量子力學應用舉例精選(九篇)

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第1篇：量子力學應用舉例范文

關鍵詞：自然哲學　量子革命　系統辯證法

關于20世紀科學革命，有人說只須記住三件事：相對論、量子革命和混沌學（系統科學中最突出的新分支）。正是這三大科學革命為人類建構全新的自然圖景（也就是新穎的自然哲學）作出了決定性的貢獻。這里所謂自然哲學是指人對自然的哲學反思。自然哲學的中心問題就是基于人與自然的關系來研究自然本體最一般的性質和人類的世界圖景。

一

自然哲學在哲學史上有過兩個全盛時期（古希臘及近代機械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀三大科學革命的強大影響，自然哲學正在當代復興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學革命說起。

首先要提到的是相對論革命對改造人類世界圖景的貢獻。在1905年的狹義相對論中，時空性質依賴于參照系等概念是對“觀察無關性”的經典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對論把引力場（它具有整體全息相關性）確立為新的“獨立的實在”，這是對牛頓的實體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因為1925年以后所創建的量子力學進一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對二分原則、實體主義原則乃至嚴格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強調的是系統科學革命。20世紀中葉以來近半個世紀系統科學的蓬勃發展表明，從總體上說，系統自然觀集中體現了當代自然圖景的精華，因此系統自然觀幾乎成了當代自然科學的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學”。20年代所出現的懷特海的“機體論哲學”則是這種自然哲學之先聲。

當代的系統自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統論(1948)、普利高津的耗散結構論(1969)和哈肯的協同學(1971)等理論復活了亞里士多德的機體論和內在目的論的自然哲學。〔1〕控制論通過對“動物（即生命系統）和機器（即非生命系統）的通用規律”的研究表明，自動機器通過反饋調節機制可以表現出與神經控制同樣的合目的性或規律。[1]維納在《控制論》中對牛頓的嚴格決定論進行了深刻有力的批判，肯定了統計力學家吉布斯把偶然性引進到科學中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機械論之間的兩極對立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現代生物學的自然哲學》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學和分子生物學層次的反饋機制以及微觀-宏觀相互作用，完全偶然的基因突變最終可以納入物種進化的必然軌道；耗散結構論表明，在遠離平衡態條件下開放系統可以通過非線性正反饋機制的作用表現出有序化和合目的性；協同學還進一步發現序參量是整個自組織過程的主宰如此等等。總之，所有這些自動機器和自組織理論都表明，無須超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系統也象自動機一樣可以憑借內在機制的作用呈現合目的性。從這個特定意義上說，認為宇宙＝巨大的超級自動機的“機械論”是對的，而非神學性的宇宙“內在目的論”也是對的。從歷史上看，牛頓的機械論自然哲學是對亞里士多德的目的論自然哲學的否定。現在，我們的立足于系統科學的新自然哲學則應看作一種“否定之否定”。它是對機械論與目的論自然哲學的更高的辯證綜合。

當代自然哲學（它以系統自然觀及其系統辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個方面，也許表現在反嚴格決定論和對偶然性客觀意義的新認識。直到現在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個系統的運行規律和初始條件就可以足夠好地計算出系統的近似行為。可是混沌學中著名的“蝴蝶效應”，即系統演化進程對初始條件的敏感依賴性，卻斷然否決了牛頓-拉普拉斯決定論的任何翻版（如“近似決定論”）的有效性。美國氣象學家洛侖茲在1961年發現，實際上長期天氣預報是不可能的。因為即使對于嚴格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會導致災難性的后果。諸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那樣的初始小擾動，經由地球大氣系統中的逐級放大，最終可能在南美洲引起大風暴。這種由決定論引出來的混沌，對經典觀念的打擊是毀滅性的。混沌革命加強并深化了量子革命。

通過量子力學、分子生物學、協同學乃至混沌學的研究，現代科學家越來越認識到，偶然性在自然界具有不容忽視的本體論地位，以及研究偶然性的內在機制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關于“必然性自己規定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學的支持。正如馬克斯·玻恩在《關于因果與機遇的自然哲學》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機遇聯合統治的，其中機遇是有規則的。同樣，在哈肯的協同學演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項與隨機力項是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規律引出的內在的無序和不規則性，然而對混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細結構，其中機遇也是有規則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機制是可以認識的。從量子力學到系統科學的研究表明，概率統計定律是比嚴格決定論定律更好的認識工具，但原有的“大數定律”與“統計平均值”等概念對于描述偶然性已經顯得太粗糙了，非線性數學該出陣參戰了。因為唯有借助于非線性數學才可能認清偶然性起作用的深層結構機制。

當代自然哲學中的系統整體論思想也是相當有革命性的。自從歐幾里得、阿基米德以來，“整體＝部分和”的公理已經成為背景知識不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機械論自然哲學的一個基本要素（它與實體主義、還原主義相協調）。然而，一般系統論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡單相加的總和”，卻斷然取消了歐幾里得的公理，以整體論取代了機械論的還原主義。量子力學中的全域相關性和粒子物理學中的新奇現象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現“部分大于整體”的佯謬）以及生態系統的整體關聯性（卡普拉《轉折點》，1989）都支持貝塔朗菲的系統整體觀。

總之，以現代物理學與系統科學為代表的當代科學革命已經引起了人類自然圖景的根本變革，人們有理由期待一種浸透著量子力學辯證法和系統科學辯證法精神的全新的自然哲學的出現。

二

現在我們轉入當代自然哲學的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機械論自然哲學所遇到的困難，當代自然哲學所要討論的主要問題可以歸結如下：1.自然本體的性質問題。物理實在究竟是孤立的實體還是依賴于系統場境的存在？“潛在”是否也是物理實在的基本形態之一？究竟是否存在終極實在？2.物理實在所遵循的規律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應當具有怎么樣的本體論地位（是否應當有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實質是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統整體論與還原主義孰是孰非？5.目的論的新解釋問題。自然系統本身能有目的性嗎？能代替上帝作為選擇主體的地位嗎？目的論是否真與機械論勢不兩立？它又如何與神學劃清界線？下面我們將依次詳細分析這些問題：

1.自然本體或物理實在的性質問題。

牛頓機械論自然哲學的本體論或實在觀的要害就在于實體主義。一切物理實在被認為都有實體性、實存性，自然被等同于實體的集合（簡單相加的總和），一種在絕對空間構架中的機械性的存在物。然而，在新的原子科學中，從前認為不容置疑的“實體實存”原則已經失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經典性觀念在量子力學中是不允許的。電子實際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對分明的輪廓，而且只是或然地顯現出來。如“測不準關系”所要求的，電子的位置與相應的動量具有天生的不確定性，決不可能同時有確定的值，因而人們決不可能同時測量到其確定的值。所有這些事實，如果從牛頓的經典本體論的眼光來看簡直是不可理解的，因為“潛在性”觀念完全沒有地位。

實際上，現代物理學家海森伯在批判牛頓機械論實在觀的基礎上，確實發展了一種全新的、更廣義的“潛在”實在觀。他根據量子力學事實總結出，潛在是介于可能與現實之間的物理實在的新型式，它被認為特別適用于微觀客體。海森伯尖銳地指出：“在量子論中顯示的實在概念的變化，并不是過去的簡單的繼續，而卻象是現代科學結構的真正破裂。”（〔3〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學中全新的東西。……它是亞里士多德哲學中‘潛在’(potentia)這個老概念的定量表述。它引入了某種介乎實際的事件和事件的觀念之間的東西，這是正好介乎可能性和實在性之間的一種新奇的物理實在。”（〔3〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發生或傾向于發生的事情便構成了宇宙中的實在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認為量子理論意味著實在觀念的革命，牛頓機械論的實在觀念已經失效。他舉例說，幾率波、量子態、電子軌道等都與統計期望值相關聯，表示傾向性的、潛在的物理實在，這是物理實在的新形式。

現代粒子物理學的新假說把潛在性觀念發展到海森伯本人始料所不及的程度。喬弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴絆學說[2]，斷然否定了終極實體的可能性，揭示了自然本體的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系統實在論與系統辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當基礎粒子，用以構成其他粒子，因此說穿了沒有任何一種粒子是真正的“基本粒子”，這就是所謂“基本粒子并不基本”。從根本上說，自然界不可能還原到任何一種或幾種終極的實體。說一個質子可以由中子和π介子所構成，或者說它是由Λ超子和K介子所構成，或者說它是由兩個核子和一個反核子所構成，甚至說是由場的連續質所構成。所有這一切可能性是同樣真實地存在的。應當說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因為真實世界等于所有這些潛在的“可能世界”互相疊加的總和。借用日本物理學家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實體——基本粒子本身也是相互流動地相互轉化的。這件革了以前的物質觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，第28頁）

