量子力学的特性范文

导语：如何才能写好一篇量子力学的特性，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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量子力学解释遇到的困难，通常包括：数学形式的抽象、明显的非决定论；测量的不可逆性；测量中观察者的作用；制备与测量的区分；在相隔遥远的客体之间的关联；波粒二象性的疑团等等。将近一个世纪以来，已经发展出几十种解释，各有优劣，争论异常激烈。其中长期以来占据统治地位的是由波尔和海森堡于1927年提出并逐渐发展起来的所谓哥本哈根解释，几乎成为了标准解释。这种解释的最大问题在于它的“反实在性”，因而受到许多质疑和反对。本书所建议的“交易解释”（TI）正是针对这一要害建立的。它是1986年由J.G.Cramer 受到WheelerFeynman的光吸收理论启发而首创的。其基本观点认为一个量子事件是由于超前波与推迟波的一种“牵手”，完成一种“交易”形成的。它明显是一种非定域的解释，与最近关于检验Bell不等式的实验自洽，同时又能够满足相对论的协变性和因果规律。本书作者接受并推广了这种解释，在书中详细地把这种解释与哥本哈根解释进行了比较，特别强调了对于所谓的一些佯谬的不同处理。这种解释最大的优势在于可以把量子力学波函数解释为在空间真实传播的物理的波，而不是像哥本哈根解释中认为的只是人们知识的数学表示。它对于波函数的复数特性以及所谓的“扁缩”给出了清楚的理解。同时对于量子力学解释与量子力学实验检验的关系进行了深入的讨论。作者认为这种解释会给量子力学解释长期存在的许多难题的解决提供希望。

全书内容分成9章：1.导言：量子特性；2.示意图对版图；3.原始的TI：基础；4.新的TI：可能主义者交易解释（PTI）；5.挑战、答复和应用；6.PTI和相对论；7.PTI中可能性的形而上学；8.PTI 和“时空”；9.后记：超越视觉。

本书是一部关于量子力学解释问题的学术专著，代表了当前有一定影响的一派主张，当然也有不少对于该观点的质疑，因此，尚不能认为是一种完整的成熟观点。读懂该书需要有较高深的量子力学知识基础和对于各种量子力学解释的深入了解。对于物理学和自然科学的哲学问题感兴趣的研究人员和研究生，这是一部值得一读的参考书。

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随着高科技的发展，手机、笔记本、平板电脑等小型电子设备在我们的生活中得到了广泛应用，以晶体管为中心的半导体技术使这些成为可能。固态晶体管的发明已成为人类在过去一个世纪中最重要的科技进步，其影响力遍及我们生活的各个方面。

将电子设备的尺度再降低一个等级，就到了纳米层次，在纳米维度上理解电流的特性越来越重要。本书力求对从宏观尺度到原子层次的传输现象做一个深入浅出的概述。有两种方法可以制造纳米尺度的设备，一种是自上而下的方法，这种方法在半导体工业中已被成功应用，另一种是自下而上的方法，这种方法正是目前纳米科学研究的前沿。自下而上的纳米技术并不能完全取代自上而下的技术，两者往往相辅相成。但无论哪种方法，都需要深刻理解纳米尺度的传输效应。

本书共分为6章：1.量子力学的基本概念及其与材料电特性的关系，并从量子力学角度对电阻和晶体管中的传输效应进行了解释；2.从量子力学角度阐述了电流、电压和电阻之间的量子特征关系；3.量子与宏观区域的边界，并介绍了几何、尺寸和微观结构是如何影响纳米尺度下的阻抗特性的；4.用于在纳米尺度下探测结构电特性的技术――扫描探针显微镜方法；5.电流产生的负面效应――纳米线中的热效应和电子迁移，这些负面效应非常重要，因为微处理器中晶体管的收缩会造成它们之间的连接体也产生收缩，而纳米尺度上小线的回弹性与微米尺度上长线的回弹性不同；6.分子电子学，通过对这一领域的研究有望实现新型的电路功能。

本书可作为量子力学、扫描探针显微镜法和电子传输的入门参考书。

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楹我豢盼佬堑姆⑸洌引发了这么大关注？这要从其魔法般的特性说起。

大约一百多年前，我们生活在一个很“经典”的宇宙里，一切都合乎常情，没有什么奇怪表现。随后，量子理论出现了。

突然间，事物的表现不再总是合乎一个理性的人的料想了。在微观尺度上，一个粒子可以同时处于两个地方，甚至可以同时向两个不同的方向运动。而且粒子之间可以互相纠缠―通过某种方式即时地远程感知、影响对方。

起源于1900年的普朗克量子力学，描述了这些看似魔法的物理现象。这套理论不断获得实验支持，在一百多年里催生了许多重大发明――原子弹、激光、晶体管、核磁共振等，改变了世界面貌。

量子信息技术是量子力学的最新发展。其中，用这一技术有望打造“不可拦截”的密钥，让通信高度保密。而未来的量子计算机，可能会比传统计算机快亿万倍。这些特性看似魔法，未来却会成为寻常事。

中国此次发射量子卫星的主要任务是，执行星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。这都是量子信息技术的最前沿研究，自然举世瞩目。

但是，要让看似魔法的效果真正实现，还需要长期艰苦卓绝的努力。因为，搞基础科学研究，需要耐得住寂寞、甘坐冷板凳以及长期的积累。

量子、引力波等许多看似枯燥无味或高深难懂的基础研究，之所以吸引全球各主要国家持之以恒地研究投入，正在于它们都有着引发魔法般巨变的前景。量子力学已经引发了社会巨变。例如，电磁波的发现最终使人类有了无线电通信和手机，在狭义相对论中质能关系理论的指导下，科学家最终制造出了原子弹、氢弹和核反应堆，卫星定位等技术也借助了狭义相对论的知识。基础科学研究可以带给人类什么？它带给人类无穷的可能。前沿基础研究，探索的是“魔法”的奥秘，必将带来社会进步。

在今年引力波发现后，美国麻省理工学院校长拉斐尔・赖夫的公开信中的一段话发人深省：“基础科学研究往往是艰苦的、严谨且缓慢的，但不要忘记，它又是震撼性的、革命性的和具有催化作用的。如果没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，‘创新’也只能是修修补补。只有基础科学进步，社会才能进步。”

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[关键词]量子体系对称性守恒定律

一、引言

对称性是自然界最普遍、最重要的特性。近代科学表明，自然界的所有重要的规律均与某种对称性有关，甚至所有自然界中的相互作用，都具有某种特殊的对称性——所谓“规范对称性”。实际上，对称性的研究日趋深入，已越来越广泛的应用到物理学的各个分支：量子论、高能物理、相对论、原子分子物理、晶体物理、原子核物理，以及化学（分子轨道理论、配位场理论等）、生物（DNA的构型对称性等）和工程技术。

何谓对称性？按照英国《韦氏国际辞典》中的定义：“对称性乃是分界线或中央平面两侧各部分在大小、形状和相对位置的对应性”。这里讲的是人们观察客观事物形体上的最直观特征而形成的认识，也就是所谓的几何对称性。

关于对称性和守恒定律的研究一直是物理学中的一个重要领域，对称性与守恒定律的本质和它们之间的关系一直是人们研究的重要内容。在经典力学中，从牛顿方程出发，在一定条件下可以导出力学量的守恒定律，粗看起来，守恒定律似乎是运动方程的结果．但从本质上来看，守恒定律比运动方程更为基本，因为它表述了自然界的一些普遍法则，支配着自然界的所有过程，制约着不同领域的运动方程．物理学关于对称性探索的一个重要进展是诺特定理的建立，定理指出，如果运动定律在某一变换下具有不变性，必相应地存在一条守恒定律．简言之，物理定律的一种对称性，对应地存在一条守恒定律．经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广，在量子力学范围内也成立．在量子力学和粒子物理学中，又引入了一些新的内部自由度,认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律，这就给解决复杂的微观问题带来好处，尤其现在根据量子体系对称性用群论的方法处理问题，更显优越。

在物理学中，尤其是在理论物理学中，我们所说的对称性指的是体系的拉格朗日量或者哈密顿量在某种变换下的不变性。这些变换一般可分为连续变换、分立变换和对于内禀参量的变换。每一种变换下的不变性，都对应一种守恒律，意味着存在某种不可观测量。例如，时间平移不变性，对应能量守恒，意味着时间的原点不可观测；空间平移评议不变性，对应动量守恒，意味着空间的绝对位置不可观测；空间旋转不变性，对应角动量守恒，意味着空间的绝对方向不可观测，等等。在物理学中对称性与守恒定律占着重要地位,特别是三个普遍的守恒定律——动量、能量、角动量守恒，其重要性是众所周知，并且在工程技术上也得到广泛的应用。因此，为了对守恒定律的物理实质有较深刻的理解，必须研究体系的时空对称性与守恒定律之间的关系。

本文将着重讨论非相对论情形下讨论量子体系的时空对称性与三个守恒定律的关系，并在最后给出一些我们常见的对称变换与守恒定律的简单介绍。

二、对称变换及其性质

一个力学系统的对称性就是它的运动规律的不变性，在经典力学里，运动规律由拉格朗日函数决定，因而时空对称性表现为拉格朗日函数在时空变换下的不变性．在量子力学里，运动规律是薛定谔方程，它决定于系统的哈密顿算符，因此，量子力学系统的对称性表现为哈密顿算符的不变性。

