量子力学在化学中的应用精选(九篇)

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第1篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词： 量子力学 教学方法改革 创新思维

量子力学是研究微观粒子运动规律的科学，自诞生以来它就成功地说明了原子及分子的结构、固体的性质、辐射的吸收与发射、超导等物理现象。作为物理学专业的专业理论课，量子力学在物理学专业中具有极其重要的地位。现代物理学的各个分支，如高能物理、固体物理、核物理、天体物理和激光物理等都是以量子力学为基础，并且已经渗透到化学和生物学等其他学科。同时量子理论还具有巨大的实用价值，半导体器件和材料、激光技术、原子能技术和超导材料等都是以量子力学原理为基础的。

通过对量子力学的学习，学生可以掌握现代科学技术最重要的基础理论，还可以提高科学素质和思想素质，但是量子力学中的概念和解决问题的方法与经典物理有着本质的不同。学生普遍反映量子力学抽象、枯燥、难理解、抓不住重点，学习起来非常困难。针对以上问题，我对教学进行了思考和探讨，采用了一些切实可行的措施，提高了学生的学习兴趣，使学生更好地掌握了量子力学知识，同时培养了学生的创新思维。

一、教学过程中存在的问题

在量子力学的教学过程中，我发现以下几个问题。

1.量子力学是一门十分抽象的课程，其中许多概念、原理都不好理解，并且量子力学从概念到解决问题的方法跟经典物理有着根本性的区别，但是很多学生习惯性地用经典的思想去理解量子力学，这样就不自觉地增加了难度。比如“波粒二象性”，经典物理认为波动性和粒子性是互不相关的、相互独立的，而量子力学认为波动性和粒子性是微观粒子同时具备的两种属性。

2.学习量子力学，数学知识是必不可少的。量子力学中有着繁杂的数学知识，例如，数学分析中的微积分，代数学中的矩阵论，数学物理方程的微分方程，复变函数，等等。在教学过程中发现，不少学生对已学过的数学知识掌握得不是很牢固，在推导公式的过程中忘记了公式所描述的物理内涵，影响了对量子力学知识的理解。

3.由于量子力学的课时紧张，教学过程中采用了传统的教学模式，由教师到学生的“单向传授”的教学形式。学生失去了主体地位，只能被动地接受知识，学习的兴趣和积极性不高，导致教学效率降低。

二、量子力学的教学方法改革

1.采用多种教学手段相结合的教学模式。由于量子力学的内容抽象难懂，又是建立在一系列基本假定的基础之上，不少学生很难接受，甚至认为这门课程没有用处。在量子力学的教学过程中，由单一的教师讲授过渡到板书、录像、课件、演示实验等各种手段相结合的教学模式，将图、文、声、像等信息有机地组合在一起，形象、直观、生动，容易激发学生的学习兴趣。同时，通过网络技术，学生可以享受到本校的教学资源，还可以突破空间的限制，享受到全国高水平的教学资源，从而丰富学生的资料库，也为各学校的师生讨论交流提供一个很好的平台。

随着科学技术的迅速发展，知识更新非常快。在教学中，教师应及时将与量子力学相关的科技前沿和高新技术引入教学中，介绍与量子力学密切相关的课题，阐明科学技术中所蕴含的量子力学原理。如我们在讲解一维无限深势阱时，将其与半导体量子阱和超晶格这一科学前沿相联系；在讲解隧道效应时，将其与扫描隧道显微镜相联系，进而介绍扫描探针操纵单个原子的实验。同时在教学中，我们理论联系实际，多介绍量子力学知识与材料科学、生命科学、环境科学等其他学科之间的密切联系，重点介绍在材料科学中的广泛应用，包括新材料设计、开发新材料、材料成分和结构分析技术等。通过这种方式，学生对这一部分的知识有了直观的认识，从而不再感到量子力学的学习枯燥无味，同时也提高了接受新知识、学习新知识的意识和能力。

2.结合数学知识，把物理情境的建立作为教学的重点。量子力学可以说无处不数学，这门学科对高级数学语言的成功运用，正是它高深与完美的体现。数学虽然加深了物理问题的难度，却维护了理论的严谨性和科学性。当然这不是要求老师从头到尾、长篇冗重地推演计算，合理地修剪枝杈既能让学生抓住重点，又免使学生感到量子力学只是数学公式的推导。对于学习量子力学的同学，可以着重于对物理概念的剖析和物理图像的描绘，绕过数学分析难点，通过简化模型、对称性考虑、极限情形和特例、量纲分析、数量级估计、概念延拓对比等得出结论。定量分析尽量只用简单的高数和微积分、常见的常微分方程，对复杂的数学推导可以不做讲解，只对少数优秀生或感兴趣的同学个别辅导。例如，在求解本征方程时，只介绍动量、定轴转子能量本征值的求解；对无限深势阱情况，薛定谔方程可类比普通物理中的简谐振动方程；对氢原子和谐振子的能量本征值问题，只重点介绍思路、方法和结论，不作详细推导。