我們的進一步的問題是：作為自然本體的物理實在究竟是否可以歸結為互相孤立的實體？還是從本質上說只能是依賴系統場境的整體全息相關的存在？在對著名的EPR假想[3]的實驗檢驗中所表現出來的量子關聯（即遠距粒子之間的整體相關性）很好地回答了這一問題。正如美國科學哲學家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個實驗結果正在開始闡明哲學問題的非凡時代”。而今最新實驗結果表明，兩個相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機制的實體可能被相互糾結在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關性，以致對其中一個實體進行測量將瞬時地影響到另一個實體的測量結果。這個新奇的實驗結果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預設（即“空間上遠隔的客體的實在狀態必定是彼此獨立的”），卻符合量子力學的系統整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內在關聯是不可消解的。量子現象的整體性不允許人們對它作機械的切割并把這種切割物認作它自身。因此我們有理由說，量子力學的整體實在觀是與系統整體觀相通的，量子辯證法與系統辯證法相互滲透，量子革命與系統科學革命相互支持。因此，作為科學革命的結晶，新自然哲學主張，物理實在的部分性質取決于整體，取決于系統的內在關聯，從根本上說，自然本體是整體全息相關的存在。

2.決定論與非決定論疑難，偶然性的本體論地位問題。

從前認為不容置疑的機械論自然哲學的“嚴格決定論”預設，如今在新的原子科學中也已經失效。人們向來認為，自然科學和“自然科學唯物主義”有一個不可動搖的支柱：這就是嚴格決定論。對自然科學的這種見解，最典型地表現在拉普拉斯杜撰的那個精靈故事中，據說這個精靈（超智慧者）知道世界現況的一切決定因素，因而能夠無歧義地得出世界在過去或未來的其他一切狀態。這個被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實驗正是嚴格決定論的化身。可是，現在在微觀領域里發現了與這種嚴格決定論原則相違背的種種反常事實。簡略地說，熱學與分子物理學的研究表明，氣體分子運動是包含不確定性的自然進程，由于初始條件捉摸不定，單個分子的運動狀態成為純粹的偶然事件。分子運動論乃至統計力學的建立表明，概率統計定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強調概率統計定律重要性的科學思想反映到自然哲學中去，就成為“統計決定論”。其要旨可概括如下：對于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴格決定論不能直接應用，但若應用統計方法研究大量單個偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統計規律性。換句話說，這些自然過程在統計平均意義上仍是決定論性的。這是決定論的弱化形式之一。

統計決定論的科學基礎在于經典統計力學。統計力學的基本出發點則在于，認為盡管大量分子的集團行為滿足統計規律，但從底層基礎而言，單個分子（單個過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴格決定論。這樣，統計決定論并不把不確定性歸因于基礎規律的不同，而是把它歸因于初始條件的難以捉摸（即人類知識的不完備性）。因此，統計決定論只是嚴格決定論的補充形式。

然而，將概率統計觀點真正貫徹到底，最終導致量子物理學的興起，而測不準關系的發現則使嚴格決定論淪為無意義的空想。

在現代科學家中第一個對“非完全決定論”（即under-determinism，這個詞的不恰當的替代詞是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認識的是哥廷根學派的馬克斯·玻恩。他在名著《關于因果和機遇的自然哲學》中對非完全決定論作了比其他量子物理學家（如玻爾、海森伯等）更為系統和透徹的分析。通過對玻恩文本的適當解釋、調整與轉譯，我們可以提煉出對當代自然哲學極有價值的內容和決定論／非決定論問題的辯證解。〔7〕

非完全決定論的最主要或最有特色的一種表現形式，是與量子力學相應的概率決定論。其要點如下：(1)單個（量子）過程內在地是幾率性的、非決定性質的；(2)“自然界同時受到因果律和機遇律的某種混合方式的支配。”（〔8〕，第9頁）(3)機遇律是自然律的終極形式，偶然性有規則，“它們是用數學上的概率論表述出來的。”（〔8〕，第7頁）

關于自然界究竟是由必然性還是偶然性所支配的，是決定論性還是非決定論性的那個爭論，波普有一個著名的比喻：“云和鐘”。“云”就是天上的云，代表極端不確定性，它非常不規則、毫無秩序又有點難以預測；“鐘”就是家家都有的時鐘，代表高度的確定性，它非常有規則、有秩序又是高度可預測的。這是兩個不同的極端，一端變化莫測，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當然也可以說“所有自然事物都是鐘”）表示決定論，用“所有的鐘都是云”（當然也可以說“所有自然事物都是云”）表示非決定論。波普終于認識到，人類理性需要的是“處于完全的偶然性和完全的決定論之間的某種中間物，即處于完全的云和完善的鐘之間的某種中間物。”（〔6〕，第239—240頁）這種完全的偶然論（非決定論）和完全的決定論的中間物，我們可以恰當地稱作“非完全決定論”，它意味著對偶然性與必然性、因果與機遇的某種辯證綜合，這就是當代自然哲學對這一爭論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經校正、轉譯納入自己的概念框架，并用以闡發自己的“非完全決定論”觀點。〔7〕

現代生物學和生物微觀控制論也為非完全決定論提供新的佐證。莫諾在其名著《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》中，從分子生物學的材料出發，有力地抨擊了嚴格決定論，并為恢復偶然性在自然哲學中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當偶然事件——因為它總是獨一無二的，所以本質上是無法預測的——一旦摻入了DNA的結構之中，就會被機械而忠實地進行復制和轉錄，……從純粹偶然性的范圍中被延伸出來以后，偶然性事件也就進入了必然性的范圍，進入了相互排斥、不可調和的確定性的范圍了。因為自然選擇就是在宏觀水平上、在生物體的水平上起作用的。自然選擇能夠獨自從一個噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應當看作關于生物自然界的非完全決定論，關于極小幾率的偶然事件向極嚴格規律轉化過程的生動說明。特別是最后那句話是說明生物界的偶然性與必然性的相互聯系、相互作用方式的絕妙比喻。當然，由于莫諾有時十分不恰當地將嚴格決定論與辯證唯物論混為一談，應當注意他的言論本身具有兩重性。（〔10〕，第324頁）

非完全決定論的內容還由于系統科學的興起而得到了進一步豐富和加強。有人因之稱作系統決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復雜系統（在自然哲學中姑且撇開社會系統），不能由它的構成要素和子系統通過簡單相加和線性因果鏈無歧義地決定其整體功能和行為。但系統的存在與演化仍有相當確定的規律可循，機遇與因果共同決定著系統的存在和發展，因而系統在整體上仍有決定性。

具體地說，系統演化的主要機理就在于機遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統科學特有的資料所認識的辯證法，稱作“系統辯證法”。系統科學從自己的角度闡明了因果與機遇、決定性與隨機性的辯證法：自組織系統作為遠離平衡態的開放系統，以偶然的隨機的漲落為誘導，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競爭之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統的演化納入必然的軌道，建立時空、功能上的新的有序狀態。系統辯證法與矛盾辯證法在自組織動力學機制的解釋上是高度一致的：當自組織系統處于不穩定點時，系統內部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統及其要素的局部耦合關系和運動特性相聯系的模式和參量都異常活躍，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊含著一定的結構與組織的胚芽，為了建立自己的獨立模式并爭奪對全局的支配權，它們之間進行激烈的競爭與對抗，時而“又聯合又斗爭”，最后才選拔出作為主導模式的序參量。非完全決定論在協同學的描述系統演化的數學方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運動的）和福克-普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機作用項與決定論作用項被綜合在一起，偶然性與必然性因子被綜合在一起。從自然哲學看，它們體現了機遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關系、主體-客體相互作用問題。

從前認為不容置疑的“客觀事件與任何觀測無關”的自然哲學信條，如今在新的原子科學中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經典物理學的真正核心，也就是物理事件在時間、空間上的客觀進程與任何觀測無關的信念，由于許多量子實驗的發現而受到沖擊。而現代物理學的真正力量就存在于自然界為我們提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新實驗去發現與觀測無關的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關參照系的“絕對時間”，就無異于指望極地探險家在南極圈尚未勘查過的地方會發現“世界盡頭”，那只能是不切實際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測都足以破壞其初始狀態，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態不可恢復。

玻爾為量子力學所作的“互補性詮釋”中一個最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴格劃界是不可能的，因為在實際過程中兩者處在緊密相連的相互作用之中。無論是純粹的“主體”即可以）“無干擾”地進行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對隔絕外界作用而界定被觀察系統的孤立狀態）概念都只是經典物理學所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補充又是相互排斥的。〔11〕這就是玻爾著名的“我們既是觀眾（觀察者），又是演員（被觀察者）”辯證論斷的真實含義。

實際上，從當代自然哲學的眼光看，這是很自然的：人（觀察者）本來就是自然（被觀察者）不可分割的一部分，我們只能用一種內在化的眼光來看待自然，而不可能象上帝那樣用完全超脫的外在化眼光看自然，這就是問題的癥結所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進程”的局勢，容易產生科學事實的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機械論和不可救藥的唯心主義劃清界線。羅森菲爾德本人正是以辯證法為武器在與機械論和唯心主義劃界的過程中闡明了觀察者與物理事件的辯證關系的客觀性質。（〔12〕，第140頁）海森伯說得很分明：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進物理學家的精神作為原子事件的一部分”。（〔3〕，第22頁）可見，“客體行為與觀測有關”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實在而接受主觀主義。