对称变换就是保持体系的哈密顿算符不变的变换．在变换S（例如空间平移、空间转动等）下，体系的任何状态ψ变为ψ（s）。

三、对称变换与守恒量的关系

经典力学中守恒量就是在运动过程中不随时间变化的量，从此考虑过渡到量子力学，当是厄米算符，则表示某个力学量，而

然而,当不是厄米算符,则就不表示力学量.但是，若为连续变换时，我们就很方便的找到了力学量守恒。

设是连续变换，于是可写成为=1+IλF,λ为一无穷小参量，当λ0时，为恒等变换。考虑到除时间反演外，时空对称变换都是幺正变换，所以

（8）式中忽略λ的高阶小量，由上式看到

即F是厄米算符，F称为变换算符的生成元。由此可见，当不是厄米算符时，与某个力学量F相对应。再根据可得

可见F是体系的一个守恒量。

从上面的讨论说明，量子体系的对称性，对应着力学量的守恒，下面具体讨论时空对称性与动量、能量、角动量守恒。

1.空间平移不变性（空间均匀性）与动量守恒。

空间平移不变性就是指体系整体移动δr时，体系的哈密顿算符保持不变．当没有外场时，体系就是具有空间平移不变性。

设体系的坐标自r平移到，那么波函数ψ(r)变换到ψ(s)(r)

2.空间旋转不变性（空间各向同性）与角动量守恒

空间旋转不变性就是指体系整体绕任意轴n旋δφ时，体系的哈密顿算符不变。当体系处于中心对称场或无外场时，体系具有空间旋转不变性。

3.时间平移不变性与能量守恒

时间平移不变性就是指体系作时间平移时，其哈密顿算符不变。当体系处于不变外场或没有外场时，体系的哈密顿算符与时间无关（），体系具有时间平移不变性。

和空间平移讨论类似，时间平移算符δt对波函数的作用就是使体系从态变为时间平移态：

同样，将（27）式的右端在T的领域展开为泰勒级数

四、结语

从上面的讨论我们可以看到，三个守恒定律都是由于体系的时空对称性引起的，这说明物质运动与时间空间的对称性有着密切的联系，并且这三个守恒定律的确立为后来认识普遍运动规律提供了线索和启示，曾加了我们对对称性和守恒定律的认识．对称性和守恒定律之间的联系，使我们认识到，任何一种对称性，或者说一种拉格朗日或哈密顿的变换不变性，都对应着一种守恒定律和一种不可观测量，这一结论在我们的物理研究中具有极其重要的意义，尤其是在粒子物理学和物理学中，重子数守恒、轻子数守恒和同位旋守恒等内禀参量的守恒在我们的研究中起着重要的作用．下表中我们简要给出一些对称性和守恒律之间的关系。

参考文献

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［8］李政道.场论与粒子物理（上册）.科学出版社，1980.112-119.

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本世纪以来，物理学哲学研究有了长足的进步，这与现代物理学所具有的一些新特点有很大关系：一是本世纪理论物理学研究在许多方面超前于实验物理学的研究，人们无法对理论物理学的一些结构及时通过观察和实验进行检验，这就使得人们从认识论和方法论角度对物理学思想的合理性和物理学理论自身逻辑结构的自洽性的验前评价变得十分重要；二是当今各种物理学理论（如相对论和量子论）在逐步统一过程中所显现出的整体有机联系的自然图景和对在极端条件下（如宇宙爆炸初期）的物质特性的探索都促使物理学与哲学进一步融合起来，使物理学家感到了从哲学的高度去更深刻地把握物理学前沿提出的种种物理学理论和概念问题的必要性；三是当代物理学所研究的微观和宇观客体的物理性质与规律，由于不能被我们的感官所直接感知，这就必须从认识论的角度说明现代物理学理论描述的微观或宇观世界图景的合理性与真实性，从而在微观或宇观世界与我们日常生活的宏观世界之间建立起一道相互理解的桥梁。

正是现代物理学的这些特点，决定了当代物理学哲学的不同研究途径，即从不同的角度出发，对物理学进行哲学反思，达到丰富和发展哲学认识论与方法论以及加强对物理学理论和概念自身理解的目的。

一

物理学哲学的研究途径之一是从通过对物理学概念，尤其是新物理学概念，物理意义的阐释入手，提高到哲学高度进行分析，进而促进了哲学的发展。这一方面是由于如量子力学创始人之一的海森堡所说：“一部物理学发展的历史，不只是一本单纯的实验发现的流水帐，它同时还伴随着概念的发展，或者概念的引进。……因为正是概念的不确定性迫使物理学家着手研究哲学问题”。（〔（7）〕，第185页），另一方面则是因为物理学是研究最基本的物质运动规律的科学，所以许多最基本的物理学概念，如物质、运动、时间、空间、宇宙等也同时是哲学的基本概念，这些基本概念的变化不仅导致物理学理论的变更，也标志着哲学的重大发展。因此，对这些基本概念的理解，往往是各个哲学流派之间争论的焦点。而对这些概念的哲学争论，又总是围绕着物理学的最新进展而展开，所以从物理学概念入手进行物理学哲学的研究是中外许多哲学家和物理学家最为关注的研究途径。

科学研究从问题开始，而现代物理学的建立则是从概念问题的突破开始的。普朗克1900年为了解决黑体辐射问题提出了作用量子的概念，但他受经典物理学思维框架的约束，当时并没有深刻的理解这个概念实质性的物理意义，只把它当成了一般的工作假说加以运用。只是当爱因斯坦（1905年）运用这个概念建立起光量子假说后，它的实质性的、突破传统经典思维模式的巨大意义才得以凸现出来，并引起物理学界乃至于后来哲学界的广泛关注。玻尔、海森堡等人沿此思路建立了原子结构模型，并最终建立了量子力学理论，对量子概念物理意义的探讨又导致与传统决定论思维模式相悖的非决定论思维模式的产生，这不仅使物理学的理论基础发生了根本的变化，而且使传统的认识论观念也有了重大的转变。

当人们对迈克尔逊—莫雷实验的否定结果迷惑不解时，彭加勒、洛仑兹等人为了维护牛顿的绝对时空不得不提出“虚拟时间”的概念来解释这一奇怪的结果。爱因斯坦则从麦克斯韦电磁学理论与经典力学伽利略变换之间的矛盾中看出了问题的实质所在。他看出了牛顿所谓的绝对时间并非是有物理意义的真实时间，而彭加勒、洛仑兹等人认为是“虚拟时间”的概念却是在实际观测中可以测量到的真实时间，这不仅使迈克尔逊—莫雷实验的难题迎刃而解，而且一举建立了狭义相对论。从这里又引发了一轮重新认识时间和空间这一对古老哲学概念的热潮。

随着广义相对论的提出和现代宇宙学的建立，使人们对时间和空间的研究进入了一个新阶段。哲学家们纷纷依据物理学的最新研究成果对时间空间概念进行新的阐释，乃至于给一些古老的哲学命题，如康德的“二律背反”以新的说明。（参见〔（1）〕原苏联和我国的一些哲学工作者通过对相对论时间和空间概念与物质运动、物质分布状态关系的分析，进一步论证了恩格斯当年对时间和空间这对哲学范畴的正确定义。随着现代宇宙学的兴起和发展，人们对“宇宙”概念也有了新的认识，于是，有关宇宙有限还是无限、哲学的“宇宙”概念与现代宇宙学所说的“宇宙”之间究竟是什么关系等问题的讨论，又成了哲学界和科学界共同关心的热点。可是，当人们正沉浸在广义相对论解决宇宙演化问题所取得的成就时，却不得不沮丧地发现，所有已知的物理学定律在广义相对论时空曲面的奇点处都失效了。从理论上来说，所谓宇宙大爆炸最初的原始火球在数学上的表示就应该是一个奇点，也就是说，如果宇宙起源于奇点，我们难以用现有的任何物理学定律说明宇宙爆炸的原因。于是有的科学家戏称说，既然宇宙是上帝创造的，那么只好把这个问题留给上帝，胆敢问这个问题的人，上帝将使他下地狱。

英国著名物理学家霍金是最早开始研究奇点问题的物理学家之一，近年来也是他提出了试图用量子引力理论来绕开奇点问题的方法。他为了避免当年费因曼处理微观粒子时假设的各态历经的技术困难，并类比他用交换虚粒子来说明粒子间相互作用的方法，提出了“虚时间”的概念。虽然如他自己所说：“虚时间”是一个意义明确的数学概念，“就普遍的量子力学而言，我们可以把我们对虚时和欧几里得时空的运用，仅仅视作一个计算实时空答案的数学方法（或手段）。”（〔（8）〕，第162页）但由于量子引力理论假定宇宙没有任何边界，“宇宙将完全是独立的，不受外界任何事物的影响。它既不会被创造，也不会被消灭，它将只是存在”。（〔（8）〕，第164页）而“虚时间”的应用，则使人们绕开了宇宙起源于奇点和终止于奇点这种用奇点构成时空边界的困难，让物理学定律在任何时空区间都有效。正是有这个意义上霍金认为：“所谓的虚时实际上是实的，而我们所说的实时只是我们想象中虚构的事物”，“也许我们所说的虚时实际上是更基本的东西，而我们称作实时的只是为了帮助我们描述我们想象中的宇宙模样而创造的一种想法。”（〔（8）〕，第168页）

霍金对科学理论的看法持有工具论的立场，但对于“虚时间”的概念是否如他所说是更基本的东西，不在于理论上是否更为合用，而在于它是否能够作出可观察的预言并在实践中得到确证。在此以前，我们至少应当接受本世纪初的教训，不要把我们现有的物理学理论所描述的时空概念又看成是绝对不可改变的，更不应该在没有充分理解一些物理学家所提出的新物理概念的明确物理意义之前，甚至在没有仔细阅读霍金原著的上下文意思之前，就把他们与哲学中的后现代主义思潮拉扯在一起。在这里，重温一下爱因斯坦的一段话，可能对我们会有所启发：“为了科学，就必须反复地批判这些基本概念，以免我们会不自觉地受到它们的支配。在传统的基本概念的贯彻使用碰到难以解决的矛盾而引起了观念发展的那些情况，这就变得特别明显。”（〔（15）〕，第586页）