3.充分应用类比法，讲述量子力学。经典力学是量子力学的极限情况，在教授过程中，应尽可能找到“经典”对应，应用类比方法讲述量子力学中抽象的概念和物理图像，有助于正确理解量子力学的物理图像。用光的单缝、双缝衍射、干涉说明光的波动性，用光电效应、康普顿散射说明光的粒子性，运用这种方法有利于学生掌握光的波粒二象性。在将量子力学与经典力学类比的同时，还要清楚量子力学与经典力学在观念、概念和方法上的区别。例如，经典力学用位矢、速度描述物体的状态，而量子力学用波函数描述系统状态；经典力学用牛顿第二定律描述状态变化，量子力学用薛定谔方程描述状态的变化。另外对于量子力学中的波粒二象性、态迭加原理、统计原理等都要与经典力学中的相关概念区分开来，类比说明，阐明清楚其真正内涵。

4.改变传统教学模式，采用以学生为主体的教学模式。量子力学的现代教学多以“教师讲授”为主，同时配合多媒体课件辅助教学，教学模式较传统教学有所变化，多媒体课件教学虽然能够在一定程度上激发学生的学习兴趣，但仍然是“填鸭式”的教学法，没能真正地改变传统教学的弊端。因此在教学过程中，要避免课堂成为教师的一言堂，鼓励学生提问，激发学生的逆向思维和非规范性思维等，通过创设问题情境使师生互动起来，提高学生学习量子力学的积极性，加深学生对这门课程的理解。还要组织学生开展相关课题讨论，引导学生自主能动地思考，激发学生的学习兴趣。

三、结语

“量子力学”是物理类专业基础课程中教学的难点和重点，建立新的教学模式，有利于学生学习、理解和掌握这门课程。

参考文献：

［1］曾谨言.量子力学［M］.科学出版社，1997.

［2］周世勋.量子力学教程［M］.高等教育出版社，1979.

［3］胡响明.浅谈量子概念的理解［J］.高等函授学报（自然科学版），2004，（2）：29.

第2篇：量子力学在化学中的应用范文

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0153-02

量子力学是一门比较成熟，但还在发展中的学科，而且作为普通高校物理学专业学生的按照规定必须学习的学科，所以对于教师来说，在教学过程中可以使用启发式讲授技巧，不能只是在乎知识的传递，重点应放在培养学生多方面的能力上。根据现在大部分普通高校的物理学专业的授课计划，全部是在完成基础力学的学习基础上再学习量子力学，但是学生在进入对于量子力学的学习之前，接触到的都是宏观世界的概念，从量子力学开始，就变成了微观世界的概念与计算公式，这就导致了在学习中的一些领悟上的障碍。

我建议在领会及理解量子力学之前，应开设量子物理这部分知识的课程，用《新概念物理教程・量子物理学》这本书为教材，书中的概念是以实验的真实结果为起点，由简单的内容启发部分复杂的内容，使许多概念更加容易理解。选取使用狄拉克符号以及矩阵等数学工具，还有不遵照逻辑方面的严谨和理论知识上的全面性和细致性的讲述结构，这本书中主要针对量子力学方面的内容进行阐述说明，并没有包含一些基础的计量方法。描述了微观世界量子力学的基本原理和基本方法，同时也用了量子力学的知识来解释认识源自世界的基本规律，也会了解一些必要的近代物理学实验。但是这本书和“量子力学”内容之间存在着差异，所以普通高校的物理学专业的学生在学习了“量子物理”内容之后，一定要再掌握“量子力学”内容。有了量子物理的基础，再去学习量子力学就会变得容易理解一些，有助于学生更好的学习量子力学。

《新概念物理教程・量子物理》这个教材在撰写和讲授的思路上是与新概念物理教程系列的力学、热学教材是一脉相通的。本书包含实验基础和基本原理，双态系统、从一维系统到凝聚态物质到原子、分子到原子核、粒子以及量子力学中的新的研究成果和线性代数、高斯函数和高斯积分、物理常量等三个附录，所表述的都是偏向于基础概念的内容。在实质特征方面，这本书注重于用普通基础的课程风格来讲述量子物理。

量子物理实则是普通高校物理学的学生的必须学习的知识，在制定人才培养方案中就应列为主干课程。根据此书的内容来看，是所要学习的基础物理学中结尾的一部分，也打开了近代物理这个新世界的大门。主要经过这部分的内容的领会，学生就会了解微观世界的物理现象，让学生懂得使用已获得的内容去理解。本课程教学有着承前启后的意义，通过对此课程的学习，为接下来要学习的课程奠定实质性基础，比如量子力学、固体物理学、近代物理学实验等。

