维的马达,用创新的泉流去浇灌一个个前人无法解释的干瘪之花,才能绽放新的艳丽。在探求真理的道路上,需要有新的理论来支持无法解释参透的现象,新理论构建起的是一个百家争鸣,百花齐放的科学世界。因为创新,普利高津构建了耗散结构理论;因为创新,乔布斯让“苹果”起死回生;还是因为创新,才有了知识的一次次爆炸。

4结语

普利高津带给我们的不仅仅是一个让世界震惊的理论,同时展现了一个科学家之于世界的社会价值。对于当代大学生,需要有科学求知的素养,离开学校,走上社会的时候依然要坚定自己的方向,试图通过自己的努力,以及敢于质疑,思考,探究的决心为社会留下属于的光辉灿烂的一笔。对于社会和国家,这样的科学精神会不断地促进知识文化的发展。当代的中国社会需要一批普利高津式的科学家,不断地创新,不管社会的大气候如何,不管面对怎样的人生,敢于执着地向着自己认定的方向努力,从而成就梦想。创新是一个民族的灵魂,一个国家发展的不竭动力。

参考文献

[1] 毛全宁,葛宇宏.大学物理实验[J].吉林省吉林市:吉林化工学院.

[2] 沈跃春.逻辑悖论随笔耗散结构理论是如何创立的？—— 谈“时间悖论”[N].中国青年报,2002-12-8.

[3] 伊利亚·普里戈金.未来是定数吗？[M]上海:上海科技教育出版社,2005.

[4] 任苓华.论熵方程在热力学第二定律中的作用和地位[J].南京航空航天大学学报,1991(1).

[5] 程倩春.达尔文进化论对近现代哲学的影响[J].云南大学学报(社会科学版),2008(3).

[6] 列宁.哲学笔记[M].大陆:人民出版社,1974:290.

[7] 沈小峰,胡岗,姜璐.耗散结构理论的建立[J].自然辩证法研究,1986(6).

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关 键 词 ：平面构成　传统图案　对比　和谐

艺术设计是人类社会物质与精神文明的重要组成部分，它几乎涵盖了当代人类所能涉及的各个领域，并且越来越显示出其存在的意义及价值。近年来，随着我国艺术设计与国际化接轨步伐的加快，以及设计观念的更新与转换，作为设计艺术基础的平面构成与传统图案在长期的实践和理论研究中，逐步引发了二者相互之间审美价值及作用的碰撞。

一、 平面构成的涵义

平面构成，源于西方自然科学和哲学认识论的发展，20世纪建立在最新发展的量子力学基础之上的微观认识论，当时人们更为关注事物内部的结构，这种由宏观认识到微观认识的深化，也影响了造型艺术规律的发展。构成观念可以说早在西方绘画中就可见到其影子，如立体主义绘画、俄国的构成主义、荷兰的新造型主义，他们都主张跨越传统的写实，以抽象的形式对认知世界加以表现。到了1919年，平面构成经过德国包豪斯设计学院的不断完善发展，最终形成了一个完整的现代设计基础训练的教育体系，奠定了构成设计观念在现代设计训练及应用中的地位和作用。

平面构成是一个近代造型概念，它构筑于现代科技美学基础之上，综合了现代物理学、光学、数学、心理学、美学等诸多领域的成就，并带来了新鲜的观念要素。平面构成探讨的是二度空间的视觉文法，其涵义是指将不同或相同形态的几个以上的单元重新组合成为一个新的单元构成对象的主要形态，包括自然形态、几何形态和抽象形态，并赋予其视觉化的、力学化的观念。其构成形式主要有重复、近似、渐变、变异、对比、集结、发射、特异、空间与矛盾空间、分割、肌理及错视等骨骼形式。迄今为止，平面构成作为艺术设计的基础核心，其原理广泛应用于工业设计、建筑设计、平面设计、时装设计、舞台美术、视觉传递等领域。

在我国，平面构成基础课程的出现是在1942年成立的圣约翰大学建筑系，它作为艺术设计基础教育内容的引进，可以说是我国现代设计的一个里程碑。平面构成以一个全新的造型观念，给我们的艺术设计行业注入了新鲜的血液。它的融入，大大地拓展了设计艺术的视觉领域，丰富了设计的思维及表现手段。同时，它的融入也大大地冲击了原有的又一设计基础核心——传统图案。

