量子物理学范文

导语：如何才能写好一篇量子物理学，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。

篇1

作者认为量子和量子化是20世纪物理学中最伟大的发现。尽管量子力学现象并没有对仍为经典物理学所支配的我们的意识世界构成直接冲击，但量子力学已经成了物质和辐射的所有现象的理论基础，而且也将是21世纪文明的一切方面的基础。作为大学物理学中的主要学科，量子力学的卓越教科书并不鲜见，许多成功的教材采用公理化方法，从一组基本公理出发建立量子力学的理论体系，然后借助于一系列数学步骤发展它的全部推论。但是量子力学究竟是怎么来的？我们能够理解对于这样一种抽象形式所对应的解释吗？近几十年来关于这些问题的详细讨论有许多著作面世，特别值得一提的是1967年出版的“量子力学起源”（Source of Quantum Mechanics，B.L.van der Waerden 著）和1992年-2001年出版的6卷集“量子理论的历史发展”（The Historical Development of Quantum Theory，Mehra and Rechenberg 著）等，都得到了广泛的好评。但作者认为这些优秀著作通常内容很深，需要读者具有很强的经典与量子物理的基础。

作者曾于2003年撰写了“物理学中的理论概念”（Theoretical Concepts in Physics）一书，从历史角度重新思考物理学的基础，讨论了到量子发现与被物理学界接受为止的经典物理学和相对论理论概念的发展。本书是作者对于量子物理继续作出的努力。作者假定读者熟悉不超过大学二年级水平的物理与数学知识，力求采用的数学不失严格性而尽可能简单，使最后一年的大学生在阅读时不会遇到麻烦。

全书内容分成3个部分，共18章：第1部分 量子的发现，含第1-3章：1.1895年的物理学与理论物理学；2.普朗克和黑体辐射；3.爱因斯坦和量子，1900-1911。第2部分 氢原子的波尔模型，含第4-8章：4.Sommerfeld 和Ehrenfest-推广的波尔模型；5.爱因斯坦系数，波尔对应原理和第一个选择定则；6.理解原子光谱——可加量子数；周期表的波尔模型和自旋起源；7.波尔的元素周期表模型和自旋的起源；8.波粒二象性。第3部分 量子力学的发现，含第9-17章：9.旧量子论的失败及其重生的原因；10.海森伯的突破性进展；11.矩阵力学；12.狄拉克的量子力学；13.薛定谔和波动力学；14.矩阵力学与波动力学的殊途同归；15.自旋和量子统计；16.量子力学的解释；17.一个时代结束之后。

作者特别强调本书不是一部量子力学的教科书，而是专为高年级大学生、物理学家、历史学家和物理哲学家撰写的一部专著，可以看作是标准教材的补充，可以增强对于量子物理学的理解和欣赏。本书对浩瀚的物理学史的文献与专著进行了汇总，通过引人注目的叙述，提供了物理学家和数学家实际工作的许多范例。与其他教科书相比，本书特别赞赏在数学、理论与实验之间的交流，并在这种思想指导下对于帮助读者深入理解量子力学的发展做了最大的努力。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）

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关键词：墨子号;量子卫星;量子纠缠;量子密钥;物理学

中图分类号： TN219 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）30-100-2

0 引言

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的一种自然科学，研究对象大至宇宙，小到基本粒子的质量、运动形式和规律等内容。量子卫星可谓是物理学中极大的天体物理和极小的量子力学理论的综合应用，意义重大。下面我想从2016年8月16日我国发射的全球首科量子科学实验卫星“墨子号”来谈谈对物理学中量子物理发展的一些思考。

1 “墨子号”的由来

作为全球三大古老逻辑体系之一的墨家逻辑中的经典著作《墨经》中提出的“光学八条”中描述了墨子对光线的认识，并成功设计了朴素的小孔成像实验，奠定了中国光学研究的基础，所以我国发射的全球首颗量子科学实验卫星被命名为“墨子号”以纪念墨子先生。

2 为何发展量子通信技术和通讯优势

我们知道，20世纪初，量子力学的基础知识刚刚被奠定的时候，它带给人们一种启示，虽然它会时常使人感到困惑，因为量子力学在微观世界里已经打败了经典力学古老的确定论，反复的讨论可能性、可能结果的叠加。

我们假设一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子，所以我们常用量子去指一个不可分割的基本个体，例如“光的量子”是光的基本单位光子。当然，所有可量子化的物理量其最小单位是特定的，而不是任意值。20世纪的前一半时期许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论，发展出了量子光学、量子计算等不同专业领域来研究。

量子计算领域利用量子效应来控制和处理信息，它具有惊人的潜力，因为经典数据的二进制“比特”一次只能取一个值，而量子的“量子比特”能够在给定范围内代表任意及所有可能的取值：在被测量以前，它以所有的可能太的“叠加”形式存在。量子计算特别适合用于解决今天只能依靠“强力”处理器能力来解决的特殊问题―比如，几十个量子比特阵列就能够存储超过太字节（万亿）的传统数据量。[3]

因此发展量子通信技术的优势非常明显，前景广阔。

3 “墨子号”工作的理论基础

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密码体制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息论证明了该密码体制是无条件安全的[1][2]，这是目前唯一被证明是绝对安全的密码体制。

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。此次发射的量子科学实验卫星完全由我国自主研发，突破了卫星平台、有效载荷、地面光学收发站等一系列关键技术，将在轨开展量子密钥分发、广域量子密钥网络、量子纠缠分发、量子隐形传态、星地告诉相干激光通信等科学实验。