近期物理学哲学的发展中可能更加值得注意的动向是，随着本世纪许多新兴学科的兴起，使许多新的科学概念越来越渗入到哲学研究之中，如系统、信息、控制、混沌、有序、无序等等概念，早已不再是某些专门学科的专业术语。由于这些概念的普适性，它们已成为各门学科中广泛使用，乃至于在日常生活中经常提到的概念。它们不可避免地会逐步上升为哲学范畴。对这些新概念的产生和普及，物理学有很大的贡献，正是由于本世纪对远离平衡态热力学的研究，才加深了人们对时间方向性，对物质系统的演化，对有序、无序、混沌等等物质状态的认识，从而也极大丰富了哲学的内容。下面我们还将谈到，正是由于这些研究引起了人们思维观念的巨大变化。从而也使得传统的哲学在许多方面发生了革命性的变革。

对概念的更高层次的元理论研究已不局限于物理学哲学的范围，而是在更为广泛的科学哲学层次里展开的，不过，由于物理学相对于其他学科而言更为成熟，更为精确，物理学史的研究也比其他学科史更为细致，所以许多科学哲学家仍利用对某些物理学概念的分析作为阐述自己观点和与他人论争的依据。例如，库恩和费耶阿本德通过对“质量”这个概念在经典力学与相对论中的不同涵义，以及“电子”这个术语在不同时期指称对象意义变化的分析，得出了前后相继的科学理论或不同范式之间不可通约的观点（参见〔（14）〕、〔（22）〕），从而引起了科学哲学界的极大争议。而普特南等人则同样根据对“电子”一词涵义变化的分析，说明了他的有关自然种类名词因果—历史指称理论，并驳斥了库恩和费耶阿本德的不可通约性的观点。

目前，随着物理学和哲学的进展，沿着这个途径的物理学哲学研究正在蓬勃发展。一方面，新的物理学概念不断涌现，人们常常需要从物理学之外对这些概念进行阐释才能理解它们更深刻更普遍的意义，而这些概念的广泛应用也不断充实了哲学的内容；另一方面，哲学自身的发展也需要不断从自然科学，包括物理学概念的变革中吸取养料，提出新的问题、新的观点，拓展新的思路。

二

物理学哲学研究的另一个途径是通过物理学前沿哲学问题的讨论，使一些传统的哲学观点产生根本变革。这条途径在很大程度上离不开对新物理概念的分析。从这个意义上说，它与前面所讨论的途径并无根本的区别，只是这条途径更着重于对物理学前沿所涉及到的一些基本哲学问题，如认识过程中主客体之间的关系，因果性的决定论与非决定论以及与其相关的必然性与偶然性的关系，可知论与不可知论，实在论和工具论等等，进行进入地探讨。

本世纪在物理学界和科学哲学界影响最大的一场争论就是爱因斯坦和以玻尔为首的哥本哈根学派关于量子力学理论基础的争论，这场争论的和至今余波未息的争论焦点集中在对爱因斯坦等人提出的EPR悖论的理解上。这场发生在量子力学创始人之间的争论虽然是从对诸如量子力学中波函数的物理意义、海森堡不确定性原理（或译测不准关系）和玻尔互补原理的理解开始，进而讨论到量子力学是否完备的问题，但这场似乎只是纯物理学，甚至是理论物理学的科学争论，一开始就带上了浓厚的哲学色彩。

这主要是因为微观客体所表现出来的诸如波粒二象性等特征，用描绘宏观现象的日常语言实在难以准确表达其确切含义，再加上对微观客体的实验安排也呈现出与经典物理学实验许多不同的特征。如何正确理解量子力学的数学符号所蕴涵的物理意义？量子力学描述的微观客体的行为特征究竟是不受主体干扰的客观规律所致，还是宏观仪器对微观客体不可避免的干扰下主客体相互作用的结果？微观客体所表现出的随机性究竟是微观客体的本质特征，还是认识主体认识局限性的结果？进而，到对微观客体行为的理论描述究竟应当坚持决定论的思维模式，还是非决定论的思维模式，用爱因斯坦的话来说，就是我们是否相信上帝会掷骰子？物理理论的每个元素是否都必须在实在中有它的对应物，亦或物理理论只是一种对实在的本体论承诺，甚至只是我们为了解释现象或解决问题的方便而使用的一种工具或符号系统？这些问题早已不是物理学本身所能解决的，但又是物理学家们不得不解决的，人类不倦的求知欲促使他们转而寻求哲学的帮助。这就使得本世纪初许多量子力学的创始人都是哲学家，普朗克、爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森堡、薛定锷等人在哲学界的影响并不比他们在科学界的影响小。他们的哲学观点往往是本世纪科学哲学讨论问题的出发点，由此而引发的实在论与非实在论之争仍是科学哲学界的热点问题之一。他们的哲学专著又成了许多一流科学家案头必备的读物，以便随时从中得到智慧的启迪。实际上，爱因斯坦与玻尔这场上升到哲学的争论，经过贝尔等人的努力，重又变成了用物理学实验可以进行经验检验的问题，检验的结果虽不足以最终决定谁是谁非（尽管哥本哈根学派明显占了上风），但却明确说明了物理学与哲学的密切关系，物理学哲学绝不是纯思辨的玄学。

当然，一流科学家也是哲学家的现象绝不仅限于量子力学领域。彭加勒、布里奇曼等人不仅在物理学界享有盛誉，甚至还是一些哲学流派（约定主义，操作主义）的创始人。维纳、普里高津等人虽然算不上正统的哲学家，但他们的哲学素养却为世人所公认，他们的科学成就对哲学思维方式的影响应当说有划时代的意义。从康德提出星云假说开始在当时占统治地位的形而上学世界观上打开了第一个缺口，但完成这个星云假说的拉普拉斯却把从牛顿开始的机械决定论思维推向了极端，并且产生了巨大的影响。如果说量子力学哥本哈根学派的非决定论思想是对这种机械决定论思想发起的一场重要挑战的话，那么由于量子力学只涉及到微观领域，还不足以在思想界和科学界抵消拉普拉斯的影响。19世纪德国古典哲学家们总结的辩证法思想虽然曾对19世纪科学的发展产生过影响，但由于其思辨色彩太浓也受到了许多科学家的抵制。但贝塔朗菲、维纳等人创立了系统科学，尤其是普里高津等人从热力学等实证的经验科学本身得出系统演化的思想以后，普遍联系和发展的观点对于科学家们来说，不再是外在的哲学教条，而是在科学中必须严格遵守的思维准则。更重要的是，自组织理论、非线性科学所揭示偶然性与必然性之间的新联接清楚地表明，非决定论的思维方式绝不仅限于微观领域，严格因果决定论在我们日常生活中也不是普遍适用。我们不能再用严格因果决定的观点来作为可知与不可知的界限，我们知道我们认识的某些界限（例如长期准确天气预报的不可能）也是可知，甚至是认识深化的表现。对看似无序的混沌现象的研究，却使我们能够说明许多过去简直无法理解的复杂现象，例如天气变化，中枢神经系统运动等等。物理学哲学在这方面的研究方兴未艾，尽管已有了一些成果，但还只能算是刚刚起步。物理学哲学的发展，已经引起了越来越多在物理学前沿领域工作的第一流科学家们的注意，对他们的研究工作产生了一定的启迪作用。

三

利用当代物理学及其相关学科的最新成果构建新的自然图景，并对此进行哲学反思是物理学哲学的又一研究途径。其实，这个研究传统由来已久，哲学既是一种理论化、系统化的世界观，对世界作一个总体的描绘和系统全面的认识就是它的首要任务。古代自然哲学凭借哲学家自己的直观和猜测来构建整体的世界自然图景，结果是五花八门，莫衷一是。自从近代科学诞生以后，哲学家们（即使是宗教哲学家）或多或少都要依居他们所知的自然科学成果来构建自己的自然图景，但他们对这幅图景的理解或解释却可以由于他们的信仰而有很大的差异，甚至根本对立，尤其是当他们面对最新的科学成果，而这些科学成果表现出了一些与传统哲学不同的思维方式时，更会使哲学家们对这些科学成果的理解上产生更大的差异，由此而引起的争论往往成为哲学界的热点。

现代物理学的发展使古老的涉及到自然图景的争论，如物质是否无限可分和宇宙是否无限等问题又增添了许多新的内容。

上世纪末物理学中关于X射线、电子和放射性现象的三大发现打破了原子不可再分的古老神话，揭开了人类对物质结构探索的新篇章。随着原子结构和基本粒子的大量发现，物质无限可分的观点似乎得到了科学实验的有力证明。但正当人们信心百倍地探索到更深层次的亚基本粒子结构——夸克层次的时候，却碰到了在实验中无法测到自由夸克的所谓“夸克禁闭”现象。那么，这个目前得到量子色动力学理论说明的现象是否意味着物质有不可再分极限的古老原子论观点又有抬头的可能呢？对这个问题的争论正在继续进行。

相对论的建立不仅赋予时间和空间概念以新的含义，而且极大地改变了人们对自然图景的看法，尤其是广义相对论对宇宙时空几何结构的描述，使从牛顿时代建立起来的宇宙图景发生了重大的变革。现代宇宙学的诞生向人们描绘了一幅宇宙演化的生动图景，一方面更充分地说明了宇宙中事物普遍联系和无限发展的辩证唯物主义观点，另一方面也使人们对宇宙时空结构是否无限的问题产生了新的疑惑。显然，过去停留在从纯哲学思辨或纯逻辑学论证（如康德的“二律背反”）上来讨论宇宙有限无限这一古老问题是远远不够了。离开了对现代宇宙学，天体物理学，乃至于非欧几何学的深刻理解来奢谈这一问题，已显得是隔靴搔痒，不得要领了。