4.系統整體實在觀問題。在闡述以上各個問題的過程中，我們實際上已經闡明了整體實在觀的基本觀點：“整體不同于各部分機械相加的總和”。自然本體是依賴于系統場境的存在、處在相對相關中的存在，是整體全息相關的實在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個部分內在的性質（波或粒子）也在一定程度上依賴于場境。其實，人本身就是自然的產物，自然不可分割的一部分，人只能作為參與者并在相互作用過程中用內在化的觀點來理解自然本體。只是在系統及其諸要素之間的相互作用可以忽視的情況下，還原主義才是近似地有效的。

5.自然本體目的性的（自組織解釋）問題。簡單地說，當代自然哲學的目的論觀是亞里士多德內在目的論的復活和發展，是現代系統科學目的論觀的升華。宇宙象是一個有機統一的整體，自然系統（包括生命系統和非生命自組織系統）的結構、功能和演化過程的合目的性可以通過自然本身的自組織機制的作用得到合理解釋。〔1〕

例如，自然選擇的實質問題是由生物哲學所提出的一個重要問題。按照生物控制論的初步解答，關于生物進化的自然選擇機制實質上就是一種以偶然的突變為素材，通過反饋調節的最優化控制機制。艾根的超循環理論則進一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應的超循環中選擇價值高的突變不斷通過過濾和正反饋放大，形成功能性的組織，強化、優化并向更高水平進化。這里，一方面自然選擇表現為自然本身的純物質性的有規則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機械因果性模式，因為其中突變與選擇機制、機遇與因果是辯證地聯合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預，卻仍然是合目的性的過程，因為它有自引導的、自動調節的功能（使物種或分子擬種適應環境）。這樣，按系統辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學劃清界線。

三

正如我們已經看到的，20世紀早期的相對論量子論革命向統治思想界長達二三百年之久的機械論自然哲學，提出了全面的詰難和挑戰，并給予毀滅性的打擊。當代自然哲學正是在克服舊自然哲學的危機，在回答新興自然科學所提出的詰難和挑戰的過程中逐步建立起來的。20世紀中葉以來以系統科學群為代表的新興科學的迅速發展，豐富了當代自然哲學的內涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當代自然哲學的核心觀點，可以簡要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統場境的、在關系中生成的、流動的實在，作為孤立實體的終極實在根本不存在，“潛在”是物理實在的一種新形式；2.自然系統遵循非完全決定論（即決定論與非決定論的中間物），它是由因果與機遇聯合統治的，此兩者互斥又互補。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質中的一個規定、一個方面和一個要素。偶然性存在精細的非線性作用機制（由混沌革命所發現！）。3.物理事件與觀測有關，人作為自然系統的一分子只能用參與者的身分和內在化的觀點來觀察自然，絕對的主客二分只是不切實際的幻想；4.系統整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進行精細的研究，有節制的還原主義仍是必不可少的和有啟發力的，兩者其實是互斥又互補的。5.自然系統的合目的性可以按自組織觀點得到最合理的解釋，目的論與機械論也是互斥又互補的。

最后，我們所要強調的是偶然性的恰當的本體論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時的哲學教科書的影響，把偶然性當作一種外在的、主觀的、局部的、非本質的和不穩定的或暫時的東西。其實這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機械論的范疇。通過對量子辯證法與系統辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內在的、固有的、普遍的、本質的和永久性的成分。借用列寧論“假象”的話來說，偶然性是“本質的一個規定、一個方面和一個環節”，是“本質自身在自身中的表現”。機遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨特的規律。在新自然哲學中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補充形式”的外在化理解，而要比以往任何時候都更加清醒地認識到，機遇與因果相互聯結、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復了它本來應有的本體論地位，機遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統計性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯結在一起。在相空間中混沌吸引子的精巧的無窮嵌套的自相似結構，精確而形象地展示出系統演化過程中機遇與因果如何聯合起作用的深層非線性機制，進一步豐富了對自然本體辯證內涵的認識。

應當說，這是量子辯證法與系統辯證法對矛盾辯證法的一項貢獻，它們本應是相得益彰的。

參考文獻

〔1〕桂起權：《目的論自然哲學之復活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入吳國盛主編《自然哲學》一書，中國社科出版社1994年版。

〔2〕《馬克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理學與哲學》商務印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴密自然科學基礎近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學方法論論文集》商務印書館1975年版。

〔6〕波普：《客觀知識》，上海譯文出版社1987年版。

〔7〕桂起權：《非完全決定論：因果與機遇的辯證綜合》，載“科學技術與辯證法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《關于因果和機遇的自然哲學》商務印書館1964年版。

〔9〕莫諾：《偶然性與必然性（略論現代生物學的自然哲學）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起權：《科學思想的源流》武漢大學出版社1994年版。

〔11〕桂來權《析量子力學中的辯證法思想—玻爾互補性構架之真諦》，載“哲學研究”1994(10)。

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實秋在《遠東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經機械學。

第2篇：量子力學應用舉例范文

物理學本身是其實豐富多彩的，力、熱、光、電、磁……它來源于生活的方方面面。但是，這些理論用嚴謹系統的數學語言描述起來就變成了枯燥晦澀的數學公式。作為教師，我們需要將這些數學公式還原回到生活，使乏味的物理課堂重新變得生動有趣。這實際上也是將理論聯系到實際的過程，而這點恰恰又是大學生最缺乏的。例如，作為光波薄膜干涉的應用之一增透膜，用近視眼鏡上的紫色鍍膜來舉例就使干涉理論變得生動具體。物理學是自然科學和工程技術的基礎，跟許多專業學科都有交叉，如果能夠因人而異地應用例舉，就會引起不同專業學生的共鳴，引發其對大學物理的學習興趣。例如對于數學專業的學生，應著重強調物理和數學間密不可分的聯系，物理和數學的發展是相輔相成的，牛頓當年就是在研究物理問題的時候發現現有的數學工具不夠了，才轉頭去研究數學，發明了微積分；所有的物理學家無一例外地都有著驕人的數學功底。

又如，計算機專業的學生往往對自己的專業———計算機更感興趣，其實，計算機的硬件離不開物理，法拉第、麥克斯韋的電磁理論，德布羅意、海森伯、薛定諤等人的量子力學，半導體，甚至牛頓力學，都是計算機誕生的基礎理論，舉個簡單的例子，在電子器件中，電子在電場的作用下沿著設定的電路運動，就實現了器件的功能。科技的發展突飛猛進，而大學物理的理論基礎相對固定，如果不及時更新應用舉例，一直沿用老舊的例子，會令學生覺得物理落伍了，學了沒有用。大學物理作為自然科學的基礎，在打好底子的同時，也應賦予它新鮮血液。教師應時刻關注前沿科技的發展，恰當地引入課堂，激發學生對大學物理的學習興趣。

2多種教學手段相結合

與大學物理豐富的教學探索內容相適應的，是多樣的教學探索手段。物理現象千姿百態，奇妙無窮，僅憑口述和板書，很難展現它的多彩魅力。比如，波動光學里的白光干涉有美麗彩色條紋，教師可以自己制作鐵絲圈配制肥皂水，在課堂上親手演示薄膜干涉現象，定能給學生留下深刻的印象。再如，自帶一根普通跳繩，隨時悠動起來演示橫波現象，既操作簡單又能形象地解釋深刻的波動規律。當然，更多實驗不方便課堂演示，或者得有專門的儀器才能演示，這就得依靠現代教學探索手段———多媒體了。比如，波動學里的駐波，畫在黑板上時，它就是某一時刻的波形圖，看起來和行波完全相同，然而，駐波在同一個波節內各質點的振動相位都相同，這跟行波規律有著本質的不同，這點總是會讓學生感到費解。當運用多媒體教學探索手段，動態地演示駐波的傳播過程，讓學生清楚地看到同一個波節內各質點究竟是如何振動的，這個疑團自然就解開了。

3注重講課的藝術性

第3篇：量子力學應用舉例范文

關鍵詞：物理知識；生活；應用分析

引言

物理學科是自然科學的重要分支，與生活有著密不可分的聯系。對物理課程的學習是我們從自然到物理、從生活到物理的認識過程，在學習物理的過程中，一定要經歷基本的科學探究實踐，注重物理學科與其他學科的融合，讓我們的思維得到開拓。物理學理論是人類對自然界最基本、最普遍規律的認識和概括。因此，加強物理知識與生活實際的聯系，對我們高中生學習物理知識、認知物理知識、運用物理知識都是極為重要的。加強兩者的聯系，不僅可以提高自己的學習興趣，也可以增加物理學習的直觀性，更具有對生活的指導意義，提升生活技能。