在之前的学习普通物理内容的第五部分是“原子物理”，而此书却有了很大区别，它启发了新的教学思路，起初就应用量子力学内容上的定义，但是更加周详的阐述了当代量子物理的各个方面，不算原子物理课程已经成形知识的讲授之外，同时还有如量子共振、势垒隧穿、半导体、超导体、能带、声子与元激发、约瑟芬森结等内容，还有一些近一段时间内量子物理方面的新成果。

从知识的连贯性看，此书规定学生要掌握光学、微积分和线性代数的知识。课时的规定是与原子物理课程相似。在拟定物理专业的讲授方案上，会遇到一个麻烦，就是如固体物理学、原子核物理学等主要的一些科目，需要等量子力学这部分知识学习之后再继续学习获得。那么在学生学习了“量子物理”的内容之后，以后的教学内容就可以在学完量子力学课程之前安排，使学校的教学变得更加机动了，而且学生做近代物理实验时非常有益。

普朗克量子论中可知晓普朗克量子论的发现和发展的主要过程，还有量子力学在科学研究上和人类社会发展上起到了重要的作用。量子论诞生到现在也有近一百年的时间了，量子力学也逐渐完善，时间也非常久远。高校所学的基础物理课程中量子物理的知识在许多地方都是一带而过，但是所学的量子的知识在基础物理中是具有举足轻重的部分。量子力学一些原理是根据偏微分方程得出的，对学生基本学习内容要求的高，就会造成理解领悟上的难度，导致有些问题一直不能完成，然而，大多数普通高校物理专业的学生将在大三时期去学这门课程。

对于在大学期间以物理学为专业的学生来说，大部分都是高中的优秀学生，他们对在物理方面所取得的成果，都有着浓厚的兴趣。兴趣是发现问题解决问题的原动力，一旦量子物理这门课带领学生进入微观的世界，就可以激起和持续的给学生带来兴趣，这一定会有助于学生们学习量子力学，解决了直接学习量子力学的困难。如今，很多相关范围的内容，如量子化学、量子生物学很多相关知识与量子的知识相辅相成，都是以量子物理这门学科作为基石，正是因为如此，可以自信的认为，如果没有量子物理的知识，那么就不会有人类现在的生活方式和生活水平。

参考文献：

[1]赵凯华，罗蔚茵.《新概念物理教程.热学》改革的思路[J].大学物理.1998，17（4）：35-36

[2]战丽波.高等师范院校《量子力学》教学内容与教学方法研究[C].鲁东大学.2006

第3篇：量子力学在化学中的应用范文

物理学专业可分为“纵向深入”和“横向扩张”两方向。“纵向深入”是向更微观和更高速领域的深入探索，获得描述新的领域最核心的物理模型。“横向扩张”是在“纵向深入”中得到的每一个区域的核心物理模型基础上，应用该模型来探索和解决该领域每一个更具体和更复杂的问题，伸向更精细的世界。

纵向世界

下图是目前物理学的四个“基本理论”所统治的区域，它是一个普遍的力学系统，用一个数学模型来描述物质、时间和空间，以及他们之间的关系。这四个“基本理论”是人类几百年来“纵向深入”所得到的四个核心物理模型。

一、经典力学（Classical Mechanics）

图中左下区域是“宏观低速”区域，称为经典力学（Classical Mechanics）领域，即最早的牛顿力学及其后续发展的拉格朗日力学，哈密顿力学等。在中学物理课程中主要涉及的部分是牛顿力学。这里基本的数学模型是：空间是最简单的欧几里得几何的三维空间，时间是另外一个和空间维完全无关的维度。物质是质点，或者是有限体积的质点集合（刚体，流体），或者是遍布全空间无限体积的质点集合（场，如电磁场）。质点在空间中的运动符合伽利略变换。

这个领域孕育了第一次工业革命和第二次工业革命。它的“纵向深入”突破点是麦克斯韦的电动力学，并由此导致量子力学和相对论力学领域的出现。

二、相对论力学（Relativistic Mechanics）

图中的右下区域是纵向深入到“宏观高速”的区域，即爱因斯坦的相对论力学（Relativistic Mechanics）领域。

这里基本的数学模型是：狭义相对论（Special Relativity）时空是闵可夫斯基四维时空，即一维时间和三维空间由光速不变原理紧密联系，组成一个平直的四维时空背景。广义相对论（General Relativity）的时空是黎曼时空，即一个弯曲的四维时空。相对论力学里物质依然是经典力学里的质点、体或场，但是它会直接影响时空背景。质点在四维时空中的运动符合洛仑兹变换。

这个模型揭示了时间和空间不再是经典力学中和物质运动独立无关的背景，而是与物质的质量、能量和运动紧密联系。

三、量子力学（Quantum Mechanics）

图中左上区域是纵向深入到“微观低速”的区域，即量子力学（Quantum Mechanics）的地盘。它的建立以普朗克、爱因斯坦、波尔、德布罗意等物理学家的工作为先导，以海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利等物理学家的工作为主体。

