量子力學(xué)應(yīng)用舉例精選(九篇)

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第1篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

關(guān)鍵詞：自然哲學(xué)　量子革命　系統(tǒng)辯證法

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

一

自然哲學(xué)在哲學(xué)史上有過兩個(gè)全盛時(shí)期（古希臘及近代機(jī)械論），只是在謝林、黑格爾之后衰落了。由于20世紀(jì)三大科學(xué)革命的強(qiáng)大影響，自然哲學(xué)正在當(dāng)代復(fù)興起來，這是十分令人鼓舞的。我們先從三大科學(xué)革命說起。

首先要提到的是相對(duì)論革命對(duì)改造人類世界圖景的貢獻(xiàn)。在1905年的狹義相對(duì)論中，時(shí)空性質(zhì)依賴于參照系等概念是對(duì)“觀察無關(guān)性”的經(jīng)典信念的初次沖擊；1915年的廣義相對(duì)論把引力場(chǎng)（它具有整體全息相關(guān)性）確立為新的“獨(dú)立的實(shí)在”，這是對(duì)牛頓的實(shí)體觀的又一次打擊。接著要論述的是量子革命，它比相對(duì)論革命更為深刻地改變著人類的世界圖景。因?yàn)?925年以后所創(chuàng)建的量子力學(xué)進(jìn)一步使笛卡兒與牛頓以來的主客絕對(duì)二分原則、實(shí)體主義原則乃至嚴(yán)格決定論原則都受到猛烈沖擊。最后要強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)科學(xué)革命。20世紀(jì)中葉以來近半個(gè)世紀(jì)系統(tǒng)科學(xué)的蓬勃發(fā)展表明，從總體上說，系統(tǒng)自然觀集中體現(xiàn)了當(dāng)代自然圖景的精華，因此系統(tǒng)自然觀幾乎成了當(dāng)代自然科學(xué)的世界圖景的代名詞，貝塔朗菲稱之為“一種新的自然哲學(xué)”。20年代所出現(xiàn)的懷特海的“機(jī)體論哲學(xué)”則是這種自然哲學(xué)之先聲。

當(dāng)代的系統(tǒng)自然觀借助于維納的控制論(1949)、貝塔朗菲的一般系統(tǒng)論(1948)、普利高津的耗散結(jié)構(gòu)論(1969)和哈肯的協(xié)同學(xué)(1971)等理論復(fù)活了亞里士多德的機(jī)體論和內(nèi)在目的論的自然哲學(xué)?！?〕控制論通過對(duì)“動(dòng)物（即生命系統(tǒng)）和機(jī)器（即非生命系統(tǒng)）的通用規(guī)律”的研究表明，自動(dòng)機(jī)器通過反饋調(diào)節(jié)機(jī)制可以表現(xiàn)出與神經(jīng)控制同樣的合目的性或規(guī)律。[1]維納在《控制論》中對(duì)牛頓的嚴(yán)格決定論進(jìn)行了深刻有力的批判，肯定了統(tǒng)計(jì)力學(xué)家吉布斯把偶然性引進(jìn)到科學(xué)中來的重大的方法論意義，并突破了目的論與機(jī)械論之間的兩極對(duì)立。莫諾在《偶然性與必然性——略論現(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)》(1971)一書中，則用生物微觀控制論表明，借助于生物化學(xué)和分子生物學(xué)層次的反饋機(jī)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(jìn)化的必然軌道；耗散結(jié)構(gòu)論表明，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下開放系統(tǒng)可以通過非線性正反饋機(jī)制的作用表現(xiàn)出有序化和合目的性；協(xié)同學(xué)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)序參量是整個(gè)自組織過程的主宰如此等等?？傊羞@些自動(dòng)機(jī)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(tǒng)也象自動(dòng)機(jī)一樣可以憑借內(nèi)在機(jī)制的作用呈現(xiàn)合目的性。從這個(gè)特定意義上說，認(rèn)為宇宙＝巨大的超級(jí)自動(dòng)機(jī)的“機(jī)械論”是對(duì)的，而非神學(xué)性的宇宙“內(nèi)在目的論”也是對(duì)的。從歷史上看，牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)是對(duì)亞里士多德的目的論自然哲學(xué)的否定?，F(xiàn)在，我們的立足于系統(tǒng)科學(xué)的新自然哲學(xué)則應(yīng)看作一種“否定之否定”。它是對(duì)機(jī)械論與目的論自然哲學(xué)的更高的辯證綜合。

當(dāng)代自然哲學(xué)（它以系統(tǒng)自然觀及其系統(tǒng)辯證法為核心或靈魂）最有革命性的一個(gè)方面，也許表現(xiàn)在反嚴(yán)格決定論和對(duì)偶然性客觀意義的新認(rèn)識(shí)。直到現(xiàn)在為止，一般人都相信“近似決定論”：只要近似知道一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和初始條件就可以足夠好地計(jì)算出系統(tǒng)的近似行為。可是混沌學(xué)中著名的“蝴蝶效應(yīng)”，即系統(tǒng)演化進(jìn)程對(duì)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(xué)家洛侖茲在1961年發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)是不可能的。因?yàn)榧词箤?duì)于嚴(yán)格確定的氣象方程組，初始條件的小誤差，也會(huì)導(dǎo)致災(zāi)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(dòng)，經(jīng)由地球大氣系統(tǒng)中的逐級(jí)放大，最終可能在南美洲引起大風(fēng)暴。這種由決定論引出來的混沌，對(duì)經(jīng)典觀念的打擊是毀滅性的?；煦绺锩訌?qiáng)并深化了量子革命。

通過量子力學(xué)、分子生物學(xué)、協(xié)同學(xué)乃至混沌學(xué)的研究，現(xiàn)代科學(xué)家越來越認(rèn)識(shí)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(nèi)在機(jī)制的重要性。為恩格斯贊同過的黑格爾關(guān)于“必然性自己規(guī)定自己為偶然性，……偶然性又寧可說是絕對(duì)的必然性”（〔2〕，第562—563頁）的辯證論斷，得到最新自然科學(xué)的支持。正如馬克斯·玻恩在《關(guān)于因果與機(jī)遇的自然哲學(xué)》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果與機(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，其中機(jī)遇是有規(guī)則的。同樣，在哈肯的協(xié)同學(xué)演化方程（如福克-普朗克方程和郎之萬方程）中，決定論力項(xiàng)與隨機(jī)力項(xiàng)是共同起作用的。在混沌理論中，混沌本是由決定論規(guī)律引出的內(nèi)在的無序和不規(guī)則性，然而對(duì)混沌吸引子的相空間圖解研究卻表明，即使混沌也有精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中機(jī)遇也是有規(guī)則的，偶然性與必然性相互作用的深層非線性機(jī)制是可以認(rèn)識(shí)的。從量子力學(xué)到系統(tǒng)科學(xué)的研究表明，概率統(tǒng)計(jì)定律是比嚴(yán)格決定論定律更好的認(rèn)識(shí)工具，但原有的“大數(shù)定律”與“統(tǒng)計(jì)平均值”等概念對(duì)于描述偶然性已經(jīng)顯得太粗糙了，非線性數(shù)學(xué)該出陣參戰(zhàn)了。因?yàn)槲ㄓ薪柚诜蔷€性數(shù)學(xué)才可能認(rèn)清偶然性起作用的深層結(jié)構(gòu)機(jī)制。

當(dāng)代自然哲學(xué)中的系統(tǒng)整體論思想也是相當(dāng)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(jīng)成為背景知識(shí)不可缺少的一部分。這一觀念也是牛頓的機(jī)械論自然哲學(xué)的一個(gè)基本要素（它與實(shí)體主義、還原主義相協(xié)調(diào)）。然而，一般系統(tǒng)論中的貝塔朗菲原理“整體不等于各部分簡(jiǎn)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(jī)械論的還原主義。量子力學(xué)中的全域相關(guān)性和粒子物理學(xué)中的新奇現(xiàn)象（“基本”粒子分割到一定限度，將出現(xiàn)“部分大于整體”的佯謬）以及生態(tài)系統(tǒng)的整體關(guān)聯(lián)性（卡普拉《轉(zhuǎn)折點(diǎn)》，1989）都支持貝塔朗菲的系統(tǒng)整體觀。

總之，以現(xiàn)代物理學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)為代表的當(dāng)代科學(xué)革命已經(jīng)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(xué)辯證法和系統(tǒng)科學(xué)辯證法精神的全新的自然哲學(xué)的出現(xiàn)。

二

現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)入當(dāng)代自然哲學(xué)的主要疑難及其可能解法的討論。

鑒于機(jī)械論自然哲學(xué)所遇到的困難，當(dāng)代自然哲學(xué)所要討論的主要問題可以歸結(jié)如下：1.自然本體的性質(zhì)問題。物理實(shí)在究竟是孤立的實(shí)體還是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的存在？“潛在”是否也是物理實(shí)在的基本形態(tài)之一？究竟是否存在終極實(shí)在？2.物理實(shí)在所遵循的規(guī)律究竟是決定論還是非決定論的？自然系統(tǒng)究竟是必然性還是偶然性所支配的？偶然性應(yīng)當(dāng)具有怎么樣的本體論地位（是否應(yīng)當(dāng)有）？3.所謂“觀察者侵入物理事件”的實(shí)質(zhì)是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系統(tǒng)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(tǒng)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(jī)械論勢(shì)不兩立？它又如何與神學(xué)劃清界線？下面我們將依次詳細(xì)分析這些問題：

1.自然本體或物理實(shí)在的性質(zhì)問題。

牛頓機(jī)械論自然哲學(xué)的本體論或?qū)嵲谟^的要害就在于實(shí)體主義。一切物理實(shí)在被認(rèn)為都有實(shí)體性、實(shí)存性，自然被等同于實(shí)體的集合（簡(jiǎn)單相加的總和），一種在絕對(duì)空間構(gòu)架中的機(jī)械性的存在物。然而，在新的原子科學(xué)中，從前認(rèn)為不容置疑的“實(shí)體實(shí)存”原則已經(jīng)失效。明確的電子“軌道”或光子“路徑”等經(jīng)典性觀念在量子力學(xué)中是不允許的。電子實(shí)際上以“電子云”方式存在著，它并沒有絕對(duì)分明的輪廓，而且只是或然地顯現(xiàn)出來。如“測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系”所要求的，電子的位置與相應(yīng)的動(dòng)量具有天生的不確定性，決不可能同時(shí)有確定的值，因而人們決不可能同時(shí)測(cè)量到其確定的值。所有這些事實(shí)，如果從牛頓的經(jīng)典本體論的眼光來看簡(jiǎn)直是不可理解的，因?yàn)椤皾撛谛浴庇^念完全沒有地位。