二、传统图案的涵义

图案是一种装饰性的艺术，更是具有装饰性和实用性相结合的一种美术形式。在中国，图案已有六七千年的历史。从新石器时期的彩陶，战国时期的青铜器，汉代的画像砖、石，隋唐时期的敦煌壁画、藻井图案，宋代的瓷器、漆器到明清时期的建筑、家具、织锦以及民间工艺品等等，每一个历史时期都深深留下了图案的足迹，它是我们祖先劳动智慧的结晶，也是中国传统文化的精髓，同时也是整个中国文化史的一个重要组成部分。

图案从其含义及其特征看，引用我国著名工艺美术家、教育家雷圭元先生的解释：“广义解释则为工艺美术方面，即实用美术、装饰美术、建筑美术、工业美术等方面关于造型结构、构图形式以及装饰色彩的预先设计，是在工艺、材料、用途、经济、美观、生产、牢固等条件制约下所制成的图样、模型、装饰纹样等方案的统称。”狭义地讲，图案是指符合美的规律的且关于平面的一般装饰性纹样。由此可见，图案是运用一定装饰规律创造美的形式，并应用于我们的日常生活与生产活动中。这种装饰规律的创造是：组织装饰性的形象、创造装饰性的构图、表现装饰性的色彩三个有机部分的组合。它们之间既互相联系又各自发挥自身的作用。如果说造型给人以直观的形象要素，构图给人以美的形式结构，那么色彩则给人更多的是感官刺激、感情特征和心理反应。众所周知，生活是一切艺术的源泉，图案也不例外。生活中一切自然形类、几何形类的具体物象都是图案创作中取之不尽、用之不竭的素材。图案的装饰形象来源于自然，但又不满足于自然，它在自然美的基础上把自然描绘得更美，进而达到一种精神上的需求和心灵的满足。图案的装饰构图，可以不受空间概念的约束，往往突破视觉范围而尽情描绘，可以打破正常的比例关系，给人们更强烈的视觉形象效果。图案的色彩，来源于自然，但又不是自然的模仿，图案色彩着重于物质材料色彩的研究和应用，因而比自然更美、更多样、更丰富。图案的研究对象极为广阔，有植物、动物、人物、风景等，所涉及的知识范围包括生物学、色彩心理学、构图学、美学等。其成就自古以来，早已被广泛应用在陶瓷、服装、建筑、家具、装潢、日用品设计等领域。

长期以来，图案作为一门专业设计基础核心在我国艺术设计行业，以及各个艺术院校的教学中一直都处在十分重要的地位。我国著名工艺美术家陈之佛先生曾经指出：“从事工艺美术设计，图案基础十分重要，它是连接绘画基础和专业设计的重要环节，是从事艺术设计的重要保证。”

三、对比

综上所述，平面构成是建立在科技美学的观念之中，是高科技的产物，它通过理性思维并在几何概念元素的基础上，以抽象的表现形式来体现二度空间的结构布局，具有抽象性的特征，并对创作过程具有理论指导意义。而传统图案则来源于生活、来源于自然，是中国天人合一自然观的产物，它通过形象思维并在原始、自然素材的基础上，根据装饰变化的多种手法来体现其存在性和实用性，拥有具象的基本特征，其创造结果具有实用价值。

此外，传统图案与平面构成的最大不同还在于，平面构成是一种思维形态，它不直接以实用性为目的，它抛开功能、材料、技术、工艺等因素，塑造的是纯粹形式感的视觉画面，表现形态距离实用功能相对较远。而传统图案则来源于客观存在的自然环境，一开始既以实用功能作为主要目的，重视现实环境的应用元素，贴近人文社会。不过在艺术表现形式上略受技术因素的制约。

四、和谐

平面构成和传统图案两者间的识别轨迹虽然各不相同，但通过各自的手段去观察、分析、感知和发现最典型、最本质的美，然后通过想象能力去加以综合、提炼，从而创造出理想的、美的、科学的艺术形象的观点是相通的。追求的审美意识和审美动态也是一脉相承，且具有共同利益。而且平面构成是具有共性的设计语言，已为当今社会各个艺术、设计门类所应用。它和其他设计学科一样，都是为了完善与创造更富有现代感的设计理论和表现形式。而传统图案则长期以来都在释放着和谐的因素，它造就了“多元共生” “协调与共赢”“和谐”的创作文脉，并寄托着中华民族“天人和谐”“和而不同”的哲学思想与创造精神。它的这种开放与容纳，为传统图案与现代设计理念的有机和谐提供了可能，在今天，这种思想与精神依然是我国设计领域在理论与实践中不断升华的依托。