潘建伟研究小组在2003年开始研究自由空间量子通信，他们在实验点制备出成对的纠缠光子，再利用两个专门设计加工的发射望远镜将容易发散的细小光束“增肥”后向东西相距13公里的两个实验站送出，两个接收端用同样型号的望远镜收集。

量子卫星和地球通信是双向的。卫星和地面站都拥有发射端和接收端。发射端包含单光子光源和光束整形系统，接收端包含单光子探测器和成像系统。光束整形系统和成像系统把点光源变成平行光并将其汇聚到焦点上。发射端和接收端是靠激光联系，它们之间有个大气层――它是目前较大的麻烦。

经过研究人员的种种努力，在如此远距离的传送中，虽有许多纠缠光子衰减，但仍有相当比例的“夫妻对”能存活下来并有旺盛的生命力，经单光子探测器检测，分居东西两地的光子“夫妻对”即使相距遥远仍能保持相互纠缠状态，携带信息的数量和质量能完全满足基于卫星的全球化量子通信要求。

在此基础上，研究小组进一步利用分发的纠缠光源进行绝对安全的量子保密通信。13公里不仅是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞量子密钥分发的最大距离。

4 我国量子通讯发展历史和量子卫星的前景展望

英国《自然》杂志中关于“量子太空竞赛”中指出：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，由一个了不起的国家发展成现在的世界劲旅，中国将领先于欧洲和北美......”可见我国量子通讯发展速度飞快。1995年，中科院物理所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年，该小组又与中科院研究生院合作利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验，2009年，该团队又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200公里。2013年，潘建伟团队又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他们成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器，并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实条件下量子通信系统的安全性。2016年8月16日我国发射的全球首科量子科学实验卫星“墨子号”这既是中国首个、也是世界首个量子卫星。

在我国，量子通信技术从基础研究向应用技术转化迈进，面对国际上科技巨头，如IBM、Bell实验室、德国西门子公司等都纷纷投入量子通信的产业化研究之时。我国将利用量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，而量子密钥极有可能会进入普通家庭，服务于社会大众，成为电子商务、电子医疗、军事科技等各种电子服务的驱动器，为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

我国未来还将发射多颗量子卫星，预计到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发。届时，连接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成，2030年左右将建成全球化的广域量子通信网络。随着量子通信网络的发展，量子通信将迎来巨大的市场。有人预测，国内量子通信短期市场规模在100亿至130亿元左右，长期市场规模将超过千亿元。

5 量子技术的应用对物理学发展的一些思考

量子通信技术的发展，基础是物理学理论的发展，笔者认为21世纪是要把微观和宏观整体地联系起来。这种结合对应用科技影响深远，我们回过头来看看，目前的科学发明在19世纪末都是很难想象的！没有20世纪初基础物理科学的发展，21世纪的科技应用和开发也无法迅速发展，那么，发展好当代物理理论研究应该对今后的技术发展产生深远影响。

参 考 文 献

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.

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Sweden

The Innermost Kernel

Depth Psychology and Quantum Physics

2005, 398 pp.

Hardcover EUR 39.95

ISBN 3-540-20856-9

S. 吉瑟 著

1930年末，沃尔夫冈・泡利，这位几乎改变了整个世界的量子物理学家，他自己的心理世界却破碎了。在两年前（1928年），这位年轻的天才成为苏黎世瑞士联邦理工学院理论物理系的主任，这在当时是世界上最年轻的教授。然而1929年年底，他的婚姻和他的世界一起解体了。离婚导致他的心理危机开始，于是在他的父亲的建议下，他开始以书信的方式咨询苏黎世最为著名的心理学家卡尔・古斯塔夫・乔。

与心理学家卡尔・古斯塔夫・乔的这次邂逅成为本书讨论的主题，书中不仅仅阐述了“求医者”泡利和“治疗者”乔的私人关系，还介绍了泡利出现心理危机后怎样咨询乔这位著名的心理学家。1934年之后，泡利停止了心理治疗，但是他对于乔的心理学哲学非常感兴趣，并且将其用于思考世界和整个人类。本书的内容回答了如下的问题：为什么泡利会对乔的心理学这么感兴趣？最令人惊讶的是，作为理论物理学家，并且以严谨著称的泡利如何会对乔的“神秘主义”的观点产生兴趣？泡利早期的哲学观点，他的严谨的认识论以及他和他的导师尼尔斯・波尔的通信都有助于我们理解之后泡利对于乔的心理学的哲学思想以及他对整个世界的观点。

本书主要向读者呈现出泡利自己心中的哲学背景和兴趣，将泡利内心的自我图景放到更为广阔的历史哲学背景当中。本书还试图解决这样的问题：作为“物理学家”的泡利和作为“心理学家”的泡利是否存在直接的联系，是否两者是完全独立的个体，或仅仅是因为泡利自己的生活经历而将这二者强行揉合为一体？这是一个十分复杂的问题，本书并没有打算令人信服的回答这个问题，但是却在泡利的内心撒下了一缕阳光。

全书共分6章。第1章沃尔夫冈・泡利和C・G・乔的对话，介绍了本书的主要素材――泡利和乔的书信；第2章沃尔夫冈・泡利，哥本哈根学派和哲学，介绍了泡利的生平以及他对整个量子物理学界的哥本哈根学派的贡献；第3章哥本哈根学派和心理学，通过泡利、波尔与一些心理学家之间的关系来讨论“理性和非理性”问题；第4章泡利和乔，主要通过泡利与乔之间通信来阐述关于“物理和神秘主义”问题；第5章肉体和量子物理，主要阐述关于意识和客观世界的哲学观点；第6章摘要和结论，阐述作者所得到的结论。