实际上，今天我们讨论自然图景的问题还不能仅仅停留在物理学层次上，我们这个时代已经形成了关于自然进化的自组织理论和全球生态学的理论，这些综合性的学科已经大大丰富和更新了我们的自然图景。这迫使我们不仅要立足于当代物理学发展的最新成果，而且还要联系到其他学科发展的最新成果，树立把自然界看成是不断演化的有机体的认识原则，去构筑最新的完整的自然图景。这显然对哲学家提出了更高的要求。当然，即使如此，物理学仍然是各门经验自然科学的基础。任何对自然图景的描述，都不可能脱离这个基础。这一发展趋势只是为物理学哲学的这一研究途径开辟了更为广阔的发展前景。

四

物理学方法论的研究也是物理学哲学的一个重要内容。物理学理论的发展总是与物理学方法的更新与发展紧密相连，相辅相成的。例如，近代物理学的诞生，就得益于伽利略，牛顿等人在研究方法上的大胆创造与革新，他们把观察、实验等经验方法与数学、逻辑等理论方法有机结合起来，还创造了诸如将形象思维和逻辑思维巧妙结合的理想实验方法（伽利略），甚至发明新的数学工具——微积分（牛顿）。这些方法上的成就不仅大大推进了物理学的进展，而且具有重大的方法论意义，为以后物理学的发展起了巨大的示范作用。现代物理学的发展更清楚地表明，物理学每前进一步，都伴随着方法上的重大革新与改进；而物理学作为一门基础科学，它的每一步发展，又为人们创造新的方法、设计新的实验仪器和设备提供了新的理论基础，从而不仅为本学科的发展开辟了新的领域，创造了新的条件，而且还大大影响和促进了其他学科的发展。本世纪物理学借助相对论和量子力学的相继建立取得了重大的进展，而如何将二者更紧密结合起来创造一种统一的物理学似乎是下个世纪物理学发展的一个方向。如何为实现这个目标取得方法上的突破便成了当前物理学方法论研究中的一个热门问题。

美国哲学家蒯因曾经把知识体系比喻成为一个整体场。他说：“整个科学是一个力场，它的边界条件就是经验，在场的周围同经验的冲突引起内部的再调整。”（〔（18）〕，第694页）也就是说科学的理论陈述和与之相应的数学、逻辑和形而上学陈述一起组成了这个整体的知识场，“根据任何单一的相反经验要给哪些陈述的再评价的问题上有很大的选择自由，并无任何特殊的经验是和场内部的任何特殊陈述相联系的”。（同上）为了适应经验的变化，例如说要解释一个新的观察现象，不仅可以改变理论陈述，也可以调整其他的陈述，如改变一种数学方法，调整我们的本体论信念，乃至于修改有关的逻辑规则，“有人曾经提出甚至逻辑的排中律的修正作为简化量子力学的方法”（同上）。蒯因的上述想法并非是纯哲学的思辨。现代物理学的发展已更清楚地表现出了理论与方法之间这种联动的特征。

首先，现代物理学对物质结构和宇宙起源的探索，涉及诸如“夸克禁闭”和真空特性等问题，解决这些问题，一方面依赖于理论的进一步突破，另一方面也依赖于实验手段的改进。

其次，本世纪初，相对论与量子力学的思想一经形成，就可以在19世纪下半叶新兴的数学分支中找到相应的数学工具，如非欧几何学、张量分析、线性代数等等。在有关基本粒子的规范场论中，群论也得到了很好的应用，但随着现代物理学的进一步发展，数学手段已显得不够得力。例如，目前关于大统一理论的研究难以取得有效的突破，症结究竟是在相对论与量子力学自身难以统一，需要建立一种能取代二者的新理论，还是缺乏必要的数学处理方法就是尚待解决的问题。

第三，在量子力学的赖辛巴哈解释中，赖辛巴哈试图建立一种消除形式逻辑排中律的三值逻辑来消除用经典语言描述微观客体行为时与量子力学结论相悖的因果异常。这种新的逻辑形式揭示了用传统形式逻辑描述不确定现象时的困难。（参见〔（5）〕）沿着赖辛巴哈的思路，有人进一步发展出应用抽象代数学中“格演算”的工具，用基本联词“遇”与“接”来取代“与”和“或”用以更好地刻划量子领域中的“亦此亦彼”现象，并使这种最子逻辑可以用一种广义的命题演算工具表述。（参见〔（23）〕）虽然这一设想还没有得到广泛应用，但毕竟给我们一个启示。量子物理的理论具有高度的辩证性质，“非此即彼”的形式逻辑思维已不足以解释量子物理实验中众多的“亦此亦彼”的现象，而一种新的逻辑思维方式可能是现代物理学取得进一步突破的关键。这正如日本物理学家武谷三男所说：“量子力学的情况，如果从我们通常的观念看来，是充满着矛盾和难以克服的困难，但量子力学却是以独特的数学结构卓越而合理地把握了它，要理解这种逻辑结构，唯有依靠辩证逻辑。”（〔（3）〕，第100—101页）形式逻辑产生了古希腊时期，是人类对宏观事件进行思维时对规律的总结。但当我们深入到前人未曾接触过的微观和宇观领域时，由于物质决定意识，我们的思维方式是否也应该发生某种变化呢？现在的问题是，针对现代物理学中出现的一些难以解决的问题，如EPR悖论，我们除了继续在物理学理论上寻求突破之外，是否也可以换一种逻辑思维方式，甚至如本世纪一些杰出物理学家，如玻尔、普里高津等人所说的那样，现代物理学可以从古老的东方文化中吸取有益的营养，来帮助寻求现代物理学的突破口呢？

五

以上我们虽然分别评述了物理学哲学研究的不同途径，但这并不意味着物理学哲学研究途径之间的差别就是泾渭分明的，恰恰相反，正如我们在上面叙述中已经表露出来的那样，这些研究途径之间是紧密相连、相辅相成的，其区别只在于我们研究的问题倾重点不同罢了。任何最新自然图景的构建都要建立在自然科学前沿的研究成果之上，对自然科学前沿问题的正确理解就是构建新自然图景的关键所在。但任何新理论成就的取得又都离不开概念的更新和对这些概念的澄清。上述研究当然也离不开对物理学方法的反思和创造。总之，当代物理学哲学是对物理学的历史与现状进行全面反思的一门哲学分支学科，它的研究既会对物理学的进一步发展有一定的启发作用，也由于涉及到哲学的本体论、认识论和方法论的各个方面，又会对丰富和发展当代哲学做出应有的贡献。

近年来，我国一些物理学家和自然辩证法工作者运用辩证唯物主义思想，从以上各条途径上全面展开了研究，尤其是对物理学前沿科学成果所产生的哲学问题的辩论，例如，涉及到大爆炸宇宙学的有关宇宙有限无限问题，涉及到“夸克禁闭”现象的物质是否无限可分问题，对有关EPR悖论的阿斯佩克特实验结果的理解问题等等，都引起了哲学界和部分物理学家的广泛关注。我们还注意到，国内一些哲学教科书已经根据上述问题的讨论充实和更新了有关的教学内容，这是值得欣慰的。但我们也应当看到，我国目前物理学哲学研究的水平与国外同行相比还有一定差距。其主要表现就是对当代物理学基本思想的理解还不深，还难以提出独到的令物理学界和哲学界都信服的观点，而当年赖辛巴哈、波普尔、邦格等哲学家参与有关量子力学基础问题的争论时，都曾提出过令当时还健在的量子力学创始人和众多诺贝尔物理学奖金得主都不得不重视的观点。（参见〔（3）〕、〔（4）〕、〔（5）〕）这主要是因为我国第一流的物理学家关心物理学哲学的人数还太少，而受过专门物理学训练的哲学工作者（包括自然辩证法工作者）也不多，二者之间交流的机会就更少。我们热情地期待，会有更多的哲学和物理学工作者参加到物理学哲学研究的行列中来。

主要参考文献

（1）Lawrence Sklar: Philosophy of physics， University of Michigan Press， 1992.

（2）J. Earman: The History and Philosophy of Cosmology， Princeton Univesity Press， 1993.

（3）K.Popper: Quantum Theory and the Schism in Physics， Rowman and Littlefield Prb. 1982.

（4）Mario Bnngc: Treatise on Basic Philosophy Vo1.7. Philosophy of science and Technology.D. Reidel Pub. Co. 1993.