一、生活實際與物理的關系

在生活中，我們看到的很多現象都被歸類為物理的方面，比如說樹葉會漂在水上，而石頭會沉入水底；氫氣球可以飛上天，但吹出來的氣球卻會掉在地上；水往低處流；水底石穿的現象；航天員在月球行走是漂著走；冬天毛衣容易起靜電；指南針的工作原理……這些生活中常常容易被忽略的小事情，卻無一例外都可以用物理學的知識來解釋，而我們高中生在學習物理的過程中，也正是對生活進行深入了解的過程。物理是最早的物理學家們對自然界的現象的總結，后來逐漸形成了物理這一專門的學科，物理科學家們研究的范圍越來越廣，也越來越深入，但物理還是從相對簡單的現象入手的。物理和生活之間的聯系，物理課本中就有很多生活化的小例子，但是，更多地與生活實際相聯系，可以增加學習物理的樂趣，我們學習起來會更好理解，同樣的，將我們學到的物理知識應用在生活中，也能夠開發我們的創造力。

二、物理知識在生活中的應用

1、納米技術

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術。納米技術在高中物理中，屬于分子學的范疇，所以，了解納米技術的應用，對我們學習分子學有很大的幫助。在生活中，我們經常接觸到的納米技術如下：

（1）在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌。化纖布雖然結實，但有煩人的靜電現象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現象。

（2）利用納米材料，冰箱可以抗菌。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，達到飲用標準。納米食品色香味俱全，還有益健康。

（3）納米材料可以提高和改進交通工具的性能。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發動機部件的理想材料，能大大提高發動機效率，延長發動機工作壽命。

（4）利用納米技術制成的微型藥物輸送器，可攜帶一定劑量的藥物，在體外電磁信號的引導下準確治療。納米機器人，其體積小于紅細胞，能疏通腦血管的血栓，清除心臟動脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統的結石等。

2、車輛速度計

在我們高中物理第一冊第二章《運動快慢的描述速度》中講到速度計是來測定運動物體的瞬時速度，本文來解釋一下它是如何來測定機動車的瞬時速度。

當車以一定的速度行駛時，對應著車輪的一定轉速，這時經過變速機構也使軟軸以一定的轉速轉動，從而由電磁感應使感應盤也轉動，使指針偏轉一定的角度，那么在刻度盤上對應的位置刻上對應的車子速度，由于指針的轉動角度與感應盤的轉動角度是相等的，而感應盤的轉動與軟軸的轉動成正比，而軟軸的轉動與車輪的轉速成正比，而車輪的轉速完全與車速成正比，所以速度計上指針所指的速度值完全由汽車的行駛速度來決定，所以測出的速度就是這個時刻車子的瞬時速度。速度計中應用了很多的物理知識，電磁感應、力矩轉動、力矩平衡及儀表的刻度刻制和實際數據的處理.這都是物理知識的應用和能力體現。

3、航天技術

針對航天技術學習高中物理力學，就是在充分利用教材上的航天技術的所有內容，了解我們所感興趣的領域。我們在學習的時候，可以進一步充分利用各種媒體，獲得大量的有關航天技術的資料，包括古代的，現代的，當代的，中國的，外國的，視頻的，文字的，圖片的，在此基礎上進行刪減，最終獲得那些形象的，有趣的，勵志的等等對我們學習高中物理力學有價值的資料，除了課堂上教師的講解內容，我們還應該利用課外的時間多多關注一些航天技術，感受物理知識所帶來的強大的力量，明白物理知識與實際生活的聯系，與科技進步的聯系。我們在學習的時候，要結合我們自己了解到的航天知識，在課堂上積極主動學習，勇于質疑，敢于挑戰權威困。在航天技術中所應用到的力學知識如下：

（1）天體力學和軌道力學

為了開發宇宙，我們必須對各個行星的運動規律有進一步的認識。因此，必須用近代的力學知識進一步描述天體的運動規律。另一方面，為了節約能量，必須對各種航天器的軌道進行優化。關于這方面，我們可以舉例子。比如AOTV，就是氣動輔助變軌轉移飛行器。大家知道，要改變航天飛行器的飛行軌道，需要很大的能量。有時幾乎是做不到的。一些力學專家提出了一些新的想法，即利用航天器在再人大氣層中所受的氣動力，來改變飛行軌道，就可以節省許多能量。

（2）大氣層飛行力學

大氣層飛行力學的重點是空天飛機的上升段軌道優化。由于空天飛機使用吸氣式組合發動機，在整個飛行過程中，它受到很大的阻力和氣動加熱。為了節省能量，必須對上升段的軌道進行優化。

（3）結構動力學

不論是航天器，還是運載器，都存在大量振動問題。例如，運載火箭的長細比例較大，就必須進行振動塔試驗和結構動力學的計算。建造振動塔是非常費錢的。隨著今后火箭直徑的加大和長度的進一步增加，進行全尺寸的振動試驗變得越來越困難。為此，必須在建立正確的模擬火箭結構的結構動力學模型，進行分析計算。運載火箭還存在一些復雜的振動現象，若處理得不好，就可能造成發射的失敗。

結語

總之，物理知識在生活實際中的應用十分廣泛。我們在學習的時候要理解物理知識的重要性，認識物理知識在當代社會中的重要作用，更要關注物理學的最新發展，堅持與時俱進，利用物理知識推動社會和諧發展，更好地造福于人類。

參考文獻

第4篇：量子力學應用舉例范文

關鍵詞:虛擬機;計算機教育;應用策略

中文分類號: TP391.9 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6924-02

Virtual Machine Technology Applied in Computer Education

ZHANG Li-bing

(School of Mathematics and Computer Science, Harbin University, Harbin 150086,China)

Abstract: Computer education is facing the challenge as software and hardware fast change. This paper discusses the virtual machine technology which plays an important role in the challenge, analyzes the application purpose of the virtual machine with a classification from application perspective, introduces the strategies and typical methods in detail according to the classification.

Key words: virtual machine; computer education; application strategies

很少有哪項技術能像計算機技術的發展一樣迅速,在過去的六十幾年里,其變化速度達到了驚人的程度。然而,由于量子力學對電子的作用等,晶體管尺寸不可能無限制地小下去,狹義上的摩爾定律將逐漸失效并在十幾年內走到盡頭。[1]盡管如此,其他造成硬件變化的因素依然顯著,典型如多核技術、新型存儲技術等。伴隨軟件和硬件發生的顯著變化,計算機知識總量亦呈爆炸性增長。對于計算機教育來說,其間的挑戰尤其強烈,教學中不僅需要滿足眾多課程對軟、硬件的不同要求而且每門課程在其整個教學階段內對軟件和硬件的要求也往往是不同的。常規情況下,復雜、異構的軟、硬件環境的建立與維護意味著大量人力、物力、資金的投入。近年來,虛擬機技術的重要作用逐步顯現,本文從該技術應用角度,探討解決上述問題的具體應用策略和方法。

1 虛擬機技術

虛擬機是源自操作系統中的概念,起初定義為由軟件模擬的、有效的、孤立的真實機器的復制品。從上述角度,操作系統亦可被看作是一臺虛擬機。作為操作系統結構的一種,VM/370是早期的一個實例。當前,虛擬機的概念發生了較大變化,存在和任何真實機器無關的虛擬機,一些著作闡述了此類虛擬機的設計與實現方法。[2]

虛擬機原理復雜多樣,和虛擬機設計目標有很大關系。但總體上可以認為虛擬機是新增加的一個軟件中間層。本文從應用角度對虛擬機進行分類:

1)高級語言虛擬機。這類虛擬機一般運行在某宿主操作系統之上,對自定義的字節碼文件進行解釋或翻譯執行(又分靜態和動態兩種),屬于與真實機器無關的虛擬機,運行其上的程序實現了平臺無關性。舉例:Sun公司的Java虛擬機JVM、微軟公司的公共語言運行庫CLR。

2)指令集虛擬機。這類虛擬機的應用目的一般是為了執行某種和宿主計算機體系結構不同的其他體系結構指令集ISA(Instruction Set Architecture)。舉例:Armulator仿真ARM指令集、Bochs仿真Intel x86指令集。

3)應用程序虛擬機。由于虛擬機所處的層次較高,應用目的一般只為支持應用程序的執行。舉例:Cygwin通過仿真POSIX API支持在Windows下運行Unix/Linux的應用程序。Wine通過仿真應用程序二進制接口ABI支持在Linux下運行Windows的應用程序。

4)系統虛擬機。其應用目的一般是為了運行某操作系統下的所有應用程序,因此通常支持某個或多個操作系統的運行。舉例:VMware Workstation、Virtual PC。另外,眾多的手機、游戲機等的模擬器也可歸為這一類。

5)企業級虛擬機。其應用目的一般為服務器資源整合優化、虛擬機在線遷移、數據中心管理等。舉例:VMware ESX Server、VMware Infrastructure、Xen。

虛擬機的分類可以從多個角度、按不同的標準進行。前述劃分不是絕對的劃分,其中往往又有一些交叉性。當前,業界及一些文獻使用了虛擬化(Virtualization)的概念,這個概念沒有標準的定義,在企業級虛擬機這一級別被經常使用。虛擬機、虛擬化技術在應用的深度和廣度上不斷增長,在未來的CPU技術中,指令集支持虛擬化功能是一個重點。[3]