本书适合心理学专业的研究人员阅读，也适合物理学专业和哲学专业的同学查阅。

丁丹，硕士生

(中国科学院计算技术研究所)

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由于受到传统的教育思想的影响和束缚，不少教师存在这样一个心理状态：在课堂上，总怕学生看不懂学不会，于是在课堂上越讲越多，越讲越细。要扭转这种局面，首先教师要认真学习现在的教学思想，要认识到学生是教学活动中的主体，生动活泼，具有独特个性，富于进取精神，还是探索者。学生学习成绩的提高，智力和能力的发展，主要是靠学生的主动性和积极性，教师只是起到引导和教育的作用。

长期以来，物理教师苦苦钻研教材教法，重于研究教师的“教”法，不重视“导”法，以至于多数学生并未掌握一定的物理学习方法，他们对物理知识往往死记硬背，且综合运用能力、推理能力较差。因此，要达到物理教学的理想境界，有待于教师正确引导学生掌握科学有效的自学方法。为此，抓住关键的三个环节，即“问―导―练”。

问，这是培养学生自学能力的首要阶段，它包括教师和学生发问两部分内容，主要用激发兴趣。爱因斯坦说过：“提出问题比解决问题更重要。”在这个阶段，主要指导学生把新旧知识联系起来思考，找出疑点，逐渐提出问题。在讲凸透镜成像时，我问学生“你们知道照相机的镜头是一个什么吗？它是怎么样成的像？”等等，然后让学生讨论，学生带着问题积极思考、讨论，课堂气氛非常活跃。此后教师找学生回答，如有异议，老师总结，学生对当堂内容不但愉快理解、接受，而且掌握的很好。

导，即“诱导”、“引导”。教师之教，不在全盘授与，而在相机诱导。因此，每堂课我都精心设计，根据所学知识，提出质疑，提出下节所要学的内容。本着这个常规，在这个环节中，我尽量让学生自学了解，满足求知欲，增强自学兴趣。

练，自学能力的培养在于“诱导”，自学能力的提高在于多思、多虑、多练。因此，我设计“每节必练”，有联系的章节“综合练”，要把自学阶段和导学阶段所学到的知识转化为能力。必须在“练”字上下功夫，练习题要讲究“精”，有代表性，还要设计不同梯度的练习题，使不同层次的学生都充分发辉自己的潜能，同时抓好课堂练习，也是减轻学生负担，提高教学质量的重要手段。

凡学生能操作的实验就让学生上讲台当“小老师”；学生提出问题，凡能通过阅读教材解决的，就引导他们阅读课文有关内容自己解决。这样，不仅调动学生学习主动性和积极性，也增强了学生学好物理的信心。教师虽然在课堂上讲课时间相对少了，但学生自学、讨论、动手的时间却增加了。

二、加强学习方法指导，提高学生的认知能力

正如古人言：“授人以鱼，只供一饭之用，教人以渔，则终身受之无穷。”中学生物理新课程标准中明确指出：“要正视科学态度和科学方法教育。”所谓物理科学方法，就是指在物理学发展的过程中，物理学家研究处理问题的思想方法和手段。常用方法有：观察与实验方法、归纳与演绎方法、科学抽象与理想化方法、比较与类比方法、分析和综合方法、数学方法及科学假说的方法，这些方法大多隐含在物理知识中。

例如，在研究电流跟电压、电阻之间的关系时，可提示学生，这次所用的实验方法同研究动能跟质量和速度的关系所用的方法一样，然后让学生自己设计实验来总结电流跟电压、电阻之间的关系。这样在传授知识的同时，潜移默化地将物理学中一种非常重要的方法告诉学生，使其在今后的工作中可以利用这种方法去创造性的从事别的工作。再如，在研究合力时，只需要适当地说一句，这个力与那几个力作用效果相同，从作用效果看，这个力的作用相当于那几个力的共同作用，就像研究串并联的总电阻时，我们引入了等效电阻一样，这种利用效果相同的方法是物理学中常用的方法，学生自然会从这段话中体会出等效方法的内涵，也会从一次次的具体的应用中认识到所学的科学方法。

三、切实加强实验教学，培养学生的科学素质

1.充分运用自制教具、先进手段和技术改进原有实验。单凭科教书的实验内容进行“照本宣科”式的教学，是远远不够的。我们要经常补充更新实验内容，使实验长新，使实验向贴近生活、贴近新科技方面发展，拉近物理实验和现代生活的距离。尽可能选用学生所熟悉的材料、最常见的材料进行实验，使学生富有亲切感、新奇感、熟知感，建立起牢固的物理表象。例如用激光小电筒做光的直线传播和反射实验；用塑料可乐瓶做大气压强有关实验等。对于无法在实验室完成的实验，我们采用多媒体技术模拟实验，变看不见为看得见，变静为动，让学生观看无法亲身实验的现象，使学生获得具体明确的感性认识，为概念规律的建立及其应用奠定了必要的基础。