（5）H．赖辛巴哈：《量子力学的哲学基础》，商务印书馆，1966年。

（6）N．玻尔：《原子物理学和人类知识》，商务印书馆，1978年。

（7）W．海森堡：《严密自然科学基础近年来的变化》，商务印书馆，1973年。

（8）S．霍金：《时间史之谜》，上海人民出版社，1991年。

（9）S．霍金：《时间简史续编》，湖南科学技术出版社，1995年。

（10）S．霍金：《霍金讲演录》，湖南科学技术出版社，1995年。

（11）戴维斯、布朗合编：《原子中的幽灵》，湖南科学技术出版社，1995年。

（12）彭罗斯：《皇帝新脑》，湖南科学技术出版社，1995年。

（13）武谷三男：《武谷三男物理学方法论论文集》，商务印书馆，1975年。

（14）T．库恩：《科学革命的结构》，上海科学技术出版社，1982年。

（15）《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆，1976年。

（16）普特南：《理性、真理与历史》，辽宁教育出版社，1988年。

（17）伊·普里戈金、伊·斯唐热：《从混沌到有序》，上海译文出版社，1987年。

（18）洪谦主编：《逻辑经验主义》，商务印书馆，1984年。

（19）吴国盛主编：《自然哲学》，中国社会科学出版社，1995年。

（20）殷正坤等主编：《智慧的撞击》，湖北教育出版社，1992年。

（21）殷正坤、邱仁宗：《科学哲学引论》，华中理工大学出版社，1996年。

篇6

天体物理学属于应用物理学的范畴，是研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同学术领域的知识，包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等。

本书作者Leonard S Kisslinger是美国卡内基梅隆大学教授，他意在使任何学科的学生对于近几十年天体物理学取得的那些令人兴奋和感到神秘的发展有一些了解。本书解释了宇宙从早期到现在的演化过程，运用通俗易懂的讲述方式使任何一个拥有高等数学基础的大学生都能够理解。

全书由10章组成：1.天体物理学的物理概念：速度、加速度、动量和能量的基本概念，温度（作为一种能量形式），力和牛顿运动学定律；2.力和粒子：基本粒子的标准模型，原子、原子核、重子等；3.哈勃定律―宇宙膨胀：首先定义和讨论了光的多普勒频移和红移，然后从星系中光的多普勒频移的测量回顾了哈勃定律，最后讨论了宇宙的膨胀；4.恒星、星系等：地球怎样绕着太阳旋转，太阳（作为一个熔炉）的特性，大质量恒星由于引力坍塌导致脉冲星和黑洞形成的过程；5.中微子振荡、对称性和脉冲星冲击：称为中微子振荡的中微子相互转化的三种标准模型的重要属性，怎样利用中微子振荡来测量宇称性、电荷共轭和时间演化对称性，通过中微子发射来解释脉冲星冲击的可能原因；6.爱因斯坦狭义和广义相对论：狭义相对论中的重要假设，以及由此产生的长度收缩和时间膨胀，由洛伦兹变换得到的附加速度的爱因斯坦方程与假设的相一致性，利用相对动量和张量简单讨论了广义相对论；7.从广义相对论得到的宇宙的半径和温度：宇宙的弗里德曼方程、宇宙膨胀的引力辐射和重力波，以及引力量子场理论；8.宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射相关的一些概念，重点是温度和时间的相关性；9.电弱相变（Electroweak phase Transition）：定义了量子力学的相变和潜伏热，重点讨论了电弱理论和电弱相变，电弱相变和其产生的重力波间磁场的建立过程；10.量子色动力学相变：量子色动力学相变和银河系和星系团之间磁场的关系，由于相对论性的重离子碰撞量子色动力的产生。

本书的目的是使大学生理解描述宇宙演化的基本物理概念，并基于此讲述早期到现在宇宙演化背后的天文物理学理论。本书不要求学生有太深的数学基础，适用于所有对科学尤其是天文科学感兴趣的大学生，同时也适合于对这些话题感兴趣的读者。

篇7

人们通常把材料、信息和能源　人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，并认为他们是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一。在这三大支柱中，材料科学显得尤为重要，可以说材料科学是现代科学技术发展的重要支撑，这主要体现在材料是人类社会进步的里程碑，而先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导，也因为信息和能源技术的发展都与材料科学的进步和发展密切相关。材料一直是人类赖以生存和发展的物质基础，但材料科学的提出却是20世纪60年代初的事情，也是科学技术发展的必然结果。随着人们对材料的制备、微观结构与宏观性能之间关系等研究的逐步深入，各种材料体系，如金属材料、高分子材料、陶瓷材料等都已相继建立起来。对不同材料的研究可以相互借鉴，也使得不同材料之间的相互替代和补充成为可能，由此也出现了复合材料的概念并得到了广泛应用。随着人们对材料研究的深入，逐渐形成了材料科学与工程这门学科。这门学科除了研究材料的组成、结构与性质的关系等基础研究之外，还研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。现在一般认为，材料科学与工程主要包括组成与结构、合成与制备、性质及使用效能等四个方面，它是关于材料成份、结构、工艺与它们的性能和用途之间的有关知识的开发和应用的科学。由此可以看出，材料科学与工程科学有多学科交叉、与实际应用密切相关等特点，并且也是一门正在发展中的科学。作为一级学科，材料科学与工程学科下设有材料物理与化学、材料学、材料加工工程三个二级学科。按照我国的专业规划，材料科学与工程学科以材料学、化学、物理学为基础，系统学习材料科学与工程专业的基础理论和实验技能，并将其应用于材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面。更进一步讲，材料科学与工程专业培养具备包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料等材料领域的科学与工程方面较宽的基础知识，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作的科学研究与工程技术人才。金属材料领域涉及的金属磁性材料和无机非金属材料领域涉及的陶瓷基铁氧体材料都已经得到了非常广泛的应用。高分子领域的有机磁体，目前正在成为国际上研究的热点，也是软物理研究的一个重要领域。由此可以看出，材料科学与工程领域涉及的各个方面，都可以看到磁性材料的影子。材料一般分成结构材料和功能材料两大类，磁性材料作为具有特定物理功能的材料，在功能材料中占有很大的比重。当前功能材料的研究和开发的热点集中在光电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等领域，这几类材料几乎都与磁性材料有直接或间接的关系，各类材料的磁学性质无疑也是当今研究的热点问题。

随着社会的发展，特别是信息功能材料的发展和应用的日益广泛，作为功能材料基础的磁性材料得到了日益广泛的应用。与此相适应的，在材料科学与工程学科的教学体系中，特别是在一些主干课程中都出现了与磁性材料相关的内容也就成为历史的必然。因为磁性材料从材料微观结构上涉及到晶态材料、非晶态材料、纳米晶材料，也涉及到金属材料、陶瓷材料等无机材料，所以在《材料物理导论》中把“材料的传导性和磁性”作为一个章节，《新材料概论》中与磁性有关的有“磁性材料”和“超导材料”两个章节，《金属功能材料》涉及到磁性的章节更多，有“磁性材料”、“金属薄膜材料”、“非晶态金属材料”、“信息材料”、“超导材料”及“智能金属材料”等章节，在涉及到材料物理性能及测试的教材中，都会不可避免地涉及到磁学知识。在国外的教材中，情况也是如此，如《工程材料科学与设计》一书。在无机材料、陶瓷材料等课程中，也都会涉及到磁性材料，在材料物理性能的讲授中，也必然会涉及到电性及磁性的内容。考虑到磁学知识的广泛性及分散性，我校在教学实践中发现，有必要充分利用学校在这方面的优势，把磁学的相关知识单独作为一门学科进行讲授，这样既有利于学生对磁学知识有一个系统的理解，也可以适应社会发展的需要。磁性材料作为一种非常重要的基础功能材料，在社会中已经得到了广泛的应用，作为材料科学与工程专业的学生，非常有必要对磁学及磁性材料的知识有一个专门的了解，这样做会使学生受益终生。因为一方面有利于扩大他们的知识面和视野，也非常有利于他们就业；另一方面有的学生进入研究生阶段后，如果具备一些磁学相关知识，也非常有利于他们的学习和研究工作，《金属材料结构与性能》属于材料科学与工程学科领域的基础教材和国内外材料专业硕士的必修教材，也把“材料的磁性能”作为一个章节进行讲授。

作为重要的现代信息功能材料的磁性材料，其发展具有悠久的历史，在这方面已经有许多专门的文献资料进行了介绍，在此不再赘述。人类很早就开始了磁学的研究，但直到量子力学创立后，才对磁性的起源有了一个较为清晰的认识，也就是说，磁性本质上起源于物质的量子性质。这就说明要研究与磁性相关的现象，就必须具有《量子力学》的学习背景；要研究大量微观粒子聚集体的磁学性质，就必然要用到《热力学统计物理》的知识；要研究固体的磁学性质，也必然要对《固体物理》有深入的了解。所以，在学习《磁学》课程之前，必须要以这三门课程的学习为先导，而在材料科学与工程专业中作为专业基础课，都会专门开设这三门课程，这也就为磁学课程的开设创造了有利条件。我校的探索实践表明，在讲授中应以《磁性材料》课程为主线来进行讲授，并且适当增加一些必要的磁学知识和磁测量知识，以利于学生的理解，也有利于学生对其他相关课程的学习。我校几年来的实践教学都收到了良好的效果。人们对纳米结构体系与新的量子效应器件的研究已经取得了许多新的进展，有许多成果已经产业化，并由此带动了传统产业的技术升级和技术进步，从而掀起了纳米科技热潮。纳米结构由于具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等，这些都属于量子力学现象，现代纳米科技研究也多是以这些效应为出发点来进行的，这些内容也是材料科学与工程学科各门主干课程的重点内容。磁学主要研究物质的磁性及其起源，也就是研究与电子的自旋相关的性质及理论。磁学从创立之初就一直在从事与量子效应有关的知识研究。从量子力学创立至今，磁学从理论上对这些问题的探索已经有将近一个世纪的时间，积累了丰富的知识，对磁学相关知识的学习，必然会大大促进学生对材料科学与工程学科的学习和理解。