2 虛擬機應用策略和典型方法

本文以高校計算機教育為例進行分析和闡述,參考了大學非計算機專業計算機基礎教育要求和計算機專業規范及課程設置情況。根據虛擬機的應用分類,可采取的虛擬機總體應用策略是:使用虛擬機模擬某些真實硬件,達到替代的作用,降低計算機教育中的硬件成本,降低硬件維護費用和復雜性;在虛擬機中運行各個時期的軟件,使各個時期的計算機關鍵技術得以呈現,適應計算機軟、硬件快速變化。下面按照虛擬機的應用分類,結合計算機課程實際情況,詳細說明虛擬機的應用策略和典型方法:

1)高級語言虛擬機。計算機基礎教育及專業教育中,程序設計語言的教學應逐步推廣基于虛擬機的語言,提高這類語言的教學基礎地位。掌握這類語言最大的好處是獲得平立性,所編寫程序生成的字節碼處于較高層次,字節碼的執行不依賴于具體的計算機CPU類型和操作系統,極大地增強了通用性。這個好處將延伸到Web開發、分布式應用、嵌入式系統應用、無線技術以及未來無數跨平臺應用中。在代碼移植性上,使用基于虛擬機的語言亦具有優勢,對于大的項目,在新的體系架構不支持該語言時,只需要移植虛擬機本身即可,可降低多個代碼數量級。同時,由于字節碼不是針對硬件的具體機器碼,所編寫的程序在安全性、健壯性等方面也具有優勢。

2)指令集虛擬機。使用指令集虛擬機而不必真正擁有異構硬件,將獲得極大的方便性并可節約教學資金、降低設備維護費用等。直接相關的課程舉例:計算機體系結構、計算機組成原理、操作系統、匯編語言、嵌入式系統、單片機技術、接口技術等。典型應用:虛擬機技術使硬件開發和軟件開發并行進行,可以縮短工程周期、降低開發成本;虛擬機軟件為操作系統軟件的調試創造了條件,具有特殊重要的意義;細粒度虛擬機在處理器體系結構設計、高性能計算機系統的設計和評估中起到廣泛而重要的作用。

3)應用程序虛擬機。這類虛擬機使用最為簡便,可在一個操作系統中直接仿真使用另外一個操作系統中的應用程序,在要求較低的情況下可以普遍使用。典型應用:通過Cygwin的支持,在Windows下運行移植后的GNU工具或其他程序進行嵌入式開發(例如在Intel x86平臺下使用交叉編譯工具開發ARM應用)。

4)系統虛擬機。這種虛擬機使用場合最為廣泛,可以在幾乎所有的計算機類課程中得到應用。在實驗教學、理論教學演示等各個方面起到重要作用。一些系統虛擬機可兼具應用程序虛擬機及指令集虛擬機的好處。典型應用:

操作系統相關教學。操作系統安裝與配置、操作系統原理教學、典型操作系統結構分析、Unix/Linux操作與管理教學、網絡操作系統教學等。通過系統虛擬機可以在一臺計算機上同時運行多個操作系統,比安裝多操作系統方便、快捷。

編程與測試。分布式程序設計與測試、異構環境的測試、Web測試、Unix/Linux下的程序設計、集群測試、數據庫性能測試、兼容性測試等。通過使用虛擬機,提供了極大的方便性,提高了計算機的利用效率。

網絡實驗。服務器及網絡設備的安裝與配置、遠程訪問、模擬交換機、路由器等網絡設備、模擬網絡拓撲規劃與子網劃分、模擬FTP、DNS等網絡服務、局域網訪問控制實驗、各種VLAN實驗、TCP/IP協議簇實驗等。上述網絡實驗對網絡軟、硬件條件要求較高,在虛擬機上完成上述實驗,可擺脫對某些昂貴網絡軟、硬件的依賴,極大地降低網絡實驗成本。[4]

計算機安全實驗。網絡監聽、網絡攻擊與防護、木馬及病毒原理研究、防火墻實驗、加密與解密實驗、黑客程序的分析等。通過使用系統虛擬機實現上述功能,可以起到隔離本機環境的作用,從而避免對真實環境造成危害,在計算機安全學習與研究上具有特殊意義。

計算機維護與管理實驗。系統管理工具的使用、多操作系統安裝、BIOS設置、磁盤分區與格式化、注冊表修改、系統環境破環性實驗、系統備份與恢復實驗等。這些實驗對本機系統改變較大,具有一定危險性,系統虛擬機為這類實驗創造了難得的條件。

手機平臺模擬。手機平臺已經演變成為當今最為廣泛的平臺,在其他平臺上(如PC平臺)使用各種手機模擬器開發、測試、運行手機平臺程序是常見的手段。舉例:使用附帶模擬器的WDK (Wireless Toolkit)無線開發工具開發J2ME MIDP應用等。

運行早期操作系統上的某個程序。這實際上是對其他不容易分類情況的一種通用提法,具有更大應用的背景。通過建立獨立的虛擬機,配置一次后,保存虛擬機文件以備日后加載運行(如VMware中)。這種方法極大地降低了軟、硬件維護的復雜性,具有廣泛的通用性。

5)企業級虛擬機。學校實驗中心、網絡中心、數據中心可逐步開展企業級虛擬機的應用。這項技術具有較好的應用前景,能夠整合優化服務器資源、提高服務器利用率、降低維護費用、降低能耗等。該項技術的使用和學校整體網絡環境、硬件環境的改善密接相關,可以從多個方面促進計算機教學。

3 結束語

虛擬機技術可以為改善計算機教育環境、有效地滿足計算機教學軟件與硬件需求起到不可替代的重要作用,可以讓各個歷史時期、不同平臺下的計算機技術得以呈現和展示,具有神奇的力量。盡管本文以大學計算機教育為例,但闡述的策略和典型方法對各類各級計算機教育都有借鑒作用,整個計算機教育界都應該充分認識、利用和推廣虛擬機技術。

參考文獻:

[1] Bill Blunden.虛擬機的設計與實現-C/C++[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2] Andrew S.Tanenbaum.現代操作系統(第2版) [M].北京:機械工業出版社,2005.

第5篇：量子力學應用舉例范文

【關鍵詞】班主

問題是科學研究的出發點，是開啟任何一門科學的鑰匙。愛因斯坦有一句很著名的話：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題有時僅僅是一個數學上或實驗上的技巧，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學上的真正進步。”知識經濟的推動力在于知識的創新，知識的創新需要具有創新精神的人才。而重視學生主動發現問題、提出問題，才有利于創新能力的培養。現代教學論研究指出，產生學習的根本原因是問題。沒有問題難以激起求知欲，學生就不會深入思考，學習只能是表層和形式的。美國在1989年和1996年分別發表了《普及科學―美國2061計劃》和《美國國家科學教育標準》。這兩部文獻都強調了科學探究的重要性，而發現問題、提出問題是進行科學探究的第一步，提出問題的能力是學生應具備的一種主要的探究能力。廣東省從2004年秋季起開始實施普通高中新課程。在普通高中物理課程標準（實驗）中將提出問題的能力作為科學探究的一個要素。同時在課程目標中提出讓學生“經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規律”“具有一定的質疑能力”“能領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘”“勇于探究與日常生活有關的物理學問題”“具有敢于堅持真理、勇于創新和實事求是的科學態度和科學精神，具有判斷大眾傳媒有關信息是否科學的意識”“敢于堅持正確觀點，勇于修正錯誤”。由此可見，教師在教學中引導學生質疑，把問題貫穿于學習過程中有利于激發學生強烈的學習愿望，積極主動投入到學習之中；有利于培養學生勇于探索，追求真理的科學精神。

一、農村高中學生提出問題的現狀

為了較真實的了解農村高中學生提出問題能力的現狀，本人于2009-2010學年度對本校就讀高一的全體學生進行問卷調查。問卷調查結果中學生認為“上課應由師生共同提問”的占82%。“能經常觀察身邊的物理現象并提出問題”的學生占7.8%，其中男生占12.4%，女生占4.7%。綜合問卷調查結果分析發現學生對提出問題的意義有比較高的認識，但發現問題和提出問題的能力較差。男生提出問題的能力比女生提出問題的能力強些。

二、農村高中物理教學中提高學生提出問題能力的途徑

面對農村高中學生提出問題能力較差的現狀，通過對學生在提出問題方面的觀察及與其他教師對學生提出問題能力的探討，本人認為可以通過以下幾個途徑來提高學生提出問題能力。

（一）營造教學氛圍，引發學生提出問題

我國古代偉大教育家孔子倡導民主、平等的教學氣氛，他有一句格言：“當仁不讓于師”。他教導學生在“仁”面前不分師生，一律平等，學生不要因位卑或年齡小而謙讓老師。在教學中，他鼓勵學生大膽發表意見，闡述自己的看法，反對盲目服從，不贊成“對吾言無所不悅”的態度。正是這種民主的風氣，才有子路、冉求、樊遲與孔子的爭辯；正是在這種氛圍下，才會培養弟子三千，賢人七十二。