这里基本的数学模型是：时空还是经典力学中欧几里得的三维空间加上独立的一维时间，物质运动还是符合伽利略变换，但物质本身却不再是质点或者质点的集合，而是分布在全空间的波函数。一切物理量的取值都要靠它与波函数在全空间的积分才能得到。

这个模型揭示了真实的微观物质不是只具备粒子性的质点，而是同时具有波动性，即分布在全空间的波。

这个领域是现代物理学最大的领域，它孕育了20世纪后半叶的高新技术产业革命，使人类全面步入信息时代。

四、量子场论（Quantum Field Theory）

图中右上区域便纵向深入到“微观高速”区域，即量子场论（Quantum Field Theory）领域。它是量子力学和狭义相对论的结合。从量子力学的几位创始人到标准模型的建立者，诸多20世纪物理学家们的工作完成了这个建立过程，其中包括杨振宁教授和李政道教授的贡献。

这里基本的数学模型是：物质的基本粒子是分布在完全的闵可夫斯基四维时空的波动场的激发态，场的基态是能量不为零的真空态。一个基本粒子的出现和消失（产生和湮灭）是它的场在该模式上的跃迁。场用量子化的拉格朗日密度来描述。

这个模型揭示了真实的物质不仅是量子力学中分布在全空间的波，还和狭义相对论中的时空背景紧密相连。

从各个区域所建立起来的基本数学模型来看，量子场论区域是目前描述自然界最精确的模型，量子力学区域是描述自然界的低速近似，相对论力学区域是描述自然界的宏观近似，经典力学是描述自然界的宏观低速近似（显然关系已经不大了）。

在这我们只能用“近似”两个字，因为人类在了解和认识自然界的过程中是一个不断深入的渐进的认识过程，一个不断积累的认识过程，这个过程将永远不断地有新的发现，就像我们观赏大自然的美景一样，没有终极，越看越美丽，越看越新奇。

横向世界

一、经典力学（Classical Mechanics）

经典力学模型应用到具体的物质运动形式上就可建立刚体力学、流体力学、声学，以及经典的光学、电学、热力学、磁学等学科。现在的物理学家已经很少涉及这个领域，因为在这个领域里基本的模型早已建立完毕并经受住了时间的考验，物理学家也早已把这个地盘交到工程师的手上了，研究的主流变成是对这些规律的应用，这个领域与人类日常生活关系最近。

对于有志于从事机械、建筑、汽车、航天、热能动力等专业的学子来说，牛顿力学和热力学等是必须要掌握的物理基础，这些物理基础引发了人类第一次工业革命。对于有志于从事电力、通讯、电子工程等专业的学子来说，经典电磁学和电动力学是必须要掌握的物理基础，这些基础引发了人类第二次工业革命。

学好这些基础，能让你轻快地进入到这些实用的领域中发展。

二、相对论力学（Relativistic Mechanics）

相对论力学模型应用到具体的物质运动形式上就可建立天体物理学、宇宙学等学科方向，研究宇宙大尺度物理现象，如引力等，从业人数在物理学界占较小的部分。

对于有志于研究天文学和恒星、地外行星、黑洞等各种天体以及宇宙奥秘的学子来说，这个领域便是其归宿。这个领域的实验主要以望远镜观测为主。相对论力学领域是人类认识宇宙和了解宇宙的最前沿，它是人类了解太空的一扇窗口，但是离人类日常生活较远。工作单位一般是各个天文台、大型的地面观测站和太空观测站等科研部门。

三、量子力学（Quantum Mechanics）

量子力学模型应用到具体的物质运动形式上就可建立原子物理学、分子物理学、量子光学、量子电子学，以及凝聚态物理学等学科。物理学家中在这个领域的人数最多，仅凝聚态物理专业的人数就要占所有物理学家的三分之一以上，是物理学最大的分支。保守估计以量子力学为基础理论的这个区域中的物理学家人数应该超过所有物理学家总人数的一半。近十年的诺贝尔物理学奖有6次颁给了这个领域的科学家。

这个领域的特点是基础理论模型完善，计算方便。实验规模小，可在实验室桌面上进行。理论和实验课题数量多且分散，而且作为研究物质结构的基础领域，和化学与生物学等其他学科联系紧密，因此它横向扩张的速度最快，成果也远多于物理学其他三个区域。

这个领域孕育了20世纪的现代科技革命，如半导体元件的发明、激光器的诞生、磁存储介质、液晶，以及最热门的纳米材料、超导体等都是拜他它所赐。因此这个领域不但适合想从事物理研究的学子加入，而且也适合想从事微电子学、纳米材料、量子信息技术等新兴专业的学子们学习。

四、量子场论（Quantum Field Theory）

量子场论模型应用到具体的物质运动形式上建立了量子电动力学（QED），电弱统一理论，量子色动力学（QCD）等理论，作为粒子物理（高能物理）的基础理论，同时研究基本粒子的束缚态如重子、介子和原子核结构等。这个领域是向物质奥秘探索的最前沿，基本理论内容最深奥、计算难度大，但是横向扩张的工作很多。实验需要在大型的粒子加速器上进行，规模庞大，课题集中，成果多是十年磨一剑，因此进展缓慢。