篇5

关键词：静磁场;交变磁场;磁处理血浆;化学元素

磁处理技术、磁疗技术、生物磁学保健治疗仪器机器各种制品广泛应用于临床和日常生活中，越来越受到更多学者的关注和人们的重视。近年来，应用磁处理技术和理论对生物体内坐化效应和免疫效应影响等研究也日益增多。但静磁场和交变磁场对血浆中化学元素含量影响的联合研究少见报道。本文通过静磁场和狡辩磁场处理血浆，测定其K+、Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、P的含量，t探讨两种磁场对血浆中某些化学元素影响的机理。 材料与方法 静磁场处理器，自制，磁场强度为150mT。 交变磁场处理器（吉林市产JDM―1型脉冲调磁理疗仪），交变衰减，磁场强度为1000mT 。 仪器和试剂，560型全自动生化分析仪（美国产）;试剂盒（上海医学科学有限公司）用于检测磷（P）、镁（Mg2+）。500D型全自动离子分析仪（深圳康立公司）用于检测 K+、Na+、Cl-、Ca2+（试剂为随机厂家试剂） 样本，实验用血浆手机健康体检者新鲜缓和血浆60ml，分为三组，每组20ml ，一组为对照组，一组为静磁场处理组（静磁组），一组为交变磁场处理组（交磁组）。对照组血浆未经任何处理作为参比。静磁组血浆经静磁场处理器连续磁处理20分钟。交磁组血浆经JDM―1型脉冲调磁理疗仪连续磁处理20分钟。 样本检测，各族血浆样本采用同一份血浆，每种元素测定12 次，并将所得数据用微机进行t检验统计学处理，对统计结果过惊醒分析比较。 结果 `x±s） <0.05。

3 讨论

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关键词：现代远程教育资源；农村中学；教学质量

现代远程教育资源的应用，有利于推动农村中学物理多媒体教学的实施，有利于开阔学生视野，有利于更好地营造课堂学习氛围，有利于突破教学重难点，有利于提高教师的综合素质，对提高教学质量有重大意义。下面我就谈几点在教学实践中运用现代远程教育资源对提高初中物理教学质量的看法。

一、远程教育资源的应用，有利于农村中学多媒体教学的实施

作为农村中学，各种教学硬件设施有限，网络信息的运用也有一些局限性，上网速度慢，微机数量少，很大程度影响了多媒体教学的实施，教学课件的制作需要有充分的准备时间，制作课件数量有限，往往推出一个好的课件，需要加班加点，使教师劳累不堪，甚至干扰其他正常工作，但有了现代远程教育资源，一些优质的Flash课件，PowerPoint幻灯片轻松捻来，可以有效地节约教育时间，取得事半功倍的效果。

二、远程教育资源的应用，有利于营造良好的课堂教学氛围

八年级物理《光的传播》一节，有四幅现象鲜明，主题突出的视频画面，第一幅是美丽的山景在水湖中的倒影，第二幅是黑夜中有斑斓灯光的城市，第三幅是茂密树林中透过的太阳光，第四幅是X光透视照片的展示，这四福画面为说明光的世界变幻莫测，奥妙无穷，光的世界神奇而美丽提供了依据，同时激发了学生探索自然科学奥妙的兴趣，带动了学生思考的积极性，营造了非常好的学习氛围，为整节课的顺利进行，高效展开做了很好的铺垫，这类课件内容针对性强，与教学实际贴近，与学校教学进度一致，有效地激发了学生学习兴趣的同时，营造了良好的课堂学习氛围，提高了课堂效率。

三、远程教育资源的应用，有利于开阔学生的视野

资源中优美的视频资料，逼真的动画录像，鲜明的色彩对比，不但开阔了学生的知识视野，而且激发了学生观察现象的兴趣，例如：八年级物理上册第二章《声的利用》一节教学，本节《声与信息》与《声与能量》的教学，――课程标准要求：了解现代技术中与声有关的知识的应用，通过观察，参观或看录像等，获得社会生活中声的利用方面的知识，进一步增加对科学的热爱，为了让学生明确本节知识在生产生活中有哪些应用，除了学生常常遇到的回声现象、生活中的噪声现象之外，学生举不出更多的更系统的实例来说明声有哪些利用。学生对黑夜里蝙蝠飞行是利用超声波进行定位的原理了解不多，特别是农村孩子对利用声呐探测海底深度事例，医院最常用的检测器械B超机以及B超机看病的过程了解甚少，还有利用超声波清洗精密仪器的事情几乎不知道，课堂上利用接受下来的现代教育资源，播放给学生看，他们兴趣盎然，看的过程中纷纷议论，开阔了学生的知识视野，加深了学生对知识的理解，同时使他们知道了物理学在生活中是多么的有用，远程教育资源的应用，打破了地域环境的限制，让有不同生活经历的学生，对科学常识有相同程度的了解，弥补了大部分农村学生科普知识的缺陷，让这些农村学生了解到农村环境中不常见的甚至没有见过的事物和事件，开阔了他们的视野。

