量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞： 量子力學(xué) 教學(xué)方法改革 創(chuàng)新思維

量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，自誕生以來它就成功地說明了原子及分子的結(jié)構(gòu)、固體的性質(zhì)、輻射的吸收與發(fā)射、超導(dǎo)等物理現(xiàn)象。作為物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)理論課，量子力學(xué)在物理學(xué)專業(yè)中具有極其重要的地位?，F(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支，如高能物理、固體物理、核物理、天體物理和激光物理等都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，并且已經(jīng)滲透到化學(xué)和生物學(xué)等其他學(xué)科。同時(shí)量子理論還具有巨大的實(shí)用價(jià)值，半導(dǎo)體器件和材料、激光技術(shù)、原子能技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。

通過對量子力學(xué)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)理論，還可以提高科學(xué)素質(zhì)和思想素質(zhì)，但是量子力學(xué)中的概念和解決問題的方法與經(jīng)典物理有著本質(zhì)的不同。學(xué)生普遍反映量子力學(xué)抽象、枯燥、難理解、抓不住重點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來非常困難。針對以上問題，我對教學(xué)進(jìn)行了思考和探討，采用了一些切實(shí)可行的措施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握了量子力學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、教學(xué)過程中存在的問題

在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題。

1.量子力學(xué)是一門十分抽象的課程，其中許多概念、原理都不好理解，并且量子力學(xué)從概念到解決問題的方法跟經(jīng)典物理有著根本性的區(qū)別，但是很多學(xué)生習(xí)慣性地用經(jīng)典的思想去理解量子力學(xué)，這樣就不自覺地增加了難度。比如“波粒二象性”，經(jīng)典物理認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是互不相關(guān)的、相互獨(dú)立的，而量子力學(xué)認(rèn)為波動(dòng)性和粒子性是微觀粒子同時(shí)具備的兩種屬性。

2.學(xué)習(xí)量子力學(xué)，數(shù)學(xué)知識(shí)是必不可少的。量子力學(xué)中有著繁雜的數(shù)學(xué)知識(shí)，例如，數(shù)學(xué)分析中的微積分，代數(shù)學(xué)中的矩陣論，數(shù)學(xué)物理方程的微分方程，復(fù)變函數(shù)，等等。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對已學(xué)過的數(shù)學(xué)知識(shí)掌握得不是很牢固，在推導(dǎo)公式的過程中忘記了公式所描述的物理內(nèi)涵，影響了對量子力學(xué)知識(shí)的理解。

3.由于量子力學(xué)的課時(shí)緊張，教學(xué)過程中采用了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師到學(xué)生的“單向傳授”的教學(xué)形式。學(xué)生失去了主體地位，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高，導(dǎo)致教學(xué)效率降低。

二、量子力學(xué)的教學(xué)方法改革

1.采用多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)模式。由于量子力學(xué)的內(nèi)容抽象難懂，又是建立在一系列基本假定的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)生很難接受，甚至認(rèn)為這門課程沒有用處。在量子力學(xué)的教學(xué)過程中，由單一的教師講授過渡到板書、錄像、課件、演示實(shí)驗(yàn)等各種手段相結(jié)合的教學(xué)模式，將圖、文、聲、像等信息有機(jī)地組合在一起，形象、直觀、生動(dòng)，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以享受到本校的教學(xué)資源，還可以突破空間的限制，享受到全國高水平的教學(xué)資源，從而豐富學(xué)生的資料庫，也為各學(xué)校的師生討論交流提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，知識(shí)更新非?？?。在教學(xué)中，教師應(yīng)及時(shí)將與量子力學(xué)相關(guān)的科技前沿和高新技術(shù)引入教學(xué)中，介紹與量子力學(xué)密切相關(guān)的課題，闡明科學(xué)技術(shù)中所蘊(yùn)含的量子力學(xué)原理。如我們在講解一維無限深勢阱時(shí)，將其與半導(dǎo)體量子阱和超晶格這一科學(xué)前沿相聯(lián)系；在講解隧道效應(yīng)時(shí)，將其與掃描隧道顯微鏡相聯(lián)系，進(jìn)而介紹掃描探針操縱單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在教學(xué)中，我們理論聯(lián)系實(shí)際，多介紹量子力學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等其他學(xué)科之間的密切聯(lián)系，重點(diǎn)介紹在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用，包括新材料設(shè)計(jì)、開發(fā)新材料、材料成分和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。通過這種方式，學(xué)生對這一部分的知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)，從而不再感到量子力學(xué)的學(xué)習(xí)枯燥無味，同時(shí)也提高了接受新知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的意識(shí)和能力。

2.結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，把物理情境的建立作為教學(xué)的重點(diǎn)。量子力學(xué)可以說無處不數(shù)學(xué)，這門學(xué)科對高級(jí)數(shù)學(xué)語言的成功運(yùn)用，正是它高深與完美的體現(xiàn)。數(shù)學(xué)雖然加深了物理問題的難度，卻維護(hù)了理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。當(dāng)然這不是要求老師從頭到尾、長篇冗重地推演計(jì)算，合理地修剪枝杈既能讓學(xué)生抓住重點(diǎn)，又免使學(xué)生感到量子力學(xué)只是數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。對于學(xué)習(xí)量子力學(xué)的同學(xué)，可以著重于對物理概念的剖析和物理圖像的描繪，繞過數(shù)學(xué)分析難點(diǎn)，通過簡化模型、對稱性考慮、極限情形和特例、量綱分析、數(shù)量級(jí)估計(jì)、概念延拓對比等得出結(jié)論。定量分析盡量只用簡單的高數(shù)和微積分、常見的常微分方程，對復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以不做講解，只對少數(shù)優(yōu)秀生或感興趣的同學(xué)個(gè)別輔導(dǎo)。例如，在求解本征方程時(shí)，只介紹動(dòng)量、定軸轉(zhuǎn)子能量本征值的求解；對無限深勢阱情況，薛定諤方程可類比普通物理中的簡諧振動(dòng)方程；對氫原子和諧振子的能量本征值問題，只重點(diǎn)介紹思路、方法和結(jié)論，不作詳細(xì)推導(dǎo)。

3.充分應(yīng)用類比法，講述量子力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)是量子力學(xué)的極限情況，在教授過程中，應(yīng)盡可能找到“經(jīng)典”對應(yīng)，應(yīng)用類比方法講述量子力學(xué)中抽象的概念和物理圖像，有助于正確理解量子力學(xué)的物理圖像。用光的單縫、雙縫衍射、干涉說明光的波動(dòng)性，用光電效應(yīng)、康普頓散射說明光的粒子性，運(yùn)用這種方法有利于學(xué)生掌握光的波粒二象性。在將量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)類比的同時(shí)，還要清楚量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)在觀念、概念和方法上的區(qū)別。例如，經(jīng)典力學(xué)用位矢、速度描述物體的狀態(tài)，而量子力學(xué)用波函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)；經(jīng)典力學(xué)用牛頓第二定律描述狀態(tài)變化，量子力學(xué)用薛定諤方程描述狀態(tài)的變化。另外對于量子力學(xué)中的波粒二象性、態(tài)迭加原理、統(tǒng)計(jì)原理等都要與經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)概念區(qū)分開來，類比說明，闡明清楚其真正內(nèi)涵。

4.改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。量子力學(xué)的現(xiàn)代教學(xué)多以“教師講授”為主，同時(shí)配合多媒體課件輔助教學(xué)，教學(xué)模式較傳統(tǒng)教學(xué)有所變化，多媒體課件教學(xué)雖然能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但仍然是“填鴨式”的教學(xué)法，沒能真正地改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端。因此在教學(xué)過程中，要避免課堂成為教師的一言堂，鼓勵(lì)學(xué)生提問，激發(fā)學(xué)生的逆向思維和非規(guī)范性思維等，通過創(chuàng)設(shè)問題情境使師生互動(dòng)起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的積極性，加深學(xué)生對這門課程的理解。還要組織學(xué)生開展相關(guān)課題討論，引導(dǎo)學(xué)生自主能動(dòng)地思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)語

“量子力學(xué)”是物理類專業(yè)基礎(chǔ)課程中教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，建立新的教學(xué)模式，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握這門課程。

參考文獻(xiàn)：

［1］曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)［M］.科學(xué)出版社，1997.

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［3］胡響明.淺談量子概念的理解［J］.高等函授學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（2）：29.

第2篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）10-0153-02

量子力學(xué)是一門比較成熟，但還在發(fā)展中的學(xué)科，而且作為普通高校物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的按照規(guī)定必須學(xué)習(xí)的學(xué)科，所以對于教師來說，在教學(xué)過程中可以使用啟發(fā)式講授技巧，不能只是在乎知識(shí)的傳遞，重點(diǎn)應(yīng)放在培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力上。根據(jù)現(xiàn)在大部分普通高校的物理學(xué)專業(yè)的授課計(jì)劃，全部是在完成基礎(chǔ)力學(xué)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上再學(xué)習(xí)量子力學(xué)，但是學(xué)生在進(jìn)入對于量子力學(xué)的學(xué)習(xí)之前，接觸到的都是宏觀世界的概念，從量子力學(xué)開始，就變成了微觀世界的概念與計(jì)算公式，這就導(dǎo)致了在學(xué)習(xí)中的一些領(lǐng)悟上的障礙。

我建議在領(lǐng)會(huì)及理解量子力學(xué)之前，應(yīng)開設(shè)量子物理這部分知識(shí)的課程，用《新概念物理教程?量子物理學(xué)》這本書為教材，書中的概念是以實(shí)驗(yàn)的真實(shí)結(jié)果為起點(diǎn)，由簡單的內(nèi)容啟發(fā)部分復(fù)雜的內(nèi)容，使許多概念更加容易理解。選取使用狄拉克符號(hào)以及矩陣等數(shù)學(xué)工具，還有不遵照邏輯方面的嚴(yán)謹(jǐn)和理論知識(shí)上的全面性和細(xì)致性的講述結(jié)構(gòu)，這本書中主要針對量子力學(xué)方面的內(nèi)容進(jìn)行闡述說明，并沒有包含一些基礎(chǔ)的計(jì)量方法。描述了微觀世界量子力學(xué)的基本原理和基本方法，同時(shí)也用了量子力學(xué)的知識(shí)來解釋認(rèn)識(shí)源自世界的基本規(guī)律，也會(huì)了解一些必要的近代物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是這本書和“量子力學(xué)”內(nèi)容之間存在著差異，所以普通高校的物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)了“量子物理”內(nèi)容之后，一定要再掌握“量子力學(xué)”內(nèi)容。有了量子物理的基礎(chǔ)，再去學(xué)習(xí)量子力學(xué)就會(huì)變得容易理解一些，有助于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)量子力學(xué)。