并列为现代科学技术的三大支柱，并认为他们是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一。在这三大支柱中，材料科学显得尤为重要，可以说材料科学是现代科学技术发展的重要支撑，这主要体现在材料是人类社会进步的里程碑，而先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导，也因为信息和能源技术的发展都与材料科学的进步和发展密切相关。材料一直是人类赖以生存和发展的物质基础，但材料科学的提出却是20世纪60年代初的事情，也是科学技术发展的必然结果。随着人们对材料的制备、微观结构与宏观性能之间关系等研究的逐步深入，各种材料体系，如金属材料、高分子材料、陶瓷材料等都已相继建立起来。对不同材料的研究可以相互借鉴，也使得不同材料之间的相互替代和补充成为可能，由此也出现了复合材料的概念并得到了广泛应用。随着人们对材料研究的深入，逐渐形成了材料科学与工程这门学科。这门学科除了研究材料的组成、结构与性质的关系等基础研究之外，还研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。现在一般认为，材料科学与工程主要包括组成与结构、合成与制备、性质及使用效能等四个方面，它是关于材料成份、结构、工艺与它们的性能和用途之间的有关知识的开发和应用的科学。由此可以看出，材料科学与工程科学有多学科交叉、与实际应用密切相关等特点，并且也是一门正在发展中的科学。作为一级学科，材料科学与工程学科下设有材料物理与化学、材料学、材料加工工程三个二级学科。按照我国的专业规划，材料科学与工程学科以材料学、化学、物理学为基础，系统学习材料科学与工程专业的基础理论和实验技能，并将其应用于材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面。更进一步讲，材料科学与工程专业培养具备包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料等材料领域的科学与工程方面较宽的基础知识，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作的科学研究与工程技术人才。金属材料领域涉及的金属磁性材料和无机非金属材料领域涉及的陶瓷基铁氧体材料都已经得到了非常广泛的应用。高分子领域的有机磁体，目前正在成为国际上研究的热点，也是软物理研究的一个重要领域。由此可以看出，材料科学与工程领域涉及的各个方面，都可以看到磁性材料的影子。材料一般分成结构材料和功能材料两大类，磁性材料作为具有特定物理功能的材料，在功能材料中占有很大的比重。当前功能材料的研究和开发的热点集中在光电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等领域，这几类材料几乎都与磁性材料有直接或间接的关系，各类材料的磁学性质无疑也是当今研究的热点问题。

随着社会的发展，特别是信息功能材料的发展和应用的日益广泛，作为功能材料基础的磁性材料得到了日益广泛的应用。与此相适应的，在材料科学与工程学科的教学体系中，特别是在一些主干课程中都出现了与磁性材料相关的内容也就成为历史的必然。因为磁性材料从材料微观结构上涉及到晶态材料、非晶态材料、纳米晶材料，也涉及到金属材料、陶瓷材料等无机材料，所以在《材料物理导论》中把“材料的传导性和磁性”作为一个章节，《新材料概论》中与磁性有关的有“磁性材料”和“超导材料”两个章节，《金属功能材料》涉及到磁性的章节更多，有“磁性材料”、“金属薄膜材料”、“非晶态金属材料”、“信息材料”、“超导材料”及“智能金属材料”等章节，在涉及到材料物理性能及测试的教材中，都会不可避免地涉及到磁学知识。在国外的教材中，情况也是如此，如《工程材料科学与设计》一书。在无机材料、陶瓷材料等课程中，也都会涉及到磁性材料，在材料物理性能的讲授中，也必然会涉及到电性及磁性的内容。考虑到磁学知识的广泛性及分散性，我校在教学实践中发现，有必要充分利用学校在这方面的优势，把磁学的相关知识单独作为一门学科进行讲授，这样既有利于学生对磁学知识有一个系统的理解，也可以适应社会发展的需要。磁性材料作为一种非常重要的基础功能材料，在社会中已经得到了广泛的应用，作为材料科学与工程专业的学生，非常有必要对磁学及磁性材料的知识有一个专门的了解，这样做会使学生受益终生。因为一方面有利于扩大他们的知识面和视野，也非常有利于他们就业；另一方面有的学生进入研究生阶段后，如果具备一些磁学相关知识，也非常有利于他们的学习和研究工作，《金属材料结构与性能》属于材料科学与工程学科领域的基础教材和国内外材料专业硕士的必修教材，也把“材料的磁性能”作为一个章节进行讲授。

篇8

一、职业道德要求

RICS会员必须证明自己是一位拥有专业地位、符合社会期望、技术熟练的从业者，同时，要求会员必须理解执业所在国的法律及法律体制的一般原则。职业道德共包括12项：行事光明磊落、诚信执业、透明公开、勇于承担责任 、明了自己的专业能力、保持客观、尊重他人、注重形象、敢于坚持自己的立场、遵纪守法、申明可能的利益冲突 、保守机密。

二、专业能力要求

会员级别共分为三级，专业能力要求共涵盖以下10项。申请者可根据本人专业水准和不同级别所要求达到的专业能力选项，申请不同的会员级别。

（一）会计原则与程序（M001）

这项能力涵盖会计基本原则及公司账目分析，以向客户提出合理的评估建议。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（二）资产识别与评估（T086）

运用知识识别和评估一个或多个类型的资产并报告结果，以支持所提出的合理评估建议。资产类型包括企业交易、企业资产（包括股别/股权、期权、知识产权、研发、金融工具）、负债和其他证券、无形资产权利。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（三）融资策划（T008）

这项能力要求掌握财产和其他有形、无形资产相关的税收激励/资本减免知识，申请者应注意在不同地理区域资本减免相关法规下可行的资本减免类型，并对实际工作中资本减免类型的选择问题有透彻的理解。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（四）强制购买及补偿（T011）

这项能力强调理解并实际应用有关强制购买权的合适法律框架，包括企业价值评估在立法和索赔方面应如何估算。即使只服务于其中一方，申请者也需要站在购买方和所有权人两方的立场进行考虑。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（五）企业财务（T018）

企业财务专门研究企业在商业世界中利用何种渠道及分析方法来做决策及做何种决策。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（六）企业复苏及破产（T020）

此项能力涉及当企业无力偿还债务时为有关各方提供合理的评估建议。这可能需要与固定抵押接管人或破产顾问或周转专家及债权人等方合作。提供的评估建议涵盖多种资产，包括商业资产、无形资产、研发、负债，以及交易相关的房地产和经营场所。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（七）购买与出售（T073）

这项能力涉及企业的购买和出售、企业组成部分和其他有形及无形资产，如知识产权、股票、衍生工具及期权。涉及范围包括所有设押资产与无抵押资产。

申请者应该考虑到所有市场、替代用途与标准。处置涵盖所有方式，包括私人协议、招标和公开拍卖方式。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（八）企业价值与无形资产评估（T087）

这项能力涉及准备并提出符合相应评估标准的、经过适当研究的评估建议，使客户能在企业价值和无形资产方面做出明智的决策。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（九）评估报告与研究（T088）

这项能力涉及准备正式的评估报告，使之满足使用需求并能结合背景提出合理、明确的评估评论和分析。各级别可能涉及的知识、技能及经验：

（十）税收（T089）

篇9

一、中国与欧洲文化的对比

1．中国文化是建基于黄河河谷的大农业社会，以“人本”的家族文化为主，“物本”的宗教文化为次。聚河谷而居，居有定所，多见人邻，少见树木。人与人的关系比人与自然界的关系更为密切和重要，社会的主要问题和兴趣是在于人而不在于物。生活复杂的大农业社会，必须分工合作，自然要建立一个有组织和有权威的中央政府。家族文化是一个整体文化，个体有义务要支持整体的共同性，而整体亦有义务要照顾个体的特殊性。人是来自现实的祖先，必须对祖先负责。中国文化是强调整体、务实、内向、兼容、义务、约束、合作和相对性，重视对个人天赋欲念的自我克制和自我修养的人为能力，称之为“德”。人的问题只可以靠人自己去了解和处理，发展了人本的“人理(伦理)学”。无论从《易经》、《道家》、《儒家》到《诸子百家》等，都是以人本为基础来发展。特别是道家所重视以“顺其自然”人的“被动性”和“消极性”，而儒家则重视以“事在人为”人的“主动性”和“积极性”。人性有别于物性在于它的辩证特性：失败是成功之母，成功是失败之父；好坏事，坏好事；大乱之后必有大治，大治之后必有大乱等等相对而相反的大循环原理。

复杂的河谷生活，促使物的应用技术发展和发展的多极化。中国的四大发明是属于技术上的发明，而不是原理上的发现。中国数学的发展也是以实用，而不是以原理为基础。中国(汉)文字和欧洲数学文字同属于符号文字。要描述和了解“人本事物”，促使中国文字学的发展；中国文字的对称和其他特性也可以用来推到人本的可能新事物。当现有的文字不足以了解新事物情况下，自然要创造新的文字。要描述和了解“物本事物”，促使欧洲数学的发展。而数学的对称其他特性也可以用来推测物本的可能新事物。不同系统的数学有不同的极限性。当现有的数学系统足以了解新事物的情况下，自然要创造新的数学。符号文字与拼音文字是有不同的思维逻辑。所以认识中国文字学的人要学习数学，是有逻辑上的优势。

2．欧洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多见树木，少见人邻。人与自然界的关系比人与人的关系更为密切和重要。生活的主要问题和兴趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和变化，并非人力可以改变和控制，认为所有自然现象都来自能力最高的主宰。摘食猎鱼的简单生活，各人的功能差别不大，分工制度弱，独立性强，自由性大，平等性高。生活环境的不断改变，只有天，才有永恒的意义，倾向上天单极宗教的信仰。

欧洲文化是游牧文化和地中海内海文化(希腊逻辑文化、罗马帝国文化和中东耶稣宗教文化)的综合文化，以“物本”的宗教文化为主，“人本”的家族文化为次。它是强调个体、理想、外向、对抗、自由、权利、信仰和绝对性，重视发挥个人天赋欲念的自由和权利。欧洲文化在物质世界的“物性理论”发展，对人类物质生活巳作出了重要的贡献。中国文化在人类社会的“人性理论”发展，

