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物理本科生畢業(yè)論文
摘要：本文結(jié)合材料物理專業(yè)中的基礎(chǔ)課程――《量子理論》的發(fā)展史，從哲學(xué)的角度出發(fā)，淺談了材料學(xué)科發(fā)展中的哲學(xué)思想，并以哲學(xué)思想為主線，來進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理解，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的世界觀、物質(zhì)觀以及運(yùn)動(dòng)觀的進(jìn)一步理解，具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 教學(xué)研究 哲學(xué)思想
“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善�！睖毓手�，止于至善，提高當(dāng)代大學(xué)生的哲學(xué)素養(yǎng)、人文情懷和科學(xué)素養(yǎng)，是素質(zhì)教育的要求之一。
以牛頓運(yùn)動(dòng)三定律、電磁理論和熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)誕生于17世紀(jì)，成功地解釋了大量物理學(xué)現(xiàn)象，取得了輝煌的科學(xué)成就，曾經(jīng)被人們信奉為客觀真理。
在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類以巨大的熱情來研究原子核和放射現(xiàn)象，導(dǎo)致了兩大理論成果的誕生：量子理論和相對(duì)論。
隨后，激光器、二極管、三極管、集成電路、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、登月等等，這些輝煌的成就促使人類邁進(jìn)了信息時(shí)代。
運(yùn)動(dòng)著的電子――一個(gè)小小的微觀粒子，卻促使人類文明進(jìn)入了電子信息時(shí)代。
事實(shí)表明，現(xiàn)代信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)，信息的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和處理，都是由一個(gè)個(gè)物理的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，因此信息世界的物理體系歸根結(jié)底要受到物理定律的制約。
現(xiàn)在人們明白了，經(jīng)典物理理論僅適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的物體的場(chǎng)合，而對(duì)于微觀小尺度下、接近于光速運(yùn)動(dòng)的粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律誤差會(huì)變得很大，必須使用相對(duì)論和量子理論來描述。
而經(jīng)典物理理論僅僅是量子理論和相對(duì)論在低速宏觀范圍下的良好近似。
量子理論是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。
量子理論的形成和發(fā)展，是整個(gè)物理學(xué)發(fā)展中最值得書寫的，也是對(duì)青年大學(xué)生最具有啟發(fā)意義的過程，在此期間包括了愛因斯坦的奇跡年(1905年)。
梳理和探究整個(gè)過程中所包含的科學(xué)思維，科學(xué)方法，科學(xué)理論，科學(xué)素養(yǎng)……都是值得我們?nèi)ヌ剿鳌⑷ド钏�、去挖掘的�?/p>
一、對(duì)青年大學(xué)生物質(zhì)觀和運(yùn)動(dòng)觀的進(jìn)一步加深具有重要意義
科學(xué)技術(shù)發(fā)展到21世紀(jì)，人類對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)進(jìn)入到了納米尺度。
材料學(xué)科的研究中出現(xiàn)了很多量子效應(yīng)。
量子理論中的許多不同于經(jīng)典力學(xué)的物理現(xiàn)象顛覆性地發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)的思維，拓寬了人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的視野，使人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)有了更進(jìn)一步的了解。
隨著人類認(rèn)識(shí)的不斷深入和材料尺寸的不斷縮小，電子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)愈加明顯。
現(xiàn)在人們已經(jīng)明白了，電子既是一種微觀粒子，同時(shí)也是一種波，這就是所謂的波粒二象性。
與經(jīng)典物理現(xiàn)象不同的是，微觀粒子的諸多物理量之間受到量子規(guī)律的束縛，其中之一便是著名的不確定性原理，例如時(shí)間與能量之間、動(dòng)量與位置之間等。
此外，另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是電子的勢(shì)壘貫穿效應(yīng)，即能量小于勢(shì)壘高度的電子或者其它微觀粒子可以以一定的幾率，越過勢(shì)壘，運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘的右邊去。
盡管一個(gè)理性的人對(duì)這種解釋可能不滿意，但是我們必須明白“隧穿”僅僅是我們?yōu)榱死斫獾姆奖愣鴺?gòu)造的一個(gè)東西，除非人們對(duì)量子世界的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。