四、远程教育资源的应用，有利于突破教学重难点

在八年级物理第一章《运动和力》这一章教学时，在引入运动是宇宙中的普遍现象这一课题时，教材给了三幅彩色图片，分别是甲：哈雷彗星每隔76年来访地球一次，乙：亘古至今，喜马拉雅山都这样巍峨耸立吗？丙：猎豹疾驰如风，你知道它跑得有多快？其中乙图是景色欣赏图，先让学生观赏喜马拉雅山雄厚巍峨，再引导学生判断它是静止的还是运动的。甲图、乙图是动态图片，让学生观看了动态视频资料后，学生了解到彗星运动的基本特点，猎豹迅猛奔跑的真实画面，真切地感受运动的特点，然后引导学生一起讨论视频资料中所示的运动及类似的运动，根据已有的知识，看看能得出什么结论，有了贴近真实的实例，学生举例说明运动静止的实例就会哦来，在说的过程中对参照物的概念就逐步理解了，而以往的教学方式，教师主要依靠语言的描述来引发学生的思考，给学生一个“形象概念”，使学生感到参照物的概念很模糊，不能把它具体化，而引入远程教育资源后，形象化的视频转化为直观可见的事件，并且提供了多个可以选择的参照物，使学生能够在具体事件环境中选择参照物，逐步明白了“物体运动和静止是相对的”的含义。

五、远程教育资源的引入，有利于提高教师的综合素质

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在霍尔效应发现约100年后，1980年，德国科学家冯・克利青发现了“整数量子霍尔效应”，并于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林给出了理论解释，并且他预言存在带有分数电荷的准粒子，该预言在1997年得到了实验证实。他们三个人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，这一点对量子霍尔效应的实际应用有极为重要的意义。但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径，使得这种“量子反常霍尔效应”的探索成为多年来该领域的一个的极具挑战性的任务。最近，中国科学家在这方面取得了一些突破性进展，引起了国内外广泛的关注。

量子霍尔效应是凝聚态物理中一种非常奇特的现象，它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。它不仅深刻地反映了物理学的基本原理，也使物理学乃至数学的拓扑研究中一些现代概念得到了具体的实现，同时还提供了实现凝聚态物理与粒子物理交叉的难得的机会。作者认为它值得做为物理学所有相关专业的研究生修习的一门课程。

本书是以服务于教学为宗旨的一部教科书，对于量子霍尔效应涉及的各方面知识和最新发展起来的一些新概念给出了启发性的、全面而自成系统的阐述。本书的第1版于2000年出版，7年之后考虑到该领域在理论与实验方面取得的许多新的进展，作者于2008年出版了该书的第2版，对第1版进行了全面修订，不仅增加了一些章节，有的部分被完全改写了。（对于第2版的评介，请参考本刊2008年第8期。该书于2012年底由北京大学出版社影印出版。）这里评介的是2013年出版的第3版。

与第2版相比，第3版内容由原4个部分扩充为5个部分，由32章扩充为41章。第1部分 量子场论，包括第1-8章：1.量子力学；2.量子场论；3.正则量子化；4.自发对称性破缺；5.电磁场；6.Dirac场；7.拓朴孤子；8.任意子。第2部分为单层量子霍尔系统，包括第9-22章：9.单层量子霍尔系统概述；10.兰道量子化；11.量子霍尔效应；12.准粒子与活化能；13.复合粒子场论；14.复合玻色子和半经典分析；15.量子霍尔铁磁体；16.自旋结构；17.分数量子霍尔状态的阶梯；18.边缘效应；19在更高阶兰道能级中的带和泡；20.石墨烯中的量子霍尔效应；21.聚硅烷（Silicene）中的量子霍尔效应； 22.拓扑绝缘子和无兰道能级的量子霍尔效应。第3部分为双层量子霍尔系统，包括第23-29章：23.双层量子霍尔系统概述；24.SU（2）赝自施结构；25.双层锁定态；26.层间相干与约瑟夫森效应；27.有公度相与非公度相； 28.SU（4）量子霍尔铁磁体； 29.υ=2的双层量子霍耳系统。第4部分 微观理论，包括第30-34章：30.微观理论概述；31.非对易几何学；32.兰道能级投影；33.非对易孤子；34.交换相互作用和等效理论。第5部分 最新的实验进展，包括35-41 章：35.新的实验进展概述； 36.量子霍尔态的实空间观测； 37.整数与分数量子霍尔系统的集团激发；38.量子霍尔区的超精细相互作用； 39.微波诱导非平衡现象； 40.电子双层超流现象；41.ZnO中的量子霍尔效应。

书末有一个附录，收集了16项书中提到的数学知识的介绍，并分别给出了简明扼要的证明。对于使用全文有很大帮助。

本书内容非常丰富、新颖，论述异常深入细致，适用于凝聚态物理、粒子物理、理论物理及数学物理的研究生做为教材，对相关领域的研究人员也是一本很重要的参考书。

篇8

现如今，我国大部分理工科以及师范院校都设置了物理学专业，非物理专业的也都把大学物理课当作一门必修课来开设。但许多人都说物理难学，那么，如何才能学好大学物理课程？本文从以下几个方面加以论述：

一、掌握足够的数学工具

想学好物理学，扎实的数学功底是必须的。高等数学、复变函数、数理方程和线性代数，这四门数学课都是相当基础的课程，对于学好物理的重要性不必多说。但仅仅满足于教材的内容是不够的，想学物理的人应当学一些更高深的课程。

高等数学由于教学时间所限，对很多“古典分析”中的问题没有涉及。建议大家看看北京大学张筑生写的《数学分析新讲》，内容充实。配套的还有北京大学的《数学分析习题集》，里面的题数量、质量俱佳，可以花一年左右的时间好好研读。

复变函数课程应着重于它的应用，这当中有许多定理在数学分析中有对应，学习起来并不困难。此时，建议去学复变函数中“古典分析”之外的理论，作为进一步学习的基础。

关于线性代数，在学习中可以参看王萼芳和丁石孙的《高等代数》。这是清华高等代数课程的教材，以古典的方法讲授了“古典代数”的全部内容，习题也很丰富，仔细学下来很有好处。