《新概念物理教程?量子物理》這個(gè)教材在撰寫和講授的思路上是與新概念物理教程系列的力學(xué)、熱學(xué)教材是一脈相通的。本書包含實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和基本原理，雙態(tài)系統(tǒng)、從一維系統(tǒng)到凝聚態(tài)物質(zhì)到原子、分子到原子核、粒子以及量子力學(xué)中的新的研究成果和線性代數(shù)、高斯函數(shù)和高斯積分、物理常量等三個(gè)附錄，所表述的都是偏向于基礎(chǔ)概念的內(nèi)容。在實(shí)質(zhì)特征方面，這本書注重于用普通基礎(chǔ)的課程風(fēng)格來講述量子物理。

量子物理實(shí)則是普通高校物理學(xué)的學(xué)生的必須學(xué)習(xí)的知識(shí)，在制定人才培養(yǎng)方案中就應(yīng)列為主干課程。根據(jù)此書的內(nèi)容來看，是所要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)物理學(xué)中結(jié)尾的一部分，也打開了近代物理這個(gè)新世界的大門。主要經(jīng)過這部分的內(nèi)容的領(lǐng)會(huì)，學(xué)生就會(huì)了解微觀世界的物理現(xiàn)象，讓學(xué)生懂得使用已獲得的內(nèi)容去理解。本課程教學(xué)有著承前啟后的意義，通過對此課程的學(xué)習(xí)，為接下來要學(xué)習(xí)的課程奠定實(shí)質(zhì)性基礎(chǔ)，比如量子力學(xué)、固體物理學(xué)、近代物理學(xué)實(shí)驗(yàn)等。

在之前的學(xué)習(xí)普通物理內(nèi)容的第五部分是“原子物理”，而此書卻有了很大區(qū)別，它啟發(fā)了新的教學(xué)思路，起初就應(yīng)用量子力學(xué)內(nèi)容上的定義，但是更加周詳?shù)年U述了當(dāng)代量子物理的各個(gè)方面，不算原子物理課程已經(jīng)成形知識(shí)的講授之外，同時(shí)還有如量子共振、勢壘隧穿、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、能帶、聲子與元激發(fā)、約瑟芬森結(jié)等內(nèi)容，還有一些近一段時(shí)間內(nèi)量子物理方面的新成果。

從知識(shí)的連貫性看，此書規(guī)定學(xué)生要掌握光學(xué)、微積分和線性代數(shù)的知識(shí)。課時(shí)的規(guī)定是與原子物理課程相似。在擬定物理專業(yè)的講授方案上，會(huì)遇到一個(gè)麻煩，就是如固體物理學(xué)、原子核物理學(xué)等主要的一些科目，需要等量子力學(xué)這部分知識(shí)學(xué)習(xí)之后再繼續(xù)學(xué)習(xí)獲得。那么在學(xué)生學(xué)習(xí)了“量子物理”的內(nèi)容之后，以后的教學(xué)內(nèi)容就可以在學(xué)完量子力學(xué)課程之前安排，使學(xué)校的教學(xué)變得更加機(jī)動(dòng)了，而且學(xué)生做近代物理實(shí)驗(yàn)時(shí)非常有益。

普朗克量子論中可知曉普朗克量子論的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的主要過程，還有量子力學(xué)在科學(xué)研究上和人類社會(huì)發(fā)展上起到了重要的作用。量子論誕生到現(xiàn)在也有近一百年的時(shí)間了，量子力學(xué)也逐漸完善，時(shí)間也非常久遠(yuǎn)。高校所學(xué)的基礎(chǔ)物理課程中量子物理的知識(shí)在許多地方都是一帶而過，但是所學(xué)的量子的知識(shí)在基礎(chǔ)物理中是具有舉足輕重的部分。量子力學(xué)一些原理是根據(jù)偏微分方程得出的，對學(xué)生基本學(xué)習(xí)內(nèi)容要求的高，就會(huì)造成理解領(lǐng)悟上的難度，導(dǎo)致有些問題一直不能完成，然而，大多數(shù)普通高校物理專業(yè)的學(xué)生將在大三時(shí)期去學(xué)這門課程。

對于在大學(xué)期間以物理學(xué)為專業(yè)的學(xué)生來說，大部分都是高中的優(yōu)秀學(xué)生，他們對在物理方面所取得的成果，都有著濃厚的興趣。興趣是發(fā)現(xiàn)問題解決問題的原動(dòng)力，一旦量子物理這門課帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入微觀的世界，就可以激起和持續(xù)的給學(xué)生帶來興趣，這一定會(huì)有助于學(xué)生們學(xué)習(xí)量子力學(xué)，解決了直接學(xué)習(xí)量子力學(xué)的困難。如今，很多相關(guān)范圍的內(nèi)容，如量子化學(xué)、量子生物學(xué)很多相關(guān)知識(shí)與量子的知識(shí)相輔相成，都是以量子物理這門學(xué)科作為基石，正是因?yàn)槿绱?，可以自信的認(rèn)為，如果沒有量子物理的知識(shí)，那么就不會(huì)有人類現(xiàn)在的生活方式和生活水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，羅蔚茵.《新概念物理教程.熱學(xué)》改革的思路[J].大學(xué)物理.1998，17（4）：35-36

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第3篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

物理學(xué)專業(yè)可分為“縱向深入”和“橫向擴(kuò)張”兩方向?！翱v向深入”是向更微觀和更高速領(lǐng)域的深入探索，獲得描述新的領(lǐng)域最核心的物理模型?！皺M向擴(kuò)張”是在“縱向深入”中得到的每一個(gè)區(qū)域的核心物理模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用該模型來探索和解決該領(lǐng)域每一個(gè)更具體和更復(fù)雜的問題，伸向更精細(xì)的世界。

縱向世界

下圖是目前物理學(xué)的四個(gè)“基本理論”所統(tǒng)治的區(qū)域，它是一個(gè)普遍的力學(xué)系統(tǒng)，用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述物質(zhì)、時(shí)間和空間，以及他們之間的關(guān)系。這四個(gè)“基本理論”是人類幾百年來“縱向深入”所得到的四個(gè)核心物理模型。

一、經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）

圖中左下區(qū)域是“宏觀低速”區(qū)域，稱為經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）領(lǐng)域，即最早的牛頓力學(xué)及其后續(xù)發(fā)展的拉格朗日力學(xué)，哈密頓力學(xué)等。在中學(xué)物理課程中主要涉及的部分是牛頓力學(xué)。這里基本的數(shù)學(xué)模型是：空間是最簡單的歐幾里得幾何的三維空間，時(shí)間是另外一個(gè)和空間維完全無關(guān)的維度。物質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)，或者是有限體積的質(zhì)點(diǎn)集合（剛體，流體），或者是遍布全空間無限體積的質(zhì)點(diǎn)集合（場，如電磁場）。質(zhì)點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)符合伽利略變換。

這個(gè)領(lǐng)域孕育了第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命。它的“縱向深入”突破點(diǎn)是麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)，并由此導(dǎo)致量子力學(xué)和相對論力學(xué)領(lǐng)域的出現(xiàn)。

二、相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）

圖中的右下區(qū)域是縱向深入到“宏觀高速”的區(qū)域，即愛因斯坦的相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）領(lǐng)域。

這里基本的數(shù)學(xué)模型是：狹義相對論（Special Relativity）時(shí)空是閔可夫斯基四維時(shí)空，即一維時(shí)間和三維空間由光速不變原理緊密聯(lián)系，組成一個(gè)平直的四維時(shí)空背景。廣義相對論（General Relativity）的時(shí)空是黎曼時(shí)空，即一個(gè)彎曲的四維時(shí)空。相對論力學(xué)里物質(zhì)依然是經(jīng)典力學(xué)里的質(zhì)點(diǎn)、體或場，但是它會(huì)直接影響時(shí)空背景。質(zhì)點(diǎn)在四維時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)符合洛侖茲變換。

這個(gè)模型揭示了時(shí)間和空間不再是經(jīng)典力學(xué)中和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立無關(guān)的背景，而是與物質(zhì)的質(zhì)量、能量和運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系。

三、量子力學(xué)（Quantum Mechanics）

圖中左上區(qū)域是縱向深入到“微觀低速”的區(qū)域，即量子力學(xué)（Quantum Mechanics）的地盤。它的建立以普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意等物理學(xué)家的工作為先導(dǎo)，以海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學(xué)家的工作為主體。

這里基本的數(shù)學(xué)模型是：時(shí)空還是經(jīng)典力學(xué)中歐幾里得的三維空間加上獨(dú)立的一維時(shí)間，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)還是符合伽利略變換，但物質(zhì)本身卻不再是質(zhì)點(diǎn)或者質(zhì)點(diǎn)的集合，而是分布在全空間的波函數(shù)。一切物理量的取值都要靠它與波函數(shù)在全空間的積分才能得到。

這個(gè)模型揭示了真實(shí)的微觀物質(zhì)不是只具備粒子性的質(zhì)點(diǎn)，而是同時(shí)具有波動(dòng)性，即分布在全空間的波。

這個(gè)領(lǐng)域是現(xiàn)代物理學(xué)最大的領(lǐng)域，它孕育了20世紀(jì)后半葉的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，使人類全面步入信息時(shí)代。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

圖中右上區(qū)域便縱向深入到“微觀高速”區(qū)域，即量子場論（Quantum Field Theory）領(lǐng)域。它是量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合。從量子力學(xué)的幾位創(chuàng)始人到標(biāo)準(zhǔn)模型的建立者，諸多20世紀(jì)物理學(xué)家們的工作完成了這個(gè)建立過程，其中包括楊振寧教授和李政道教授的貢獻(xiàn)。

這里基本的數(shù)學(xué)模型是：物質(zhì)的基本粒子是分布在完全的閔可夫斯基四維時(shí)空的波動(dòng)場的激發(fā)態(tài)，場的基態(tài)是能量不為零的真空態(tài)。一個(gè)基本粒子的出現(xiàn)和消失（產(chǎn)生和湮滅）是它的場在該模式上的躍遷。場用量子化的拉格朗日密度來描述。

這個(gè)模型揭示了真實(shí)的物質(zhì)不僅是量子力學(xué)中分布在全空間的波，還和狹義相對論中的時(shí)空背景緊密相連。

從各個(gè)區(qū)域所建立起來的基本數(shù)學(xué)模型來看，量子場論區(qū)域是目前描述自然界最精確的模型，量子力學(xué)區(qū)域是描述自然界的低速近似，相對論力學(xué)區(qū)域是描述自然界的宏觀近似，經(jīng)典力學(xué)是描述自然界的宏觀低速近似（顯然關(guān)系已經(jīng)不大了）。