實(shí)際上，現(xiàn)代物理學(xué)家海森伯在批判牛頓機(jī)械論實(shí)在觀的基礎(chǔ)上，確實(shí)發(fā)展了一種全新的、更廣義的“潛在”實(shí)在觀。他根據(jù)量子力學(xué)事實(shí)總結(jié)出，潛在是介于可能與現(xiàn)實(shí)之間的物理實(shí)在的新型式，它被認(rèn)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(shí)在概念的變化，并不是過去的簡(jiǎn)單的繼續(xù)，而卻象是現(xiàn)代科學(xué)結(jié)構(gòu)的真正破裂?！保ā?〕，第2頁）“幾率波的概念是牛頓以來理論物理學(xué)中全新的東西?！莵喞锸慷嗟抡軐W(xué)中‘潛在’(potentia)這個(gè)老概念的定量表述。它引入了某種介乎實(shí)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(shí)在性之間的一種新奇的物理實(shí)在?！保ā?〕，第11頁）“事件并不一定是確定的，而是可能發(fā)生或傾向于發(fā)生的事情便構(gòu)成了宇宙中的實(shí)在”。（〔4〕，第177頁）

總之，海森伯認(rèn)為量子理論意味著實(shí)在觀念的革命，牛頓機(jī)械論的實(shí)在觀念已經(jīng)失效。他舉例說，幾率波、量子態(tài)、電子軌道等都與統(tǒng)計(jì)期望值相關(guān)聯(lián)，表示傾向性的、潛在的物理實(shí)在，這是物理實(shí)在的新形式。

現(xiàn)代粒子物理學(xué)的新假說把潛在性觀念發(fā)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(xué)說[2]，斷然否定了終極實(shí)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(tǒng)實(shí)在論與系統(tǒng)辯證法完全本體論化了！由于任何粒子都可以充當(dāng)基礎(chǔ)粒子，用以構(gòu)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(shí)體。說一個(gè)質(zhì)子可以由中子和π介子所構(gòu)成，或者說它是由Λ超子和K介子所構(gòu)成，或者說它是由兩個(gè)核子和一個(gè)反核子所構(gòu)成，甚至說是由場(chǎng)的連續(xù)質(zhì)所構(gòu)成。所有這一切可能性是同樣真實(shí)地存在的。應(yīng)當(dāng)說，所有這些陳述都同樣地正確又同樣地不完善。因?yàn)檎鎸?shí)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(xué)家武谷三男的話來說：“作為終極要素的實(shí)體——基本粒子本身也是相互流動(dòng)地相互轉(zhuǎn)化的。這件革了以前的物質(zhì)觀，顯示了辯證邏輯的正確性。”（〔5〕，第28頁）

我們的進(jìn)一步的問題是：作為自然本體的物理實(shí)在究竟是否可以歸結(jié)為互相孤立的實(shí)體？還是從本質(zhì)上說只能是依賴系統(tǒng)場(chǎng)境的整體全息相關(guān)的存在？在對(duì)著名的EPR假想[3]的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中所表現(xiàn)出來的量子關(guān)聯(lián)（即遠(yuǎn)距粒子之間的整體相關(guān)性）很好地回答了這一問題。正如美國科學(xué)哲學(xué)家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我們生活在一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正在開始闡明哲學(xué)問題的非凡時(shí)代”。而今最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)相隔幾米且又沒有彼此傳遞信息機(jī)制的實(shí)體可能被相互糾結(jié)在一起，即它們的行為可以有極顯著的相關(guān)性，以致對(duì)其中一個(gè)實(shí)體進(jìn)行測(cè)量將瞬時(shí)地影響到另一個(gè)實(shí)體的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)新奇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷然否定了愛因斯坦等人(EPR)的預(yù)設(shè)（即“空間上遠(yuǎn)隔的客體的實(shí)在狀態(tài)必定是彼此獨(dú)立的”），卻符合量子力學(xué)的系統(tǒng)整體觀。正如玻爾所注意到的，量子現(xiàn)象是作為整體而存在的，其中所反映出來的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是不可消解的。量子現(xiàn)象的整體性不允許人們對(duì)它作機(jī)械的切割并把這種切割物認(rèn)作它自身。因此我們有理由說，量子力學(xué)的整體實(shí)在觀是與系統(tǒng)整體觀相通的，量子辯證法與系統(tǒng)辯證法相互滲透，量子革命與系統(tǒng)科學(xué)革命相互支持。因此，作為科學(xué)革命的結(jié)晶，新自然哲學(xué)主張，物理實(shí)在的部分性質(zhì)取決于整體，取決于系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從根本上說，自然本體是整體全息相關(guān)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(rèn)為不容置疑的機(jī)械論自然哲學(xué)的“嚴(yán)格決定論”預(yù)設(shè)，如今在新的原子科學(xué)中也已經(jīng)失效。人們向來認(rèn)為，自然科學(xué)和“自然科學(xué)唯物主義”有一個(gè)不可動(dòng)搖的支柱：這就是嚴(yán)格決定論。對(duì)自然科學(xué)的這種見解，最典型地表現(xiàn)在拉普拉斯杜撰的那個(gè)精靈故事中，據(jù)說這個(gè)精靈（超智慧者）知道世界現(xiàn)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(tài)。這個(gè)被后人稱作“拉普拉斯妖”的理想實(shí)驗(yàn)正是嚴(yán)格決定論的化身。可是，現(xiàn)在在微觀領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)了與這種嚴(yán)格決定論原則相違背的種種反常事實(shí)。簡(jiǎn)略地說，熱學(xué)與分子物理學(xué)的研究表明，氣體分子運(yùn)動(dòng)是包含不確定性的自然進(jìn)程，由于初始條件捉摸不定，單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為純粹的偶然事件。分子運(yùn)動(dòng)論乃至統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立表明，概率統(tǒng)計(jì)定律也是自然描述不可缺少的一種基本形式。

強(qiáng)調(diào)概率統(tǒng)計(jì)定律重要性的科學(xué)思想反映到自然哲學(xué)中去，就成為“統(tǒng)計(jì)決定論”。其要旨可概括如下：對(duì)于一些包含不確定性的自然過程，雖然嚴(yán)格決定論不能直接應(yīng)用，但若應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法研究大量單個(gè)偶然事件的平均行為，卻可以找出明顯的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。換句話說，這些自然過程在統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)決定論的科學(xué)基礎(chǔ)在于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)則在于，認(rèn)為盡管大量分子的集團(tuán)行為滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但從底層基礎(chǔ)而言，單個(gè)分子（單個(gè)過程）仍遵守牛頓定律，滿足嚴(yán)格決定論。這樣，統(tǒng)計(jì)決定論并不把不確定性歸因于基礎(chǔ)規(guī)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(shí)的不完備性）。因此，統(tǒng)計(jì)決定論只是嚴(yán)格決定論的補(bǔ)充形式。

然而，將概率統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)真正貫徹到底，最終導(dǎo)致量子物理學(xué)的興起，而測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)則使嚴(yán)格決定論淪為無意義的空想。

在現(xiàn)代科學(xué)家中第一個(gè)對(duì)“非完全決定論”（即under-determinism，這個(gè)詞的不恰當(dāng)?shù)奶娲~是indeterminism，即非決定論）有十分清醒認(rèn)識(shí)的是哥廷根學(xué)派的馬克斯·玻恩。他在名著《關(guān)于因果和機(jī)遇的自然哲學(xué)》中對(duì)非完全決定論作了比其他量子物理學(xué)家（如玻爾、海森伯等）更為系統(tǒng)和透徹的分析。通過對(duì)玻恩文本的適當(dāng)解釋、調(diào)整與轉(zhuǎn)譯，我們可以提煉出對(duì)當(dāng)代自然哲學(xué)極有價(jià)值的內(nèi)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(xiàn)形式，是與量子力學(xué)相應(yīng)的概率決定論。其要點(diǎn)如下：(1)單個(gè)（量子）過程內(nèi)在地是幾率性的、非決定性質(zhì)的；(2)“自然界同時(shí)受到因果律和機(jī)遇律的某種混合方式的支配?！保ā?〕，第9頁）(3)機(jī)遇律是自然律的終極形式，偶然性有規(guī)則，“它們是用數(shù)學(xué)上的概率論表述出來的?！保ā?〕，第7頁）

關(guān)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(gè)爭(zhēng)論，波普有一個(gè)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(guī)則、毫無秩序又有點(diǎn)難以預(yù)測(cè)；“鐘”就是家家都有的時(shí)鐘，代表高度的確定性，它非常有規(guī)則、有秩序又是高度可預(yù)測(cè)的。這是兩個(gè)不同的極端，一端變化莫測(cè)，另一端高度精確。一般的自然事物往往處在這兩個(gè)極端之間。波普用“所有的云都是鐘”（當(dāng)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(dāng)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(rèn)識(shí)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?！保ā?〕，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(dāng)?shù)胤Q作“非完全決定論”，它意味著對(duì)偶然性與必然性、因果與機(jī)遇的某種辯證綜合，這就是當(dāng)代自然哲學(xué)對(duì)這一爭(zhēng)論所作的正確解。以上我們是借用M.玻恩與波普的話，經(jīng)校正、轉(zhuǎn)譯納入自己的概念框架，并用以闡發(fā)自己的“非完全決定論”觀點(diǎn)?！?〕

現(xiàn)代生物學(xué)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(xiàn)代生物學(xué)的自然哲學(xué)）》中，從分子生物學(xué)的材料出發(fā)，有力地抨擊了嚴(yán)格決定論，并為恢復(fù)偶然性在自然哲學(xué)中的本體論地位付出極大的努力。莫諾是這樣說的：

當(dāng)偶然事件——因?yàn)樗偸仟?dú)一無二的，所以本質(zhì)上是無法預(yù)測(cè)的——一旦摻入了DNA的結(jié)構(gòu)之中，就會(huì)被機(jī)械而忠實(shí)地進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)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(jìn)入了必然性的范圍，進(jìn)入了相互排斥、不可調(diào)和的確定性的范圍了。因?yàn)樽匀贿x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(dú)自從一個(gè)噪聲源泉中譜寫出生物界的全部樂曲。（著重號(hào)為引者所加）（〔9〕，第88頁）

莫諾這段話應(yīng)當(dāng)看作關(guān)于生物自然界的非完全決定論，關(guān)于極小幾率的偶然事件向極嚴(yán)格規(guī)律轉(zhuǎn)化過程的生動(dòng)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(lián)系、相互作用方式的絕妙比喻。當(dāng)然，由于莫諾有時(shí)十分不恰當(dāng)?shù)貙?yán)格決定論與辯證唯物論混為一談，應(yīng)當(dāng)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(nèi)容還由于系統(tǒng)科學(xué)的興起而得到了進(jìn)一步豐富和加強(qiáng)。有人因之稱作系統(tǒng)決定論。其要旨可概括如下：

一般的自然界的復(fù)雜系統(tǒng)（在自然哲學(xué)中姑且撇開社會(huì)系統(tǒng)），不能由它的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)通過簡(jiǎn)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(tǒng)的存在與演化仍有相當(dāng)確定的規(guī)律可循，機(jī)遇與因果共同決定著系統(tǒng)的存在和發(fā)展，因而系統(tǒng)在整體上仍有決定性。