無獨有偶，20世紀20年代全球物理學研究的主要中心之一――丹麥哥本哈根理論研究所以它民主、平等、自由討論和相互緊密地合作的學術氣氛吸引了一大批有才華的年輕物理學家來這里學習和工作，這里被稱為諾貝爾獎的搖籃。先后有七八人獲得諾貝爾獎，其中最有代表性的是玻恩、海森堡和泡利，他們發現的“測不準定律”“互補原理”“不相容原理”、量子矩陣力學和量子統計力學等成為量子力學發展的一個里程碑。

從以上兩個例子中我們不難發現，只有在民主、愉快的氛圍中才能調動學生學習的積極性，激發學生內在的學習動力，促使學生積極的思索，發現和提出問題。所以在教學過程中教師應創建民主、愉快的教學氛圍，讓學生感受到“心理安全”和“心理自由”，從而樂于接受教師提出的問題，能積極主動思考問題，敢于質疑問難，主動探索。

（二）創設問題情境，激發學生發現問題

美國著名社會心理學家費斯汀格創立的認知失調理論認為，人的認知由許多因素構成，它們之間有些是彼此獨立的，有些是相互關聯的。在有關聯的認知因素之間存在兩種情況：一是兩者成協調狀態，一是呈不協調狀態，即失調。該理論認為，不管對待什么問題，不論什么時候，人總是有一種要保持其各種認知因素協調一致的傾向，保持自身態度和行為協調一致的動機。一旦不協調，便產生矛盾和沖突，人就會感到緊張不安和煩悶，這時人的內心就會產生一種動力，要減少或消除這種不協調，以獲得內心的平衡。教師在教學過程中運用認知失調理論創設一個問題情境，這個問題情境與學生原有的認知存在著差距和矛盾，對于學生來說具有一定的難度，激發學生的思維，使學生在原有知識基礎上產生主動學習的需要。問題情境的創設多種多樣，可以來自于生活、來自于實驗、來自于科研活動等方面。

⒈通過生活現象創設問題情境

通過學生身邊的事物和現象中創設問題情境，讓學生充分感受到物理知識與現實生活的緊密聯系，為學習的知識運用到現實社會和生活中提供了有意義的背景，容易引起學生的興趣，激發學生的思考。

例如在《力的合成》教學中引入合力與分力概念時利用多媒體展示如下情境：

情境1：汕頭海灣大橋跨越汕頭港入海處，全長2420m，是我國第一座大跨度懸索橋。是什么力量拉起這么重的橋體呢？ （如圖1所示）

情境2：如圖2中一個力跟幾個力有什么關系？同學們還能舉出哪些類似的例子？

通過貼近學生生活例子的引入，使學生能容易接納新的知識，思維更加活躍，所以當讓學生舉例時，學生的積極性都很高。

⒉通過實驗創設問題情境

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，物理概念的建立、物理規律的發現都有其堅實的實驗基礎。實驗在物理的發展中具有重大意義和推動作用。通過實驗創設問題情境可以使物理教學更有吸引力，更能調動學生主動參與。

例如在《超重和失重》的教學中，考慮到農村學生很少有人坐過電梯，也很少有人去過游樂場，沒有超重和失重的體驗。所以在教學中設計如下的情境：

情境1：請同學們利用彈簧秤測出桌面上物體所受重力的大小。提彈簧秤使物體加速上升，彈簧秤的示數發生什么變化？若提著彈簧秤使物體加速下降，彈簧秤的示數又會發生什么變化？

情境2：觀看視頻“放在臺秤上的物體移入電梯中在不同情況下臺秤的示數”，與你所做的實驗相比較，你發現了什么？如何利用所學的牛頓第二定律解釋這些現象？

情境3：把一個下部挖有幾個小孔的礦泉水瓶裝滿水，水會從小孔流出，若讓瓶子自由下落，會發生什么現象？請利用所學的超重失重現象進行解釋。

通過實驗來引發學生頭腦中的認知沖突，從而激發學生的學習動機和求知欲望，讓學生在原有的知識基礎上主動建構新的知識，最后通過實驗進一步加深學生對知識的理解。

⒊通過物理科研創設問題情境

物理學史展現人類探索和逐步認識物理世界的現象、結構、規律和本質的歷程。其中包含有著科學的思想、科學的觀念；包含科學進步對社會發展的推動。在物理教學中通過聯系物理科研發展中的實驗、發現和發明來創設的問題情境，不僅能使學生學到物理知識，還可以學到科學方法，受到科學精神的教育。

例如在《追尋守恒量》教學中創設這樣的問題情境：

情境1：正常的水表連在自來水管道中，總表的讀數與各分表讀數之間存在怎樣的關系？

情境2：生活中存在有守恒的觀點。在物理學上是否也存在著守恒的觀點？請觀看視頻“伽利略的理想實驗”（如圖3所示）思考幾個小問題。

⑴小球沿斜面A從h高處由靜止開始滾下時，它的位置、速度怎樣變化，如何運動？

⑵當小球從斜面底沿另一個斜面B向上滾時，它的位置、速度怎樣變化，如何運動？

⑶如果斜面是光滑的，空氣阻力也可忽略，小球沿斜面B到達速度為0的位置高度與從A滾下的起始點高度有什么關系？

⑷若改變B的傾角，小球沿斜面B到達速度為0的位置高度與從A滾下的起始點高度有什么關系？

⑸伽利略發現了一個怎樣的事實？得到什么啟發？

⑹當小球在A斜面的起始點高度時，具有什么形式的能量？

⑺當小球在到達A斜面的底部時，具有什么形式的能量？

⑻這兩種形式的能量有什么樣的聯系？你還能舉出其他的例子嗎？

⒋通過知識拓展創設問題情境

利用學生原有知識進行拓展，創設問題情境，最能激發學生的認知沖突。

例如在《加速度》中創設如下的問題情境：

情境1：一輛小汽車起步在20s內速度達到了100km/h，而一列火車達到這個速度大約要用500s。請利用前面判斷運動快慢的相同方法判斷它們倆誰的速度“增加”得比較快？

⑴這些物體運動過程中，哪個速度大？

⑵這些物體運動過程中，哪個速度變化大？

⑶采用什么方法可以來比較出它們哪個速度變化最快？

（三）示范物理問題，引導學生從物理的角度提出問題

在平時與學生交談時，學生會這樣說：“老師，我課堂上聽得懂，可是自己課后翻書，卻有好多地方不明白”。我說：“你有哪些地方不明白呢？把問題提出來，我們一起來探討。”但學生卻不能將他的思考和疑惑提出來。要提高學生提出物理問題的能力，就需要教師加以引導，在提出問題方面提供好的示范。

如《加速度》一課中從正面提出問題：為什么加速度的方向與速度變化量相同，而不是與速度方向相同？在《用牛頓運動定律解決問題》一課中可以用“已知物體的受力情況怎樣確定物體的運動情況”引入本課內容，再用逆向提問的方法提出“ 已知物體的受力情況，可以確定物體的運動情況。那么，已知物體的運動情況，怎樣確定物體的受力情況呢？”通過這兩個問題作為貫穿本課的線索。如在《功率》一課通過類比方法提出“速度、加速度、功率的定義有什么相似之處？”

（四）形成提問習慣，提高學生提出問題的能力

中國古代著名思想家、教育家孟子在《孟子?離婁下》中說到“君子深造之以道，欲其自得也。自得之，則居之安；居之安，則資之深；資之深，則取之左右逢其源，故君子欲其自得之也。”他強調獲得學問關鍵是靠內省力量。但學習者往往受限于自己原有的經驗而阻礙自己產生新的思想。心理學家比奈認為自我批判是最重要的智力指示物。通過訓練和教育，學生可以獲得自我批判的能力。所以教育心理學認為元認知在成功學習中扮演著重要的角色。元認知是指人們預測他們在各種任務中表現的能力以及對目前的理解和掌握程度進行監控的能力。教師可以使用元認知理論幫助學生進行自我監控，監控自己的思維過程。通過自我提問的方式提出物理問題，逐漸形成提出問題的習慣，提高提出問題的能力。

由于很多學生特別是女生不善于提問，所以利用課余的時間有目的地讓學生使用“問題單”。 通過訓練學生使用“問題單”，可以有效地促使學生提出問題。對于比較害羞、不敢發問的學生，這個方法更能提高他們提出問題的能力。

面對未來的社會，學生是否具備自我學習、自我更新的能力，是否學會學習比掌握知識本身更重要。而提出問題則是生長新知識、新方法、新思想的起點。提高學生提出問題的能力不是一朝一夕就能達成的，需要一個長期持續不斷的過程。這也促使教師不斷地更新觀念，不斷學習新的知識，不斷提高教學的智慧。