在這我們只能用“近似”兩個(gè)字，因?yàn)槿祟愒诹私夂驼J(rèn)識(shí)自然界的過程中是一個(gè)不斷深入的漸進(jìn)的認(rèn)識(shí)過程，一個(gè)不斷積累的認(rèn)識(shí)過程，這個(gè)過程將永遠(yuǎn)不斷地有新的發(fā)現(xiàn)，就像我們觀賞大自然的美景一樣，沒有終極，越看越美麗，越看越新奇。

橫向世界

一、經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）

經(jīng)典力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式上就可建立剛體力學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)，以及經(jīng)典的光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、磁學(xué)等學(xué)科。現(xiàn)在的物理學(xué)家已經(jīng)很少涉及這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域里基本的模型早已建立完畢并經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，物理學(xué)家也早已把這個(gè)地盤交到工程師的手上了，研究的主流變成是對這些規(guī)律的應(yīng)用，這個(gè)領(lǐng)域與人類日常生活關(guān)系最近。

對于有志于從事機(jī)械、建筑、汽車、航天、熱能動(dòng)力等專業(yè)的學(xué)子來說，牛頓力學(xué)和熱力學(xué)等是必須要掌握的物理基礎(chǔ)，這些物理基礎(chǔ)引發(fā)了人類第一次工業(yè)革命。對于有志于從事電力、通訊、電子工程等專業(yè)的學(xué)子來說，經(jīng)典電磁學(xué)和電動(dòng)力學(xué)是必須要掌握的物理基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)引發(fā)了人類第二次工業(yè)革命。

學(xué)好這些基礎(chǔ)，能讓你輕快地進(jìn)入到這些實(shí)用的領(lǐng)域中發(fā)展。

二、相對論力學(xué)（Relativistic Mechanics）

相對論力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式上就可建立天體物理學(xué)、宇宙學(xué)等學(xué)科方向，研究宇宙大尺度物理現(xiàn)象，如引力等，從業(yè)人數(shù)在物理學(xué)界占較小的部分。

對于有志于研究天文學(xué)和恒星、地外行星、黑洞等各種天體以及宇宙奧秘的學(xué)子來說，這個(gè)領(lǐng)域便是其歸宿。這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)主要以望遠(yuǎn)鏡觀測為主。相對論力學(xué)領(lǐng)域是人類認(rèn)識(shí)宇宙和了解宇宙的最前沿，它是人類了解太空的一扇窗口，但是離人類日常生活較遠(yuǎn)。工作單位一般是各個(gè)天文臺(tái)、大型的地面觀測站和太空觀測站等科研部門。

三、量子力學(xué)（Quantum Mechanics）

量子力學(xué)模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式上就可建立原子物理學(xué)、分子物理學(xué)、量子光學(xué)、量子電子學(xué)，以及凝聚態(tài)物理學(xué)等學(xué)科。物理學(xué)家中在這個(gè)領(lǐng)域的人數(shù)最多，僅凝聚態(tài)物理專業(yè)的人數(shù)就要占所有物理學(xué)家的三分之一以上，是物理學(xué)最大的分支。保守估計(jì)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論的這個(gè)區(qū)域中的物理學(xué)家人數(shù)應(yīng)該超過所有物理學(xué)家總?cè)藬?shù)的一半。近十年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)有6次頒給了這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家。

這個(gè)領(lǐng)域的特點(diǎn)是基礎(chǔ)理論模型完善，計(jì)算方便。實(shí)驗(yàn)規(guī)模小，可在實(shí)驗(yàn)室桌面上進(jìn)行。理論和實(shí)驗(yàn)課題數(shù)量多且分散，而且作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)領(lǐng)域，和化學(xué)與生物學(xué)等其他學(xué)科聯(lián)系緊密，因此它橫向擴(kuò)張的速度最快，成果也遠(yuǎn)多于物理學(xué)其他三個(gè)區(qū)域。

這個(gè)領(lǐng)域孕育了20世紀(jì)的現(xiàn)代科技革命，如半導(dǎo)體元件的發(fā)明、激光器的誕生、磁存儲(chǔ)介質(zhì)、液晶，以及最熱門的納米材料、超導(dǎo)體等都是拜他它所賜。因此這個(gè)領(lǐng)域不但適合想從事物理研究的學(xué)子加入，而且也適合想從事微電子學(xué)、納米材料、量子信息技術(shù)等新興專業(yè)的學(xué)子們學(xué)習(xí)。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

量子場論模型應(yīng)用到具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式上建立了量子電動(dòng)力學(xué)（QED），電弱統(tǒng)一理論，量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）等理論，作為粒子物理（高能物理）的基礎(chǔ)理論，同時(shí)研究基本粒子的束縛態(tài)如重子、介子和原子核結(jié)構(gòu)等。這個(gè)領(lǐng)域是向物質(zhì)奧秘探索的最前沿，基本理論內(nèi)容最深?yuàn)W、計(jì)算難度大，但是橫向擴(kuò)張的工作很多。實(shí)驗(yàn)需要在大型的粒子加速器上進(jìn)行，規(guī)模龐大，課題集中，成果多是十年磨一劍，因此進(jìn)展緩慢。

對于有志于探索物理最前沿的學(xué)子來說，這個(gè)領(lǐng)域最適合,但更需要具備耐得住寂寞和世俗誘惑的能力。這個(gè)領(lǐng)域風(fēng)光無限，魅力無限。

結(jié)語

第4篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué)；課程特點(diǎn)；學(xué)習(xí)興趣；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）20-0118-03

結(jié)構(gòu)化學(xué)是在原子、分子的水平上研究原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與其性能關(guān)系的科學(xué)[1-4]。著名化學(xué)家L.Pauling說過“當(dāng)任何一種物體，當(dāng)它的性質(zhì)和物體的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來時(shí)，那么這樣一種性質(zhì)最容易最清楚地被理解”，理論化學(xué)家R.Hoffmann也曾說過“化學(xué)理論最重要的作用是提供一種思維機(jī)制，以總結(jié)更新知識(shí)”。從中可見結(jié)構(gòu)化學(xué)地位的重要性。該課程涉及的知識(shí)面廣，內(nèi)容相對抽象，要求學(xué)生具有較多的數(shù)理知識(shí)和豐富的空間思維能力，同時(shí)還要努力擺脫宏觀現(xiàn)象的傳統(tǒng)概念的束縛。大部分學(xué)生始終把學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)當(dāng)成一種負(fù)擔(dān)，學(xué)習(xí)起來感覺很枯燥，一知半解，似懂非懂，難以進(jìn)入狀態(tài)。因此，本人根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)和學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的主要問題以及如何培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣三方面進(jìn)行了積極的思考和有益的探索。

一、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)

在高等師范院校中，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程通常開設(shè)在第三學(xué)年，是在學(xué)生修完高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等課程基礎(chǔ)上開設(shè)的。該課程主要包括三種理論（量子理論、化學(xué)鍵理論和點(diǎn)陣?yán)碚摚?，三種結(jié)構(gòu)（原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)），三個(gè)基礎(chǔ)（量子力學(xué)基礎(chǔ)、對稱性基礎(chǔ)和晶體學(xué)基礎(chǔ)），這也是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)時(shí)所要掌握的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法[2]。

結(jié)構(gòu)化學(xué)是學(xué)生本科階段初次接觸的理論課程，它是一門以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，從微觀的角度來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的學(xué)科，具有概念多，內(nèi)容抽象，系統(tǒng)性、理論性較強(qiáng)等特點(diǎn)。另外，結(jié)構(gòu)化學(xué)與數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科互為交叉，所以要求學(xué)生具有嚴(yán)密的邏輯思維和扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。其次，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，但是其研究的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)很難在宏觀的實(shí)驗(yàn)中觀察出來，所以還要求學(xué)生具有較強(qiáng)的空間思維能力。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)比較深?yuàn)W、難學(xué)、難懂，往往被大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為是最難學(xué)的課程之一。

二、學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)過程中存在的主要問題

1.從心理上害怕結(jié)構(gòu)化學(xué)。結(jié)構(gòu)化學(xué)所涉及的基本概念及理論高度抽象，一方面，有些老師在上第一節(jié)課時(shí)會(huì)告訴學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課程很重要，也很難學(xué)，許多同學(xué)都因不及格而重修；另一方面，學(xué)生還沒開始正式學(xué)習(xí)，就從高年級(jí)學(xué)生那里得知結(jié)構(gòu)化學(xué)難學(xué)，不及格率較高。因此，從心理上學(xué)生對學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)產(chǎn)生一種畏懼和抵觸心理。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)存在誤區(qū)。很多學(xué)生對結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容沒有充分認(rèn)識(shí)，認(rèn)為研究生入學(xué)資格考試不考結(jié)構(gòu)化學(xué)，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)根本沒用，只是為了應(yīng)付考試。實(shí)際上這是一種誤區(qū)，部分高校（如南開大學(xué)）物理化學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位研究生的入學(xué)考試就包含結(jié)構(gòu)化學(xué)。而且結(jié)構(gòu)化學(xué)也非常有用，可以了解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，可以合成滿足人類一定需要的新物質(zhì)，也是學(xué)習(xí)高等化學(xué)的基礎(chǔ)等。

3.學(xué)生數(shù)理知識(shí)薄弱。結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容涉及面廣，如需具備高等數(shù)學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)及量子力學(xué)等知識(shí)，學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)生數(shù)理知識(shí)普遍較差，對于結(jié)構(gòu)化學(xué)中大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程感覺很費(fèi)力，致使學(xué)生對該課程產(chǎn)生排斥心理。

4.缺乏微觀分析能力。量子力學(xué)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)[5]。結(jié)構(gòu)化學(xué)以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，使人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)從宏觀層次進(jìn)入了微觀層次。而量子力學(xué)獨(dú)立于經(jīng)典物理學(xué)，自成一套理論體系，內(nèi)容抽象，脫離生活實(shí)際，邏輯性強(qiáng)，抽象思維程度高，學(xué)生易受宏觀思維定式束縛。

5.理論與實(shí)踐脫節(jié)。結(jié)構(gòu)化學(xué)是重要的基礎(chǔ)科學(xué)之一，是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在與物理學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科的相互滲透中，得到了迅速的發(fā)展，也推動(dòng)了其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。但是，在學(xué)習(xí)這門課程的同時(shí)，多數(shù)學(xué)生只在乎教程中的理論知識(shí)，從而忽略了思考與其他學(xué)科的相互關(guān)聯(lián)。另外，大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)缺乏實(shí)踐，把學(xué)習(xí)它當(dāng)成了一項(xiàng)應(yīng)付考試的任務(wù)，這與學(xué)習(xí)這門課的宗旨背道而馳。

