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”的時候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。在經(jīng)典物理學(xué)時期，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)就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。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很重要的物理量。在微觀世界，當(dāng)物體的能量、動量等能與普朗克常量相比時，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。一個經(jīng)典物體的能量可以取從零到無窮大的所有的值，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。這些值中有個最小的，視為基態(tài)。這個基態(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、動量、角動量等物理量都是分立的，處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷時輻射的電磁波的能量也是分立的。在有限深勢阱中，當(dāng)粒子的能量小于零時，其能量只能取分立值，只有大于零也就是粒子在勢阱上方時才能取連續(xù)值。我們在日常生活中是無法感受到這個分立的情況的。分立與連續(xù)成為量子與經(jīng)典的一個很重要的區(qū)別。

1.3 不確定性

量子粒子要滿足不確定關(guān)系，即位置和動量不能同時確定，也就說如果你想準(zhǔn)確的測量一個粒子的位置，那么它的動量就會有一定的范圍。進(jìn)而也可以得出能量和時間也不能同時確定。那么，量子粒子不會局域于某一點(diǎn)，它在空間有個概率分布。其實(shí)，在經(jīng)典物理中同樣也存在不確定關(guān)系，只是由于位置的測量的不確定度比普朗克常量要大好幾個量級，所以動量的不確定度就很小，小到我們的儀器無法測量出來。此時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)用于描述一個粒子的狀態(tài)，其模的平方才表示該粒子處在某個位置的概率。也就是說波函數(shù)描述的是粒子在空間中某個位置出現(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刻粒子的位置、動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時刻的位置，我們知道的只是粒子在該位置出現(xiàn)的概率。粒子在哪個位置出現(xiàn)和初始條件沒有任何關(guān)系。我們對粒子進(jìn)行測量時也不能得到一個確定的值，某些時候得到一個值，另一些時候又得到另一個值，這完全是概率問題。概率是量子論的有一個關(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，而是讓學(xué)生了解量子物理，通過量子世界的奇妙現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生對物理學(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)的第三個維度：情感、態(tài)度和價值觀上。

2.2 教學(xué)內(nèi)容

本著不以傳授知識為目的，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地方出現(xiàn)的概率比較大。不確定性其實(shí)是對概率的一個補(bǔ)充。正是由于不確定關(guān)系，粒子的位置和動量無法確定，故存在一定的范圍，在這個范圍內(nèi)各個值有相應(yīng)的概率分布。

2.3 教學(xué)過程

在量子論的教學(xué)中，老師要充分調(diào)動學(xué)生的積極性，利用量子世界的奇妙來吸引學(xué)生。除了知識的講解之外一定要多舉例子，多介紹歷史。針對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，視頻里有單個電子同時經(jīng)過雙縫的模擬，還有電子干涉的圖片：電子數(shù)量由少到多時現(xiàn)象的變化等等。在講述概率時，有一張滑雪者從一棵樹穿過的圖片能夠引起學(xué)生的好奇。在講到不確定性時，可以講述薛定諤的貓的例子，利用貓的或死或活、非死非活來引起學(xué)生的注意力。我在教學(xué)過程中給學(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)生還能提出問題，跟我討論，這都是成功之處。

此外在教學(xué)中還要鼓勵學(xué)生有興趣的課后去閱讀相關(guān)的書籍，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，通過閱讀開拓視野，激發(fā)興趣。

3 結(jié) 論

量子理論在現(xiàn)代社會的應(yīng)用越來越廣泛，因此給中學(xué)生介紹量子論也顯得越來越重要。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，體會量子給世界帶來的變化。所以知識不是重點(diǎn)，思想、情感、興趣和好奇心的培養(yǎng)，對科學(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