淺談中學(xué)的量子物理教學(xué)

袁翔 黃福

摘要：量子物理作為物理學(xué)發(fā)展的一座里程碑，在新課改的背景下應(yīng)該引起中學(xué)教師的重視。本文通過(guò)闡述量子物理與經(jīng)典物理的異同，明確量子論的教學(xué)內(nèi)容：量子化、概率、不確定性以及波粒二象性等內(nèi)容，闡明量子論的教學(xué)目標(biāo)：讓學(xué)生初步了解量子物理的基本理論，更多的去感受物理概念和規(guī)律的建立，了解物理學(xué)的發(fā)展，讓學(xué)生學(xué)到的是科學(xué)的思想和科學(xué)的方法，提高的是科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：量子物理;經(jīng)典物理;中學(xué)教學(xué)

1 量子物理與經(jīng)典物理的異同

19世紀(jì)末，正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，正當(dāng)人們認(rèn)為物理已經(jīng)走到盡頭，牛頓力學(xué)是“終極理論”的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。在經(jīng)典物理學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的主要是那些用比較直接的實(shí)驗(yàn)研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定律和理論。在宏觀低速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。而對(duì)于發(fā)生在微觀世界中的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無(wú)能為力，很多現(xiàn)象沒(méi)法解釋。因此新的理論的誕生就成為必然。普朗克常量、光子、能量量子化等一系列有關(guān)量子世界的概念便隨之誕生。

1.1 普朗克常量

普朗克常量是量子理論中最重要的一個(gè)常量，有了它才產(chǎn)生了一系列的量子化的概念。普朗克常量也成為區(qū)分經(jīng)典物理與量子物理的一個(gè)很重要的物理量。在微觀世界，當(dāng)物體的能量、動(dòng)量等能與普朗克常量相比時(shí)，我們要用量子理論去描述。

1.2 量子化

粒子的能量量子化是量子粒子與經(jīng)典粒子的最大差別。一個(gè)經(jīng)典物體的能量可以取從零到無(wú)窮大的所有的值，但量子粒子要滿足一些定態(tài)條件，其能量只能取某些分立值。這些值中有個(gè)最小的，視為基態(tài)。這個(gè)基態(tài)的能量并不是零，這也是與經(jīng)典理論不同之處。在量子世界，幾乎所有的粒子的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量等物理量都是分立的，處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷時(shí)輻射的電磁波的能量也是分立的。在有限深勢(shì)阱中，當(dāng)粒子的能量小于零時(shí)，其能量只能取分立值，只有大于零也就是粒子在勢(shì)阱上方時(shí)才能取連續(xù)值。我們?cè)谌粘Ｉ钪惺菬o(wú)法感受到這個(gè)分立的情況的。分立與連續(xù)成為量子與經(jīng)典的一個(gè)很重要的區(qū)別。

1.3 不確定性

量子粒子要滿足不確定關(guān)系，即位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定，也就說(shuō)如果你想準(zhǔn)確的測(cè)量一個(gè)粒子的位置，那么它的動(dòng)量就會(huì)有一定的范圍。進(jìn)而也可以得出能量和時(shí)間也不能同時(shí)確定。那么，量子粒子不會(huì)局域于某一點(diǎn)，它在空間有個(gè)概率分布。其實(shí)，在經(jīng)典物理中同樣也存在不確定關(guān)系，只是由于位置的測(cè)量的不確定度比普朗克常量要大好幾個(gè)量級(jí)，所以動(dòng)量的不確定度就很小，小到我們的儀器無(wú)法測(cè)量出來(lái)。此時(shí)量子理論就回到了經(jīng)典理論。所以不確定性既是量子與經(jīng)典的區(qū)別

1.4 概率

波函數(shù)是量子力學(xué)用于描述一個(gè)粒子的狀態(tài)，其模的平方才表示該粒子處在某個(gè)位置的概率。也就是說(shuō)波函數(shù)描述的是粒子在空間中某個(gè)位置出現(xiàn)的概率，這與經(jīng)典物理中粒子的軌跡方程很不一樣。在經(jīng)典物理中，一旦給出了粒子的軌跡方程和初始條件我們就可以知道任意時(shí)刻粒子的位置、動(dòng)量和能量等所有信息。但是在量子物理中，就算給了粒子的波函數(shù)和初始條件我們也不能判斷粒子某個(gè)時(shí)刻的位置，我們知道的只是粒子在該位置出現(xiàn)的概率。粒子在哪個(gè)位置出現(xiàn)和初始條件沒(méi)有任何關(guān)系。我們對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)也不能得到一個(gè)確定的值，某些時(shí)候得到一個(gè)值，另一些時(shí)候又得到另一個(gè)值，這完全是概率問(wèn)題。概率是量子論的有一個(gè)關(guān)鍵詞。