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第6篇：量子力學應用舉例范文

【關鍵詞】物理模型 中學物理教學 抽象思維

1.物理模型及其分類

物理學是研究物質結構和運動規律的一門學科。由于自然界物質種類繁多，運動錯綜復雜，相互作用又各具特色，因而人們為了達到對物理事物本質和規律的認識，在實驗的基礎上，通過分析、綜合、比較、分類等思維過程，對研究對象做一種簡化的描述或模擬。霍利斯特說過：“模型方法乃是人們所說的‘科學方法’的核心。”所謂物理模型，就是人們為了研究物理問題的方便和探討物理事物的本質而對研究對象所做的一種簡化的描述或模擬。物理模型主要包括理想模型和理論模型兩類，理想模型是根據研究對象和問題的特點，撇開、舍棄次要的、非本質的因素，從而建立的一個易于研究的、能反映研究對象主要特征的新形象；而理論模型是在觀察、實驗的基礎上，經過物理思維，對研究對象的結構、相互作用、運動規律等所作的一種簡化的描述，這種模型通常以假說的形式出現。

物理模型是物理思想的產物，是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。就中學物理中常見的物理模型，可分類如下：

1.1 物理對象模型化。

物理中的某些客觀實體，如質點，舍去物體的形狀、大小、轉動等性能，突出它所處的位置和質量的特性，用一有質量的點來描繪，這是對實際物體的簡化。當物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當作質點來處理。類似質點的客觀實體還有剛體、點電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。

1.2 物體所處的條件模型化。

當研究帶電粒子在電場中運動時，因粒子所受的重力遠小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。力學中的光滑面；熱學中的絕熱容器、電學中的勻強電場、勻強磁場等等，都是把物體所處的條件理想化了。

1.3 物理狀態和物理過程的模型化。

例如，力學中的自由落體運動、勻速直線運動、簡諧運動、彈性碰撞；電學中的穩恒電流、等幅振蕩；熱學中的等溫變化、等容變化、等壓變化等等都是物理過程和物理狀態的模型化。

1.4 理想化實驗。

在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據邏輯推理法則，對過程進一步分析、推理，找出其規律。伽利略就是從斜槽上滾下的小球滾上另一斜槽，后者坡度越小，小球滾得越遠的實驗基礎上，提出他的理想實驗，從而推倒了延續兩千多年的“力是維持運動不可缺少”的結論，為牛頓第一定律的產生奠定了基礎。

2.物理模型的作用

模型方法是物理學研究中常用的一種重要研究方法，它不僅可以應用于形成正確的理論，也有助于對各種具體現象、具體問題的研究，物理模型主要有以下一些作用。

2.1 使復雜問題簡單化。

物理學研究對象是十分復雜的客觀世界，其起作用的因素很多，需要把復雜問題簡單化，模型方法恰恰體現了抓住主要矛盾，突出問題的本質，可以使研究工作大為簡化。就拿中學物理中一個很常見的物理現象“物體從空中落下”來說，分析物體的受力情況，除重力外，還受到空氣的阻力和浮力，而空氣的阻力和浮力又與物體的形狀大小、空氣的密度溫度等因素有關，并且重力的大小也不是恒定的，隨著物體下落的高度而發生微小的變化。此外，地球的自轉和氣體的流動對物體的下落也有一定的影響。我們在研究落體運動時，只突出了恒定重力作用，而把其他影響因素全都忽略了，引進了“自由落體”的概念，這樣落體運動性質就比較容易把握了。

2.2 逐步逼近實際。

應用模型方法研究物理問題，能使問題的本質突出、關系明朗，有利于問題的解決。但是，我們也應看到，次要因素雖然對問題的影響很小，但畢竟有一定的影響，所以忽略次要因素以后得到的結果必然是近似的，與實際是有一定差距的。弄清楚主要矛盾后，再考慮次要矛盾，如此一級級作近似，就可能逼近實際。建立物理模型為研究實際事物提供了一個比較的標準，從而開辟了研究實際事物特征和變化規律的途徑。例如，在推倒理想氣體狀態方程時，我們幾乎把分子力忽略了，但在實際情況中它還是有影響的。不過在氣態中分子力的效應畢竟比較小，我們可把它當作對理想氣體模型的修正來處理。將理想氣體方程式加以適當修正，即可得到比較符合實際氣體行為的范德瓦爾斯方程式。這實際上是用比較復雜的物理氣體模型（范德瓦爾斯氣體模型）代替理想氣體模型。可以看出，范德瓦爾斯氣體模型是在理想氣體模型的基礎上建立起來的，從理想氣體模型到范德瓦爾斯模型是一個以理想化逐步逼近客觀實體的過程。

2.3 做出科學預言。

作為對物理事物簡化描述的物理模型，不僅能夠解釋物理現象和實驗定律，而且也常常能夠做出科學的預言，指明進一步研究的方向。例如，在對熱機效率的研究中，人們發現實際熱機的效率總是小于可逆卡諾熱機。這就啟發人們在設計熱機時，盡量使其接近于可逆卡諾熱機，以提高熱機的效率。在固體理論的研究中，常常以沒有“缺陷”的理想晶體作為研究對象。當時從應用量子力學對理想晶體進行計算的結果，發現理想晶體的強度竟比通常金屬材料大1000倍。因此，物理學家認為，常見的金屬材料強度之所以減弱就是因為材料中有許多“缺陷”，假如能減少材料中的這些“缺陷”，那就能大大提高金屬材料的強度，從而大大節約金屬。實踐證明，物理學家的預言是正確的。

3.物理模型在中學教學中的運用

3.1 建立概念模型，理解概念實質。

概念是客觀事物的本質屬性在人腦中的反映。客觀事物的本質屬性是抽象的、理性的。要使它在人腦中有深刻的反映，必須將它與人腦中已有的事物聯系起來，使其形象化、具體化。物理概念大都是以理想化模型為對象建立起來的。如質點、剛體、理想氣體、單擺、電場線、點電荷等。學生在理解這些概念時，很難把握其實質，而建立概念模型則是一種有效的思維形式。

圖1表示一條電場線，A、B、C點的場強方向在各點的切線上，箭頭表示各點場強的方向。

為了使學生理解并且清晰的建立起“電場線”的概念，我們可以用實驗來模擬電場線的形狀。把奎寧的針狀結晶或頭發屑懸浮在蓖麻油里，加上電場，微屑就按照場強的方向排列起來，這樣，就把抽象的物理概念形象化、具體化，與學生腦中已有的相關知識聯系起來，便于學生的理解與記憶。

〖TP14.TIF；%50%50，Y〗例如：電場線就是一理想化模型。在電場中畫出一些曲線，使曲線上每一點的切線方向都跟該點的場強方向一致，這樣的曲線就叫電場線。

對電場線的概念有初步了解之后，再通過物理模型來學習電場線的其他性質就方便多了。電場線總是從正電荷（或無窮遠處）出發，到負電荷（或無窮遠處）終止，因此，電場線有起始點和終止點，由圖2可以清晰的看出，電場線是不閉合的曲線。根據現實中的一些例子結合物理模型，學生也很容易理解電場線的另外一個性質：在電場線密的地方電場強度大，疏的地方電場強度小，即電場線的疏密表示電場的強弱。

讓學生討論這么一個問題：電場中的電場線會不會相交？通過對這個問題進行理論分析，一方面可以激發學生的學習興趣，另一方面可以使學生深入的理解概念模型。電場中每一點的場強〖TP15.TIF；%50%50，Y〗只有一個唯一的方向，如果電場線在電場中某點相交，則交點處相對兩條電場線就有兩個切線方向，該點的場強就有兩個方向（圖3所示）。可以由教師來指導學生自己分析總結。

電場線跟“質點”“點電荷”這些理想化的模型不同。“質點”“點電荷”這些模型包含有某些真實的內容，具有一定的客觀性，在一定條件下，考慮對實際物理現象來說是主要的、本質的特性，而忽略次要的、非本質的因素。而“電場線”則完全是假象、虛構的。但是它們都能反映出實際現象的基本規律，為我們的研究提供方便。

3.2 認清條件模型，突出主要矛盾。

條件化物理模型就是將已知的物理條件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住主要因素，為問題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如我們在研究兩個物體碰撞時，因作用時間很短，忽略了摩擦等阻力，認為系統的總動量不變。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡化。

3.3 構造過程模型，建立物理圖景，訓練發散思維。

物理過程的理想化模型有勻速直線運動、簡諧振動、氣體的等溫、等容、等壓變化過程，勻速圓周運動、鏡面反射等。物理學中，符合守恒條件的狀態變化，是與中間過程無關的。這使我們能夠想象不同的過程模型、不同的物理圖景來完成狀態變化，以訓練思維發散。氣體實驗定律和狀態方程，是氣體保持質量不變時，初狀態與末狀態之間的守恒方程，由于氣體的狀態參量較多，所以氣體狀態變化問題的發散性很強。