6.學(xué)生之間缺乏交流。結(jié)構(gòu)化學(xué)以數(shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，物理模型抽象難懂，學(xué)生學(xué)習(xí)方式單一、被動(dòng)。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式主要體現(xiàn)個(gè)體性，教師與學(xué)生之間，學(xué)生與學(xué)生之間經(jīng)常處于一種緊張甚至對立的狀態(tài)，課堂上很少看見人際間的交流、觀點(diǎn)的交鋒和智慧的碰撞，學(xué)生的學(xué)習(xí)始終處于被動(dòng)應(yīng)付狀態(tài)。學(xué)生缺少自主探索、合作交流、獨(dú)立獲取知識(shí)的機(jī)會(huì)，很少有機(jī)會(huì)表達(dá)自己的理解和意見。

三、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的興趣

根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的上述特點(diǎn)及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的主要問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的前提和關(guān)鍵。愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師。”學(xué)生只有有了學(xué)習(xí)興趣，才會(huì)積極配合教師的教學(xué)，教師才能夠更新教學(xué)理念，提高課程教學(xué)效果。下面筆者結(jié)合兩年來在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的親身體會(huì)，介紹在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.明確學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的目的與意義。結(jié)構(gòu)化學(xué)包括很多有用的基本概念和許多重要的規(guī)律和原理。教師要讓學(xué)生了解通過結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)可以學(xué)到扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和和理論知識(shí)，可為后續(xù)專門化課程的學(xué)習(xí)做好必要的理論基礎(chǔ)。同時(shí)也讓學(xué)生知道通過結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)可以了解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，例如，NO分子分解為N2和O2時(shí)在熱力學(xué)上是可以自發(fā)進(jìn)行的，但此反應(yīng)是動(dòng)力學(xué)禁阻的，只有用結(jié)構(gòu)化學(xué)中的前線軌道理論才能夠容易證明這一點(diǎn)。另外，通過結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，人們很容易合成出新物質(zhì)（如新材料、新藥的合成），其結(jié)構(gòu)測定與分子的設(shè)計(jì)過程必須具有扎實(shí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)。還有結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展對化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也有重大的推動(dòng)作用（化學(xué)界化學(xué)的兩次革命性飛躍）等。

2.介紹科學(xué)奇聞趣事，陶冶學(xué)生情操。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容理論性較強(qiáng)，若在課堂教學(xué)中引入科學(xué)大師的物理學(xué)史教育，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如，在介紹薛定諤方程時(shí)，可以向大家介紹薛定諤的奮斗歷程，薛定諤被稱為量子物理學(xué)之父，23歲時(shí)獲得奧地利維也納大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位，1926年建立波動(dòng)力學(xué)（39歲），1933年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（46歲），同時(shí)告訴學(xué)生薛定諤不僅僅數(shù)學(xué)物理好，而且他的文學(xué)功底也非常好，于1944年整理出版了一本著作《生命是什么》。這樣學(xué)生在了解相關(guān)知識(shí)背景的同時(shí)，開闊了視野，提高了思維能力，受到了科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的熏陶，激發(fā)了其學(xué)習(xí)熱情。

3.充分利用多媒體輔助教學(xué)，提升課堂教學(xué)效果。多媒體輔助教學(xué)作為一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，可以把文本、音頻、視頻、圖像、圖表、動(dòng)畫等多種媒體信息綜合為一體化并進(jìn)行加工處理，為課堂教學(xué)提供了豐富、直觀、真實(shí)的語言材料，啟迪學(xué)生的思維，從而優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，提高課堂教學(xué)效果。例如原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、電子云的概念、雜化軌道理論、等徑圓球密堆積結(jié)構(gòu)、離子晶體結(jié)構(gòu)等都比較抽象，想象力較差的學(xué)生理解起來相對困難，若我們在計(jì)算機(jī)軟件中，用二維、三維動(dòng)畫模擬顯示[6]，將抽象、微觀的內(nèi)容具體化、宏觀化，使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)更好的理解。

4.把最新科研成果引入課堂，以科研促進(jìn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。教師還可以精心創(chuàng)設(shè)一些引人入勝的實(shí)踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的趣味性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠感受到所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性。教材內(nèi)容往往有所落后，已不適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需要，而社會(huì)生活和科學(xué)知識(shí)卻不斷地迅猛發(fā)展，及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充最新的信息，將新的科研動(dòng)態(tài)、知識(shí)引入結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)課堂，豐富課堂內(nèi)容，將抽象生硬的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)具體的科研案例進(jìn)行解釋和說明，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，保證了教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)了我們教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變，使課堂教學(xué)的面貌大為改觀。

5.不斷改進(jìn)教學(xué)方法，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可采用多種形式的教學(xué)方法，創(chuàng)造一個(gè)輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師教學(xué)語言要盡可能做到用詞準(zhǔn)確，條理清晰，生動(dòng)有趣，富有感染力，學(xué)生易于接受。另外教師可以采用討論式教學(xué)方法，這種方法主要運(yùn)用習(xí)題范例和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)例，或者是就某一個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行辯論，師生平等互動(dòng)，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效率。同時(shí)教師也可采用提問式課堂教學(xué)，引發(fā)學(xué)生好奇心，讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，不斷地激發(fā)他們的求知需求。再者，教師還可以精心創(chuàng)設(shè)一些引人入勝的教學(xué)情境，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的趣味性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠感受到其樂融融，從而達(dá)到“我要學(xué)”的最佳境地。

6.加強(qiáng)師生之間的情感交流，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課堂教學(xué)不僅是知識(shí)信息的交流過程，也是情感信息的交流過程。心理學(xué)家莫維爾說：“情感如同肥沃的土地，知識(shí)的種子就播種在土壤里?！笨梢姺e極的情感能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于優(yōu)化課堂教學(xué)，改善課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

四、小結(jié)

綜上所述，本文介紹了結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的特點(diǎn)、學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的主要問題以及如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，那么如何將結(jié)構(gòu)化學(xué)抽象、難以理解的知識(shí)形象化，如何運(yùn)用各種合理的教學(xué)方法提高自己的教學(xué)水平，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，仍然是教師特別是青年教師需要長期思考的一個(gè)問題。

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第5篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：布朗運(yùn)動(dòng) 量子力學(xué) 物質(zhì)場 波動(dòng)函數(shù)

引子：這篇論文是洗衣服時(shí)出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，讓我很好奇，所以我開始了對布朗運(yùn)動(dòng)的研究。

布朗運(yùn)動(dòng)：懸浮微粒永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象（說明一下：永不停息是不存在的，長時(shí)間或較長時(shí)間，人們是可以接受的），很對不起大家，剛開始就要括號(hào)說明，只是現(xiàn)在的定義，真是永不停息。布朗運(yùn)動(dòng)的例子特別多，大家很容易見到，如把一把泥土扔到水里攪合攪合，或在無風(fēng)的情況下對著陽光觀察空氣中的塵粒等等，現(xiàn)在這些類似運(yùn)動(dòng)都稱為布朗運(yùn)動(dòng)。

1827年，植物學(xué)家R·布朗首先提出發(fā)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)。在他之后的很長時(shí)間，人們對布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)、觀察。最后古伊在1888-1895期間對布朗運(yùn)動(dòng)提出自己的認(rèn)識(shí)：

布朗運(yùn)動(dòng)并不是分子運(yùn)動(dòng)，而是從分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的一些結(jié)果能向我們提供直接和可見的證據(jù)，說明對熱本質(zhì)假設(shè)的正確性。按照這樣的觀點(diǎn)，這一現(xiàn)象的研究承擔(dān)了對分子物理學(xué)的重要作用。

古伊的文獻(xiàn)產(chǎn)生過重要的影響，后來貝蘭（我們第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測量原子大小的人）把布朗運(yùn)動(dòng)正確解釋的來源歸于古伊。實(shí)話實(shí)說，古伊的文獻(xiàn)太重要了，在我看來：一語中的。太對了，古伊是歸納總結(jié)的天才，也是真正從實(shí)驗(yàn)的角度來解釋布朗運(yùn)動(dòng)的第一人。

古伊的話有三個(gè)重點(diǎn)：

一、布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng)。

二、說明熱本質(zhì)假設(shè)的正確性(下面會(huì)專門論述熱的本質(zhì)問題）。

三、利用分子布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果來承擔(dān)對分子物理學(xué)的研究。

1905年愛因斯坦根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)論的原理提出布朗運(yùn)動(dòng)理論，同時(shí)期的斯莫羅霍夫斯基作出同樣的成果。

愛因斯坦在論文中指出：按照熱的分子運(yùn)動(dòng)論，由于熱的分子運(yùn)動(dòng)大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體中，必定會(huì)發(fā)生大小可以用顯微鏡觀測到的運(yùn)動(dòng)，可能這里所討論的運(yùn)動(dòng)就是布朗運(yùn)動(dòng)，觀測這種運(yùn)動(dòng)和預(yù)期的規(guī)律性，就可能精確測量原子的大小，反之證明熱分子運(yùn)動(dòng)的預(yù)言就不正確。這些是愛因斯坦的研究成果。

現(xiàn)在人們認(rèn)為這是對布朗運(yùn)動(dòng)的根源及其規(guī)律性的最終解釋，我認(rèn)為不是。這是愛因斯坦成功的利用布朗運(yùn)動(dòng)的原則創(chuàng)造性提出熱分子運(yùn)動(dòng)論，利用這一理論可以測量分子原子的大小，把布朗運(yùn)動(dòng)近似為熱分子運(yùn)動(dòng)論。或許是天意，愛因斯坦的論文我怎么看都有絕對論的意思。“有大小可以用顯微鏡看見的物體懸浮在液體，必定會(huì)發(fā)生大小可以用顯微鏡觀測到的運(yùn)動(dòng)”。運(yùn)動(dòng)的絕對性，不過這里他說的是發(fā)生相對于物質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)，可能這是相對論的名稱來源吧。我的評(píng)價(jià)：初級(jí)的絕對論。在絕對論中只要有物質(zhì)存在就有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是絕對的。愛因斯坦的熱分子運(yùn)動(dòng)論：舍本取末，換句話說他把布朗運(yùn)動(dòng)等同于分子運(yùn)動(dòng)了，認(rèn)為熱分子運(yùn)動(dòng)引起了的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，就是觀察到的布朗運(yùn)動(dòng)。既然相對論是初級(jí)的絕對論，我今天提出絕對論，那么所有愛因斯坦做過的事情，我可能都要去做一遍。布朗運(yùn)動(dòng)不是熱分子運(yùn)動(dòng)，但是可以引起熱分子運(yùn)動(dòng)，愛因斯坦的成果只是利用了布朗運(yùn)動(dòng)引起的熱分子運(yùn)動(dòng)，他沒有分析布朗運(yùn)動(dòng)的根源：物質(zhì)為什么會(huì)存在布朗運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顯微鏡越來越清晰的時(shí)候，愛因斯坦的擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)方程就不能適用了。