数学物理方程，可看希尔伯特和柯朗的《数学物理方法》。这套书写得很精粹，很全面。对于掌握了“古典分析”和“古典代数”的同学,可借此来复习已经学到的几乎全部内容，更重要的是这本书中的许多内容已经涉及了现代数学的内容。

二、各个物理分支课程的学习

学物理应当从普通物理学入手，通过普通物理，可以感受到什么是物理，从而真正入门。力学可以选物理系的教材，那套绿色封皮的《力学与热学》的上册。热学选择《力学与热学》的下册，这套书浅显易懂，内容全面，是初学物理的好书。同时，北京师范大学出版的漆安慎、杜婵英编著的《力学》也可作为学习参考。

至于四大力学，虽然是物理的一个核心，但对于初学物理的人，可以说是高深莫测，很难在四年之内学完它们，就算勉强学完了也不会精通。对于物理学学士而言，能精通经典力学和电动力学之一已经很不容易了。经典力学可以选朗道的《经典力学》，从朗道对拉氏量的讨论中可以发现，理论物理完全不是我们以前所认识的理论物理。电动力学选择郭硕鸿的《电动力学》就可以了，电动力学学好了，再去学习电子工程类的电磁场理论就不会感到困难；经典力学学好了，学习机械类的振动理论会很轻松，这些内容对于一个本科生已经足够了。

如果打算继续学习物理，那么就得学习物理学中最困难的量子力学和统计力学了。量子力学实际上是一种量子理论，它所包含的内容极广，从本科三年级学生学的一维无限深势阱，到超弦可以说都是量子理论。量子力学大致分两个层次——非相对论的量子力学以及量子场论和量子规范场论。对于前者，狄拉克在1937年写过著名的《量子力学的原理》。这本书会告诉你，量子力学不仅仅是薛定锷方程，而是一组原理。从原理出发，而不是从具体问题出发。但是狄拉克的书练习太少，学习者不妨参考曾谨言的《量子力学Ⅰ》《量子力学Ⅱ》和《量子力学习题集》，多做些习题，打打基础。但是，我们所学的量子力学，从数学角度讲是“形式的”和“未经证明的”，并不可以与经典力学和电动力学相提并论，但是有一本

《Quantum Physics》对此进行了详细的讨论。书里面的内容是量子力学的数学基础。搞理论物理的人应当学一学。

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21世纪的世界,科学技术突飞猛进,国力竞争激烈,这一切实质是国与国之间的人才竞争。为了适应新时代的需要,培养大批高素质人才的任务已迫在眉睫,而要培养出适应新时代需要的具有较高科学文化素质和能力素质的人才,必须从基础教育到高等教育全面推进素质教育。实施素质教育的核心是培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。大学作为培养高级人才的场所,作为新的知识诞生、获得和传播之地,对人才的培养更多地要着眼于具有创造性综合能力素质上。正如物理学家劳厄所说的:“重要的不是获得知识,而是发展思维能力,教育无非是一切已学过的东西都遗忘掉的时候所剩下的东西。”因此,随着素质教育的全面推行和发展,提高大学生的科学素质的素质教育日益受到教育界的重视。结合原子物理的教学内容,笔者谈一下培养学生创新精神的一些体会。

一、原子物理学在物理学中有着特殊的地位

物理学是自然科学中一门最基本、最重要的基础学科,物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本的、最普遍的运动形式及其相互转化的规律的科学。物理学几百年的发展积累了丰富的科学思想和科学方法。原子物理学是师范院校物理专业必修的一门重要的基础课程,是研究原子内部的微观结构及其运动规律的一门科学,其中的玻尔的理论起到了由经典物理通往近代物理的过渡桥梁作用。原子物理学的建立与发展集中体现了丰富的物理思想和物理方法,是培养学生的科学态度、科学思想和科学方法不可多得的范例。

二、原子物理学课程展现了丰富的物理方法

原子物理学是十九世纪末发展起来的,它的发展和成熟虽然只用短短几十年的时间,但却是众多杰出科学家集体智慧的结晶,积累了丰富的物理思想和物理方法,特别是量子论建立的初期知识体系,是物理学获得知识、组织知识和运用知识的典范。量子论的建立过程就是通过不断地提出经典物理无法解决的问题,提出假设、建立模型来解释并提出新的结论和预言,再用新的实验检验、修改或推翻的过程。在原子物理学教学过程中,结合知识的传授,抓住典型事例,有目的、有意识地引导学生深入思考,让学生分析和掌握原子物理学的建立过程的物理定律、公式后面的思想和方法,使学生在原子物理的学习过程中掌握物理学的思想和方法,从中受到有益的启示,从而对学生进行创新意识、创新思维的培养,这也是实施素质教育的具体体现。因此物理教学在系统学习物理学理论的同时,掌握科学方法,体会其科学思想,形成科学观点和科学精神,从而全面培养学生的综合科学素质,这才是物理教学的教育价值所在。