二、科学技术科技

科学是物质世界的了解，是一种思想系统，也是一种顺其自然的思想活动，其探索的目标是“发现”。技术是物质世界的应用，是一种行动系统，也是一种事在人为的行动活动，其运作的目标是“发明”。早期的技术发展主要是靠尝试和经验，与科学的发展并没有一定的姻亲关系。后来的科技就是把科学与技术结合起来，利用科学知识来改进技术的发展，目标是“创新”。物理学是科学的基石。

三、物理学发展

物理学主要的兴趣是探索物质世界的基础结构和相互作用关系。物理学是一门量化的学问，从事物理量的研究和它们之间的时空基础关系。不能量化的东西便不是物理量。萌芽时代：物理学的起源是来自古希腊时代(650—330Bc，雅典)的几个重要思想。

(1)自然现象是根据“固定的自然定律”而发生(赛勒斯Thales，俗称为科学之父)——定律概念和演绎逻辑。(2)要描述所有自然现象，数字是扮演中心角色(毕达哥拉斯Pythag0ras)——数量描述。

(3)要改变自然状态，必需有起因(柏拉图Plato)——牛顿第二运动定律的广泛含意。(4)物质的原子(德谟克利特Democritus)和元素(亚里斯多德Aristotle)的概念——物体结构的基本成份概念。古希腊文化是强调个人自由和思想系统的探索，奠定了基本的科学精神、态度、构思、概念、逻辑、原则和言语。希腊化时代(338—31B．C．亚历山大港)：主要的兴趣在解决实用问题，知识分类及技术成就。重要思想发展有：(1)几何学定理的公理化(欧几里得Euclid)——演绎逻辑。(2)以地球为中心输送圆的均速运动为主，运转圆的均速运动为微扰，可以准确解释包括太阳在内的各行星在天上的运动。(3)物体“比重”物性的发现(亚基米德Archimedes)，后来进一步发展到“密度”物性。

黑暗时代(30B．C．一1300A．D．)：这是物理学发展a冬眠时代。(1)罗马帝国(3OB．C．一476A．D．)：罗马人是实用民族，他们强势在军事，行政和工程，而不在学术和科学。大量收集和发展希腊哲学思想，而很少有原始的创作。为了要准确解释以地球为中心的行星运动，增加了偏心圆的微扰(托勒密ptolemy)。(2)中世纪(476—1200)：中世纪的欧洲是一个宗教和封建的封闭保守时代。研究希腊哲学和科学的中心便转移到阿拉伯和波斯。(3)(1096—1270)：二百年运动，动摇了欧洲的封建制度和教会权力。伊斯兰的优秀文化开始对欧洲人开放。

复兴时代(1300—1600)：大乱之后必有大治。经历过的浩劫之后，欧洲从一个保守封闭的教条社会转入一个改革开放，实事求是和解放思想的文艺复兴时代，由神本回归到人本。文艺复兴使欧洲恢复对人，人的成就和人的世界的兴趣。文艺复兴把欧洲从一个较为落后的社会在五百年内，先后超过伊斯兰和中国社会。

1．机动力学(Mechan0dynamics)

从希腊时代到黑暗时代这一千六百多年，物理学发展的主要兴趣上行星运动。发展以数学的欧几里得几何学为基础，均速圆周运动为核心。到了复兴时代，以既定的数学基础来了解观测的事实，改变为从事实去寻找事实背后的数学原理。由实是求事改变为实事求是，由以数学为基础改变为以物理为基础。

(1)天上行星的日心椭圆运动的发现(开普勒Kepler，1571—1630)和地上物体的重力加速度及抛物线运动的了解(伽利略Galileo，1564—1642)。椭圆和抛物线非均速运动的发现是一个非常重要的突破，是欧几里得几何不能解释的现象。除了物理现象的突破外，更促使后来十七世纪解析几何的发展(笛卡尔Descartes和费马Permat)。

(2)机动力学的诞生：为了解决重力问题，牛顿(1642—1724)认为，天上月球围绕地球的运动与地上物体的抛物线运动是同一根源，及推出它们之间与地球中心距离的关系。他成功发现三个物体的运动定律：惯性定律，动力定律和反作用定律。更由第二和第三个定律推出物体之间的重力定律。为了完成三个运动定律，牛顿创造了两个重要的物理量：惯性质量=密度×体积和惯性动量=质量×速度。同时他更创造了一条微积分的数学工具，来取代欧氏几何学的不足。牛顿运动定律的力只是与物体的变速度有关，与物体的速度无关。

(3)牛顿动力定律理论的普遍化，以位能和动能取代外力和加速度：拉格朗日(Lagran—ge，1736—1813)和哈密顿Hamilton，1805—1865)。从物理定律推理到物理理论是符合从几何公理推理到几何定理的——演绎逻辑。

(4)牛顿动力学对随机过程的应用：麦克斯韦(Maxwell，1831—1879)，玻耳兹曼(Boltzmann，1841906)。19世纪未，机动力学已发展成为宏观物质世界一个完美的理论：完整，合理和前后一致。

2．电动力学(Electrodynamics)电磁现象虽然是人类很早便发现的自然现象，但到了十六世纪才开始从实验中取得量化的结果。

(1)电磁相互作用的关系：库仑(Coulomb)电荷与电荷和磁极与磁极的相互作用，奥斯特(Oersted)磁极与电流的相互作用，安培(Ampere)电流与电流的相互作用，法拉第(Faraday)电荷与运动磁极的相互作用。2)法拉第提倡电磁的“本地作用”来代替“超距作用”，导致“电磁场”物理量的诞生。

(3)电磁学的基本定律：根据电磁相互作用的关系和以电磁场为基础，麦克斯韦完成完整的“电磁场定律”，相当于牛顿机动力学中的物体重力定律。后来洛伦兹(Lorentz,1853—1928)更进一步完成电荷在电磁场中运动的“电磁场力定律”。“辐射反作用力定律”也是电磁学一个基本定律，只是直到现在，符合逻辑的定律还未完成。

(4)带电粒子动力学：洛伦兹的电磁场力是一个与速度有关的力。只有速度为零的情况，才适合牛顿的动力学系统。爱因斯坦(Einstein，1879—1896)采用牛顿动力推出电磁场力在速度为零的情况，再用洛伦兹惯性变换，把速度为零情况的结果变换到速度不等于零的情况。结果推出带电粒子在电磁场力的洛伦兹动量=v×牛顿动量。v是洛伦兹因子，与速度有关。FL=d(vp)／dt。相当于牛顿机动力学中的物体第二运动重力定律爱因斯坦后来把这方面的理论改称为“狭义相对论”。在狭义相对论的基础上，以微分几何为工具，爱因斯坦用演绎方法建立他的重力场论，称为“广义相对论”。可以说是一种重力场的电磁化。到这个阶段，除了辐射反作用力定律之外，电动力学基础的探索已基本完成。

(5)电功力学定律理论的普遍化：相当于拉格朗日和哈密顿对牛顿动力定律的理论推广和发展。

(6)电动力学对随机过程的应用：无规则电磁场的统计特性的发展。其结果应该符合量子力学和量子动力学的结果。简而言之，机动力学的发展是以动力的基础来发展作用力，而电动力学的发展却是以作用力的基础来发展动力。欧洲从牛顿到麦克斯韦这个二百多年的物理学发展时代，正好是欧洲从巴哈(Bach)到华格纳(Wagner)的音乐发展时代。这是欧洲自从古希腊时代以后，一个重要的思想创新时代。因此促进了文学，音乐，艺术，哲学和科学的高速发展。

3．辐射动力学(Radiodynamics)：辐射反映了物质世界的微观结构。

在19世纪未，出现了三个有关不相干辐射(随机性电磁波)与物质作用的物理现象：黑体辐射，光电效应和氢原子光谱。这些现象无法用决定性(Deterministic)的电动力学来解释。到二十世纪，也出现了与辐射作用有关的三个物理现象：离子体，核子一基本粒子和激光(决定性电磁波)作用。这些现象激发了物理理论的发展。

(1)量子论的诞生：普朗克(Planck)创立“量子”的新物理概念，成功解释黑体辐射的实验结果。后来，爱因斯坦和玻恩(Born)分别用量子来成功解释光电效应和氢原子光谱。

(2)量子力学：在数学的基础上，由海森伯(Heisenberg)，薛定谔(SchrOdinger)等所发展的量子数学系统(量子力学)，不但可以用来了解原子物理现象，也可以用来了解分子物理现象。

(3)基本粒子物理：基本粒子物理实验观察的新结果，促使大量相关理论的发展：量子电动力学，相对性量子力学，杨一(Yang-Mils)场等，其中杨一米场有更突破性的广泛意义。

20世纪的世界发生了重大变化。(1)物理学发展已由宏观的物质世界转入微观的物质世界。由以物理为主导的思维转回到以数学为主导的思维。微观物质世界发展了两个很矛盾的物理观点：在原子分子的领域，越基本的状态，寿命越长，能量越低；在粒子的领域，越基本的粒子，寿命越短，能量越高。(2)经过两次世界大战后，影响人类社会的重心已由欧洲社会，转移到没有传统民族文化的美国移民社会。美国文化是一个以商业为主，物质为重的实用文化，可以说是一个现代化的罗马帝国文化。