结语

新生事物总是蕴含着强大的生命力，但传统的东西也有它深厚的价值。我们的认识和观念不断地在全球一体化的浪潮中，经历着波折。从图案课程的悄然隐退，到重新回到课堂，从打破传统模式，摆脱单一与封闭的改革与调整，到现在多元而开放的局面，经历了波折的中国设计师们经过长时间的努力，依托并继承着先人“天人和谐”“和而不同”的思想精髓，在图案与平面构成并存的基础上，结合各方面实际，延伸了如黑白图案、装饰图案、装饰画、图形创意等一系列设计基础学科，达到了“多元共生”“协调与共赢”的境界。实践结果证明，平面构成和图案各具优势，它们既具共性又相互区别，因各自的优势和特点而不能相互取代。只能通过各自不同的审美体验和情感体验，使设计者感受多种思维模式，拓展创作视野，改善创作手法，更好地服务社会。

参考文献 ：

[1]鲁迅美术学院染织美术设计系著，《构成艺术教程》，辽宁美术出版社，1997年

[2]郭廉夫、丁涛、诸葛铠著，《中国纹样辞典》，天津教育出版社，1998年

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【关键词】以太；引力子；迈克尔逊-莫雷实验；铯原子钟实验

1.引言

17世纪笛卡尔最先将以太[1，2，3]引入科学，真空[4]中充满了以太这种物质，并赋予以太某种力学性质。最初牛顿虽然不相信以太，但他也反对超距作用，这使以太思想有了很大的发展。后来笛卡尔主义者反对牛顿引力的力与距离的反比平方使以太思想进入了没落时期，因为牛顿的信仰者相当多。19世纪，由于托马斯・杨和菲涅耳的工作使光的波动性的地位得以确立，以太在电磁学中也获得了地位。但洛伦兹变换和光速不变原理[5]使以太陷入困境，随着迈克尔逊-莫雷实验[2，6]并没有得到预期的理论结果让以太没有了实验支持。1905年爱因斯坦提出相对论[5]彻底抛弃了以太概念。

从哲学观点讲任何物质都有其结构组成成分，尽管直到现在并没有实验说明真空物质的性质，但是说真空不存在结构组成显然是不可理解。需要说明的是，我们并不关心某种物质是否存在，而是关心这种物质存在的价值。为了解释某种现象而非加入以太概念不可，也就是说以太有其存在的必然性，那么就应该并且值得去探究以太的概念并加以证明以太的存在性；如果假设以太概念在解释问题时并没有显示出其优越性或者说以太的存在与研究的问题毫不相干，那么也就没有必要去理会它了。

2.关于以太的思考

思考I：能看到灯光以及太阳光都觉得是习以为常的事情，仔细思考起来却不是那么简单。在夜晚，用手电筒在胡同里照明，手电筒越明亮越方便于行走；可是在旷荡的田野里，并不因为手电筒的明亮而扩大视野，仍需认真艰难地行走。太阳光是非常明亮的，离开地球进入遥远的太空却发现太空并不因为强烈的太阳光而显得明亮，眼前却是一片漆黑。在太空中用手电筒照路，肯定会怀疑手电筒是否为打开状态，当看一下电灯泡时，确认手电筒确实是打开的。

用较长的一段不透明的玻璃筒比喻一段真空，用相当于玻璃筒半径大小的玻璃球比喻为光子，玻璃球正好能通过玻璃筒，忽略玻璃筒与玻璃球之间的摩擦力。当玻璃筒水平放置，将玻璃球放入玻璃筒的一端时，玻璃筒的另一端出来了一个玻璃球。由于不了解玻璃筒内部的情况，在描述玻璃球的传播则会有两种情况：