現(xiàn)在隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，量子理論對真空漲落的認(rèn)識(shí)不斷加深，量子理論也對布朗運(yùn)動(dòng)的根源給出自己的看法，同樣今天絕對論也給出自己對布朗運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)：

一、布朗運(yùn)動(dòng)不是分子運(yùn)動(dòng)，或者說不是單個(gè)粒子間的運(yùn)動(dòng)。

二、布朗運(yùn)動(dòng)是一個(gè)由點(diǎn)到面，再由面到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式。

三、布朗運(yùn)動(dòng)是與波動(dòng)函數(shù)有關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特性。

布朗運(yùn)動(dòng)不是分子的運(yùn)動(dòng)或者說不是單個(gè)粒子之間的運(yùn)動(dòng)，為什么這么說呢：一滴水融入大海永不干涸（永字應(yīng)為長時(shí)間，不過人們習(xí)慣認(rèn)識(shí)，所以沒有改為長時(shí)間）大海洶涌澎湃，一盤水很容易平靜。相比之下，為什么有如此巨大反差：物質(zhì)場運(yùn)動(dòng)的疊加效應(yīng)，滴水穿石的道理也是如此。

簡單的一滴水為什么能夠融入大海呢？正像洗衣服為什么能把衣服洗干凈，洗不干凈會(huì)在衣服干后留下許多漬跡一樣。液體的形態(tài)對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了如何的影響呢？這是我們應(yīng)該思考的問題，這里我引入二個(gè)概念：物質(zhì)場與波動(dòng)函數(shù)。

說一下自己的看法：一滴水的運(yùn)動(dòng)比如一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，大海是一個(gè)物質(zhì)場，一盆水也是一個(gè)物質(zhì)場，同樣一滴水也可是一個(gè)物質(zhì)場，那么一個(gè)電子也可是一個(gè)物質(zhì)場，也就是說一個(gè)量子可以看作是一個(gè)物質(zhì)場，量子的運(yùn)動(dòng)可以當(dāng)成物質(zhì)場在運(yùn)動(dòng)。

其實(shí)為了研究布朗運(yùn)動(dòng)，引入物質(zhì)場這個(gè)概念，把物質(zhì)現(xiàn)實(shí)中的存在狀態(tài)看成是一個(gè)物質(zhì)場的存在，相信大家能夠理解。把物質(zhì)形態(tài)存在的狀態(tài)不去看它把當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的物質(zhì)場存在，比如一塊鐵、一塊鋼、一塊磚，我們都把它當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的物質(zhì)場存在，那么這個(gè)物質(zhì)場中的電子、原子、質(zhì)子等粒子都是這物質(zhì)場的一部分，那么這物質(zhì)場中的一切物質(zhì)都應(yīng)是這物質(zhì)場的一部分。

一個(gè)統(tǒng)一的物質(zhì)場。對于運(yùn)動(dòng)而言，物質(zhì)場有整體的運(yùn)動(dòng)，也有物質(zhì)場的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)：質(zhì)子、電子、中子等微粒之間的運(yùn)動(dòng)，比如我用力去拿一件東西，我的全部身體都在運(yùn)動(dòng)，手的運(yùn)動(dòng)和身體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)時(shí)截然不同的，但作為一個(gè)整體，我把東西拿了起來，而東西作為一個(gè)完整的物質(zhì)場表現(xiàn)是被我拿了起來，整個(gè)的分子、原子、電子構(gòu)成的物質(zhì)場共同被我拿了起來。

諸如這些運(yùn)動(dòng)是整體的完整的物質(zhì)場，對另一個(gè)完整的物質(zhì)場的作用，牛頓力學(xué)已經(jīng)很好的應(yīng)用到多個(gè)方面，宏觀物理研究的物體很明確，運(yùn)動(dòng)也很明顯，都可以準(zhǔn)確測量計(jì)算。為什么這里一定要強(qiáng)調(diào)完整的物質(zhì)場呢？一滴水進(jìn)入了大海之后，這一滴水的完整物質(zhì)場依然存在，而變成大海的物質(zhì)場一部分，這一滴水所有的運(yùn)動(dòng)，所有的信息都變成了大海物質(zhì)場的一部分，大海的每一滴水都是一個(gè)完整的物質(zhì)場，但都是大海物質(zhì)場的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但當(dāng)空氣蒸發(fā)水蒸氣時(shí)，大海不會(huì)單獨(dú)讓哪一個(gè)完整的小水滴去蒸發(fā)，而是大海整個(gè)的一個(gè)物質(zhì)場在做蒸發(fā)這件事，與個(gè)體的物質(zhì)場的狀態(tài)關(guān)系不大。

可能從小水滴到大海大家覺得不直觀，在量子力學(xué)把電子看成小水滴，把一個(gè)物質(zhì)粒子看成大海，或者幾公斤的金屬板看成大海，相信這樣我們的科學(xué)人士都能夠理解。

光電效應(yīng)的原理：把光子看成一個(gè)物質(zhì)場，把金屬板看成一個(gè)物質(zhì)場，光照到金屬板上，放出電子（當(dāng)然需要一個(gè)極限頻率）是一個(gè)物質(zhì)場對另一個(gè)物質(zhì)場的反應(yīng)，那么釋放的電子是物質(zhì)場的整體行為，不是單個(gè)電子吸收能量而釋放出來。極限頻率，用水吸收80卡的熱量才能變成水蒸氣來說明吧，80米的水位永遠(yuǎn)流不出100米的大壩。每個(gè)物質(zhì)場都有自己的固有頻率，超過這個(gè)頻率的東西來破壞它，這個(gè)物質(zhì)場就發(fā)生變化用大錘去打東西，物質(zhì)會(huì)反應(yīng)不同的。

另一個(gè)問題：固體微粒之間結(jié)合很好，但是一個(gè)個(gè)的原子又是相互隔開，可是這一個(gè)個(gè)原子又構(gòu)成統(tǒng)一的物體。為什么？：波動(dòng)函數(shù)，物質(zhì)的特性是一個(gè)個(gè)小的原子共同表現(xiàn)出的特性，兩塊鐵融化后能夠形成一塊鐵，人類有無數(shù)的合金材料以及其它合成物質(zhì)，為什么這些材料表現(xiàn)出了原來不同的特性呢，物質(zhì)場的特性為什么變化呢？

物質(zhì)的特性變化了，那么每一個(gè)小的物質(zhì)場的特性也會(huì)變化。一般情況下原子不可能變，合金狀態(tài)的原子也未變，那么什么變化了呢？量子的運(yùn)動(dòng)方式變化了，也就是電子和質(zhì)子以及其它的微粒運(yùn)動(dòng)形式變化了，整個(gè)的物質(zhì)場的量子波動(dòng)函數(shù)變化了。

波動(dòng)函數(shù)是為了形象說明布郎運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)引入的一個(gè)物質(zhì)特征，一個(gè)物質(zhì)場的波動(dòng)函數(shù)體現(xiàn)物質(zhì)作布郎運(yùn)動(dòng)的能力，也體現(xiàn)了物質(zhì)場內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能力。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)場與物質(zhì)場之間結(jié)合（疊加）能力的一種體現(xiàn)。一個(gè)物質(zhì)場中會(huì)有很多不同的波動(dòng)函數(shù)如：分子之間，原子之間，電子之間，質(zhì)子之間，原子于分子之間，電子與原子核之間，質(zhì)子與中子之間等等許許多多的量子之間。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種能力的體現(xiàn)。

當(dāng)然這個(gè)概念也很符合量子力學(xué)的波動(dòng)方程的需要，那就是所有的物質(zhì)場都有自己的波動(dòng)函數(shù)，而且不止一個(gè)。當(dāng)波動(dòng)函數(shù)達(dá)到一定數(shù)值，物質(zhì)場之間既可融合。這樣雖然原子之間的距離是分開的，但是電子之間的物質(zhì)場卻可以是融合在一起的（當(dāng)然還有比電子更小物質(zhì)，那它們的物質(zhì)場更會(huì)融在一起）

波動(dòng)函數(shù)越高，物質(zhì)融合的越快，反之越慢，諸如擴(kuò)散現(xiàn)象，滲透等等，固體之間的波動(dòng)函數(shù)低，所以最好融化或鍛打成液態(tài)式的結(jié)合，需要外部的力量加大它的波動(dòng)函數(shù)。波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)作布郎運(yùn)動(dòng)的一種能力，我更愿意認(rèn)為波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種能力（在絕對論中運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的生命）。與物質(zhì)本身的溫度有關(guān)，與外界的干涉有關(guān)。例如：加熱氣體，溶液或用力攪拌溶液等等會(huì)增波動(dòng)函數(shù)值。（下面我們還要專門研究熱的本質(zhì)問題）

用一個(gè)方程式來表達(dá)吧。

H值=H℃溫度+Hoi外部干涉，H：波動(dòng)函數(shù)。其實(shí)我的波動(dòng)函數(shù)和量子力學(xué)中的的物質(zhì)波不是完全相同。

波動(dòng)函數(shù)是物質(zhì)場的特性，是物質(zhì)生命能力的一種體現(xiàn)。表現(xiàn)在粒子上，粒子就具有波動(dòng)性，同時(shí)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一定需要能量的，也一定出現(xiàn)物質(zhì)的波動(dòng)。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物質(zhì)場具有波動(dòng)函數(shù)。就象一整鐵的內(nèi)部具有輕微的布郎運(yùn)動(dòng)，也就是說這塊鐵的所有原子、分子、電子等等一切粒子都在做一定的布郎運(yùn)動(dòng)。所有的粒子都具有這塊鐵的物質(zhì)特性。也就是所有的粒子都有自己相應(yīng)的波動(dòng)函數(shù)。這與這塊鐵的運(yùn)動(dòng)和外界條件都有關(guān)系。就比如大海是所有的水滴和水中的懸浮物體構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的物質(zhì)場，是所有的物質(zhì)場的疊加效應(yīng)，如果你取出一滴水，那么這一滴水就不屬于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物質(zhì)場了。

說到這些，大家可能會(huì)樂了，我也很樂的：這就是我們量子力學(xué)上著名的不確定原理和測不準(zhǔn)原理，因?yàn)槟阋獙@一個(gè)量子測量，那你就要破壞這個(gè)粒子在物質(zhì)場的狀態(tài)，你永遠(yuǎn)不能無法精確測量一個(gè)量子系統(tǒng)。因?yàn)槟銣y量一滴水的結(jié)果就會(huì)脫離大海這個(gè)物質(zhì)場。這一滴水在大海里就和大海一樣大，除非有測大海一樣大的儀器，否則無法測量這一滴水在大海中運(yùn)行狀態(tài)。但是我們可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)對整個(gè)的物質(zhì)場的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。我們可以計(jì)算大海每天蒸發(fā)了多少噸的水，但不可以說是那一噸水。