对于有志于探索物理最前沿的学子来说，这个领域最适合,但更需要具备耐得住寂寞和世俗诱惑的能力。这个领域风光无限，魅力无限。

结语

第4篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：结构化学；课程特点；学习兴趣；教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0118-03

结构化学是在原子、分子的水平上研究原子、分子和晶体结构的运动规律以及物质微观结构与其性能关系的科学[1-4]。著名化学家L.Pauling说过“当任何一种物体，当它的性质和物体的结构联系起来时，那么这样一种性质最容易最清楚地被理解”，理论化学家R.Hoffmann也曾说过“化学理论最重要的作用是提供一种思维机制，以总结更新知识”。从中可见结构化学地位的重要性。该课程涉及的知识面广，内容相对抽象，要求学生具有较多的数理知识和丰富的空间思维能力，同时还要努力摆脱宏观现象的传统概念的束缚。大部分学生始终把学习结构化学当成一种负担，学习起来感觉很枯燥，一知半解，似懂非懂，难以进入状态。因此，本人根据结构化学课程的特点和学生在学习过程中存在的主要问题以及如何培养学生的学习兴趣三方面进行了积极的思考和有益的探索。

一、结构化学课程的特点

在高等师范院校中，结构化学课程通常开设在第三学年，是在学生修完高等数学、大学物理、无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等课程基础上开设的。该课程主要包括三种理论（量子理论、化学键理论和点阵理论），三种结构（原子结构、分子结构和点阵结构），三个基础（量子力学基础、对称性基础和晶体学基础），这也是学生学习结构化学时所要掌握的主要内容及学习方法[2]。

结构化学是学生本科阶段初次接触的理论课程，它是一门以量子力学为基础，从微观的角度来研究物质结构的学科，具有概念多，内容抽象，系统性、理论性较强等特点。另外，结构化学与数学、物理等学科互为交叉，所以要求学生具有严密的逻辑思维和扎实的数学、物理学等基础知识。其次，化学是一门以实验为基础的自然科学，但是其研究的微观结构状态很难在宏观的实验中观察出来，所以还要求学生具有较强的空间思维能力。因此，结构化学比较深奥、难学、难懂，往往被大多数学生认为是最难学的课程之一。

二、学生学习结构化学过程中存在的主要问题

1.从心理上害怕结构化学。结构化学所涉及的基本概念及理论高度抽象，一方面，有些老师在上第一节课时会告诉学生结构化学这门课程很重要，也很难学，许多同学都因不及格而重修；另一方面，学生还没开始正式学习，就从高年级学生那里得知结构化学难学，不及格率较高。因此，从心理上学生对学习结构化学产生一种畏惧和抵触心理。

2.学生学习结构化学存在误区。很多学生对结构化学的学习内容没有充分认识，认为研究生入学资格考试不考结构化学，学习结构化学根本没用，只是为了应付考试。实际上这是一种误区，部分高校（如南开大学）物理化学专业硕士学位研究生的入学考试就包含结构化学。而且结构化学也非常有用，可以了解化学反应的本质，可以合成满足人类一定需要的新物质，也是学习高等化学的基础等。

3.学生数理知识薄弱。结构化学内容涉及面广，如需具备高等数学、无机化学、有机化学、物理化学及量子力学等知识，学习化学的学生数理知识普遍较差，对于结构化学中大量的数学推导过程感觉很费力，致使学生对该课程产生排斥心理。

4.缺乏微观分析能力。量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础[5]。结构化学以量子力学为理论基础，使人们对物质世界的认识从宏观层次进入了微观层次。而量子力学独立于经典物理学，自成一套理论体系，内容抽象，脱离生活实际，逻辑性强，抽象思维程度高，学生易受宏观思维定式束缚。

5.理论与实践脱节。结构化学是重要的基础科学之一，是一门以实验为基础的学科，在与物理学、生物学、天文学等学科的相互渗透中，得到了迅速的发展，也推动了其他学科和技术的发展。但是，在学习这门课程的同时，多数学生只在乎教程中的理论知识，从而忽略了思考与其他学科的相互关联。另外，大多数学生学习结构化学缺乏实践，把学习它当成了一项应付考试的任务，这与学习这门课的宗旨背道而驰。

6.学生之间缺乏交流。结构化学以数学逻辑推导为基础，物理模型抽象难懂，学生学习方式单一、被动。学生的学习方式主要体现个体性，教师与学生之间，学生与学生之间经常处于一种紧张甚至对立的状态，课堂上很少看见人际间的交流、观点的交锋和智慧的碰撞，学生的学习始终处于被动应付状态。学生缺少自主探索、合作交流、独立获取知识的机会，很少有机会表达自己的理解和意见。