（1）当玻璃筒内没有类似于放进玻璃筒的玻璃球，那么玻璃球在进入玻璃筒后以极快的速度通过玻璃筒并到达玻璃筒的另一端。

（2）当玻璃筒内存在类似于放入玻璃筒的玻璃球并挤满玻璃筒，当玻璃筒的一端放入一个玻璃球时，玻璃筒的另一端会被挤出一个玻璃球。

由于无法判断真空中是否存在以太，所以在描述光子的传播时同样会出现两种情况。当以太存在时，更依赖于相信光子在真空中传播的第（2）种情况。

在真空中发出一道激光，无论光的强度，频率如何，只要没有物体的阻挡，任何仪器从侧面都无法观测到激光的存在。在真空中无法判断光子的传播状态，这说明光子与真空密不可分，同样也说明构成真空的组成物质以太与光子密不可分。基于以上事实会发现光子在真空传播中不显示任何性质。

思考II：用经典理论解释永久磁体并不存在什么问题，但是去解释电磁场的形成过程，就会引起一些不对称。

利用电磁原理设计一个电磁场。用一段导线缠绕一个铁芯棒，缠绕一定的匝数。导线在没有接通电源之前铁芯棒周围是不存在磁场的，但是只要导线接通电源，铁芯棒就会产生磁性，铁芯棒周围就会形成一个电磁场。在接通电源的瞬时，原本没有磁性的铁芯棒就会成为一个磁体。铁芯棒成为磁体的同时，铁芯棒的N极必须发出磁子，磁子通过空间传播传向铁芯棒的S极，从而形成一个电磁场。根据经验可知电磁场会充满整个空间，从铁芯棒产生磁性时，电磁场会以铁芯棒为中心以光速的形式向四周扩展。用画磁感线[7]的方法可得如下结论：

①铁芯棒的N极发出磁子与S极接收到磁子，之间必须存在一个时间差，那么铁芯棒在形成电磁场的过程中，铁芯棒内部就会存在一个不平衡态。

②铁芯棒N极同时发出的所有磁子，S极不能同时接收，随着时间的增加铁芯棒S极接收的磁子会增多，S极处的磁场强度会逐渐增强。那么铁芯棒S极的磁场强度会比N极弱，随着时间的增加，S极的磁场强度会趋向N极。

很显然这些结论不符合客观事实。当以太存在时，铁芯棒产生磁性成为磁体的瞬间，由于以太充满了整个空间，铁芯棒N极发出磁子的同时N极也会同时吸收类似于磁子的物质以太。这样磁体内部就会形成一个平衡态，对于磁体外部，空间就会形成以太能量子对流场，称为电磁场，并且随着时间的增加电磁场的作用范围会以光速向空间扩展。

3.对以太的假设

以太是构成宇宙空间的基本单位，是最基本的能量单位和粒子单位[8]。宇宙空间中充满了以太，犹如大洋中充满了水分子一样，宇宙本身就是一个巨大的能量宝库[4]，相对于以太产生任何形式的运动都会伴随着能量的变化。以太本身具有流动性，任何辐射都会使平衡态的以太产生能量势差，让以太传导流动直到碰到物体发生能量转化。光子、磁子在空间中的传播就是借助以太物质流动传播的，光子在空间中的传播速度并不是“光速”，光子却是以极慢的速度在空间中传播，但光子所携带的能量却是以光速的形式传播。在这里光子、磁子在空间中的传播特点与电子在导线中的传播很相似。其实光子、磁子以及引力子与以太都是同一种物质，之所以会有不同的称呼，是因为它们的存在作用形式不同。以太表示为组成真空的基本物质并充满整个空间，当以太在空间中的作用显示光性，就称以太为光子；当以太在空间中的作用显示磁性，就称以太为磁子；当以太在空间中的作用显示引力性质，就称以太为引力子。这样，光是电磁波以及电磁场与引力场的相似性总是显得那样自然。

光源发光会影响以太的存在形式，但这种影响却是局部的。由于光子是基本的能量单位和粒子单位，可设光子打在物体表面所占的面积为单位面积。对于一束平行光，当光照射在物体表面，不可能物体表面的整个面积都在吸收光子，而是只有固定数目的单位面积在吸收光子，这说明在光照区域只有固定单位面积的以太在流动。这样可以更合理地解释光的强度以及光的频率。从光子粒子性的角度看，光子的频率就是物体表面单位面积在单位时间内接收的光子数，而光照强度则是物体总表面积在单位时间内接收的光子数。这里的光照强度则可反映光照区域以太的流动情况，如果说光照强度存在上限的话，通过光照强度对比就可发现普通光照对以太存在形式的影响是非常小的。电磁场与光源有很大的相似性，尽管磁场和光源都能导致以太的流动，但是却不能引起物体的运动，这主要是磁场和光源不能对以太整体推动，再则是对以太的推动作用不是连续性的，而是间断性的推动，具有一定的频率。

