浅谈中学的量子物理教学

袁翔 黄福

摘要：量子物理作为物理学发展的一座里程碑，在新课改的背景下应该引起中学教师的重视。本文通过阐述量子物理与经典物理的异同，明确量子论的教学内容：量子化、概率、不确定性以及波粒二象性等内容，阐明量子论的教学目标：让学生初步了解量子物理的基本理论，更多的去感受物理概念和规律的建立，了解物理学的发展，让学生学到的是科学的思想和科学的方法，提高的是科学素养。

关键词：量子物理;经典物理;中学教学

1 量子物理与经典物理的异同

19世纪末，正当人们为经典物理取得重大成就欢呼的时候，正当人们认为物理已经走到尽头，牛顿力学是“终极理论”的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。在经典物理学时期，物理学所探讨的主要是那些用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定律和理论。在宏观低速的世界中，牛顿定律和麦克斯韦电磁理论是很好的自然定律。而对于发生在微观世界中的物理现象，经典物理学就显得无能为力，很多现象没法解释。因此新的理论的诞生就成为必然。普朗克常量、光子、能量量子化等一系列有关量子世界的概念便随之诞生。

1.1 普朗克常量

普朗克常量是量子理论中最重要的一个常量，有了它才产生了一系列的量子化的概念。普朗克常量也成为区分经典物理与量子物理的一个很重要的物理量。在微观世界，当物体的能量、动量等能与普朗克常量相比时，我们要用量子理论去描述。

1.2 量子化

粒子的能量量子化是量子粒子与经典粒子的最大差别。一个经典物体的能量可以取从零到无穷大的所有的值，但量子粒子要满足一些定态条件，其能量只能取某些分立值。这些值中有个最小的，视为基态。这个基态的能量并不是零，这也是与经典理论不同之处。在量子世界，几乎所有的粒子的能量、动量、角动量等物理量都是分立的，处于激发态的原子跃迁时辐射的电磁波的能量也是分立的。在有限深势阱中，当粒子的能量小于零时，其能量只能取分立值，只有大于零也就是粒子在势阱上方时才能取连续值。我们在日常生活中是无法感受到这个分立的情况的。分立与连续成为量子与经典的一个很重要的区别。

1.3 不确定性

量子粒子要满足不确定关系，即位置和动量不能同时确定，也就说如果你想准确的测量一个粒子的位置，那么它的动量就会有一定的范围。进而也可以得出能量和时间也不能同时确定。那么，量子粒子不会局域于某一点，它在空间有个概率分布。其实，在经典物理中同样也存在不确定关系，只是由于位置的测量的不确定度比普朗克常量要大好几个量级，所以动量的不确定度就很小，小到我们的仪器无法测量出来。此时量子理论就回到了经典理论。所以不确定性既是量子与经典的区别

1.4 概率

波函数是量子力学用于描述一个粒子的状态，其模的平方才表示该粒子处在某个位置的概率。也就是说波函数描述的是粒子在空间中某个位置出现的概率，这与经典物理中粒子的轨迹方程很不一样。在经典物理中，一旦给出了粒子的轨迹方程和初始条件我们就可以知道任意时刻粒子的位置、动量和能量等所有信息。但是在量子物理中，就算给了粒子的波函数和初始条件我们也不能判断粒子某个时刻的位置，我们知道的只是粒子在该位置出现的概率。粒子在哪个位置出现和初始条件没有任何关系。我们对粒子进行测量时也不能得到一个确定的值，某些时候得到一个值，另一些时候又得到另一个值，这完全是概率问题。概率是量子论的有一个关键词。

2 中学的量子论教学

2.1 教学目的

量子物理已成为中学教学内容的一部分，在新课改背景下，更应该重视量子论的教学。目的不在于给学生教授量子论的哪些知识，而是让学生了解量子物理，通过量子世界的奇妙现象激发学生对物理学的兴趣。在中学，量子物理如果上升到薛定谔方程、算符、自旋甚至微扰等内容的话，自然是没有必要，关键的是让学生去了解量子物理的思想，了解物理学的伟大变革，了解物理学的发展史，从中去理解科学的本质，体会其中的科学方法、科学思想，感受科学的和谐美。量子物理的教学目的应该是让学生初步了解量子物理的基本理论，更多的去感受物理概念和规律的建立，了解物理学的发展，让学生学到的是科学的思想和科学的方法，提高的是科学素养。量子物理的教学应该重点放在三维目标的第三个维度：情感、态度和价值观上。

2.2 教学内容

本着不以传授知识为目的，以提高学生的科学素养和科学思想的教学目标，量子物理在中学应该采用一种科普的讲法，多讲故事，把难度降到最低。那么讲量子物理到底要讲什么呢？

象的说明，需要跟学生强调电子云中密的地方不是表示粒子多，而是表示粒子在那个地方出现的概率比较大。不确定性其实是对概率的一个补充。正是由于不确定关系，粒子的位置和动量无法确定，故存在一定的范围，在这个范围内各个值有相应的概率分布。

2.3 教学过程

在量子论的教学中，老师要充分调动学生的积极性，利用量子世界的奇妙来吸引学生。除了知识的讲解之外一定要多举例子，多介绍历史。针对波粒二象性可以给学生观看电子双缝干涉实验的视频，视频里有单个电子同时经过双缝的模拟，还有电子干涉的图片：电子数量由少到多时现象的变化等等。在讲述概率时，有一张滑雪者从一棵树穿过的图片能够引起学生的好奇。在讲到不确定性时，可以讲述薛定谔的猫的例子，利用猫的或死或活、非死非活来引起学生的注意力。我在教学过程中给学生讲了薛定谔的猫，让他们看了这些图片和视频，而且讲解的时候带着点神奇，学生都比较感兴趣，很好奇，也都比较兴奋，而且一些善于思考的学生还能提出问题，跟我讨论，这都是成功之处。

此外在教学中还要鼓励学生有兴趣的课后去阅读相关的书籍，如曹天元的《上帝掷骰子吗》或者是一些量子物理学家的传记，通过阅读开拓视野，激发兴趣。

3 结 论

量子理论在现代社会的应用越来越广泛，因此给中学生介绍量子论也显得越来越重要。量子论在中学的教学和普通物理不一样，不需要学生进行计算，只需要它们理解量子的思想，了解量子的发展，知道量子的历史和应用，体会量子给世界带来的变化。所以知识不是重点，思想、情感、兴趣和好奇心的培养，对科学的理解才是量子论在中学教学的目的。

参考文献：

[1]曾谨言. 量子力学导论. 北京大学出版社. 1998，3

[2]沈葹. 量子力學的光辉八十年. 世界科学. 2006. 10， 11， 12