类比教学方法在量子力学课程中的教学探讨

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1、类比教学方法在量子力学课程中的教学探讨　　摘要：本文通过把经典力学、量子力学作对比，论述它们之间的类似之处。在量子力学教学实践中，重点强调量子力学和经典力学的相似点，将类比教学法应用于实践教学中，让学生有意识地接受新知识，对于培养学生发散思维、巩固学生已学知识发挥了一定的作用，并取得了良好的教学效果。　　关键词：类比教学法；量子力学；应用探究　　中图分类号：G642.41文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）24-0100-02　　量子力学作为描写微观物质结构、运动与变化规律的学科，是现代物理学的基础之

2、一，而且在化学和很多近代技术中也有广泛应用。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的，对于量子数大到一定的极限的量子系统，可以用经典理论精确描述。量子力学、经典力学既有区别也有联系，从这些区别和联系入手可以使学生更加容易理解量子力学的新知识。基于此，本文在分析量子力学和经典力学的相似点的基础上，探究并实践了如何让学生加深理解的问题。将类比教学法应用于量子力学的实践教学当中，这样既可以丰富教学内容，提高学生积极性，又可以培养学生创造性思维，同时还可以巩固学生以前学过的经典物理学的相关知识，进而能提升量子力学课教学质量。　　

3、一、类比教学法5　　类比方法是根据两类物理现象在某些性质的相同或相似处，推断出这两类物理现象的另一些性质也相同或相似的一种逻辑推理方法。类比法是专业术语，指由一类事物所具有的某种属性，可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理方法。在我们学习一些十分抽象地看不见、摸不着的物理量时，由于不易理解，我们就拿出一个大家能看见的且与之很相似的事物来进行对照学习。类比方法强调在分析、发现不同事物的共同性质的基础上，把一个事物的属性转移到另一类事物上。类比的过程具有创造性，是科学家常用的思维方法。　　二、量子力学与经典力学的相似

4、点及类比教学法的应用5　　物理学研究的目的是总结、概括各种不同物质在时空中的运动规律，并且把这些规律用数学公式表示出来。量子力学和经典力学的研究对象不同，而宏观和微观物质自身性质的巨大差异，造成了学习量子力学相比于学习经典力学的困难。而另一方面，把量子力学和经典力学类比，找到它们之间的共同点，再进一步推理，可以更加容易理解量子力学理论。在处理物体直线运动或是自由落体运动时，我们自然会想到在（x，y，z）所组成的空间坐标系中，根据牛顿运动学定律，分析物体的状态随时间的变化情况。每一时刻，物体的位置可以用三维空间里的任何一

5、个点的坐标表示出来。为了方便地处理不同物理问题，空间直角坐标系可以变换成柱坐标系、球坐标系。处理物体的碰撞时，把实验室坐标系换成质心坐标系，利用动量守恒原理，也可以使表达式更加简单，易于求解。因此，选择最佳的坐标系，可以让复杂的问题变的简单。在微观世界中，量子力学仍然需要在恰当的坐标系中讨论物理问题。在经典力学中，物体处在某个状态的位置和角动量可以被精确的计算。但是，对于微观体系，比如一个电子在原子中的环绕原子核运动，它的位置、动量不能同时精确确定。当该电子处于定态时，它的能量不会随时间变化，即它的能量守恒。这时，我们

6、可以把电子放在能量坐标系中讨论。在数学中，希尔伯特空间是欧几里得空间的一个推广，它不再局限于有限维的情形。在量子力学中，能量坐标系被称为能量表象。量子力学中常见的表象包括：动量表象，能量表象，粒子数表象等。在矩阵力学中，把状态Ψ看成是一个列向量。选择一个特定的Q表象，就相当于选取一个特定的坐标系。■的本征函数u1（x1），u2（x2），u3（x3）…un（xn）就是这个表象的基矢，相当于笛卡尔坐标系的单位矢量i，j，k；波函数a1（t），a2（t）…an（t），是态矢量Ψ在Q表象中沿基矢方向的“分量”，正如A沿i，j，

7、k三个方向的分量是（Ax，Ay，Az）一样；■本征函数的归一性，类似于几何坐标系的i?i≡j?j≡k?k≡1；而本征函数的正交性，类似于几何坐标系中i?j≡i?k≡j?k≡0[5]。在量子力学中，■的本征函数有无限多，称态矢量所在空间是无限维的希尔伯特空间。由此看来，几何坐标和力学表象是同一个概念，只是处理不同的问题时，选择不同的坐标系可以减小复杂程度。在量子力学中如果知道了状态的波函数，那么粒子处于空间某点的几率，以及力学量的平均值均可求得，因此说波函数完全描述粒子体系的运动状态。而对于同一个状态，在不同的表象中，有

8、不同的波函数形式。量子力学的一种基本假设是波函数满足态叠加原理：　　ψ≡c1ψ1+c2ψ2+K+cnψn（1）　　此式的物理意义是量子体系的一般状态是所有本征态的线性叠加。Ψ5n是体系的可能态，相应的概率分别为

9、ck

10、2，而且满足归一化■c■■≡1。在经典力学中，伽利略变换可以变换不同的惯性系。量子力学则借助幺正矩阵来实现不同表象