引力其实不是一种力，它是物体保持自然状态的一种形式。物体存在的自然状态与以太的存在形式有关，当以太的存在形式发生变化时，物体存在的自然状态必然要发生变化。在解释引力时，必须给物体赋予一个性质，这种性质是任何物体所固有的，不以存在形式的改变而改变：任何物体都有吸收以太的能力。物体对以太的吸收不是局部吸收，而是整体平移吸收。尽管每个原子对以太的吸收作用非常弱，以至于忽略不计，但是这种作用具有累积效应，随着原子、分子的聚集，当体积较大时，对外界以太的吸收能力就非常明显了。就地球系统而言，地球对地表的物体并没有吸引力，地球只是不停的吸收以太，这种吸收是空间范围内的整体吸收，是一种不间断地平移吸收。假设地球不吸收以太，物体放在距地表一定的高度，物体就会静止在那里，当地球吸收以太的时候，物体所处空间的整体以太都会向地表移动，以太就会相对于物体产生运动，那么物体就会继续保持与以太的相对静止状态，物体就会靠近地表；当物体碰到地表时，以太就会相对于物体运动，这时物体仍有保持相对于以太静止的能力，这种能力的作用则表现为引力（暂不讨论物体在引力场中的运动）。地球对外界以太的吸收能力是一定的，由于地球体积的缩小，地球表面的引力会增大，但是地球对外界以太的吸收能力并没有改变。对于一个点质量（测量引力场的带质量的点），点质量距地心的距离为R，当地球的体积缩小时，只要点质量距地心的距离仍为R，那么点质量所处的引力场就没有改变。但是就两个天体而言，两天体相距一定的距离，两天体间的相互引力作用是一定的，当两天体的体积都缩小时，尽管两天体之间的中心距离没有改变，两天体之间的引力作用会增大，这一点可以用几何效应来说明。

电磁场与引力场在作用形式上有其相似性，电磁场是一个以太对流场，而引力场则是一个单向场，所有的以太都向物体中心运动。尽管电磁场与引力场都是由于以太运动所形成的场，但是其对物体的作用原理却是不一样的。引力场的作用形式是连续的，电磁场的作用形式是不连续的。电磁场是磁体发出的某种频率的电磁波，针对一条磁感线进行描述，这条磁感线上的以太不是连续移动的，而是以某种频率进行移动。一般物质无法与这种频率的以太发生作用，这样的物质就不受电磁场的影响；有些物质，比如说铁、钴、镍这些物质，由于原子内部的机理作用，会对这种频率的以太发生作用，则会表现出运动形式。

4.迈克尔逊―莫雷实验的解析

光在空间中的传播并不以惯性系的选定而独立存在，光在空间中的传播仍然符合普通物体在空间中传播的规律。

假设一列车在轨道上做匀速直线运动，从列车车厢顶向列车底面垂直发一光子（光子的传播速度为3.0×108m/s），在车厢内观察，光子传播所在直线与车厢底面垂直；假设相对于路基静止的观察者能看到光子传播的路径，光子传播所在直线与路基面不垂直。在隧道内有一照明灯垂直照向路基，当列车通过隧道时，照明灯所发的光通过列车天窗会进入车厢内，假设当列车的天窗路过照明灯时，只有一个光子进入车厢。在车厢内观察，光子传播所在直线与车厢底面不垂直；相对于路基静止的观测者观察到，光子传播所在直线与路基面垂直。当列车在低速情况下观察效果极不明显，当列车处于高速运动时，观察效果就显而易见了。

通过观察可知，光子在空间中的传播状态与光源发光时的位置无关，与光源发光时的运动状态有关。当光源运动时，光子在空间传播的过程中会受到光源矢量分速度的影响。

在此暂不讨论时间的本质以及时间的相对性，仅从一个惯性系内对另一个惯性系内的时间进行定量的描述[5]。根据光速不变原理，可以对时间单位进行一个明确的定义，这里规定：光传播3.0×108m所需要的时间为1s.