四、中国文化与未来科学发展

虽然科学的发展是源于古希腊，但亦需要通过欧洲各种不同的文化时代，才可以孵育发展出来。欧洲文化对科学发展的优点可能已经到了饱和状态。科学思想发展的进一步突破，必须要有新的文化来推动。中国文化对人理思想发展虽然是一个有五千多年的旧文化，但对物理思想发展却是一种很新的文化。中国复杂而辩证的人理思想，吸收和结合欧洲简单而演绎的物理思想，必定融合成为一种新力量，把科学发展推到更上一层楼，尤其是生命科学，医理科学和心理科学。由复杂系统去吸纳简单系统易，由简单系统去吸纳复杂系统难。中国文化是一个黑洞文化，善于把吸收的外来文化中国化。例如：印度佛教转化成为具有中国特色的佛教和欧洲社会主义转化成为具有中国特色的社会主义。外来文化中国化，是中国传统文化的一个特色。要再进一步的创新突破，必须把中国传统文化现代化。

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半导体物理学是以半导体中原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子运动过程为研究对象的学科，是固体物理的一个重要组成部分，凝聚态物理的一个活跃分支[1]。半导体物理学是一门公认的难教、难学的课程，为了提高半导体物理学的教学质量，相关院校的教师们提出了许多有益的建议和有效的方法，如类比学习法[2]、多媒体教学法、市场导向法[3]等。基于提高课堂效率、改善半导体物理学课程的教学效果的目标，作者在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学的教学中，对传统的课堂教学模式进行改革，在半导体物理学的课堂教学中采用“学案导学”教学模式，该文就“学案导学”教学模式在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学课程教学实践作一简述，供同行参考。

1 半导体物理学课程教学模式改革的必要性和迫切性

传统半导体物理学的主要内容包含半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、非平衡载流子及载流子的运动规律、p―n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题以及半导体的光、热、磁、压阻等物理现象[4]。但是近年来半导体物理发展迅猛，新现象、新理论、新的研究领域不断涌现。上世纪50～60年代，属于以固体能带理论、晶格动力学理论、金属―半导体接触理论、p-n结理论和隧道效应理论为主的晶态半导体物理时代；70～80年代则形成半导体超晶格物理、半导体表面物理和非晶态半导体物理三足鼎立的格局；90 年代以后，随着多孔硅、C60以及碳纳米管、纳米团簇、量子线与量子点微结构的兴起，纳米半导体物理的研究开始出现并深化；现在，以GaN为主的第三代半导体、有机聚合物半导体、光子带隙晶体以及自旋电子学的研究，使半导体物理研究进入一个新的里程[5]。

半导体物理学是材料科学工程专业（光伏方向）的核心专业课程，是太阳能电池原理等后续专业课程的基础。它是一门理论性较强同时又和实践密切结合的课程。要透彻学习半导体物理学，既要求有较强的数学功底，熟悉微积分和数理方程；又要求有深厚的物理理论基础，需要原子物理、统计物理、量子力学、固体物理等前置课程作为理论基础。由于材料科学工程（光伏方向）培养目标侧重于培养光伏工程专业技术人才，而不是学术型的研究人才，在课程设置方面有自己的独特要求，学生在学习半导体物理之前，没有系统学习过数学物理方程、量子力学、固体物体、统计物理等专业课程，所以理论基础极其薄弱，这给该门课程的教学带来极大的困难和挑战。而且半导体物理的理论深奥，概念多，公式多，涉及知识范围广，理论推导复杂，沿用“教师讲学生听”的传统课堂教学模式，学生学习兴趣不高，直接的结果就是课程教学质量较低，教学效果不好，学生学习普遍被动。面对发展迅猛的半导体物理和目前教学现状，如果不对“教师讲、学生听”的半导体物理学的课堂教学模式进行改革，难以跟上形势的发展。为此教师要在半导体物理学教学中采用了“学案导学”教学模式。

2 “学案导学”导学教学模式在半导体物理课程教学中的实施过程

“学案导学”教学模式由“学、教、练、评”四个模块构成。“学”，就是学生根据教师出示的教学目标、教学重点、教学难点，通过自学掌握所学内容。“教”，就是教师讲重点、难点、讲思路等。“练”，就是通过课堂训练和课后练习相结合，检验学习效果。“评”，就是通过教师点评方式矫正错误，总结方法，揭示规律。“学案导学”教学模式相对于传统教学模式的改革绝不是一蹴而就的课堂教学形式的简单改变，而是一项复杂的系统工程，包括教学模式的总体目标确定、教学内容的重新构建、导学案的编写、课堂教学过程的实施。

2.1 半导体物理学“学案导学”教学模式总体目标的确定

半导体物理学课堂教学模式创新的总体目标是：以材料科学工程专业（光伏方向）人才培养方案和半导体物理学课程教学大纲依据，以学生为主体，以训练为主线，以培养学生的思维方式、创新精神和实践能力为根本宗旨，倡导自主、合作、探究的新型学习方式，构建自主高效的课堂教学模式；注重学生的主体参与，体现课堂的师生互动和生生互动，关注学生的兴趣、动机、情感和态度，突出学生的思维开发和能力培养；针对学生的不同需求，实行差异化教学，面向全体，分层实施。

2.2 根据人才培养方案构建合理有效的教学内容

半导体物理学的教材种类较多，经典教材包括：黄昆、谢希德主编的《半导体物理》（科学出版社出版）；叶修良主编《半导体物理学》（高等教育出版社出版）；刘恩科、朱秉生主编《半导体物理学》（电子工业出版社出版）。该校教研组经过认真分析，选择刘恩科主编的《半导体物理学》第7版作为教材，该书内容极其丰富，全书共分13章，前五章主要讲解晶体半导体的结构、电子的能带、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子理论等基础知识，第6章讲PN结理论，第7章讲金属和半导体的接触性能、第8章讲半导体的表面理论、第9章讲半导体的异质结构，第10、11、12章讲解半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应，第13章讲解非晶态半导体的结构和性质；该教材理论性很强，有很多繁杂的数学推导，要真正掌握教材所讲内容，需要深厚的数学功底和物理理论功底。该校材料科学工程专业（光伏方向）立足于培养光伏工程的应用型人才，学生理论功底较为薄弱，故我们对理论推导不做过高的要求，但对推导的结果要形成定性的理解。具体要求学生掌握半导体物理学的基本理论、晶体半导体材料的基本结构、半导体材料基本参数的测定方法。根据人才培养方案的要求，我们确定的主要理论教学内容有：（1）半导体中的电子状态；（2）半导体中的杂质和缺陷能级；（3）半导体中载流子的统计分布；（4）半导体的导电性；（5）非平衡载流子理论；（6）PN节；（7）金属和半导体接触；（8）半导体表面理论。对半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应以及非晶态半导体不做要求。在课程实践方面我们开设四个实验：（1）半导体载流子浓度的测定；（2）少数载流子寿命的测量；（3）多晶硅和单晶硅电阻率的测量；（4）PN节正向特性的研究和应用。

2.3 立足学生实际精心编写导学案

“导学案”是我们指导学生自主学习的纲领性文件，对每个教学内容都精心编写了“导学案”。“导学案”主要包括每章节的主要内容、课程重点、课程难点、基本概念、基本要求、思考题等六个方面的内容。以“半导体中的电子状态”为例，我们编写的导学案如下：

2.3.1 本节主要内容

原子中的电子状态：

（1）玻耳的氢原子理论；（2）玻耳氢原子理论的意义；（3）氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径；（4）索末菲对玻耳理论的发展；（5）量子力学对半经典理论的修正；（6）原子能级的简并度。

晶体中的电子状态：

（1）电子共有化运动；（2）电子共有化运动使能级分裂为能带。

半导体硅、锗晶体的能带：

（1）硅、锗原子的电子结构；（2）硅、锗晶体能带的形成；（3）半导体（硅、锗）的能带特点

2.3.2 课程重点

（1）氢原子能级公式，氢原子第一玻耳轨道半径，这两个公式还可用于类氢原子。（今后用到）

（2）量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。

（3）晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动。

（4）半导体（硅、锗）能带的特点：

①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带。

②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。

③导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band），禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。

④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。

课程难点：原子能级的简并度为（2l+1），若记入自旋，简并度为2（2l+1）；注意一点，原子是不能简并的。

基本概念：电子共有化运动是指原子组成晶体后，由于原子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到另一个原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。但须注意，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层中转移。

基本要求：掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式；掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点；掌握硅、锗能带的特点。

思考题：（1）原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同，原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。（2）晶体体积的大小对能级和能带有什么影响。

2.4 以学生为主体组织课堂教学

在每次上课的前一周，我们将下周要学习的内容的导学案印发给学生，人手一份，让学生按照导学案的要求先在课余时间提前预习，对一些基本概念要有初步的理解，对该课内容要形成基本的认识。比如，我们在学习“半导体中的电子状态”这一内容时，要求学生通过预习要清楚：孤立原子中的电子所处的状态是怎样的；晶体中的原子状态又是怎样的；半导体硅、锗的能带有何特点。在课堂教学中我们的教学组织程序是一问、二讨论、三讲解、四总结。一问，是指通过提问，抽取个别同学回答问题，了解学生的自主学习情况。二讨论是指让同学们就教师提出的问题开展自主深入的讨论。例如就晶体中电子的状态这一问题，让学生讨论什么是共有化运动；电子的共有化远动是如何产生的；电子的共有化运动有何特征；电子的共有化运动如何使能级分裂为能带。让学生畅所欲言，充分发表自己的意见，教师认真聆听，发现学生的错误认识，为下一步的讲解做好准备。三讲解是指就三个方面的知识进行讲解，其一是就学生讨论过程中的错误认识和错误观点及时的纠正；其二是对学生不具备的理论知识进行补充讲解，例如学生不具备量子力学基础，就要给学生补充讲解量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方，电子的状态可用四个量子数表示；其三是就难点进行讲解，比如原子能级的简并度，学生理解起来较为困难，就需要教师深入细致地讲解；四总结就是归纳本堂课要掌握的重点知识，那些基本概念必须掌握，那些基本公式必须会应用。