科学方法是人们在认识和改造世界活动中遵循和运用的以科学为基础的各种方法和手段的总称,是人们在实践活动中总结出来的正确的思维方法和行为方法,包括有:1.观察和实验方法:有意观察、单因子实验法、实验数据处理方法等;2.分析和综合方法:定性分析、定量分析、因果分析、综合等;3.比较和分类方法:异中求同、同中求异、分类等;4.假说方法;5.归纳和演绎方法:简单枚举归纳、三段论、演绎等;6.数学方法:用比值定义物理量、表达物理规律的形式化语言、运用图象描述物理现象和规律;7.理想化方法:理想实验、理想模型;8.类比方法:简单共存类比、因果类比;9.推理方法;10.分析和解决问题的具体方法:等效方法、近似处理方法等;11.非逻辑思维方法:直觉、灵感、想象、猜测等。原子物理课程中可展现的物理方法相当丰富,主要有“模型法”、“科学假说法”、“理想实验法”、“综合类比法”、“实验法”等,具体如下:

1.模型法

物理模型,是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化描述,是以观察和实验为基础,采用理想化的办法所创造的、能再现事物本质和内在特性的一种简化模型,模型法是物理学最常用、最有效的一种方法。由于微观原子体系既看不见,又摸不到,没有“形”,人们为了更直观更形象地反映原子结构,不断地提出了汤姆逊的“葡萄干模型”、卢瑟福的“核式模型”、玻尔的分立能级模型,随着研究的深入,理想模型还要不断改进、不断完善,使其更加接近真实原型,最终提出了量子力学的原子模型。同样,对原子核的研究现有很多结构模型,如:“液滴模型”、“费米气体模型”、“壳层模型”、“集体模型”。

2.科学假说法

科学假说法是指根据已知的科学事实和科学原理,对所研究的问题提出一种假定性的推测和说明,是科学研究的一种重要的方法,量子论的产生和发展就是科学假说法在应用上的一个典范。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,提出了能量子假说,为量子理论奠下了基石。随后1905年,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面。1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子假说概念,提出玻尔的原子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步胜利。1923年,德布罗意提出了物质波假说,将波粒二象性运用于电子之类的粒子束,把量子论发展到一个新的高度。

3.类比法

类比法是根据两个或两类事物在某些属性上相同或相似,而推出它们在其他属性上也相同或相似的推理方法,它是一种从特殊到特殊的推理方法。从物理学发展史我们可知,在很多关键时刻,科学家巧妙地运用了类比推理,提出科学假说,从而获得巨大成功。卢瑟福通过将太阳系与原子相类比,提出了原子结构是电子绕核运动的这一原子核式模型。德布罗意通过将电子与质子等微观粒子与光相类比,在光的波粒二象

转贴于

性基础上指出微观粒子具有波粒二象性的假设,提出了物质波的思想。

三、原子物理学教学可培养学生的创新精神

创新是一个民族的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力,是实施素质教育的重点。创新精神就是一种勇于抛弃旧思想旧事物、创立新思想新事物的精神。创新就要不墨守成规,敢于打破原有框框,探索新的规律,新的方法。因此,在物理教学中要高度重视培养学生的创新意识和创新能力。创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向,使学生在系统地掌握学科知识的同时发展其创新能力。从经典物理学到量子力学的发展过程,就是物理学家不墨守成规,不抱住现成的理论不放,而是勇于创新的过程,在原子物理课程中就包含有许多具有许多创新精神的典型人物和典型事例。

1.卢瑟福的“核式模型”的建立

卢瑟福和他的助手们通过a粒子散射实验发现,a粒子散射绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,少数a粒子却发生了较大的偏转,极少数a粒子的偏转角超过了90°,个别的a粒子甚至被弹回。实验结果不能用汤姆逊的原子模型进行解释,但卢瑟福敢于对当时的原子物理学的权威——自己的老师汤姆逊的观点产生了怀疑,提出了全新的原子核式结构模型,很好地解释了实验现象,取得了重大突破,发展了原子物理学的理论。

2.玻尔理论的建立

卢瑟福的原子核式结构模型虽然能很好地解释了粒子大角度的偏转问题,但却跟经典的电磁理论发生了很大的矛盾。第一是不能解释原子的相对稳定性问题,第二是不能解释氢光谱的不连续性问题。玻尔面对自己的老师卢瑟福的原子模型的缺陷,敢于质疑、敢于提出新设想,大胆地将普朗克的量子观点运用到原子系统上,提出了三大假设:

(1)定态假设。原子存在着某些定态,在这些定态中不发射也不吸收电磁波。原子定态能量只能取某些分立的值:el,e2,e3,e4……这些定态能量叫作能级。

(2)频率条件。如果原子从能量为en的定态跃迁到em的稳定态,其能量差与发射或吸收光子的频率ν的关系为:en-em=hv,这是玻尔理论最基本的量子假设也是最核心、最富有独创性的内容。

(3)角动量量子化条件。在符合经典力学规律的一切可能轨道中,只有那些角动量l等于h整数倍的轨道才能实际存在并形成定态,这称为量子化条件。即:l=nη,n=1,2,3,…

这三大假设,确立了玻尔的原子结构模型,较好的解决了卢瑟福的模型所面临的困难。

3.电子自旋概念的提出。玻尔理论提出之后,人们对不能够比较满意地解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应规律感到十分困惑,引起了物理学界广泛的注意。1925年在荷兰莱登大学攻读学位的两位博士生乌伦贝克和古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析了原子光谱的一些实验结果,大胆地提出了前所未有的电子自旋假设:电子除了围绕原子核运动以外,还具有角动量量子数为半整数的自旋运动。电子自旋的提出,使困扰人们多年的光谱精细结构、历史遗留的元素周期表结构和反常塞曼效应等重大问题都获得了圆满的解释。