我們唯一能確定的是當(dāng)滿足一定條件的時(shí)候，隧穿效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。
二、對(duì)青年大學(xué)生思維拓展與創(chuàng)新具有重要的啟發(fā)意義
量子理論是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，其概念體系與研究宏觀現(xiàn)象及其規(guī)律的經(jīng)典物理學(xué)有很大的不同。
量子理論的出現(xiàn)，是人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)日益深化的結(jié)果，為其他自然學(xué)科的發(fā)展開辟了廣闊的前景。
從培養(yǎng)研究型科學(xué)人才的角度來說，量子理論是與現(xiàn)代科學(xué)研究聯(lián)系最緊密的課程之一。
這對(duì)當(dāng)代青年大學(xué)生提出了更高、更嚴(yán)格的要求。
第一，必須尊重客觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，堅(jiān)持創(chuàng)新思維，深刻認(rèn)識(shí)微觀世界的規(guī)律。
規(guī)律是物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的必然的、穩(wěn)定的、永恒的聯(lián)系，任何事物之間都有聯(lián)系，都是矛盾的對(duì)立統(tǒng)一體，這就需要在實(shí)際的學(xué)習(xí)探索中抓住主要矛盾以及矛盾的主要方面。
同時(shí)，矛盾具有特殊性，內(nèi)因是事物發(fā)展的根據(jù)，決定著事物發(fā)展的方向和主要性質(zhì)，外因是事物發(fā)展的次要因素。
在實(shí)際的處理過程中要區(qū)別對(duì)待。
第二，注意量變到質(zhì)變的積累。
量變是指事物單純數(shù)量上的增加或減少，事物保持其質(zhì)的穩(wěn)定性。
質(zhì)變是指事物根本性質(zhì)的變化，“量變→質(zhì)變→新的量變”是事物發(fā)展的基本規(guī)律。
注意收集數(shù)據(jù)，逐步地總結(jié)規(guī)律。
任何重大的發(fā)現(xiàn)，都有一個(gè)辛苦的積累過程，面對(duì)紛繁雜蕪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何去偽存真，由表及里，層層剖析?這需要尊重客觀規(guī)律，逐漸挖掘深層次的信息，切勿急于求成或者違背客觀規(guī)律。
這方面在量子理論的發(fā)展過程中體現(xiàn)得尤為重要。
第三，量子理論是開放的理論，對(duì)量子理論的爭(zhēng)論一直在繼續(xù)。
量子理論過去的成功并不意味著它是一個(gè)徹底完善的物理學(xué)理論。
自量子理論誕生以來，關(guān)于量子理論的思想基礎(chǔ)和基本問題的爭(zhēng)論，從來就沒有停止過。
人們對(duì)于量子理論本身的完備性及其一些基本觀念的理解，甚至持有截然不同的觀點(diǎn)。
其他的理論也是在不斷地爭(zhēng)論中不斷完善。
三、量子力學(xué)中的數(shù)學(xué)思想及其知識(shí)框架
量子力學(xué)中主要的數(shù)學(xué)知識(shí)，主要是Hilbert內(nèi)積空間，這是學(xué)生在學(xué)完微積分初步、線性代數(shù)以及概率論后需要掌握的、在工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一門數(shù)學(xué)學(xué)科，也是對(duì)空間解析幾何的推廣和延伸。
其中包括了對(duì)前面提到的幾門學(xué)科的綜合應(yīng)用，例如量子力學(xué)中的力學(xué)量，用線性算符來描述，則必須是厄米的;用海森堡的矩陣力學(xué)表示，則要求該矩陣的本征值和平均值均為實(shí)數(shù);還有，在計(jì)算不同物理量表象的矩陣元時(shí)，要用到定積分的運(yùn)算;而不同表象之間的變換，需要用到矩陣變換;此外，在講到微擾論和變分法時(shí)，還需要進(jìn)一步的用到更多的數(shù)學(xué)知識(shí)。
這些數(shù)學(xué)學(xué)科分支的交叉出現(xiàn)，足以讓學(xué)生對(duì)該門課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼心理。
如何消除和轉(zhuǎn)變學(xué)生的這種畏懼心理，這就要求教師在課堂上增強(qiáng)授課的趣味性。
事實(shí)上，一部量子力學(xué)的發(fā)展史，包含了太多的啟迪、方法、思維和科學(xué)研究的因素，因利勢(shì)導(dǎo)，重視基礎(chǔ)知識(shí)的講解，將所有涉及到的數(shù)學(xué)知識(shí)及其發(fā)展史，生動(dòng)地傳授給學(xué)生。
筆者經(jīng)過近五年的課堂教學(xué)，認(rèn)為對(duì)當(dāng)前的大學(xué)本科學(xué)生，倘能在授課中能做到這一點(diǎn)，那么，學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的意義就達(dá)到了。
結(jié)論：以量子理論為核心的量子物理無疑是本世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一。
它不僅代表了人類對(duì)微觀世界基本認(rèn)識(shí)的革命性進(jìn)步，而且?guī)砹嗽S多劃時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新，直接推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，從根本上改變了人類的物質(zhì)生活。
讓學(xué)生在不斷的思考和探索中，體會(huì)到學(xué)習(xí)和思考的快樂;對(duì)學(xué)生的世界觀、物質(zhì)觀以及運(yùn)動(dòng)觀的進(jìn)一步深入，具有重要的指導(dǎo)意義。
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