例如：1982年高考第四題（如圖4）。氣缸A和容器B由一細管經閥門K相連。A和B的壁都是透熱的，A放置在27℃，1.00大氣壓的空氣中。B浸在127℃的恒溫槽中，開始時，K是關斷的，B內為真空，容器VB=2.40升。A內裝有理想氣體，體積為VA=4.80升。假設氣缸壁與活塞之間無摩擦，細管的容積可忽略不計。打開K使氣體由A流入B，等到活塞停止移動時，A內氣體的體積將是多少？

3.4 轉換物理模型，深入理解模型。

通過對理想化模型的研究，可以完全避開各種因素的干擾，在思維中直接與研究對象的本質接觸，能既快又準地了解事物的性質和規律。許多人覺得物理難學，其實這個難，不在于記不住某個物理公式，而在于對一個新情景問題不知道如何與自己熟悉的物理模型情景聯系起來思考或者該用什么公式，也就是不善于將一個具體問題轉為自己熟悉的物理模型。

比如：在建立起了“單擺”這一理想化模型后，直接用公式求解，學生是很容易做到的。如換一新情景練習，學生就很難將它納入對應的模型。

（1）小球 a、b可以當作質點模型。

（2）小球a作自由落體運動。

（3）小球 b作變速曲線運動，已學知識無法求解，可當作怎樣的理想化模型？

3.5 構造理想實驗模型，促進學生想象和邏輯理論思維能力的發揮。

理想實驗是指人們在科學實驗的基礎上，運用邏輯推理方法和發揮想象力，在思維中把客觀的實驗條件和研究對象加以理想化，抽象或塑造出來的一種理想化過程的“實驗”。

例如：伽利略發現慣性定律所設想的在純粹理想狀態下的斜槽實驗，在實際當中是無法實現的，盡管我們可以創造各種條件，把運動物體所受的摩擦力和空氣阻力盡量減小，但是永遠不可能完全排除掉。然而，這并不阻礙人們根據越來越逼近于精確“實驗”，運用邏輯理論思維的能力進行科學抽象而做出的應有結論，并且人們對于運用這種方法所得的結論的正確性是不懷疑的。教材中“牛頓第一定律”對伽利略的理想實驗作了詳細說明，并在本節的“閱讀”中，通過“愛因斯坦談伽利略的貢獻”，對這樣一種理想化實驗的方法進行了充分的肯定，“人的思維創造出一直在改變的一個宇宙圖景。伽利略對科學的貢獻就在于毀滅直覺的觀點而用新的觀點來代替它。這就是伽利略的發現的重大意義”。愛因斯坦本人更是運用理想化實驗模型的典型代表。愛因斯坦在創立狹義相對論時構造了一個高速運動的火車參照系，對這一理想實驗模型的研究，巧妙地解決了所謂既同時又不同時的問題，打破了牛頓的絕對時空觀。但是，狹義相對論還不能回答慣性質量與引力質量為何相等這一問題。愛因斯坦在探索這一問題的過程中又構造了一個理想實驗模型——愛因斯坦升降機，由此提出了作為廣義相對論基礎的等效原理。

4.物理模型教學存在的一些問題

物理模型是一種理想模型，這就要求思維過程具有一定的抽象性。因此在物理教學中使學生正確建立和運用物理模型，不僅有助于他們演算習題，更有助于培養學生抽象思維的能力。

目前在中學物理課堂教學中雖然已重視了物理模型的教學作用，但許多教師還只停留在單純地利用物理模型進行物理知識和技能的訓練層面上，典型的教學模式是先由教師總結歸納出一些物理模型呈現給學生，讓學生跟著教師的思路去理解、并輔以大量的機械性訓練。這樣的課堂教學完全由教師主宰，忽視了學生的認知主體作用。學生往往只會識別已接觸過的模型，不會辨別未遇過的情景，更不會自己建立模型、解決問題。這就造成了學生不重視建立物理模型的過程，更多的是運用形象思維方法，只記住物理模型的靜態結論，生搬硬套。

5.如何幫助學生構建物理模型

物理學中“建模”能力是一種很重要的能力，這里存在一個如何將實際問題轉化成一個物理問題的過程，就是建立物理模型的過程，它是分析研究問題的主要手段。無論問題情景多么新穎多變、與日常生活聯系多么密切，大都可以歸結為學生熟悉的物理模型。

例如：有一個人坐在一艘小帆船上以恒定的速率沿著筆直的小河逆流而上，某一時刻從船上掉下一個漂流瓶，經過半個小時，船上的人發現瓶子掉了以后，立即掉轉船頭去追漂流瓶，問多久以后追上瓶子。

很多學生看見這個題目都說做不出來，其實這就存在一個如何把實際生活中的情景同題目聯系起來的問題，而連接兩者的紐帶，就是物理模型。

相信大家都有坐火車的經歷，在火車行駛中，假設你以恒定大小的速率沿著火車行駛的方向從1號車廂走到10號車廂用了10分鐘，那么當你又以這個速率逆著火車行駛方向從10號車廂走回1號車廂用去多少時間？根據經驗，我們可以很快的得出10分鐘這個結論，上面的問題也就迎刃而解了。

中學生的抽象思維能力較差，在分析事物時，他們往往看不到主流與支流、本質與非本質、內部與外部、部分與整體、抽象與具體的區別和聯系，他們的形象思維強而語言的概括能力較弱，容易受到思維定勢的影響，主觀臆斷強而唯物主義觀點較弱，看到事物不易形成概念，因此，學生建立物理模型的心理障礙較多。不過他們思維比較敏銳靈活，接受能力強，有濃厚的好奇心等等，我們可以從以下幾方面嘗試幫助學生建立物理模型。

5.1 實驗引導。

實驗是物理學的基礎，所以，在建立物理模型時離不開實驗。其一般方法是先做有關實驗，使學生在腦海中留下一個直觀的、具體形象的物理模型，在次基礎上作抽象引導，形成一種思維輪廓，變成具有思維特征的物理模型。然后利用學生思維中已建立起來的物理模型去解決一些實際問題 。這樣建立起來的物理模型學生印象深刻。

例如，在講液體的壓強公式時，需要建立“液柱”模型。教學時先在兩端開口的玻璃管的一端用小塑料片堵住管口并插入盛水的大燒杯中，向玻璃管內注入有色酒精，當酒精達到一定的高度時，塑料片下沉，然后取出玻璃管，倒出酒精，再重復上述操作，但向玻璃管中改加入有色的水，當管內外水面相平時，塑料片不下沉，再滴加少許水，塑料片下沉。然后提問：①塑料片為什么會下沉？當管內外水面相平時，塑料片上下兩面所受的水的壓力，壓強如何？②如果取出玻璃管，玻璃管的位置由什么來占據？待學生回答后，教師與學生討論水中剛才被玻璃管所占據位置的“水柱”的底的壓力、壓強情況，就可以引出“液柱”概念。這樣，學生腦海里既有具體“液柱”的形象，又形成了抽象的概念。再推導液體的壓強公式，學生自然容易接受。

5.2 下定義。

有些物理模型的建立，學生要從模型本身的特點給予定義，然后在運用中進一步體會模型的內涵。

例如，建立“理想氣體”模型，首先給出一個框架：嚴格遵守氣體實驗定律的氣體，稱為理想氣體。然后分析實際氣體與理想氣體的區別，并說明實際氣體在壓強不太大（與大氣壓強相比）、溫度不太底（與室溫相比）的情況下，可以近似視為理想氣體。最后運用理想氣體的定義處理具體問題。

5.3 舉例。

在學生已有知識的基礎上，通過舉例的方法，引導學生建立物理模型。

例如，在建立“杠桿”這一物理模型時，先由學生熟習的撬物體實例引出“杠桿”模型：“在力的作用下能夠繞固定點轉動的剛性物體”，并適當引導，分析杠桿模型的三個特征：①物體具有理想的剛性；②受力的作用；③能夠繞固定點轉動。使學生對杠桿模型具有一個清晰的認識。

5.4 例題、習題中引導。

建立物理模型在解答物理例題和習題中經常起著決定性的作用。

例如在題目中出現“接觸面光滑”意即不考慮摩擦；“鐵塊”即可認為是實心的，而“鐵球”有可能是空心的；“輕質彈簧”或“輕繩”即指不考慮彈簧或繩的質量，……。學生若不知道這些模型所包含的物理意義，則不能正確解答有關習題。

6.結束語

模型方法是物理學研究中常用的一種重要研究方法，中學物理教材所敘述的許多物理現象，都是用模型來說明的。本文從中學物理常見的物理模型著手，通過探討物理模型在中學教學中的應用，試圖把物理模型和物理教學結合起來，培養學生的抽象思維能力以及發散思維能力。

新課程教育理論認為，知識是不能傳遞的，教師傳遞的是信息，信息只有通過學生主動學習才能變成學生認知結構中的知識，物理模型的教學不僅僅是一個傳授物理知識的簡單過程，而更應該是在一個傳授物理知識的同時貫穿物理思想方法的過程。在中學物理教學中，循序漸進地啟發、引導學生，合理建立、應用物理模型，養成良好的思維習慣，這對開發學生智力，發展創造性思維，將起到積極的作用。所以，物理模型在教學領域有著重要的價值。

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