三、激发学生学习结构化学的兴趣

根据结构化学课程的上述特点及学生学习过程中存在的主要问题，培养学生学习兴趣是提高结构化学教学质量的前提和关键。爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”学生只有有了学习兴趣，才会积极配合教师的教学，教师才能够更新教学理念，提高课程教学效果。下面笔者结合两年来在结构化学教学实践中的亲身体会，介绍在结构化学课程教学中如何激发学生的学习兴趣。

1.明确学习结构化学的目的与意义。结构化学包括很多有用的基本概念和许多重要的规律和原理。教师要让学生了解通过结构化学的学习可以学到扎实的基础知识和和理论知识，可为后续专门化课程的学习做好必要的理论基础。同时也让学生知道通过结构化学的学习可以了解化学反应的机理，例如，NO分子分解为N2和O2时在热力学上是可以自发进行的，但此反应是动力学禁阻的，只有用结构化学中的前线轨道理论才能够容易证明这一点。另外，通过结构化学知识的学习，人们很容易合成出新物质（如新材料、新药的合成），其结构测定与分子的设计过程必须具有扎实的结构化学知识。还有结构化学的发展对化学学科的发展也有重大的推动作用（化学界化学的两次革命性飞跃）等。

2.介绍科学奇闻趣事，陶冶学生情操。结构化学教学内容理论性较强，若在课堂教学中引入科学大师的物理学史教育，有助于激发学生的学习热情。例如，在介绍薛定谔方程时，可以向大家介绍薛定谔的奋斗历程，薛定谔被称为量子物理学之父，23岁时获得奥地利维也纳大学哲学博士学位，1926年建立波动力学（39岁），1933年获得诺贝尔物理学奖（46岁），同时告诉学生薛定谔不仅仅数学物理好，而且他的文学功底也非常好，于1944年整理出版了一本著作《生命是什么》。这样学生在了解相关知识背景的同时，开阔了视野，提高了思维能力，受到了科学态度、科学精神的熏陶，激发了其学习热情。

3.充分利用多媒体辅助教学，提升课堂教学效果。多媒体辅助教学作为一种现代化的教学手段，可以把文本、音频、视频、图像、图表、动画等多种媒体信息综合为一体化并进行加工处理，为课堂教学提供了丰富、直观、真实的语言材料，启迪学生的思维，从而优化课堂结构，提高课堂教学效果。例如原子核外电子运动状态、电子云的概念、杂化轨道理论、等径圆球密堆积结构、离子晶体结构等都比较抽象，想象力较差的学生理解起来相对困难，若我们在计算机软件中，用二维、三维动画模拟显示[6]，将抽象、微观的内容具体化、宏观化，使学生能够实现对物质微观结构更好的理解。

4.把最新科研成果引入课堂，以科研促进教学，激发学生学习兴趣。教师还可以精心创设一些引人入胜的实践环节，增强教学内容的趣味性，使学生在学习过程中能够感受到所学知识的实用性。教材内容往往有所落后，已不适应当今社会发展的需要，而社会生活和科学知识却不断地迅猛发展，及时给学生补充最新的信息，将新的科研动态、知识引入结构化学教学课堂，丰富课堂内容，将抽象生硬的知识点转化为生动具体的科研案例进行解释和说明，调动了学生的学习积极性，保证了教学质量，促进了我们教学理念的转变，使课堂教学的面貌大为改观。

5.不断改进教学方法，吸引学生的学习兴趣。教师可采用多种形式的教学方法，创造一个轻松愉快的学习氛围，激发学生的学习兴趣。教师教学语言要尽可能做到用词准确，条理清晰，生动有趣，富有感染力，学生易于接受。另外教师可以采用讨论式教学方法，这种方法主要运用习题范例和关键知识点的应用实例，或者是就某一个关键问题进行辩论，师生平等互动，活跃课堂气氛，提高课堂教学效率。同时教师也可采用提问式课堂教学，引发学生好奇心，让学生进行创造性的思维活动，不断地激发他们的求知需求。再者，教师还可以精心创设一些引人入胜的教学情境，增强教学内容的趣味性，使学生在学习过程中能够感受到其乐融融，从而达到“我要学”的最佳境地。

6.加强师生之间的情感交流，提高学生的学习热情。课堂教学不仅是知识信息的交流过程，也是情感信息的交流过程。心理学家莫维尔说：“情感如同肥沃的土地，知识的种子就播种在土壤里。”可见积极的情感能调动学生的学习积极性，有利于优化课堂教学，改善课堂教学效果，提高学生的学习热情。

四、小结

综上所述，本文介绍了结构化学课程的特点、学生学习过程中存在的主要问题以及如何激发学生的学习兴趣，那么如何将结构化学抽象、难以理解的知识形象化，如何运用各种合理的教学方法提高自己的教学水平，培养和激发学生的学习兴趣，仍然是教师特别是青年教师需要长期思考的一个问题。

参考文献：

[1]潘道皑，赵成大，郑载兴.物质结构（第2版）[M].北京：高等教育出版社出版，2004.