具體地說，系統(tǒng)演化的主要機(jī)理就在于機(jī)遇性漲落、反饋和非線性作用。人們常喜歡將借助于系統(tǒng)科學(xué)特有的資料所認(rèn)識(shí)的辯證法，稱作“系統(tǒng)辯證法”。系統(tǒng)科學(xué)從自己的角度闡明了因果與機(jī)遇、決定性與隨機(jī)性的辯證法：自組織系統(tǒng)作為遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，以偶然的隨機(jī)的漲落為誘導(dǎo)，通過正反饋和非線性放大，某一漲落在矛盾競(jìng)爭(zhēng)之中取得支配地位，成為序參量，于是使系統(tǒng)的演化納入必然的軌道，建立時(shí)空、功能上的新的有序狀態(tài)。系統(tǒng)辯證法與矛盾辯證法在自組織動(dòng)力學(xué)機(jī)制的解釋上是高度一致的：當(dāng)自組織系統(tǒng)處于不穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部矛盾全面展開并有所激化，與各種子系統(tǒng)及其要素的局部耦合關(guān)系和運(yùn)動(dòng)特性相聯(lián)系的模式和參量都異?；钴S，各種參量的漲落此起彼伏，它們都蘊(yùn)含著一定的結(jié)構(gòu)與組織的胚芽，為了建立自己的獨(dú)立模式并爭(zhēng)奪對(duì)全局的支配權(quán)，它們之間進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)與對(duì)抗，時(shí)而“又聯(lián)合又斗爭(zhēng)”，最后才選拔出作為主導(dǎo)模式的序參量。非完全決定論在協(xié)同學(xué)的描述系統(tǒng)演化的數(shù)學(xué)方程中也得到反映。如郎之萬方程（描述布朗運(yùn)動(dòng)的）和?？?普朗克方程中，概率論描述與因果性描述共處于一體，隨機(jī)作用項(xiàng)與決定論作用項(xiàng)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(xué)看，它們體現(xiàn)了機(jī)遇律與因果律的辯證綜合。

3.物理事件與觀察的關(guān)系、主體-客體相互作用問題。

從前認(rèn)為不容置疑的“客觀事件與任何觀測(cè)無關(guān)”的自然哲學(xué)信條，如今在新的原子科學(xué)中同樣也正在失效。正如海森伯所指出，經(jīng)典物理學(xué)的真正核心，也就是物理事件在時(shí)間、空間上的客觀進(jìn)程與任何觀測(cè)無關(guān)的信念，由于許多量子實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)而受到?jīng)_擊。而現(xiàn)代物理學(xué)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(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)與觀測(cè)無關(guān)的“純客觀事件”或不依賴于觀察者和相關(guān)參照系的“絕對(duì)時(shí)間”，就無異于指望極地探險(xiǎn)家在南極圈尚未勘查過的地方會(huì)發(fā)現(xiàn)“世界盡頭”，那只能是不切實(shí)際的幻想。（〔4〕，第4頁和第9頁）對(duì)原子、電子那樣的客體的任何一次射線照射或觀測(cè)都足以破壞其初始狀態(tài)，而且由于或然性和不可逆性，這種狀態(tài)不可恢復(fù)。

玻爾為量子力學(xué)所作的“互補(bǔ)性詮釋”中一個(gè)最基本的思想是：觀察者（主體）與被觀察者（客體）之間的嚴(yán)格劃界是不可能的，因?yàn)樵趯?shí)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(jìn)行觀察的觀察者）或是純粹的“客體”（可以絕對(duì)隔絕外界作用而界定被觀察系統(tǒng)的孤立狀態(tài)）概念都只是經(jīng)典物理學(xué)所作的理想化，而這兩種理想化既是相互補(bǔ)充又是相互排斥的?！?1〕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(shí)含義。

實(shí)際上，從當(dāng)代自然哲學(xué)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(nèi)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(jié)所在。

正如羅森菲爾德所指出，所謂“觀察者介入原子事件進(jìn)程”的局勢(shì)，容易產(chǎn)生科學(xué)事實(shí)的客觀性被敗壞的假象，因此我們必須與機(jī)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(jī)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(guān)系的客觀性質(zhì)。（〔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(jìn)物理學(xué)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(cè)有關(guān)”原則并不意味著我們可以拋棄客觀實(shí)在而接受主觀主義。

4.系統(tǒng)整體實(shí)在觀問題。在闡述以上各個(gè)問題的過程中，我們實(shí)際上已經(jīng)闡明了整體實(shí)在觀的基本觀點(diǎn)：“整體不同于各部分機(jī)械相加的總和”。自然本體是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的存在、處在相對(duì)相關(guān)中的存在，是整體全息相關(guān)的實(shí)在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作為統(tǒng)一的不可分割的整體而存在的，其中即使是每個(gè)部分內(nèi)在的性質(zhì)（波或粒子）也在一定程度上依賴于場(chǎng)境。其實(shí)，人本身就是自然的產(chǎn)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(nèi)在化的觀點(diǎn)來理解自然本體。只是在系統(tǒng)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(jiǎn)單地說，當(dāng)代自然哲學(xué)的目的論觀是亞里士多德內(nèi)在目的論的復(fù)活和發(fā)展，是現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)目的論觀的升華。宇宙象是一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，自然系統(tǒng)（包括生命系統(tǒng)和非生命自組織系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、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(jī)制的作用得到合理解釋?！?〕

例如，自然選擇的實(shí)質(zhì)問題是由生物哲學(xué)所提出的一個(gè)重要問題。按照生物控制論的初步解答，關(guān)于生物進(jìn)化的自然選擇機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是一種以偶然的突變?yōu)樗夭?，通過反饋調(diào)節(jié)的最優(yōu)化控制機(jī)制。艾根的超循環(huán)理論則進(jìn)一步明確，在大分子的自組織階段，在生化反應(yīng)的超循環(huán)中選擇價(jià)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(qiáng)化、優(yōu)化并向更高水平進(jìn)化。這里，一方面自然選擇表現(xiàn)為自然本身的純物質(zhì)性的有規(guī)則的相互作用過程，但它不同于牛頓的機(jī)械因果性模式，因?yàn)槠渲型蛔兣c選擇機(jī)制、機(jī)遇與因果是辯證地聯(lián)合起作用的；另一方面，盡管它排除了自然神力的干預(yù)，卻仍然是合目的性的過程，因?yàn)樗凶砸龑?dǎo)的、自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能（使物種或分子擬種適應(yīng)環(huán)境）。這樣，按系統(tǒng)辯證法重新解釋過的合理的目的論又能與神學(xué)劃清界線。

三

正如我們已經(jīng)看到的，20世紀(jì)早期的相對(duì)論量子論革命向統(tǒng)治思想界長(zhǎng)達(dá)二三百年之久的機(jī)械論自然哲學(xué)，提出了全面的詰難和挑戰(zhàn)，并給予毀滅性的打擊。當(dāng)代自然哲學(xué)正是在克服舊自然哲學(xué)的危機(jī)，在回答新興自然科學(xué)所提出的詰難和挑戰(zhàn)的過程中逐步建立起來的。20世紀(jì)中葉以來以系統(tǒng)科學(xué)群為代表的新興科學(xué)的迅速發(fā)展，豐富了當(dāng)代自然哲學(xué)的內(nèi)涵，加速了人類自然圖景革新的步伐。

總起來說，當(dāng)代自然哲學(xué)的核心觀點(diǎn)，可以簡(jiǎn)要地重新概括如下：

1.自然本體是依賴于系統(tǒng)場(chǎng)境的、在關(guān)系中生成的、流動(dòng)的實(shí)在，作為孤立實(shí)體的終極實(shí)在根本不存在，“潛在”是物理實(shí)在的一種新形式；2.自然系統(tǒng)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(jī)遇聯(lián)合統(tǒng)治的，此兩者互斥又互補(bǔ)。偶然性的本體論地位是：它是自然本體本質(zhì)中的一個(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)要素。偶然性存在精細(xì)的非線性作用機(jī)制（由混沌革命所發(fā)現(xiàn)?。?.物理事件與觀測(cè)有關(guān)，人作為自然系統(tǒng)的一分子只能用參與者的身分和內(nèi)在化的觀點(diǎn)來觀察自然，絕對(duì)的主客二分只是不切實(shí)際的幻想；4.系統(tǒng)整體觀在總體上比還原主義更為合理，不過為了進(jìn)行精細(xì)的研究，有節(jié)制的還原主義仍是必不可少的和有啟發(fā)力的，兩者其實(shí)是互斥又互補(bǔ)的。5.自然系統(tǒng)的合目的性可以按自組織觀點(diǎn)得到最合理的解釋，目的論與機(jī)械論也是互斥又互補(bǔ)的。

最后，我們所要強(qiáng)調(diào)的是偶然性的恰當(dāng)?shù)谋倔w論地位問題。迄今仍有不少讀者受過時(shí)的哲學(xué)教科書的影響，把偶然性當(dāng)作一種外在的、主觀的、局部的、非本質(zhì)的和不穩(wěn)定的或暫時(shí)的東西。其實(shí)這種看法有違辯證法的本意，可以毫不客氣地說它屬于機(jī)械論的范疇。通過對(duì)量子辯證法與系統(tǒng)辯證法的研究，我們可以十分有把握地說：機(jī)遇或偶然性在本體論中恰恰是一種內(nèi)在的、固有的、普遍的、本質(zhì)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(zhì)的一個(gè)規(guī)定、一個(gè)方面和一個(gè)環(huán)節(jié)”，是“本質(zhì)自身在自身中的表現(xiàn)”。機(jī)遇與偶然性是客觀的并且具有自己的非常獨(dú)特的規(guī)律。在新自然哲學(xué)中，我們不能再滿足于把偶然性看作必然性的“補(bǔ)充形式”的外在化理解，而要比以往任何時(shí)候都更加清醒地認(rèn)識(shí)到，機(jī)遇與因果相互聯(lián)結(jié)、相互滲透，辯證地融為一體。在非完全決定論中，偶然性恢復(fù)了它本來應(yīng)有的本體論地位，機(jī)遇與因果，偶然性與必然性以幾率或統(tǒng)計(jì)性乃至“混沌吸引子”為中介辯證地聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)，精確而形象地展示出系統(tǒng)演化過程中機(jī)遇與因果如何聯(lián)合起作用的深層非線性機(jī)制，進(jìn)一步豐富了對(duì)自然本體辯證內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。

應(yīng)當(dāng)說，這是量子辯證法與系統(tǒng)辯證法對(duì)矛盾辯證法的一項(xiàng)貢獻(xiàn)，它們本應(yīng)是相得益彰的。

參考文獻(xiàn)

〔1〕桂起權(quán)：《目的論自然哲學(xué)之復(fù)活》，載“自然辯證法研究”1995(7)，并收入?yún)菄⒅骶帯蹲匀徽軐W(xué)》一書，中國社科出版社1994年版。

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〔3〕海森伯：《物理學(xué)與哲學(xué)》商務(wù)印書館1984年版。

〔4〕海森伯：《嚴(yán)密自然科學(xué)基礎(chǔ)近年來的變化》上海譯文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理學(xué)方法論論文集》商務(wù)印書館1975年版。