其實(shí)量子力學(xué)碰到的最大問題，不是實(shí)驗(yàn)不能證明。而是無法說明粒子為什么不可測，而且無法確定位置，因?yàn)槿魏我粋€(gè)物質(zhì)場都是一個(gè)面，一個(gè)量子只是一個(gè)點(diǎn)，而運(yùn)動(dòng)和變化是物質(zhì)場與物質(zhì)場之間發(fā)生的，與單個(gè)的粒子運(yùn)動(dòng)關(guān)系不大。當(dāng)然也不能說一點(diǎn)沒有，就象人與人打架一樣，是兩個(gè)物質(zhì)場在運(yùn)動(dòng)，打在手上，而全身都難受，手痛得最厲害。是整個(gè)物質(zhì)場在對外界的物質(zhì)場共同的感受?？刹皇侵皇鞘植皇娣?，所以我們能夠精確地確認(rèn)各個(gè)量子運(yùn)動(dòng)疊加之后統(tǒng)計(jì)結(jié)果（宏觀物理），但我們不能很精確一個(gè)物質(zhì)場內(nèi)部的那一小點(diǎn)起作用。物質(zhì)是整體運(yùn)行的，當(dāng)外部的物質(zhì)變化時(shí)內(nèi)部的物質(zhì)也會(huì)有相應(yīng)變化的，量子運(yùn)行方式會(huì)發(fā)生一些改變。

量子力學(xué)從來沒有從一個(gè)面去研究物體，只注重了一個(gè)點(diǎn)，而經(jīng)典物理只注意宏觀物理現(xiàn)象的規(guī)律性，也就是注意面了。

量子力學(xué)注重研究了物質(zhì)場的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)：單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)（點(diǎn)）。經(jīng)典物理學(xué)：牛頓力學(xué)，相對論只注重了物質(zhì)場與物質(zhì)場的外部運(yùn)動(dòng)（面）。

而布郎運(yùn)動(dòng)是把物質(zhì)場的內(nèi)部和外部運(yùn)動(dòng)結(jié)合一起的表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，是點(diǎn)到面，再面到點(diǎn)全過程，所以對布郎運(yùn)動(dòng)的研究也是一個(gè)科學(xué)研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)史的一個(gè)縮影。

人對事物的認(rèn)識(shí)總是漸近的，按照絕對論的原則，弧立的事情是不存在的，所有的系統(tǒng)都是宇宙整體的一部分，所有的運(yùn)動(dòng)都是宇宙生命的一種體現(xiàn)。

現(xiàn)在用量子理論中的概念說明熱的本質(zhì)問題：熱量只是能量的一種表現(xiàn)形式。熱的來源一般是：化學(xué)反應(yīng)，物理作用（包括核反應(yīng)），能量轉(zhuǎn)化。等等的這一切源于：量子運(yùn)行方式的改變。量子運(yùn)行只會(huì)一個(gè)場，一個(gè)場的變化，也就是說量子運(yùn)動(dòng)只可123456 不會(huì)連續(xù)不斷 沒有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的運(yùn)行方式改變只可這個(gè)場直接到那個(gè)場，要么吸收一定能量，要么釋放一定能量。水分子或者是固態(tài)，或是氣態(tài)，液態(tài)，沒有中間的狀態(tài)。能量有許多表現(xiàn)形式，而熱量是能量的一種表現(xiàn)形式，所以我們可以測定溫度等等現(xiàn)象。量子運(yùn)行方式改變了，物質(zhì)的特性也就改變了。燒火做飯，木柴變成灰燼，原子一個(gè)不少，電子一個(gè)不少，可是它們之間的運(yùn)行方式改變了，能量或釋放了或吸收了，物質(zhì)也就變化了。

第6篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

一、結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)面臨兩大難題。首先，結(jié)構(gòu)化學(xué)中的很多概念過于抽象，教師難以形象地去講授，學(xué)生難以理解和接受。其次，隨著現(xiàn)代化學(xué)學(xué)科本身的快速發(fā)展以及與其他學(xué)科的交叉融合，使得結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容快速膨脹，而結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)課時(shí)不但沒有增加反而有所減少，這就勢必產(chǎn)生“任務(wù)重，時(shí)間少”的難題。

為了解決這兩大難題，人們已做了一些有益的嘗試和探索，如，整合教材內(nèi)容，采用多媒體教學(xué)等。這些改革都不同程度地改進(jìn)了結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)，也取得了一些積極的效果。但是，這些改革措施和方法并沒有徹底解決這兩大難題。我們結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)組經(jīng)過長期的嘗試和探索，得到了一種行之有效的方法，這就是在結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中采用目前先進(jìn)的可視化量子化學(xué)分子設(shè)計(jì)軟件來輔助教學(xué)。下面予以介紹，以期為同行們提供一些借鑒。

二、可視化量化計(jì)算軟件的使用

使用可視化的量子化學(xué)軟件，通過計(jì)算得出教材中的結(jié)論，將抽象的概念變?yōu)橹庇^的圖形，也可以通過化學(xué)軟件的使用使學(xué)生了解到所學(xué)的基本概念在實(shí)際中的應(yīng)用，在課堂上用多媒體的形式加以演示。在實(shí)際教學(xué)過程中具體做法如下：

第四章對于分子的對稱操作和點(diǎn)群的有關(guān)知識(shí)，利用可視化軟件畫出具體的圖形，在課堂上利用多媒體對具體的圖形進(jìn)行各種對稱變化和操作，形象直觀容易接受。

丁二烯分子π軌道圖形

另外，對于結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用、NMR數(shù)值的測定、偶極距、分子光譜等問題都可以利用量子化學(xué)軟件計(jì)算得出與實(shí)驗(yàn)相符合的數(shù)值，使學(xué)生進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的作用。

總之，可視化量化計(jì)算軟件可以使結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)從單純的理論講授變成理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，將結(jié)構(gòu)化學(xué)抽象的概念變成直觀的圖形；通過讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，使學(xué)生便于接受和理解，同時(shí)提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的科研能力。

第7篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

(一)簡介材料計(jì)算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的一款科學(xué)研究軟件，用于幫助用戶解決當(dāng)今材料科學(xué)中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個(gè)計(jì)算模擬模塊，是一款強(qiáng)有力的計(jì)算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進(jìn)行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型，之后通過軟件包中相應(yīng)的計(jì)算模塊，對材料分子的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測、X射線衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算得到的結(jié)果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的分析和研究，其計(jì)算的結(jié)果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學(xué)的一個(gè)凝聚態(tài)理論小組開發(fā)，是廣泛用于計(jì)算周期性體系性質(zhì)的一個(gè)先進(jìn)量子力學(xué)程序。它可用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等多種材料的相關(guān)計(jì)算，可研究晶體材料的光學(xué)性質(zhì)（折射率，反射率，吸收及發(fā)射光譜等）、缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)1.知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置。在材料科學(xué)的專業(yè)課中，如晶體物理、固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)、硅材料科學(xué)與技術(shù)等課程中,都會(huì)涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識(shí)點(diǎn)，也會(huì)涉及到材料的反射率、折射率、介電常數(shù)等材料的光學(xué)或化學(xué)性質(zhì)。在完成這些基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進(jìn)行計(jì)算和演示，為這些基礎(chǔ)理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質(zhì)與微觀機(jī)理銜接上，這樣學(xué)生對材料科學(xué)的知識(shí)體系就會(huì)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)和了解。2.密度泛函理論及波函數(shù)的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，其本質(zhì)是以電子密度分布函數(shù)為變量代替波函數(shù)中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復(fù)雜體系波函數(shù)的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料相關(guān)領(lǐng)域，特別是用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應(yīng)用到計(jì)算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、光譜、能量、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和活化勢壘等方面的進(jìn)行計(jì)算研究。在與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合后，在材料設(shè)計(jì)、合成、模擬計(jì)算等方面有明顯進(jìn)展，成為計(jì)算材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。3.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個(gè)計(jì)算模塊是通過Visualizer這個(gè)可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應(yīng)用Visualizer模塊構(gòu)建有機(jī)、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結(jié)構(gòu)等模型，通過鼠標(biāo)控制這些分子構(gòu)型，可從不同角度查看并分析體系結(jié)構(gòu)，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數(shù)據(jù)庫中的晶體結(jié)構(gòu)可以用于教學(xué)演示，如在硅材料科學(xué)與技術(shù)和半導(dǎo)體物理等課程的教學(xué)過程中，需要用到單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數(shù)據(jù)庫文件夾中導(dǎo)入Si這個(gè)晶體數(shù)據(jù)文件，在課堂上為學(xué)生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進(jìn)行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項(xiàng)Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結(jié)構(gòu)也可以演示各種晶體的密堆積結(jié)構(gòu)。這樣就給學(xué)生一個(gè)生動(dòng)、形象、直觀動(dòng)態(tài)的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行演示，我們可以知道每個(gè)硅原子至多與另外四個(gè)硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價(jià)鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結(jié)構(gòu)，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個(gè)共價(jià)鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行計(jì)算，可以得出其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，通過對計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點(diǎn)。在稀土化學(xué)的教學(xué)過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數(shù)據(jù)庫及WebofScience網(wǎng)站來獲取稀土配合物的晶體結(jié)構(gòu)，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結(jié)構(gòu)，用于課堂演示，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的稀土配合物結(jié)構(gòu)。在固體物理教學(xué)過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及演示教學(xué)。4.知識(shí)點(diǎn)的拓展。對于缺陷、雜質(zhì)摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應(yīng)的模型，然后通過CASTEP計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。通過對計(jì)算結(jié)果的分析，說明這些因素對半導(dǎo)體材料性質(zhì)的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計(jì)算材料的折射率、反射率、介電常數(shù)等性質(zhì)。其計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)和圖表可以與教科書或文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行對比，來說明計(jì)算方法的正確性，以此為支點(diǎn)，采用同樣的計(jì)算方法，我們可以嘗試設(shè)計(jì)更多的新型材料并進(jìn)行計(jì)算。通過這些詳實(shí)的計(jì)算實(shí)例我們可以更生動(dòng)地說明教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好，嘗試進(jìn)行材料分子模型的設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬計(jì)算。通過計(jì)算結(jié)果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質(zhì)、空位等因素對材料性質(zhì)的影響，在此過程中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）簡介Gaussian是一個(gè)功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。應(yīng)用它可以計(jì)算分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等等，功能非常強(qiáng)大。計(jì)算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，進(jìn)而通過含時(shí)密度泛函研究材料分子體系的激發(fā)態(tài)，算出吸收和發(fā)射光譜。Gaussian擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進(jìn)行計(jì)算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術(shù)把體系作為重復(fù)的單元進(jìn)行模擬，以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。而GaussianView是一款為Gaussian設(shè)計(jì)的配套軟件，其主要作用有兩個(gè)：1.構(gòu)建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運(yùn)算結(jié)果。