2 中學(xué)的量子論教學(xué)

2.1 教學(xué)目的

量子物理已成為中學(xué)教學(xué)內(nèi)容的一部分，在新課改背景下，更應(yīng)該重視量子論的教學(xué)。目的不在于給學(xué)生教授量子論的哪些知識(shí)，而是讓學(xué)生了解量子物理，通過(guò)量子世界的奇妙現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的興趣。在中學(xué)，量子物理如果上升到薛定諤方程、算符、自旋甚至微擾等內(nèi)容的話，自然是沒(méi)有必要，關(guān)鍵的是讓學(xué)生去了解量子物理的思想，了解物理學(xué)的偉大變革，了解物理學(xué)的發(fā)展史，從中去理解科學(xué)的本質(zhì)，體會(huì)其中的科學(xué)方法、科學(xué)思想，感受科學(xué)的和諧美。量子物理的教學(xué)目的應(yīng)該是讓學(xué)生初步了解量子物理的基本理論，更多的去感受物理概念和規(guī)律的建立，了解物理學(xué)的發(fā)展，讓學(xué)生學(xué)到的是科學(xué)的思想和科學(xué)的方法，提高的是科學(xué)素養(yǎng)。量子物理的教學(xué)應(yīng)該重點(diǎn)放在三維目標(biāo)的第三個(gè)維度：情感、態(tài)度和價(jià)值觀上。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

本著不以傳授知識(shí)為目的，以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思想的教學(xué)目標(biāo)，量子物理在中學(xué)應(yīng)該采用一種科普的講法，多講故事，把難度降到最低。那么講量子物理到底要講什么呢？

象的說(shuō)明，需要跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)電子云中密的地方不是表示粒子多，而是表示粒子在那個(gè)地方出現(xiàn)的概率比較大。不確定性其實(shí)是對(duì)概率的一個(gè)補(bǔ)充。正是由于不確定關(guān)系，粒子的位置和動(dòng)量無(wú)法確定，故存在一定的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)各個(gè)值有相應(yīng)的概率分布。

2.3 教學(xué)過(guò)程

在量子論的教學(xué)中，老師要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，利用量子世界的奇妙來(lái)吸引學(xué)生。除了知識(shí)的講解之外一定要多舉例子，多介紹歷史。針對(duì)波粒二象性可以給學(xué)生觀看電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的視頻，視頻里有單個(gè)電子同時(shí)經(jīng)過(guò)雙縫的模擬，還有電子干涉的圖片：電子數(shù)量由少到多時(shí)現(xiàn)象的變化等等。在講述概率時(shí)，有一張滑雪者從一棵樹(shù)穿過(guò)的圖片能夠引起學(xué)生的好奇。在講到不確定性時(shí)，可以講述薛定諤的貓的例子，利用貓的或死或活、非死非活來(lái)引起學(xué)生的注意力。我在教學(xué)過(guò)程中給學(xué)生講了薛定諤的貓，讓他們看了這些圖片和視頻，而且講解的時(shí)候帶著點(diǎn)神奇，學(xué)生都比較感興趣，很好奇，也都比較興奮，而且一些善于思考的學(xué)生還能提出問(wèn)題，跟我討論，這都是成功之處。

此外在教學(xué)中還要鼓勵(lì)學(xué)生有興趣的課后去閱讀相關(guān)的書(shū)籍，如曹天元的《上帝擲骰子嗎》或者是一些量子物理學(xué)家的傳記，通過(guò)閱讀開(kāi)拓視野，激發(fā)興趣。

3 結(jié) 論

量子理論在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此給中學(xué)生介紹量子論也顯得越來(lái)越重要。量子論在中學(xué)的教學(xué)和普通物理不一樣，不需要學(xué)生進(jìn)行計(jì)算，只需要它們理解量子的思想，了解量子的發(fā)展，知道量子的歷史和應(yīng)用，體會(huì)量子給世界帶來(lái)的變化。所以知識(shí)不是重點(diǎn)，思想、情感、興趣和好奇心的培養(yǎng)，對(duì)科學(xué)的理解才是量子論在中學(xué)教學(xué)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾謹(jǐn)言. 量子力學(xué)導(dǎo)論. 北京大學(xué)出版社. 1998，3

[2]沈葹. 量子力學(xué)的光輝八十年. 世界科學(xué). 2006. 10， 11， 12