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

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

〔10〕桂起權(quán)：《科學(xué)思想的源流》武漢大學(xué)出版社1994年版。

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

〔12〕羅森菲爾德：《量子革命》商務(wù)印書館1991年版。

注釋：

[1]正是在這一意義上，梁實(shí)秋在《遠(yuǎn)東英漢大辭典》中，將控制論(cybernetics)譯作神經(jīng)機(jī)械學(xué)。

第2篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

物理學(xué)本身是其實(shí)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(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)語言描述起來就變成了枯燥晦澀的數(shù)學(xué)公式。作為教師，我們需要將這些數(shù)學(xué)公式還原回到生活，使乏味的物理課堂重新變得生動(dòng)有趣。這實(shí)際上也是將理論聯(lián)系到實(shí)際的過程，而這點(diǎn)恰恰又是大學(xué)生最缺乏的。例如，作為光波薄膜干涉的應(yīng)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(dòng)具體。物理學(xué)是自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，跟許多專業(yè)學(xué)科都有交叉，如果能夠因人而異地應(yīng)用例舉，就會(huì)引起不同專業(yè)學(xué)生的共鳴，引發(fā)其對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。例如對(duì)于數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)物理和數(shù)學(xué)間密不可分的聯(lián)系，物理和數(shù)學(xué)的發(fā)展是相輔相成的，牛頓當(dāng)年就是在研究物理問題的時(shí)候發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具不夠了，才轉(zhuǎn)頭去研究數(shù)學(xué)，發(fā)明了微積分；所有的物理學(xué)家無一例外地都有著驕人的數(shù)學(xué)功底。

又如，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生往往對(duì)自己的專業(yè)———計(jì)算機(jī)更感興趣，其實(shí)，計(jì)算機(jī)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(xué)，半導(dǎo)體，甚至牛頓力學(xué)，都是計(jì)算機(jī)誕生的基礎(chǔ)理論，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在電子器件中，電子在電場(chǎng)的作用下沿著設(shè)定的電路運(yùn)動(dòng)，就實(shí)現(xiàn)了器件的功能?？萍嫉陌l(fā)展突飛猛進(jìn)，而大學(xué)物理的理論基礎(chǔ)相對(duì)固定，如果不及時(shí)更新應(yīng)用舉例，一直沿用老舊的例子，會(huì)令學(xué)生覺得物理落伍了，學(xué)了沒有用。大學(xué)物理作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，在打好底子的同時(shí)，也應(yīng)賦予它新鮮血液。教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注前沿科技的發(fā)展，恰當(dāng)?shù)匾胝n堂，激發(fā)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣。

2多種教學(xué)手段相結(jié)合

與大學(xué)物理豐富的教學(xué)探索內(nèi)容相適應(yīng)的，是多樣的教學(xué)探索手段。物理現(xiàn)象千姿百態(tài)，奇妙無窮，僅憑口述和板書，很難展現(xiàn)它的多彩魅力。比如，波動(dòng)光學(xué)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(xiàn)象，定能給學(xué)生留下深刻的印象。再如，自帶一根普通跳繩，隨時(shí)悠動(dòng)起來演示橫波現(xiàn)象，既操作簡(jiǎn)單又能形象地解釋深刻的波動(dòng)規(guī)律。當(dāng)然，更多實(shí)驗(yàn)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(xiàn)代教學(xué)探索手段———多媒體了。比如，波動(dòng)學(xué)里的駐波，畫在黑板上時(shí)，它就是某一時(shí)刻的波形圖，看起來和行波完全相同，然而，駐波在同一個(gè)波節(jié)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)相位都相同，這跟行波規(guī)律有著本質(zhì)的不同，這點(diǎn)總是會(huì)讓學(xué)生感到費(fèi)解。當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)探索手段，動(dòng)態(tài)地演示駐波的傳播過程，讓學(xué)生清楚地看到同一個(gè)波節(jié)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)究竟是如何振動(dòng)的，這個(gè)疑團(tuán)自然就解開了。

3注重講課的藝術(shù)性

第3篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

關(guān)鍵詞：物理知識(shí)；生活；應(yīng)用分析

引言

物理學(xué)科是自然科學(xué)的重要分支，與生活有著密不可分的聯(lián)系。對(duì)物理課程的學(xué)習(xí)是我們從自然到物理、從生活到物理的認(rèn)識(shí)過程，在學(xué)習(xí)物理的過程中，一定要經(jīng)歷基本的科學(xué)探究實(shí)踐，注重物理學(xué)科與其他學(xué)科的融合，讓我們的思維得到開拓。物理學(xué)理論是人類對(duì)自然界最基本、最普遍規(guī)律的認(rèn)識(shí)和概括。因此，加強(qiáng)物理知識(shí)與生活實(shí)際的聯(lián)系，對(duì)我們高中生學(xué)習(xí)物理知識(shí)、認(rèn)知物理知識(shí)、運(yùn)用物理知識(shí)都是極為重要的。加強(qiáng)兩者的聯(lián)系，不僅可以提高自己的學(xué)習(xí)興趣，也可以增加物理學(xué)習(xí)的直觀性，更具有對(duì)生活的指導(dǎo)意義，提升生活技能。

一、生活實(shí)際與物理的關(guān)系

在生活中，我們看到的很多現(xiàn)象都被歸類為物理的方面，比如說樹葉會(huì)漂在水上，而石頭會(huì)沉入水底；氫氣球可以飛上天，但吹出來的氣球卻會(huì)掉在地上；水往低處流；水底石穿的現(xiàn)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(xué)的知識(shí)來解釋，而我們高中生在學(xué)習(xí)物理的過程中，也正是對(duì)生活進(jìn)行深入了解的過程。物理是最早的物理學(xué)家們對(duì)自然界的現(xiàn)象的總結(jié)，后來逐漸形成了物理這一專門的學(xué)科，物理科學(xué)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(duì)簡(jiǎn)單的現(xiàn)象入手的。物理和生活之間的聯(lián)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(shí)際相聯(lián)系，可以增加學(xué)習(xí)物理的樂趣，我們學(xué)習(xí)起來會(huì)更好理解，同樣的，將我們學(xué)到的物理知識(shí)應(yīng)用在生活中，也能夠開發(fā)我們的創(chuàng)造力。

二、物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用

1、納米技術(shù)

納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)在高中物理中，屬于分子學(xué)的范疇，所以，了解納米技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)我們學(xué)習(xí)分子學(xué)有很大的幫助。在生活中，我們經(jīng)常接觸到的納米技術(shù)如下：

（1）在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌?；w布雖然結(jié)實(shí)，但有煩人的靜電現(xiàn)象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)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(jīng)面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)交通工具的性能。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料，能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命。

（4）利用納米技術(shù)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(hào)的引導(dǎo)下準(zhǔn)確治療。納米機(jī)器人，其體積小于紅細(xì)胞，能疏通腦血管的血栓，清除心臟動(dòng)脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結(jié)石等。

2、車輛速度計(jì)

在我們高中物理第一冊(cè)第二章《運(yùn)動(dòng)快慢的描述速度》中講到速度計(jì)是來測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度，本文來解釋一下它是如何來測(cè)定機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)速度。

當(dāng)車以一定的速度行駛時(shí)，對(duì)應(yīng)著車輪的一定轉(zhuǎn)速，這時(shí)經(jīng)過變速機(jī)構(gòu)也使軟軸以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而由電磁感應(yīng)使感應(yīng)盤也轉(zhuǎn)動(dòng)，使指針偏轉(zhuǎn)一定的角度，那么在刻度盤上對(duì)應(yīng)的位置刻上對(duì)應(yīng)的車子速度，由于指針的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與感應(yīng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是相等的，而感應(yīng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)與軟軸的轉(zhuǎn)動(dòng)成正比，而軟軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與車輪的轉(zhuǎn)速成正比，而車輪的轉(zhuǎn)速完全與車速成正比，所以速度計(jì)上指針?biāo)傅乃俣戎低耆善嚨男旭偹俣葋頉Q定，所以測(cè)出的速度就是這個(gè)時(shí)刻車子的瞬時(shí)速度。速度計(jì)中應(yīng)用了很多的物理知識(shí)，電磁感應(yīng)、力矩轉(zhuǎn)動(dòng)、力矩平衡及儀表的刻度刻制和實(shí)際數(shù)據(jù)的處理.這都是物理知識(shí)的應(yīng)用和能力體現(xiàn)。

3、航天技術(shù)

針對(duì)航天技術(shù)學(xué)習(xí)高中物理力學(xué)，就是在充分利用教材上的航天技術(shù)的所有內(nèi)容，了解我們所感興趣的領(lǐng)域。我們?cè)趯W(xué)習(xí)的時(shí)候，可以進(jìn)一步充分利用各種媒體，獲得大量的有關(guān)航天技術(shù)的資料，包括古代的，現(xiàn)代的，當(dāng)代的，中國的，外國的，視頻的，文字的，圖片的，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行刪減，最終獲得那些形象的，有趣的，勵(lì)志的等等對(duì)我們學(xué)習(xí)高中物理力學(xué)有價(jià)值的資料，除了課堂上教師的講解內(nèi)容，我們還應(yīng)該利用課外的時(shí)間多多關(guān)注一些航天技術(shù)，感受物理知識(shí)所帶來的強(qiáng)大的力量，明白物理知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系，與科技進(jìn)步的聯(lián)系。我們?cè)趯W(xué)習(xí)的時(shí)候，要結(jié)合我們自己了解到的航天知識(shí)，在課堂上積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，勇于質(zhì)疑，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威困。在航天技術(shù)中所應(yīng)用到的力學(xué)知識(shí)如下：

（1）天體力學(xué)和軌道力學(xué)

為了開發(fā)宇宙，我們必須對(duì)各個(gè)行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。因此，必須用近代的力學(xué)知識(shí)進(jìn)一步描述天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。另一方面，為了節(jié)約能量，必須對(duì)各種航天器的軌道進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)于這方面，我們可以舉例子。比如AOTV，就是氣動(dòng)輔助變軌轉(zhuǎn)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(shí)幾乎是做不到的。一些力學(xué)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(dòng)力，來改變飛行軌道，就可以節(jié)省許多能量。

（2）大氣層飛行力學(xué)

大氣層飛行力學(xué)的重點(diǎn)是空天飛機(jī)的上升段軌道優(yōu)化。由于空天飛機(jī)使用吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)，在整個(gè)飛行過程中，它受到很大的阻力和氣動(dòng)加熱。為了節(jié)省能量，必須對(duì)上升段的軌道進(jìn)行優(yōu)化。

（3）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

不論是航天器，還是運(yùn)載器，都存在大量振動(dòng)問題。例如，運(yùn)載火箭的長(zhǎng)細(xì)比例較大，就必須進(jìn)行振動(dòng)塔試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。建造振動(dòng)塔是非常費(fèi)錢的。隨著今后火箭直徑的加大和長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，進(jìn)行全尺寸的振動(dòng)試驗(yàn)變得越來越困難。為此，必須在建立正確的模擬火箭結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行分析計(jì)算。運(yùn)載火箭還存在一些復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，若處理得不好，就可能造成發(fā)射的失敗。