（二）知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置1.在材料科學(xué)有機(jī)電致發(fā)光材料及稀土化學(xué)課程的教學(xué)過程中，會(huì)涉及到有機(jī)或稀土發(fā)光材料的吸收及發(fā)射機(jī)理。通過把Gaussian軟件教學(xué)過程，我們可以很好結(jié)合這些算例講解三重態(tài)，單重態(tài)發(fā)射過程，給出與發(fā)射過程相關(guān)的分子最高占據(jù)軌道HOMO和最低非占據(jù)軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發(fā)射過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，對低能吸收和發(fā)射過程的電子躍遷性質(zhì)進(jìn)行判斷。2.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。(1)通過CCDC晶體數(shù)據(jù)庫或者WebofScience網(wǎng)站獲得相應(yīng)的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結(jié)構(gòu)（通常為cif文件）。(2)應(yīng)用Mercury軟件或者M(jìn)aterialsStudio軟件讀取相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉(zhuǎn)存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進(jìn)行計(jì)算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計(jì)算結(jié)果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計(jì)算結(jié)果并且以圖形的形式顯示出來，并可應(yīng)用它對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。(5)通過GaussianView對計(jì)算結(jié)果的進(jìn)行處理，通過它顯示出發(fā)光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發(fā)射光譜等情況，結(jié)合這些圖形信息，我們可以對有機(jī)電致發(fā)光材料或者稀土發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行教學(xué)。3.知識(shí)點(diǎn)的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發(fā)的一款非常好的分子建模及顯示工具，學(xué)生可以通過對它的使用，很方便地進(jìn)行分子設(shè)計(jì)并輸入到高斯程序中進(jìn)行計(jì)算?？梢园才艑W(xué)生在基礎(chǔ)發(fā)光材料分子的基礎(chǔ)上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進(jìn)行嘗試，進(jìn)行配合物分子的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其動(dòng)手能力，為今后走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有機(jī)合成做準(zhǔn)備。

三、預(yù)期的效果

第8篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；物理學(xué)史；課堂教學(xué)；興趣激發(fā)

作者簡介：李玲（1980-），女，湖北荊州人，長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，講師。（湖北 荊州 430020）

基金項(xiàng)目：本文系長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教研基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY201112）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大學(xué)物理課程的意義

物理是自然科學(xué)的基礎(chǔ)性學(xué)科，它的知識(shí)體系和思維方法貫穿人們學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識(shí)的始終，培養(yǎng)人的科學(xué)精神，陶冶人的科學(xué)思維，教會(huì)人應(yīng)用科學(xué)方法解決具體問題。大學(xué)物理是工程技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我院”）相關(guān)系部許多專業(yè)課的理論基礎(chǔ)，但因有些學(xué)生認(rèn)識(shí)不到這門課的重要性，經(jīng)常在課程中期出現(xiàn)畏難厭學(xué)現(xiàn)象?，F(xiàn)通過改革課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

物理學(xué)史上的許多名人軼事及其主要研究成果的研發(fā)過程都對今人有積極的指導(dǎo)作用，如光學(xué)波粒二象性對立統(tǒng)一的認(rèn)知發(fā)展過程。若能結(jié)合教學(xué)內(nèi)容將物理學(xué)史中有代表性的知識(shí)體系發(fā)展融入教學(xué)過程，既可激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，改變滿堂灌的理論推導(dǎo)，又可有機(jī)地將物理知識(shí)要點(diǎn)與科學(xué)的世界觀及哲學(xué)發(fā)展理論結(jié)合起來，有利于學(xué)生知識(shí)底蘊(yùn)的累積和眼界的開闊。

表1 大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)分配

我院經(jīng)過數(shù)年的大學(xué)物理模塊化教學(xué)改革[1]后，將學(xué)科內(nèi)容分為六個(gè)模塊（表1），參考課時(shí)分配，本文討論如何在課堂教學(xué)中將物理學(xué)發(fā)明史、名人史等容易激發(fā)學(xué)生興趣的內(nèi)容導(dǎo)入，以及導(dǎo)入后其對課題教學(xué)可起到的積極作用，課程內(nèi)容以我院現(xiàn)在使用的大學(xué)物理教材[2]為準(zhǔn)。

二、大學(xué)物理全模塊教學(xué)內(nèi)容

1.力學(xué)

力學(xué)部分的講授內(nèi)容比較多，是物理學(xué)實(shí)踐探索方法與思想體系建立的基礎(chǔ)。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)有兩次課，第一次課緒論開端討論物理學(xué)科的研究范圍，介紹從古人對自然的樸素的感性認(rèn)知，到近代利用微積分等數(shù)學(xué)工具歸納推導(dǎo)大量天文觀測數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)而獲得的經(jīng)典物理學(xué)基本定理與定律，再到近現(xiàn)代的量子物理和相對論，物理的發(fā)展史即人類文明的發(fā)展史。這兩次課中要將大學(xué)物理用到的微積分、矢量等數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化介紹，而微積分的發(fā)明者之一牛頓正是近代物理的標(biāo)志人物。

牛頓定律部分由于學(xué)生熟悉內(nèi)容，在理論講授部分很容易分散注意力，因此，介紹相關(guān)物理學(xué)史知識(shí)可以有效地激發(fā)學(xué)生興趣。如被稱為近代物理學(xué)之父的伽利略，其著名的比薩斜塔落體實(shí)驗(yàn)、斜面實(shí)驗(yàn)皆入選最美麗的十大物理實(shí)驗(yàn)，[3]其物理思想如慣性、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系等，是牛頓定律得以建立的基石。而牛頓在1687年發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基石。質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的最后一節(jié)非慣性系略有些抽象。以科里奧利命名的旋轉(zhuǎn)參考系中的慣性力有許多常見實(shí)例，很容易激發(fā)學(xué)生探究興趣，如臺(tái)風(fēng)氣旋、下水方向、河道兩邊的不對稱沖刷，以及著名的列入十大最美物理實(shí)驗(yàn)之一的傅科擺。[3]

剛體力學(xué)三次課相對來講較難較抽象，需要用到微積分、空間立體幾何及矢量叉乘知識(shí)，質(zhì)點(diǎn)的角動(dòng)量守恒可以將開普勒第二定律的反向證明作為計(jì)算實(shí)例，而歷史上牛頓正是由開普勒第二定律推導(dǎo)定義角動(dòng)量的概念。在大段相對沉悶的概念講解和定理推導(dǎo)之后，第谷與開普勒師生的歷史故事以及他們對物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)很容易引起學(xué)生的興趣。

2.振動(dòng)與波

由于簡諧振動(dòng)的振動(dòng)方程、平面簡諧波的波動(dòng)方程等都比較抽象，其對應(yīng)物理量的計(jì)算和轉(zhuǎn)換多，所以此處學(xué)生最易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

機(jī)械振動(dòng)兩次課，第一節(jié)課可用中國2013年6月太空課堂的單擺實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入；第二次課的利薩，及其后的阻尼振動(dòng)及共振在生活中的應(yīng)用及歷史中的實(shí)例就更多了，例如著名的18世紀(jì)拿破侖士兵齊步過橋致橋塌事件。在西方，波動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)首先是由達(dá)芬奇發(fā)現(xiàn)的。機(jī)械波致質(zhì)點(diǎn)受迫振動(dòng)也可舉共振的例子，如中國古代戰(zhàn)場上利用共振器判斷敵軍多寡和方位、唐朝寺廟鐘磬聲波共鳴等事例。第二次課中可以用1842年多普勒在散步時(shí)的“多普勒效應(yīng)”導(dǎo)入，目前該效應(yīng)應(yīng)用很廣。

3.熱學(xué)

熱學(xué)部分我院僅勘工和化工類專業(yè)需要學(xué)習(xí)。氣體動(dòng)理論部分的兩次課中涉及到微積分的計(jì)算不太多，學(xué)生們對克拉伯龍方程也有一定基礎(chǔ)，總體難度不大。第二次課講自由度及麥?zhǔn)纤俾史植悸蕰r(shí)，由于涉及到統(tǒng)計(jì)學(xué)，相對比較枯燥且理論公式冗長?？梢栽谇捌谝延^察到學(xué)生狀態(tài)及接受水平的基礎(chǔ)上，淡化理論，介紹一下科學(xué)家麥克斯韋生平。麥克斯韋被譽(yù)為牛頓與愛因斯坦之間最偉大的物理學(xué)家，其一生對物理學(xué)的卓越貢獻(xiàn)不僅表現(xiàn)在對后世產(chǎn)生巨大影響的電磁學(xué)上。他在熱力學(xué)方面提出的麥克斯韋速率分布式也是應(yīng)用最廣泛的科學(xué)公式之一，在許多物理分支中起著重要的作用。同時(shí)代的科學(xué)家玻爾茲曼將麥克斯韋速率分布式應(yīng)用到保守力場中，提出了玻爾茲曼速率分布律，在熱力學(xué)研究中也具有重要地位。玻爾茲曼把物理體系的熵和概率聯(lián)系起來，闡明了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)并引出了能量均分原理。

熱力學(xué)基礎(chǔ)三次課，可聯(lián)系科學(xué)發(fā)展史上對永動(dòng)機(jī)的探索導(dǎo)入。如第一類永動(dòng)機(jī)不可能被創(chuàng)造出來是違背了能量守恒定律，但其探索過程為熱力學(xué)第一定律的建立提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；第二類永動(dòng)機(jī)則違背了熱力學(xué)第二定律。此外，熱機(jī)的發(fā)明是工業(yè)革命的標(biāo)志之一，第二次課的循環(huán)過程可借此話題導(dǎo)入。

4.光學(xué)

光學(xué)是一個(gè)古老而充滿活力的學(xué)科。[4]從十七世紀(jì)中葉牛頓和惠更斯分別提出光的微粒學(xué)說和波動(dòng)學(xué)說之后，對于光的本質(zhì)的討論一直是科學(xué)界熱點(diǎn)話題，直到二十世紀(jì)愛因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛頓對光學(xué)的研究可視為近代光學(xué)的開端，其棱鏡分解白光實(shí)驗(yàn)入選十大最美物理實(shí)驗(yàn)，[3]而牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)至今仍是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)室經(jīng)典必選實(shí)驗(yàn)之一。因牛頓的權(quán)威，光的微粒學(xué)說在科學(xué)界占主導(dǎo)地位達(dá)一個(gè)多世紀(jì)。光的干涉第一次課以十九世紀(jì)初托馬斯楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入，這一實(shí)驗(yàn)揭開了近代波動(dòng)光學(xué)的序幕，亦是十大最美麗的物理實(shí)驗(yàn)之一。[3]第二次課薄膜干涉可以用牛頓環(huán)導(dǎo)入。第三次課中介紹在物理學(xué)史上有重要地位的邁克爾遜（1907年獲諾貝爾獎(jiǎng)）干涉儀。