[2]周公度，段连运.结构化学基础（第4版）[M].北京：北京大学出版社，2008.

[3]彭鹏，柴春霞.高等师范院校结构化学课程的难点探析[J].周口师范学院学报，2010，27（3）：75-77.

[4]孙巧珍.关于结构化学教学改革的实践体会[J].考试周刊，2011，（18）：27-28.

[5]曾谨言.量子力学教程（第2版）[M].北京：科学出版社，2003.

[6]宋国拓，蔡俊.浅议化学教改前景――计算机辅助教学的应用[J].西北民族学院学报.2000，21（3）：23-25.

第5篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：布朗运动 量子力学 物质场 波动函数

引子：这篇论文是洗衣服时出现的一些现象，让我很好奇，所以我开始了对布朗运动的研究。

布朗运动：悬浮微粒永不停息地做无规则运动的现象（说明一下：永不停息是不存在的，长时间或较长时间，人们是可以接受的），很对不起大家，刚开始就要括号说明，只是现在的定义，真是永不停息。布朗运动的例子特别多，大家很容易见到，如把一把泥土扔到水里搅合搅合，或在无风的情况下对着阳光观察空气中的尘粒等等，现在这些类似运动都称为布朗运动。

1827年，植物学家R·布朗首先提出发现这种运动。在他之后的很长时间，人们对布朗运动进行了大量的实验、观察。最后古伊在1888-1895期间对布朗运动提出自己的认识：

布朗运动并不是分子运动，而是从分子运动导出的一些结果能向我们提供直接和可见的证据，说明对热本质假设的正确性。按照这样的观点，这一现象的研究承担了对分子物理学的重要作用。

古伊的文献产生过重要的影响，后来贝兰（我们第一个实验测量原子大小的人）把布朗运动正确解释的来源归于古伊。实话实说，古伊的文献太重要了，在我看来：一语中的。太对了，古伊是归纳总结的天才，也是真正从实验的角度来解释布朗运动的第一人。

古伊的话有三个重点：

一、布朗运动不是分子运动。

二、说明热本质假设的正确性(下面会专门论述热的本质问题）。

三、利用分子布朗运动的结果来承担对分子物理学的研究。

1905年爱因斯坦根据分子运动论的原理提出布朗运动理论，同时期的斯莫罗霍夫斯基作出同样的成果。

爱因斯坦在论文中指出：按照热的分子运动论，由于热的分子运动大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体中，必定会发生大小可以用显微镜观测到的运动，可能这里所讨论的运动就是布朗运动，观测这种运动和预期的规律性，就可能精确测量原子的大小，反之证明热分子运动的预言就不正确。这些是爱因斯坦的研究成果。

现在人们认为这是对布朗运动的根源及其规律性的最终解释，我认为不是。这是爱因斯坦成功的利用布朗运动的原则创造性提出热分子运动论，利用这一理论可以测量分子原子的大小，把布朗运动近似为热分子运动论。或许是天意，爱因斯坦的论文我怎么看都有绝对论的意思。“有大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体，必定会发生大小可以用显微镜观测到的运动”。运动的绝对性，不过这里他说的是发生相对于物质本身的运动，可能这是相对论的名称来源吧。我的评价：初级的绝对论。在绝对论中只要有物质存在就有物质运动，运动是绝对的。爱因斯坦的热分子运动论：舍本取末，换句话说他把布朗运动等同于分子运动了，认为热分子运动引起了的不规则运动，就是观察到的布朗运动。既然相对论是初级的绝对论，我今天提出绝对论，那么所有爱因斯坦做过的事情，我可能都要去做一遍。布朗运动不是热分子运动，但是可以引起热分子运动，爱因斯坦的成果只是利用了布朗运动引起的热分子运动，他没有分析布朗运动的根源：物质为什么会存在布朗运动。当显微镜越来越清晰的时候，爱因斯坦的扩散统计方程就不能适用了。

现在随着科学的不断进步，量子理论对真空涨落的认识不断加深，量子理论也对布朗运动的根源给出自己的看法，同样今天绝对论也给出自己对布朗运动的认识：

一、布朗运动不是分子运动，或者说不是单个粒子间的运动。

二、布朗运动是一个由点到面，再由面到点的运动形式。

三、布朗运动是与波动函数有关的物质运动的一个特性。

布朗运动不是分子的运动或者说不是单个粒子之间的运动，为什么这么说呢：一滴水融入大海永不干涸（永字应为长时间，不过人们习惯认识，所以没有改为长时间）大海汹涌澎湃，一盘水很容易平静。相比之下，为什么有如此巨大反差：物质场运动的叠加效应，滴水穿石的道理也是如此。

简单的一滴水为什么能够融入大海呢？正像洗衣服为什么能把衣服洗干净，洗不干净会在衣服干后留下许多渍迹一样。液体的形态对物质运动产生了如何的影响呢？这是我们应该思考的问题，这里我引入二个概念：物质场与波动函数。