結(jié)語

總之，物理知識(shí)在生活實(shí)際中的應(yīng)用十分廣泛。我們?cè)趯W(xué)習(xí)的時(shí)候要理解物理知識(shí)的重要性，認(rèn)識(shí)物理知識(shí)在當(dāng)代社會(huì)中的重要作用，更要關(guān)注物理學(xué)的最新發(fā)展，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，利用物理知識(shí)推動(dòng)社會(huì)和諧發(fā)展，更好地造福于人類。

參考文獻(xiàn)

第4篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

關(guān)鍵詞:虛擬機(jī);計(jì)算機(jī)教育;應(yīng)用策略

中文分類號(hào): TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(xiàng)技術(shù)能像計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展一樣迅速,在過去的六十幾年里,其變化速度達(dá)到了驚人的程度。然而,由于量子力學(xué)對(duì)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(nèi)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(shù)、新型存儲(chǔ)技術(shù)等。伴隨軟件和硬件發(fā)生的顯著變化,計(jì)算機(jī)知識(shí)總量亦呈爆炸性增長(zhǎng)。對(duì)于計(jì)算機(jī)教育來說,其間的挑戰(zhàn)尤其強(qiáng)烈,教學(xué)中不僅需要滿足眾多課程對(duì)軟、硬件的不同要求而且每門課程在其整個(gè)教學(xué)階段內(nèi)對(duì)軟件和硬件的要求也往往是不同的。常規(guī)情況下,復(fù)雜、異構(gòu)的軟、硬件環(huán)境的建立與維護(hù)意味著大量人力、物力、資金的投入。近年來,虛擬機(jī)技術(shù)的重要作用逐步顯現(xiàn),本文從該技術(shù)應(yīng)用角度,探討解決上述問題的具體應(yīng)用策略和方法。

1 虛擬機(jī)技術(shù)

虛擬機(jī)是源自操作系統(tǒng)中的概念,起初定義為由軟件模擬的、有效的、孤立的真實(shí)機(jī)器的復(fù)制品。從上述角度,操作系統(tǒng)亦可被看作是一臺(tái)虛擬機(jī)。作為操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一種,VM/370是早期的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)前,虛擬機(jī)的概念發(fā)生了較大變化,存在和任何真實(shí)機(jī)器無關(guān)的虛擬機(jī),一些著作闡述了此類虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。[2]

虛擬機(jī)原理復(fù)雜多樣,和虛擬機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)有很大關(guān)系。但總體上可以認(rèn)為虛擬機(jī)是新增加的一個(gè)軟件中間層。本文從應(yīng)用角度對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行分類:

1)高級(jí)語言虛擬機(jī)。這類虛擬機(jī)一般運(yùn)行在某宿主操作系統(tǒng)之上,對(duì)自定義的字節(jié)碼文件進(jìn)行解釋或翻譯執(zhí)行(又分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種),屬于與真實(shí)機(jī)器無關(guān)的虛擬機(jī),運(yùn)行其上的程序?qū)崿F(xiàn)了平臺(tái)無關(guān)性。舉例:Sun公司的Java虛擬機(jī)JVM、微軟公司的公共語言運(yùn)行庫CLR。

2)指令集虛擬機(jī)。這類虛擬機(jī)的應(yīng)用目的一般是為了執(zhí)行某種和宿主計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不同的其他體系結(jié)構(gòu)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(yīng)用程序虛擬機(jī)。由于虛擬機(jī)所處的層次較高,應(yīng)用目的一般只為支持應(yīng)用程序的執(zhí)行。舉例:Cygwin通過仿真POSIX API支持在Windows下運(yùn)行Unix/Linux的應(yīng)用程序。Wine通過仿真應(yīng)用程序二進(jìn)制接口ABI支持在Linux下運(yùn)行Windows的應(yīng)用程序。

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

5)企業(yè)級(jí)虛擬機(jī)。其應(yīng)用目的一般為服務(wù)器資源整合優(yōu)化、虛擬機(jī)在線遷移、數(shù)據(jù)中心管理等。舉例:VMware ESX Server、VMware Infrastructure、Xen。

虛擬機(jī)的分類可以從多個(gè)角度、按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。前述劃分不是絕對(duì)的劃分,其中往往又有一些交叉性。當(dāng)前,業(yè)界及一些文獻(xiàn)使用了虛擬化(Virtualization)的概念,這個(gè)概念沒有標(biāo)準(zhǔn)的定義,在企業(yè)級(jí)虛擬機(jī)這一級(jí)別被經(jīng)常使用。虛擬機(jī)、虛擬化技術(shù)在應(yīng)用的深度和廣度上不斷增長(zhǎng),在未來的CPU技術(shù)中,指令集支持虛擬化功能是一個(gè)重點(diǎn)。[3]

2 虛擬機(jī)應(yīng)用策略和典型方法

本文以高校計(jì)算機(jī)教育為例進(jìn)行分析和闡述,參考了大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育要求和計(jì)算機(jī)專業(yè)規(guī)范及課程設(shè)置情況。根據(jù)虛擬機(jī)的應(yīng)用分類,可采取的虛擬機(jī)總體應(yīng)用策略是:使用虛擬機(jī)模擬某些真實(shí)硬件,達(dá)到替代的作用,降低計(jì)算機(jī)教育中的硬件成本,降低硬件維護(hù)費(fèi)用和復(fù)雜性;在虛擬機(jī)中運(yùn)行各個(gè)時(shí)期的軟件,使各個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)得以呈現(xiàn),適應(yīng)計(jì)算機(jī)軟、硬件快速變化。下面按照虛擬機(jī)的應(yīng)用分類,結(jié)合計(jì)算機(jī)課程實(shí)際情況,詳細(xì)說明虛擬機(jī)的應(yīng)用策略和典型方法:

1)高級(jí)語言虛擬機(jī)。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育及專業(yè)教育中,程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)應(yīng)逐步推廣基于虛擬機(jī)的語言,提高這類語言的教學(xué)基礎(chǔ)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(jié)碼處于較高層次,字節(jié)碼的執(zhí)行不依賴于具體的計(jì)算機(jī)CPU類型和操作系統(tǒng),極大地增強(qiáng)了通用性。這個(gè)好處將延伸到Web開發(fā)、分布式應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、無線技術(shù)以及未來無數(shù)跨平臺(tái)應(yīng)用中。在代碼移植性上,使用基于虛擬機(jī)的語言亦具有優(yōu)勢(shì),對(duì)于大的項(xiàng)目,在新的體系架構(gòu)不支持該語言時(shí),只需要移植虛擬機(jī)本身即可,可降低多個(gè)代碼數(shù)量級(jí)。同時(shí),由于字節(jié)碼不是針對(duì)硬件的具體機(jī)器碼,所編寫的程序在安全性、健壯性等方面也具有優(yōu)勢(shì)。

2)指令集虛擬機(jī)。使用指令集虛擬機(jī)而不必真正擁有異構(gòu)硬件,將獲得極大的方便性并可節(jié)約教學(xué)資金、降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等。直接相關(guān)的課程舉例:計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、匯編語言、嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)技術(shù)、接口技術(shù)等。典型應(yīng)用:虛擬機(jī)技術(shù)使硬件開發(fā)和軟件開發(fā)并行進(jìn)行,可以縮短工程周期、降低開發(fā)成本;虛擬機(jī)軟件為操作系統(tǒng)軟件的調(diào)試創(chuàng)造了條件,具有特殊重要的意義;細(xì)粒度虛擬機(jī)在處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估中起到廣泛而重要的作用。

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

4)系統(tǒng)虛擬機(jī)。這種虛擬機(jī)使用場(chǎng)合最為廣泛,可以在幾乎所有的計(jì)算機(jī)類課程中得到應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、理論教學(xué)演示等各個(gè)方面起到重要作用。一些系統(tǒng)虛擬機(jī)可兼具應(yīng)用程序虛擬機(jī)及指令集虛擬機(jī)的好處。典型應(yīng)用:

操作系統(tǒng)相關(guān)教學(xué)。操作系統(tǒng)安裝與配置、操作系統(tǒng)原理教學(xué)、典型操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、Unix/Linux操作與管理教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)教學(xué)等。通過系統(tǒng)虛擬機(jī)可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng),比安裝多操作系統(tǒng)方便、快捷。

編程與測(cè)試。分布式程序設(shè)計(jì)與測(cè)試、異構(gòu)環(huán)境的測(cè)試、Web測(cè)試、Unix/Linux下的程序設(shè)計(jì)、集群測(cè)試、數(shù)據(jù)庫性能測(cè)試、兼容性測(cè)試等。通過使用虛擬機(jī),提供了極大的方便性,提高了計(jì)算機(jī)的利用效率。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝與配置、遠(yuǎn)程訪問、模擬交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃與子網(wǎng)劃分、模擬FTP、DNS等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、局域網(wǎng)訪問控制實(shí)驗(yàn)、各種VLAN實(shí)驗(yàn)、TCP/IP協(xié)議簇實(shí)驗(yàn)等。上述網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)軟、硬件條件要求較高,在虛擬機(jī)上完成上述實(shí)驗(yàn),可擺脫對(duì)某些昂貴網(wǎng)絡(luò)軟、硬件的依賴,極大地降低網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)成本。[4]

計(jì)算機(jī)安全實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、網(wǎng)絡(luò)攻擊與防護(hù)、木馬及病毒原理研究、防火墻實(shí)驗(yàn)、加密與解密實(shí)驗(yàn)、黑客程序的分析等。通過使用系統(tǒng)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)上述功能,可以起到隔離本機(jī)環(huán)境的作用,從而避免對(duì)真實(shí)環(huán)境造成危害,在計(jì)算機(jī)安全學(xué)習(xí)與研究上具有特殊意義。

計(jì)算機(jī)維護(hù)與管理實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)管理工具的使用、多操作系統(tǒng)安裝、BIOS設(shè)置、磁盤分區(qū)與格式化、注冊(cè)表修改、系統(tǒng)環(huán)境破環(huán)性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)備份與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)本機(jī)系統(tǒng)改變較大,具有一定危險(xiǎn)性,系統(tǒng)虛擬機(jī)為這類實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了難得的條件。

手機(jī)平臺(tái)模擬。手機(jī)平臺(tái)已經(jīng)演變成為當(dāng)今最為廣泛的平臺(tái),在其他平臺(tái)上(如PC平臺(tái))使用各種手機(jī)模擬器開發(fā)、測(cè)試、運(yùn)行手機(jī)平臺(tái)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(fā)工具開發(fā)J2ME MIDP應(yīng)用等。

運(yùn)行早期操作系統(tǒng)上的某個(gè)程序。這實(shí)際上是對(duì)其他不容易分類情況的一種通用提法,具有更大應(yīng)用的背景。通過建立獨(dú)立的虛擬機(jī),配置一次后,保存虛擬機(jī)文件以備日后加載運(yùn)行(如VMware中)。這種方法極大地降低了軟、硬件維護(hù)的復(fù)雜性,具有廣泛的通用性。