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关键词：高中物理 量子论内容 演变

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）03（c）-0041-01

在现代化教育理念下，物理教育也必须要紧跟现代化教学要求设置内容。但是在设置量子论内容上不能空谈，需要分析量子论发展的演变，进而在发展基础上探析内容演变过程，再在该基础上逐步提升和发展，这才是量子论内容设置的发展方向。

1 高中物理量子论内容设置演变

对于我国教育改革来说，新的课程该正在如火如荼的进去，必须要改变传统课程内容的繁、难、旧以及偏以及照本宣科的现状，要结合时展发展新的课程内容，适应现代化发展要求和任务。在这种形势下，必须要强化内容和学生的生活及现代化科学发展相联系，让课程具备基础性、时代性以及选择性，分析学生学习中的兴趣与经验，从各种技能之中精选必备基础制度和技能，在这种情况下量子论成为了发展必然趋势。

事实上自从量子论问世以来，距今大约有一百年的历史了，它逐渐成为了支柱近代物理学两大理论之一，并且被物理学广泛使用到各个领域，给人类提供新方法与新思想，给人类科学乃至社会科学都产生出深远影响，依据相关统计到了20世纪中叶，具备量子论背景下获取了医学奖和其他生理学奖站占据比例较大。但是从近代先进发现，现代物理知识对社会科学素养具备基本要求，同时，还具备重要教育价值。但是对于高中物理的量子论来说，目前所涉及到的课程依然比较少。因此，要在高中物理课程中要适当引入一些量子论的知识。还必须要依据公众的科学素养需求深入到现代物理知识，并将量子论及其他一些内容融入到物理课程，这是高中物理发展必然趋势。而且在现代高中物理知识中渗透一些量子论，就能够为学习适当开设一些科学窗口，让学生通过这个窗口能够见识世界，一开眼界，让学生感受到外面世界的精彩，相关人士探究发现发达国家都开设课程较多，但是研究发现都将量子论作为重点内容，例如美国所用的《PSSCPhysixs》物理教材，就将电和原子结构作为了渗透原子论观点。并且在现代的物理学中也涉及到量子论的内容，在现代物理学中量子论内容占据比例相当大，很多宇宙学与天文学都将量子论与相对论作为主要内容。而且澳大利亚如今高中物理教材之中，对于宇宙、天体物理以及太空、量子到夸克等都是以单章节出现的。美国科学教师协会所指定出来的物理考的中都将现代物理作为重要内容，占据了15%的内容。

从许多文献研究中可知，一些国家都开始将量子论编入到近代的物理课程内容之中，而且多占据的比例逐渐变重。因此将量子论的内容编入高中物理是现代化物理课程发展必然趋势。而且将课改物理大纲以及新课程标准融入了量子论，就必须要对高中物理内容的设置演变进行适当探讨，清晰意识到物理量子论课程设置，期望该课程对物理教学有所指导，这也是我国物理量子论发展必然趋势。

1.1 新课程下物理大纲与量子论知识的关系

在新课程之下物理大纲有了较大发展，而且也是紧跟社会人才需求所编撰，因此就具备了现代性，这二者之间的比较主要体现在以下几个方面：

从改革开放以来，高中物理大纲与新课标都将量子论设为新知识、重要知识，也只有在数量上一致，并且这些知识点都造成数量在逐渐增加。在2005年、2008年以及2011年，大纲中所加入内容基本度差不多，在该基础知识上逐渐提升；而且应用渗透方式融入大纲之中，进而体现出原子结构，但是许多教学中并没有将量子论作为专题讲述。但是从实际课程设置来看，量子论内容正在逐渐成为专题课程步入正轨教育。

其实在2000年以来大纲之中就适当加入了一些量子论，各种内容都是大同小异，并且逐渐加入物质波，逐渐成为了必学内容，明确表明学生所能够接受形式，同时，还对现代科学技术进行适当介绍，通过量子论反映出现代物理学重要的观点，让学生进一步了解现代物理学发展必然趋势。事实上，1998年的教学大纲和2005年的新课程标准中所涉及量子论内容基本上相同，同时，还会加强知识点数量。2008年物理大纲之中就明确提出，物理教学内容必须要更新时展，处理好经典物理和近代物理之间关系，依据实况适当的加强现代物理观点，通过物理量子论来开拓学生眼角与思路，进而体现出物理量子论的重要内容。

1.2 通过物理大纲列置出量子论的部分知识点

虽然物理课程中量子论确实也是比较重要知识，但是也有学校将该课列入到选修课中，在讲解物理课程中量子论时划分成AB两个层次。自从我国融入进微观世界后，量子化就成为重要研究对象，而到了2003年大纲也是第一次列入到课程中，但是那个时候仅仅是将该类课程设置成选修课程，并没有设计出独立的量子论专题，也没有将量子论融入到原子与原子核中，这样学习的目标就比较模糊，就需要设置成模糊和选题模式相结合，把力学成绩和局限性相结合。在上面的大纲以及新课程有关量子论基础上，体现出新的局限性，从量子论因重要作用来看，还需要高中物理提进一步明确其内容，这样才能够加强物理内容的改革，加强现代物理知识可持续化发展。

2 结语

随着现代技术的高度发展，物理学成为高中重要的课程之一，尤其是一些特殊内容都是发展必然趋势。在这种情况下，就必须要分析高中物理的量子论演变过程，探究物理量子论涉及到的重要知识，进而在该演变基础上推动物理教学可持续发展。

参考文献

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[3] 课程教材研究所20世纪中国中小学课程标准[S].教学大纲汇编，2005：37.