在衍射部分，將菲涅爾等實(shí)驗(yàn)證明的著名泊松亮斑在第一次課中作簡單介紹，可以很好激發(fā)學(xué)生的討論熱情，因泊松亮斑的相關(guān)歷史很多學(xué)生都有所了解。第二次課的X射線衍射的發(fā)現(xiàn)過程亦十分有趣，倫琴（1901年獲諾貝爾獎(jiǎng)）夫人戴婚戒的手骨底片是第一張X光照片。

光的偏振總體上是介紹性質(zhì)的講授，重點(diǎn)是1808年發(fā)現(xiàn)的馬呂斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重點(diǎn)但比較有趣的雙折射現(xiàn)象則是早在1669年就被人們發(fā)現(xiàn)的，其在生活中可作為辨別晶體與非晶體的一種方式。

5.電磁學(xué)

經(jīng)典電磁學(xué)理論是大學(xué)物理中的必修模塊，雖然理論推導(dǎo)多、微積分計(jì)算多，但現(xiàn)在電磁學(xué)在生活中的應(yīng)用無處不在，且名人輩出，將課上得生動(dòng)有趣并不困難。如靜電學(xué)部分的庫侖定律是1785年的庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)確立的，電荷的不連續(xù)性是由1909年密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明，該實(shí)驗(yàn)是十大最美物理實(shí)驗(yàn)之一。[3]第三次課講授的靜電場高斯定理因“數(shù)學(xué)之王”高斯得名。高斯生平傳聞軼事很多，尤其是其研究生時(shí)期，誤將懸留兩千余年未解的尺規(guī)作正十七邊形問題作為導(dǎo)師布置的課后作業(yè)一夜解決的故事，與學(xué)生們發(fā)散討論其心理學(xué)與教育學(xué)意義，對于學(xué)生打破心理設(shè)限努力鉆研學(xué)習(xí)很有意義。

穩(wěn)恒磁場八次課，第一次課可介紹中國古人在磁學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)，司南和指南針的意義；1820年近代磁學(xué)標(biāo)志性的奧斯特實(shí)驗(yàn)等，也是學(xué)生們熟悉且有興趣的內(nèi)容。第二次課的畢奧-薩伐爾定律，可介紹其定律的得出與安培、拉普拉斯等在數(shù)學(xué)上的幫助密不可分，再次強(qiáng)調(diào)大學(xué)物理學(xué)習(xí)中高數(shù)知識(shí)的重要性。安培是一位在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)領(lǐng)域都有很高造詣的科學(xué)家，約第四、五次課中學(xué)習(xí)的磁場安培環(huán)路定理、安培定律都由他發(fā)現(xiàn)，被稱為“電學(xué)中的牛頓”。

電磁感應(yīng)部分則由著名科學(xué)家法拉第的故事導(dǎo)入。被譽(yù)為電磁學(xué)領(lǐng)域的平民巨人，著名的自學(xué)成才的科學(xué)家法拉第，生于英國一個(gè)貧苦鐵匠家庭，僅上過小學(xué)。1831年，他作出了關(guān)于力場的關(guān)鍵性突破，永遠(yuǎn)改變了人類文明。[4]法拉第是一位無以倫比的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在電磁學(xué)、化學(xué)、電解、氣體液化等實(shí)驗(yàn)方面都做出了巨大貢獻(xiàn)。而且法拉第十分幸運(yùn)地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又長于數(shù)學(xué)的麥克斯韋，第三、四次課中的感生電場和位移電流假設(shè)都是由麥克斯韋提出。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論，這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。1888年，赫茲經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波，由法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，得以完美的證明。

6.相對論與近代物理

這部分內(nèi)容我院只有全模塊的勘工和建環(huán)專業(yè)按十六課時(shí)教學(xué)并考試，其他專業(yè)都只作為了解內(nèi)容，用物理學(xué)史的故事串講主要內(nèi)容即可：

（1）被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大物理學(xué)家的愛因斯坦，其狹義相對論的兩個(gè)重要結(jié)論：時(shí)間延緩和長度收縮效應(yīng)，及物理學(xué)史上著名的雙生子佯謬已被實(shí)驗(yàn)證明，而為愛因斯坦贏得1921年諾貝爾獎(jiǎng)的是光電效應(yīng)的研究。

（2）光電效應(yīng)方程中的普朗克常數(shù)對描述光的量子性非常重要，因研究黑體輻射而提出該常數(shù)的普朗克（1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）是量子力學(xué)的創(chuàng)始人。有趣的是，普朗克本人并不認(rèn)同量子理論的許多觀點(diǎn)，直到愛因斯坦利用能量子假設(shè)完美地解釋了光電效應(yīng)。

（3）被戲傳一舉拿下諾貝爾獎(jiǎng)（1929）的德布羅意也是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，以物質(zhì)波假設(shè)理論最初的確是在其博士論文中提出的，因德布羅意是法國公爵兼德國王子，使其曾被傳聞是一位花花公子，事實(shí)上德布羅意終身獻(xiàn)身于科學(xué)，深居簡出，是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工作狂。

（4）提出氫原子能級(jí)假設(shè)的天才玻爾是著名的哥本哈根學(xué)派創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。

（5）概率波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤，提出著名假設(shè)“薛定諤的貓”。

三、結(jié)束語

本文按長江大學(xué)使用的《大學(xué)物理》教材[2]中各章節(jié)先后順序列出各章可能提及的名人軼事，希望對執(zhí)教于大學(xué)物理的同仁們在課堂教學(xué)中有所助益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玲，梅麗雪.獨(dú)立學(xué)院大學(xué)物理模塊化教學(xué)探討[J].華章，

2009，（9）.

[2]康垂令， 伍嗣榕，李玲.大學(xué)物理[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[3]宮鐵波，張炳恒.十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)回顧[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，

第9篇：量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文

1專業(yè)知識(shí)體系的調(diào)整

2006年教育部全國高等學(xué)校教學(xué)研究中心、材料科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)聯(lián)合制定的《高等學(xué)校材料化學(xué)專業(yè)規(guī)范(討論稿)》(以下簡稱“規(guī)范”)中所制定的專業(yè)知識(shí)體系對于我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)來說，顯得內(nèi)容偏多，理論偏深，要求偏理，工程意識(shí)不強(qiáng)，因此，結(jié)合我校應(yīng)用型人才辦學(xué)實(shí)際，對“規(guī)范”中所界定的專業(yè)知識(shí)體系中內(nèi)容做了相應(yīng)的調(diào)整，從而形成了我校材料化學(xué)專業(yè)發(fā)展的專業(yè)知識(shí)體系。該體系內(nèi)容調(diào)整的思路和原則是:精簡內(nèi)容，保證基本理論和必要的基本知識(shí)，降低難度，突出應(yīng)用特色，體現(xiàn)學(xué)科進(jìn)展;達(dá)到學(xué)生具備繼續(xù)學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)于工程實(shí)踐的能力，適于培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的要求。如“規(guī)范”中的量子力學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算化學(xué)、電子論、材料科學(xué)中的數(shù)學(xué)等理論性強(qiáng)的內(nèi)容一律刪除。調(diào)整后，體系由化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)方向知識(shí)三個(gè)部分所組成，其中化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)包括基本的化學(xué)知識(shí)，化學(xué)原理、化學(xué)方法;材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)包括材料的結(jié)構(gòu)、材料的化學(xué)制備，材料的分析測試、材料的物理性質(zhì)以及材料的成型加工等;專業(yè)方向知識(shí)包括高分子材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能、加工以及應(yīng)用等，詳見表1。

2課程體系的設(shè)置

設(shè)置什么樣的課程來貫徹實(shí)施上述專業(yè)知識(shí)是我們一直以來探索的一個(gè)重要的教學(xué)改革問題。課程設(shè)置不同所獲得的教育效果也就不同。在這方面各學(xué)校辦學(xué)情況不同其做法也不一樣［2－4］。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)為，材料化學(xué)既然是研究材料的化學(xué)問題的科學(xué)，材料化學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)理當(dāng)強(qiáng)調(diào)化學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，只有具備厚實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)，才有可能弄清材料的化學(xué)問題，并用化學(xué)方法去研究和解決材料的化學(xué)以及其他問題，未來發(fā)展才有后勁;另外，化學(xué)基礎(chǔ)好更有利于學(xué)生就業(yè)。因此，我們設(shè)置了無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、化工原理、高分子化學(xué)、材料化學(xué)和材料科學(xué)基礎(chǔ)、高分子材料等9門核心課程來完成化學(xué)基礎(chǔ)、材料學(xué)基礎(chǔ)和專業(yè)方向等三部分知識(shí)，并做到統(tǒng)一考慮內(nèi)容取舍、不重疊，處理好課程的相對完整與課程間融合銜接;精簡繁多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和敘述性的內(nèi)容，做到“簡明”而不弱化基本理論，以滿足材料化學(xué)專業(yè)本科教育專業(yè)認(rèn)證的基本要求;引進(jìn)學(xué)科近展的新內(nèi)容，反映學(xué)科發(fā)展的方向。在教學(xué)內(nèi)容上，無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、化工原理、高分子化學(xué)和高分子材料等都緊密聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，滲透工程意念;分析化學(xué)以儀器分析方法為主;物理化學(xué)強(qiáng)化熱力學(xué)基礎(chǔ)和界面與膠體化學(xué)及其在材料化學(xué)中的應(yīng)用;材料化學(xué)注重材料制備和分析測試;材料科學(xué)基礎(chǔ)主要介紹材料的物理性質(zhì)和材料的成型與加工(如表1所示)。

3課程標(biāo)準(zhǔn)的制定

教學(xué)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是課程實(shí)施質(zhì)量的保障，為此，我們陸續(xù)制定了上述核心課程的課程標(biāo)準(zhǔn)。在課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了各門課程的性質(zhì)、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容，以及學(xué)生在知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀等方面的基本要求，全面體現(xiàn)素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育的理念和課程功能。課程標(biāo)準(zhǔn)是教材編寫、教學(xué)及其評(píng)估的依據(jù)，同時(shí)也是管理和評(píng)價(jià)課程、加強(qiáng)課程建設(shè)的基礎(chǔ)，它的制定和實(shí)施，將全面推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的提高，這對于培養(yǎng)素質(zhì)全面、富有應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才具有深遠(yuǎn)意義［5］。