假设惯性系K静止，惯性系K'相对于惯性系K以0.9c的速度运动，惯性系K的原点为O，惯性系K'的原点为O'。当两惯性系的原点重合时，从原点O向惯性系K'的运动方向发出一个光子，光子相对于原点O运动的距离为3.0×108m时，记下光子及原点O'的位置。通过测量可知，光子相对于原点O'的运动距离为0.1cs.当惯性系K与惯性系K'同时计时时，惯性系K的时间为1s时，惯性系K'的时间为0.1s.在惯性系K内描述惯性系K'的时间，其时间关系为

（1）

t'为惯性系K'内的时间，t为惯性系K内的时间，v为惯性系K'相对于惯性系K的运动速度，c为光速（3.0×108m）。

由于光在空间中的传播路径与光源的运动状态有关，为了方便求出惯性系K'的时间，规定光源相对于惯性系K'静止。当惯性系K的原点O与惯性系K'的原点O'重合时，从原点O'向垂直于O'的运动方向发出一个光子。观察惯性系K'，光子的传播方向垂直于O'的运动方向，但是在惯性系K内观察光子的传播方向并不垂直于O'的运动方向。在惯性系K内，光子在垂直方向传播的同时，还受惯性分速度的影响。通过测量计算，当惯性系K内光子相对于原点O传播的距离为3.0×108m，即时间为1s时，惯性系K'内的时间则为0.44s.则两惯性系之间的时间关系为：

（2）

作为时钟计时工具，只有做周期变化的系统才可以。（1）变换式只是理论变换，可以实验测量验证，但与讨论的问题关系不是很密切。为了密切问题并且也符合问题讨论的逻辑性，可用光脉冲信号作为计时原理。对于一个光脉冲计时器，光脉冲直线传播来回一个周期所需要的时间为1s，光脉冲计时原理与本文假设的计时原理吻合。当光脉冲计时器垂直于运动的方向放置时，即光的传播方向与惯性系的运动方向垂直时，惯性系K与惯性系K'的时间关系与（2）变换式相同；当光脉冲计时器平行于运动的方向放置时，即光的传播方向与惯性系的运动方向平行时，则会出现另一种时间变换，其时间关系式为：

（3）

通过（1）、（2）、（3）变换式可知不同方式的计时方式其变换式不尽相同。这3种变换公式都是根据光速的叠加原理以及光速不变原理计算的，其中（2）就是相对论时间变换公式。迈克尔逊-莫雷实验中两束垂直光线往返所需要的时间就是根据公式（2）、（3）求得的。

迈克尔逊-莫雷实验的设计原理其实就是光脉冲计时原理。一个光脉冲计时器垂直于运动方向放置，另一个光脉冲计时器平行于运动方向放置。当两计时器在同一惯性系内，由于计时器的整体运动，两光脉冲受到惯性系的矢量分速度不同，两计时器的计时能力就会不同。如果用光程来表示时间，两束光线在传播中就会存在一个光行差。对于同一束光线如果分成垂直和平行于运动方向的两束光线，当两束光线返回时如果存在光行差，两束光线会发生干涉，产生干涉条纹。当迈克尔逊-莫雷实验装置处于绝对静止时，实验结果就不会出现光线干涉现象；当实验装置运动时，实验结果就会出现光线干涉现象。即迈克尔逊-莫雷实验装置是判断惯性系是否处于运动状态的一种装置。

根据以太假设可知各天体都会影响以太的存在形式，地球系统内以太的存在形式与太阳系统内以太的存在形式并没有直接的联系，所以通过地球相对于太阳公转的速度来测量以太的存在形式是行不通的。由于地球自身对以太的影响，地球本身就应该是一个很好的静止系，但由于地球的自转，地球地表与以太就会有一个切向相对速度，这个速度接近地球自转的线速度，之所以不相等是由于地球自转与地球吸收以太的综合作用，以太并不是垂直向地心移动，而是漩涡式的向地心移动。

如果用地球自转线速度来表示地球相对于以太运动的速度，地球的自转线速度为：465.2m/s，通过计算则得实验干涉条纹为8.95×10-5条，实验的实际干涉条纹不应大于此数据。