5)企業(yè)級(jí)虛擬機(jī)。學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心、網(wǎng)絡(luò)中心、數(shù)據(jù)中心可逐步開展企業(yè)級(jí)虛擬機(jī)的應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景,能夠整合優(yōu)化服務(wù)器資源、提高服務(wù)器利用率、降低維護(hù)費(fèi)用、降低能耗等。該項(xiàng)技術(shù)的使用和學(xué)校整體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、硬件環(huán)境的改善密接相關(guān),可以從多個(gè)方面促進(jìn)計(jì)算機(jī)教學(xué)。

3 結(jié)束語

虛擬機(jī)技術(shù)可以為改善計(jì)算機(jī)教育環(huán)境、有效地滿足計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件與硬件需求起到不可替代的重要作用,可以讓各個(gè)歷史時(shí)期、不同平臺(tái)下的計(jì)算機(jī)技術(shù)得以呈現(xiàn)和展示,具有神奇的力量。盡管本文以大學(xué)計(jì)算機(jī)教育為例,但闡述的策略和典型方法對(duì)各類各級(jí)計(jì)算機(jī)教育都有借鑒作用,整個(gè)計(jì)算機(jī)教育界都應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)、利用和推廣虛擬機(jī)技術(shù)。

參考文獻(xiàn):

[1] Bill Blunden.虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-C/C++[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] Andrew S.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)(第2版) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

第5篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

【關(guān)鍵詞】班主

問題是科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)，是開啟任何一門科學(xué)的鑰匙。愛因斯坦有一句很著名的話：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題有時(shí)僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)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(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)上的真正進(jìn)步?！敝R(shí)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)力在于知識(shí)的創(chuàng)新，知識(shí)的創(chuàng)新需要具有創(chuàng)新精神的人才。而重視學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，才有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)代教學(xué)論研究指出，產(chǎn)生學(xué)習(xí)的根本原因是問題。沒有問題難以激起求知欲，學(xué)生就不會(huì)深入思考，學(xué)習(xí)只能是表層和形式的。美國在1989年和1996年分別發(fā)表了《普及科學(xué)―美國2061計(jì)劃》和《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》。這兩部文獻(xiàn)都強(qiáng)調(diào)了科學(xué)探究的重要性，而發(fā)現(xiàn)問題、提出問題是進(jìn)行科學(xué)探究的第一步，提出問題的能力是學(xué)生應(yīng)具備的一種主要的探究能力。廣東省從2004年秋季起開始實(shí)施普通高中新課程。在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）中將提出問題的能力作為科學(xué)探究的一個(gè)要素。同時(shí)在課程目標(biāo)中提出讓學(xué)生“經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律”“具有一定的質(zhì)疑能力”“能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)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(guān)的物理學(xué)問題”“具有敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，具有判斷大眾傳媒有關(guān)信息是否科學(xué)的意識(shí)”“敢于堅(jiān)持正確觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤”。由此可見，教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，把問題貫穿于學(xué)習(xí)過程中有利于激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)愿望，積極主動(dòng)投入到學(xué)習(xí)之中；有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于探索，追求真理的科學(xué)精神。

一、農(nóng)村高中學(xué)生提出問題的現(xiàn)狀

為了較真實(shí)的了解農(nóng)村高中學(xué)生提出問題能力的現(xiàn)狀，本人于2009-2010學(xué)年度對(duì)本校就讀高一的全體學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。問卷調(diào)查結(jié)果中學(xué)生認(rèn)為“上課應(yīng)由師生共同提問”的占82%。“能經(jīng)常觀察身邊的物理現(xiàn)象并提出問題”的學(xué)生占7.8%，其中男生占12.4%，女生占4.7%。綜合問卷調(diào)查結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)提出問題的意義有比較高的認(rèn)識(shí)，但發(fā)現(xiàn)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(qiáng)些。

二、農(nóng)村高中物理教學(xué)中提高學(xué)生提出問題能力的途徑

面對(duì)農(nóng)村高中學(xué)生提出問題能力較差的現(xiàn)狀，通過對(duì)學(xué)生在提出問題方面的觀察及與其他教師對(duì)學(xué)生提出問題能力的探討，本人認(rèn)為可以通過以下幾個(gè)途徑來提高學(xué)生提出問題能力。

（一）營造教學(xué)氛圍，引發(fā)學(xué)生提出問題

我國古代偉大教育家孔子倡導(dǎo)民主、平等的教學(xué)氣氛，他有一句格言：“當(dāng)仁不讓于師”。他教導(dǎo)學(xué)生在“仁”面前不分師生，一律平等，學(xué)生不要因位卑或年齡小而謙讓老師。在教學(xué)中，他鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)表意見，闡述自己的看法，反對(duì)盲目服從，不贊成“對(duì)吾言無所不悅”的態(tài)度。正是這種民主的風(fēng)氣，才有子路、冉求、樊遲與孔子的爭(zhēng)辯；正是在這種氛圍下，才會(huì)培養(yǎng)弟子三千，賢人七十二。

無獨(dú)有偶，20世紀(jì)20年代全球物理學(xué)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(xué)術(shù)氣氛吸引了一大批有才華的年輕物理學(xué)家來這里學(xué)習(xí)和工作，這里被稱為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。先后有七八人獲得諾貝爾獎(jiǎng)，其中最有代表性的是玻恩、海森堡和泡利，他們發(fā)現(xiàn)的“測(cè)不準(zhǔn)定律”“互補(bǔ)原理”“不相容原理”、量子矩陣力學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)等成為量子力學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

從以上兩個(gè)例子中我們不難發(fā)現(xiàn)，只有在民主、愉快的氛圍中才能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，促使學(xué)生積極的思索，發(fā)現(xiàn)和提出問題。所以在教學(xué)過程中教師應(yīng)創(chuàng)建民主、愉快的教學(xué)氛圍，讓學(xué)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(dòng)思考問題，敢于質(zhì)疑問難，主動(dòng)探索。

（二）創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題

美國著名社會(huì)心理學(xué)家費(fèi)斯汀格創(chuàng)立的認(rèn)知失調(diào)理論認(rèn)為，人的認(rèn)知由許多因素構(gòu)成，它們之間有些是彼此獨(dú)立的，有些是相互關(guān)聯(lián)的。在有關(guān)聯(lián)的認(rèn)知因素之間存在兩種情況：一是兩者成協(xié)調(diào)狀態(tài)，一是呈不協(xié)調(diào)狀態(tài)，即失調(diào)。該理論認(rèn)為，不管對(duì)待什么問題，不論什么時(shí)候，人總是有一種要保持其各種認(rèn)知因素協(xié)調(diào)一致的傾向，保持自身態(tài)度和行為協(xié)調(diào)一致的動(dòng)機(jī)。一旦不協(xié)調(diào)，便產(chǎn)生矛盾和沖突，人就會(huì)感到緊張不安和煩悶，這時(shí)人的內(nèi)心就會(huì)產(chǎn)生一種動(dòng)力，要減少或消除這種不協(xié)調(diào)，以獲得內(nèi)心的平衡。教師在教學(xué)過程中運(yùn)用認(rèn)知失調(diào)理論創(chuàng)設(shè)一個(gè)問題情境，這個(gè)問題情境與學(xué)生原有的認(rèn)知存在著差距和矛盾，對(duì)于學(xué)生來說具有一定的難度，激發(fā)學(xué)生的思維，使學(xué)生在原有知識(shí)基礎(chǔ)上產(chǎn)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的需要。問題情境的創(chuàng)設(shè)多種多樣，可以來自于生活、來自于實(shí)驗(yàn)、來自于科研活動(dòng)等方面。

⒈通過生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)問題情境

通過學(xué)生身邊的事物和現(xiàn)象中創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生充分感受到物理知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活的緊密聯(lián)系，為學(xué)習(xí)的知識(shí)運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)社會(huì)和生活中提供了有意義的背景，容易引起學(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生的思考。

例如在《力的合成》教學(xué)中引入合力與分力概念時(shí)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(zhǎng)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(gè)力跟幾個(gè)力有什么關(guān)系？同學(xué)們還能舉出哪些類似的例子？

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

⒉通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情境

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理概念的建立、物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)在物理的發(fā)展中具有重大意義和推動(dòng)作用。通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問題情境可以使物理教學(xué)更有吸引力，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與。

例如在《超重和失重》的教學(xué)中，考慮到農(nóng)村學(xué)生很少有人坐過電梯，也很少有人去過游樂場(chǎng)，沒有超重和失重的體驗(yàn)。所以在教學(xué)中設(shè)計(jì)如下的情境：

情境1：請(qǐng)同學(xué)們利用彈簧秤測(cè)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(shù)發(fā)生什么變化？若提著彈簧秤使物體加速下降，彈簧秤的示數(shù)又會(huì)發(fā)生什么變化？

情境2：觀看視頻“放在臺(tái)秤上的物體移入電梯中在不同情況下臺(tái)秤的示數(shù)”，與你所做的實(shí)驗(yàn)相比較，你發(fā)現(xiàn)了什么？如何利用所學(xué)的牛頓第二定律解釋這些現(xiàn)象？

情境3：把一個(gè)下部挖有幾個(gè)小孔的礦泉水瓶裝滿水，水會(huì)從小孔流出，若讓瓶子自由下落，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？請(qǐng)利用所學(xué)的超重失重現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

通過實(shí)驗(yàn)來引發(fā)學(xué)生頭腦中的認(rèn)知沖突，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和求知欲望，讓學(xué)生在原有的知識(shí)基礎(chǔ)上主動(dòng)建構(gòu)新的知識(shí)，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

⒊通過物理科研創(chuàng)設(shè)問題情境

物理學(xué)史展現(xiàn)人類探索和逐步認(rèn)識(shí)物理世界的現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)、規(guī)律和本質(zhì)的歷程。其中包含有著科學(xué)的思想、科學(xué)的觀念；包含科學(xué)進(jìn)步對(duì)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)。在物理教學(xué)中通過聯(lián)系物理科研發(fā)展中的實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和發(fā)明來創(chuàng)設(shè)的問題情境，不僅能使學(xué)生學(xué)到物理知識(shí)，還可以學(xué)到科學(xué)方法，受到科學(xué)精神的教育。

例如在《追尋守恒量》教學(xué)中創(chuàng)設(shè)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(shù)與各分表讀數(shù)之間存在怎樣的關(guān)系？

情境2：生活中存在有守恒的觀點(diǎn)。在物理學(xué)上是否也存在著守恒的觀點(diǎn)？請(qǐng)觀看視頻“伽利略的理想實(shí)驗(yàn)”（如圖3所示）思考幾個(gè)小問題。

⑴小球沿斜面A從h高處由靜止開始滾下時(shí)，它的位置、速度怎樣變化，如何運(yùn)動(dòng)？

⑵當(dāng)小球從斜面底沿另一個(gè)斜面B向上滾時(shí)，它的位置、速度怎樣變化，如何運(yùn)動(dòng)？

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(dá)速度為0的位置高度與從A滾下的起始點(diǎn)高度有什么關(guān)系？

⑷若改變B的傾角，小球沿斜面B到達(dá)速度為0的位置高度與從A滾下的起始點(diǎn)高度有什么關(guān)系？

⑸伽利略發(fā)現(xiàn)了一個(gè)怎樣的事實(shí)？得到什么啟發(fā)？

⑹當(dāng)小球在A斜面的起始點(diǎn)高度時(shí)，具有什么形式的能量？

⑺當(dāng)小球在到達(dá)A斜面的底部時(shí)，具有什么形式的能量？

⑻這兩種形式的能量有什么樣的聯(lián)系？你還能舉出其他的例子嗎？

⒋通過知識(shí)拓展創(chuàng)設(shè)問題情境

利用學(xué)生原有知識(shí)進(jìn)行拓展，創(chuàng)設(shè)問題情境，最能激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。

例如在《加速度》中創(chuàng)設(shè)如下的問題情境：

情境1：一輛小汽車起步在20s內(nèi)速度達(dá)到了100km/h，而一列火車達(dá)到這個(gè)速度大約要用500s。請(qǐng)利用前面判斷運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中，哪個(gè)速度大？

⑵這些物體運(yùn)動(dòng)過程中，哪個(gè)速度變化大？

⑶采用什么方法可以來比較出它們哪個(gè)速度變化最快？

（三）示范物理問題，引導(dǎo)學(xué)生從物理的角度提出問題

在平時(shí)與學(xué)生交談時(shí)，學(xué)生會(huì)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(xué)生卻不能將他的思考和疑惑提出來。要提高學(xué)生提出物理問題的能力，就需要教師加以引導(dǎo)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)情況”引入本課內(nèi)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(yùn)動(dòng)情況。那么，已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，怎樣確定物體的受力情況呢？”通過這兩個(gè)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(xí)慣，提高學(xué)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?！彼麖?qiáng)調(diào)獲得學(xué)問關(guān)鍵是靠?jī)?nèi)省力量。但學(xué)習(xí)者往往受限于自己原有的經(jīng)驗(yàn)而阻礙自己產(chǎn)生新的思想。心理學(xué)家比奈認(rèn)為自我批判是最重要的智力指示物。通過訓(xùn)練和教育，學(xué)生可以獲得自我批判的能力。所以教育心理學(xué)認(rèn)為元認(rèn)知在成功學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色。元認(rèn)知是指人們預(yù)測(cè)他們?cè)诟鞣N任務(wù)中表現(xiàn)的能力以及對(duì)目前的理解和掌握程度進(jìn)行監(jiān)控的能力。教師可以使用元認(rèn)知理論幫助學(xué)生進(jìn)行自我監(jiān)控，監(jiān)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(xí)慣，提高提出問題的能力。

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

面對(duì)未來的社會(huì)，學(xué)生是否具備自我學(xué)習(xí)、自我更新的能力，是否學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)比掌握知識(shí)本身更重要。而提出問題則是生長(zhǎng)新知識(shí)、新方法、新思想的起點(diǎn)。提高學(xué)生提出問題的能力不是一朝一夕就能達(dá)成的，需要一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)不斷的過程。這也促使教師不斷地更新觀念，不斷學(xué)習(xí)新的知識(shí)，不斷提高教學(xué)的智慧。

【參考資料】

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第6篇：量子力學(xué)應(yīng)用舉例范文

【關(guān)鍵詞】物理模型 中學(xué)物理教學(xué) 抽象思維

1.物理模型及其分類

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科。由于自然界物質(zhì)種類繁多，運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜，相互作用又各具特色，因而人們?yōu)榱诉_(dá)到對(duì)物理事物本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過分析、綜合、比較、分類等思維過程，對(duì)研究對(duì)象做一種簡(jiǎn)化的描述或模擬?；衾固卣f過：“模型方法乃是人們所說的‘科學(xué)方法’的核心。”所謂物理模型，就是人們?yōu)榱搜芯课锢韱栴}的方便和探討物理事物的本質(zhì)而對(duì)研究對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)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(jù)研究對(duì)象和問題的特點(diǎn)，撇開、舍棄次要的、非本質(zhì)的因素，從而建立的一個(gè)易于研究的、能反映研究對(duì)象主要特征的新形象；而理論模型是在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過物理思維，對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等所作的一種簡(jiǎn)化的描述，這種模型通常以假說的形式出現(xiàn)。

物理模型是物理思想的產(chǎn)物，是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。就中學(xué)物理中常見的物理模型，可分類如下：

1.1 物理對(duì)象模型化。

物理中的某些客觀實(shí)體，如質(zhì)點(diǎn)，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能，突出它所處的位置和質(zhì)量的特性，用一有質(zhì)量的點(diǎn)來描繪，這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。當(dāng)物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來處理。類似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、點(diǎn)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(dāng)研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面；熱學(xué)中的絕熱容器、電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等等，都是把物體所處的條件理想化了。

1.3 物理狀態(tài)和物理過程的模型化。

例如，力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞；電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩；熱學(xué)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(tài)的模型化。

1.4 理想化實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對(duì)過程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)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(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出他的理想實(shí)驗(yàn)，從而推倒了延續(xù)兩千多年的“力是維持運(yùn)動(dòng)不可缺少”的結(jié)論，為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

2.物理模型的作用

模型方法是物理學(xué)研究中常用的一種重要研究方法，它不僅可以應(yīng)用于形成正確的理論，也有助于對(duì)各種具體現(xiàn)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(fù)雜問題簡(jiǎn)單化。

物理學(xué)研究對(duì)象是十分復(fù)雜的客觀世界，其起作用的因素很多，需要把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，模型方法恰恰體現(xiàn)了抓住主要矛盾，突出問題的本質(zhì)，可以使研究工作大為簡(jiǎn)化。就拿中學(xué)物理中一個(gè)很常見的物理現(xiàn)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(guān)，并且重力的大小也不是恒定的，隨著物體下落的高度而發(fā)生微小的變化。此外，地球的自轉(zhuǎn)和氣體的流動(dòng)對(duì)物體的下落也有一定的影響。我們?cè)谘芯柯潴w運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jìn)了“自由落體”的概念，這樣落體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)就比較容易把握了。

2.2 逐步逼近實(shí)際。

應(yīng)用模型方法研究物理問題，能使問題的本質(zhì)突出、關(guān)系明朗，有利于問題的解決。但是，我們也應(yīng)看到，次要因素雖然對(duì)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(jié)果必然是近似的，與實(shí)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(jí)級(jí)作近似，就可能逼近實(shí)際。建立物理模型為研究實(shí)際事物提供了一個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)，從而開辟了研究實(shí)際事物特征和變化規(guī)律的途徑。例如，在推倒理想氣體狀態(tài)方程時(shí)，我們幾乎把分子力忽略了，但在實(shí)際情況中它還是有影響的。不過在氣態(tài)中分子力的效應(yīng)畢竟比較小，我們可把它當(dāng)作對(duì)理想氣體模型的修正來處理。將理想氣體方程式加以適當(dāng)修正，即可得到比較符合實(shí)際氣體行為的范德瓦爾斯方程式。這實(shí)際上是用比較復(fù)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?？梢钥闯?，范德瓦爾斯氣體模型是在理想氣體模型的基礎(chǔ)上建立起來的，從理想氣體模型到范德瓦爾斯模型是一個(gè)以理想化逐步逼近客觀實(shí)體的過程。

2.3 做出科學(xué)預(yù)言。

作為對(duì)物理事物簡(jiǎn)化描述的物理模型，不僅能夠解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)定律，而且也常常能夠做出科學(xué)的預(yù)言，指明進(jìn)一步研究的方向。例如，在對(duì)熱機(jī)效率的研究中，人們發(fā)現(xiàn)實(shí)際熱機(jī)的效率總是小于可逆卡諾熱機(jī)。這就啟發(fā)人們?cè)谠O(shè)計(jì)熱機(jī)時(shí)，盡量使其接近于可逆卡諾熱機(jī)，以提高熱機(jī)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(duì)象。當(dāng)時(shí)從應(yīng)用量子力學(xué)對(duì)理想晶體進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理想晶體的強(qiáng)度竟比通常金屬材料大1000倍。因此，物理學(xué)家認(rèn)為，常見的金屬材料強(qiáng)度之所以減弱就是因?yàn)椴牧现杏性S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(qiáng)度，從而大大節(jié)約金屬。實(shí)踐證明，物理學(xué)家的預(yù)言是正確的。

3.物理模型在中學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

3.1 建立概念模型，理解概念實(shí)質(zhì)。

概念是客觀事物的本質(zhì)屬性在人腦中的反映。客觀事物的本質(zhì)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(lián)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(duì)象建立起來的。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、單擺、電場(chǎng)線、點(diǎn)電荷等。學(xué)生在理解這些概念時(shí)，很難把握其實(shí)質(zhì)，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(chǎng)線，A、B、C點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向在各點(diǎn)的切線上，箭頭表示各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的方向。

為了使學(xué)生理解并且清晰的建立起“電場(chǎng)線”的概念，我們可以用實(shí)驗(yàn)來模擬電場(chǎng)線的形狀。把奎寧的針狀結(jié)晶或頭發(fā)屑懸浮在蓖麻油里，加上電場(chǎng)，微屑就按照?qǐng)鰪?qiáng)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(xué)生腦中已有的相關(guān)知識(shí)聯(lián)系起來，便于學(xué)生的理解與記憶。

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

對(duì)電場(chǎng)線的概念有初步了解之后，再通過物理模型來學(xué)習(xí)電場(chǎng)線的其他性質(zhì)就方便多了。電場(chǎng)線總是從正電荷（或無窮遠(yuǎn)處）出發(fā)，到負(fù)電荷（或無窮遠(yuǎn)處）終止，因此，電場(chǎng)線有起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，由圖2可以清晰的看出，電場(chǎng)線是不閉合的曲線。根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的一些例子結(jié)合物理模型，學(xué)生也很容易理解電場(chǎng)線的另外一個(gè)性質(zhì)：在電場(chǎng)線密的地方電場(chǎng)強(qiáng)度大，疏的地方電場(chǎng)強(qiáng)度小，即電場(chǎng)線的疏密表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱。

讓學(xué)生討論這么一個(gè)問題：電場(chǎng)中的電場(chǎng)線會(huì)不會(huì)相交？通過對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行理論分析，一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面可以使學(xué)生深入的理解概念模型。電場(chǎng)中每一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)〖TP15.TIF；%50%50，Y〗只有一個(gè)唯一的方向，如果電場(chǎng)線在電場(chǎng)中某點(diǎn)相交，則交點(diǎn)處相對(duì)兩條電場(chǎng)線就有兩個(gè)切線方向，該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)就有兩個(gè)方向（圖3所示）?？梢杂山處焷碇笇?dǎo)學(xué)生自己分析總結(jié)。

電場(chǎng)線跟“質(zhì)點(diǎn)”“點(diǎn)電荷”這些理想化的模型不同?！百|(zhì)點(diǎn)”“點(diǎn)電荷”這些模型包含有某些真實(shí)的內(nèi)容，具有一定的客觀性，在一定條件下，考慮對(duì)實(shí)際物理現(xiàn)象來說是主要的、本質(zhì)的特性，而忽略次要的、非本質(zhì)的因素。而“電場(chǎng)線”則完全是假象、虛構(gòu)的。但是它們都能反映出實(shí)際現(xiàn)象的基本規(guī)律，為我們的研究提供方便。