5.关于以太的论证

在宇宙空间内寻找一个绝对优越的静止系是一件不可能的事情，不同天体系统影响以太的运动形式不一样，所以很难进行统一的衡量。这里所关注的是宇宙空间是否真的严格对称[9]，如果空间具有严格对称性那么就能说明以太是不存在的，以太完全是多余的概念，但是如果发现宇宙空间不具有严格对称性，运动形式不再以对称的形式而出现，就足以说明以太是存在的。

伽利略相对性原理是说在一个密闭的船舱内，与外界完全隔绝，无论你拥有多么发达的头脑或者多么先进的科学仪器都无法判别船是处于静止或者直线匀速运动。如果在密闭的船舱内不通过与外界联系有方法能判断出船是处于静止或直线运动的状态，这就足以说明各惯性系之间将不再等价，而是存在一个相对运动的关系。而这个相对运动关系判别的依据就是以以太存在的自然状态为静止参考系。

其实铯原子钟实验已经说明了地球相对于以太的运动。引力场可以影响以太的存在形式，如果忽略或不考虑地球引力对以太存在形式的影响，地球的自转是不会影响以太的存在形式的。当地球发生自转时，地球相对于以太就会存在一个相对运动的速度。当地球不发生自转的情况下，地球相对于以太是静止的，会发现相对于地球静止的钟将是走地最快的钟。针对铯原子钟实验会发现，以地球为参考系，向东运动的原子钟相对于以太的运动速率将大于相对于地球静止的原子钟相对于以太的运动速率；向西运动的原子钟相对于以太的运动速率将小于相对于地球静止的原子钟相对于以太的运动速率。就会得到向西运动的原子钟相对于以太的运动速率最小，也就是向西运动的原子钟会走地最快；相对于地球静止的原子钟将慢于向西运动的原子钟；向东运动的原子钟将是走地最慢的钟。向西运动的原子钟比地球上的原子钟走地快也是有前提条件的，主要的判断依据还在于以太的存在形式。当向西运动的原子钟运动的速率为地球自转速率（地球线速度）的两倍时，向西运动的原子钟走地快慢情况最接近相对于地球静止的原子钟；当向西运动的原子钟运动的速率为地球自转速率的两倍加上向东原子钟运动的速率时，向西运动的原子钟将会慢于相对于地球静止的原子钟，而向西运动的原子钟走地快慢的情况将最接近向东运动的原子钟走地快慢的情况。

假设地球是一个静止的参考系（忽略引力场的影响），任何相对于地球运动的钟都将慢于相对于地球静止的钟。根据这个条件只要钟足够灵敏，在密闭的船舱内，根据钟在不同方向运动中走地快慢情况就可以判断船是否在运动。当钟静止时（船舱为参考系）比其他任何运动状态下的钟走地都快，说明船处于静止状态；当若干钟以相同的速率向四周直线运动时，会发现某一方向的钟比其他方向上的钟走地都快，就可以确定此钟运动的反方向为船运动方向，然后用不同速率的钟在其方向上运动，会发现某一速率钟走地最快，那么此钟的运动速率就是船的运动速率。在密闭的船舱内，根据不同运动状态下钟走地快慢情况可以判断出船的运动状态。在取消地球是一个静止参考系的前提下，以地球上不同方向运动钟的状态为参考，同样也可以判断船的运动状态。

感谢王乃春老师对本文写作的长期指导，同时也感谢张培华等同学对我写作的大力支持！

附录 标题排列和编号方式为1， 2， 3， 4， 5。

参考文献：

[1] 许良英，范岱年（编译）.爱因斯坦文集 第一卷.北京：商务印书馆出版，1976，120-129.

[2] 陈熙谋.大学物理通用教程.近代物理.北京：北京大学出版社，2011， 5-10.

[3] 张操.物理时空理论探讨：超越相对论的尝试.上海：上海科学技术文献出版社，2011，29-58.

[4] 黄志洵.现代物理研究新进展.北京：国防工业出版社，2011，1-50.

[5] （美）爱因斯坦著，周学政，徐有智（编译）.相对论.北京：北京出版社，2009.

[6] 李康，杨建宋.近代物理概论.北京：清华大学出版社，2011，4-7.

[7] 陈秉乾，王稼军.大学物理通用教程.电磁学.北京：北京大学出版社，2012，17-19.