3.2 認(rèn)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?xiàng)l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?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)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(jiǎn)化。

3.3 構(gòu)造過程模型，建立物理圖景，訓(xùn)練發(fā)散思維。

物理過程的理想化模型有勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、氣體的等溫、等容、等壓變化過程，勻速圓周運(yùn)動(dòng)、鏡面反射等。物理學(xué)中，符合守恒條件的狀態(tài)變化，是與中間過程無關(guān)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(tài)變化，以訓(xùn)練思維發(fā)散。氣體實(shí)驗(yàn)定律和狀態(tài)方程，是氣體保持質(zhì)量不變時(shí)，初狀態(tài)與末狀態(tài)之間的守恒方程，由于氣體的狀態(tài)參量較多，所以氣體狀態(tài)變化問題的發(fā)散性很強(qiáng)。

例如：1982年高考第四題（如圖4）。氣缸A和容器B由一細(xì)管經(jīng)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(shí)，K是關(guān)斷的，B內(nèi)為真空，容器VB=2.40升。A內(nèi)裝有理想氣體，體積為VA=4.80升。假設(shè)氣缸壁與活塞之間無摩擦，細(xì)管的容積可忽略不計(jì)。打開K使氣體由A流入B，等到活塞停止移動(dòng)時(shí)，A內(nèi)氣體的體積將是多少？

3.4 轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型。

通過對(duì)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(duì)象的本質(zhì)接觸，能既快又準(zhǔn)地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。許多人覺得物理難學(xué)，其實(shí)這個(gè)難，不在于記不住某個(gè)物理公式，而在于對(duì)一個(gè)新情景問題不知道如何與自己熟悉的物理模型情景聯(lián)系起來思考或者該用什么公式，也就是不善于將一個(gè)具體問題轉(zhuǎn)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(xué)生是很容易做到的。如換一新情景練習(xí)，學(xué)生就很難將它納入對(duì)應(yīng)的模型。

（1）小球 a、b可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)模型。

（2）小球a作自由落體運(yùn)動(dòng)。

（3）小球 b作變速曲線運(yùn)動(dòng)，已學(xué)知識(shí)無法求解，可當(dāng)作怎樣的理想化模型？

3.5 構(gòu)造理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，促進(jìn)學(xué)生想象和邏輯理論思維能力的發(fā)揮。

理想實(shí)驗(yàn)是指人們?cè)诳茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理方法和發(fā)揮想象力，在思維中把客觀的實(shí)驗(yàn)條件和研究對(duì)象加以理想化，抽象或塑造出來的一種理想化過程的“實(shí)驗(yàn)”。

例如：伽利略發(fā)現(xiàn)慣性定律所設(shè)想的在純粹理想狀態(tài)下的斜槽實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際當(dāng)中是無法實(shí)現(xiàn)的，盡管我們可以創(chuàng)造各種條件，把運(yùn)動(dòng)物體所受的摩擦力和空氣阻力盡量減小，但是永遠(yuǎn)不可能完全排除掉。然而，這并不阻礙人們根據(jù)越來越逼近于精確“實(shí)驗(yàn)”，運(yùn)用邏輯理論思維的能力進(jìn)行科學(xué)抽象而做出的應(yīng)有結(jié)論，并且人們對(duì)于運(yùn)用這種方法所得的結(jié)論的正確性是不懷疑的。教材中“牛頓第一定律”對(duì)伽利略的理想實(shí)驗(yàn)作了詳細(xì)說明，并在本節(jié)的“閱讀”中，通過“愛因斯坦談伽利略的貢獻(xiàn)”，對(duì)這樣一種理想化實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了充分的肯定，“人的思維創(chuàng)造出一直在改變的一個(gè)宇宙圖景。伽利略對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)就在于毀滅直覺的觀點(diǎn)而用新的觀點(diǎn)來代替它。這就是伽利略的發(fā)現(xiàn)的重大意義”。愛因斯坦本人更是運(yùn)用理想化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡湫痛?。愛因斯坦在?chuàng)立狹義相對(duì)論時(shí)構(gòu)造了一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的火車參照系，對(duì)這一理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯?，巧妙地解決了所謂既同時(shí)又不同時(shí)的問題，打破了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。但是，狹義相對(duì)論還不能回答慣性質(zhì)量與引力質(zhì)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(gòu)造了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀獝垡蛩固股禉C(jī)，由此提出了作為廣義相對(duì)論基礎(chǔ)的等效原理。

4.物理模型教學(xué)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(xué)中使學(xué)生正確建立和運(yùn)用物理模型，不僅有助于他們演算習(xí)題，更有助于培養(yǎng)學(xué)生抽象思維的能力。

目前在中學(xué)物理課堂教學(xué)中雖然已重視了物理模型的教學(xué)作用，但許多教師還只停留在單純地利用物理模型進(jìn)行物理知識(shí)和技能的訓(xùn)練層面上，典型的教學(xué)模式是先由教師總結(jié)歸納出一些物理模型呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生跟著教師的思路去理解、并輔以大量的機(jī)械性訓(xùn)練。這樣的課堂教學(xué)完全由教師主宰，忽視了學(xué)生的認(rèn)知主體作用。學(xué)生往往只會(huì)識(shí)別已接觸過的模型，不會(huì)辨別未遇過的情景，更不會(huì)自己建立模型、解決問題。這就造成了學(xué)生不重視建立物理模型的過程，更多的是運(yùn)用形象思維方法，只記住物理模型的靜態(tài)結(jié)論，生搬硬套。

5.如何幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型

物理學(xué)中“建?！蹦芰κ且环N很重要的能力，這里存在一個(gè)如何將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)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(lián)系多么密切，大都可以歸結(jié)為學(xué)生熟悉的物理模型。

例如：有一個(gè)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(shí)刻從船上掉下一個(gè)漂流瓶，經(jīng)過半個(gè)小時(shí)，船上的人發(fā)現(xiàn)瓶子掉了以后，立即掉轉(zhuǎn)船頭去追漂流瓶，問多久以后追上瓶子。

很多學(xué)生看見這個(gè)題目都說做不出來，其實(shí)這就存在一個(gè)如何把實(shí)際生活中的情景同題目聯(lián)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(jīng)歷，在火車行駛中，假設(shè)你以恒定大小的速率沿著火車行駛的方向從1號(hào)車廂走到10號(hào)車廂用了10分鐘，那么當(dāng)你又以這個(gè)速率逆著火車行駛方向從10號(hào)車廂走回1號(hào)車廂用去多少時(shí)間？根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們可以很快的得出10分鐘這個(gè)結(jié)論，上面的問題也就迎刃而解了。

中學(xué)生的抽象思維能力較差，在分析事物時(shí)，他們往往看不到主流與支流、本質(zhì)與非本質(zhì)、內(nèi)部與外部、部分與整體、抽象與具體的區(qū)別和聯(lián)系，他們的形象思維強(qiáng)而語言的概括能力較弱，容易受到思維定勢(shì)的影響，主觀臆斷強(qiáng)而唯物主義觀點(diǎn)較弱，看到事物不易形成概念，因此，學(xué)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(qiáng)，有濃厚的好奇心等等，我們可以從以下幾方面嘗試幫助學(xué)生建立物理模型。

5.1 實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，所以，在建立物理模型時(shí)離不開實(shí)驗(yàn)。其一般方法是先做有關(guān)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在腦海中留下一個(gè)直觀的、具體形象的物理模型，在次基礎(chǔ)上作抽象引導(dǎo)，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(xué)生思維中已建立起來的物理模型去解決一些實(shí)際問題 。這樣建立起來的物理模型學(xué)生印象深刻。

例如，在講液體的壓強(qiáng)公式時(shí)，需要建立“液柱”模型。教學(xué)時(shí)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(nèi)注入有色酒精，當(dāng)酒精達(dá)到一定的高度時(shí)，塑料片下沉，然后取出玻璃管，倒出酒精，再重復(fù)上述操作，但向玻璃管中改加入有色的水，當(dāng)管內(nèi)外水面相平時(shí)，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(huì)下沉？當(dāng)管內(nèi)外水面相平時(shí)，塑料片上下兩面所受的水的壓力，壓強(qiáng)如何？②如果取出玻璃管，玻璃管的位置由什么來占據(jù)？待學(xué)生回答后，教師與學(xué)生討論水中剛才被玻璃管所占據(jù)位置的“水柱”的底的壓力、壓強(qiáng)情況，就可以引出“液柱”概念。這樣，學(xué)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(dǎo)液體的壓強(qiáng)公式，學(xué)生自然容易接受。

5.2 下定義。

有些物理模型的建立，學(xué)生要從模型本身的特點(diǎn)給予定義，然后在運(yùn)用中進(jìn)一步體會(huì)模型的內(nèi)涵。

例如，建立“理想氣體”模型，首先給出一個(gè)框架：嚴(yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體，稱為理想氣體。然后分析實(shí)際氣體與理想氣體的區(qū)別，并說明實(shí)際氣體在壓強(qiáng)不太大（與大氣壓強(qiáng)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(yùn)用理想氣體的定義處理具體問題。

5.3 舉例。

在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過舉例的方法，引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型。

例如，在建立“杠桿”這一物理模型時(shí)，先由學(xué)生熟習(xí)的撬物體實(shí)例引出“杠桿”模型：“在力的作用下能夠繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性物體”，并適當(dāng)引導(dǎo)，分析杠桿模型的三個(gè)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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。使學(xué)生對(duì)杠桿模型具有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

5.4 例題、習(xí)題中引導(dǎo)。

建立物理模型在解答物理例題和習(xí)題中經(jīng)常起著決定性的作用。

例如在題目中出現(xiàn)“接觸面光滑”意即不考慮摩擦；“鐵塊”即可認(rèn)為是實(shí)心的，而“鐵球”有可能是空心的；“輕質(zhì)彈簧”或“輕繩”即指不考慮彈簧或繩的質(zhì)量，……。學(xué)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(guān)習(xí)題。

6.結(jié)束語

模型方法是物理學(xué)研究中常用的一種重要研究方法，中學(xué)物理教材所敘述的許多物理現(xiàn)象，都是用模型來說明的。本文從中學(xué)物理常見的物理模型著手，通過探討物理模型在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，試圖把物理模型和物理教學(xué)結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力以及發(fā)散思維能力。

新課程教育理論認(rèn)為，知識(shí)是不能傳遞的，教師傳遞的是信息，信息只有通過學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)才能變成學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的知識(shí)，物理模型的教學(xué)不僅僅是一個(gè)傳授物理知識(shí)的簡(jiǎn)單過程，而更應(yīng)該是在一個(gè)傳授物理知識(shí)的同時(shí)貫穿物理思想方法的過程。在中學(xué)物理教學(xué)中，循序漸進(jìn)地啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，合理建立、應(yīng)用物理模型，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，這對(duì)開發(fā)學(xué)生智力，發(fā)展創(chuàng)造性思維，將起到積極的作用。所以，物理模型在教學(xué)領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。

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