说一下自己的看法：一滴水的运动比如一个粒子的运动，大海是一个物质场，一盆水也是一个物质场，同样一滴水也可是一个物质场，那么一个电子也可是一个物质场，也就是说一个量子可以看作是一个物质场，量子的运动可以当成物质场在运动。

其实为了研究布朗运动，引入物质场这个概念，把物质现实中的存在状态看成是一个物质场的存在，相信大家能够理解。把物质形态存在的状态不去看它把当成一个独立的物质场存在，比如一块铁、一块钢、一块砖，我们都把它当成一个独立的物质场存在，那么这个物质场中的电子、原子、质子等粒子都是这物质场的一部分，那么这物质场中的一切物质都应是这物质场的一部分。

一个统一的物质场。对于运动而言，物质场有整体的运动，也有物质场的内部运动：质子、电子、中子等微粒之间的运动，比如我用力去拿一件东西，我的全部身体都在运动，手的运动和身体内部的运动时截然不同的，但作为一个整体，我把东西拿了起来，而东西作为一个完整的物质场表现是被我拿了起来，整个的分子、原子、电子构成的物质场共同被我拿了起来。

诸如这些运动是整体的完整的物质场，对另一个完整的物质场的作用，牛顿力学已经很好的应用到多个方面，宏观物理研究的物体很明确，运动也很明显，都可以准确测量计算。为什么这里一定要强调完整的物质场呢？一滴水进入了大海之后，这一滴水的完整物质场依然存在，而变成大海的物质场一部分，这一滴水所有的运动，所有的信息都变成了大海物质场的一部分，大海的每一滴水都是一个完整的物质场，但都是大海物质场的一部分，大海有每一滴水的信息 ，但当空气蒸发水蒸气时，大海不会单独让哪一个完整的小水滴去蒸发，而是大海整个的一个物质场在做蒸发这件事，与个体的物质场的状态关系不大。

可能从小水滴到大海大家觉得不直观，在量子力学把电子看成小水滴，把一个物质粒子看成大海，或者几公斤的金属板看成大海，相信这样我们的科学人士都能够理解。

光电效应的原理：把光子看成一个物质场，把金属板看成一个物质场，光照到金属板上，放出电子（当然需要一个极限频率）是一个物质场对另一个物质场的反应，那么释放的电子是物质场的整体行为，不是单个电子吸收能量而释放出来。极限频率，用水吸收80卡的热量才能变成水蒸气来说明吧，80米的水位永远流不出100米的大坝。每个物质场都有自己的固有频率，超过这个频率的东西来破坏它，这个物质场就发生变化用大锤去打东西，物质会反应不同的。

另一个问题：固体微粒之间结合很好，但是一个个的原子又是相互隔开，可是这一个个原子又构成统一的物体。为什么？：波动函数，物质的特性是一个个小的原子共同表现出的特性，两块铁融化后能够形成一块铁，人类有无数的合金材料以及其它合成物质，为什么这些材料表现出了原来不同的特性呢，物质场的特性为什么变化呢？

物质的特性变化了，那么每一个小的物质场的特性也会变化。一般情况下原子不可能变，合金状态的原子也未变，那么什么变化了呢？量子的运动方式变化了，也就是电子和质子以及其它的微粒运动形式变化了，整个的物质场的量子波动函数变化了。

波动函数是为了形象说明布郎运动的本质引入的一个物质特征，一个物质场的波动函数体现物质作布郎运动的能力，也体现了物质场内部物质运动能力。波动函数是物质场与物质场之间结合（叠加）能力的一种体现。一个物质场中会有很多不同的波动函数如：分子之间，原子之间，电子之间，质子之间，原子于分子之间，电子与原子核之间，质子与中子之间等等许许多多的量子之间。波动函数是物质运动的一种能力的体现。

当然这个概念也很符合量子力学的波动方程的需要，那就是所有的物质场都有自己的波动函数，而且不止一个。当波动函数达到一定数值，物质场之间既可融合。这样虽然原子之间的距离是分开的，但是电子之间的物质场却可以是融合在一起的（当然还有比电子更小物质，那它们的物质场更会融在一起）

波动函数越高，物质融合的越快，反之越慢，诸如扩散现象，渗透等等，固体之间的波动函数低，所以最好融化或锻打成液态式的结合，需要外部的力量加大它的波动函数。波动函数是物质作布郎运动的一种能力，我更愿意认为波动函数是物质运动的一种能力（在绝对论中运动是物质的生命）。与物质本身的温度有关，与外界的干涉有关。例如：加热气体，溶液或用力搅拌溶液等等会增波动函数值。（下面我们还要专门研究热的本质问题）

用一个方程式来表达吧。

H值=H℃温度+Hoi外部干涉，H：波动函数。其实我的波动函数和量子力学中的的物质波不是完全相同。

波动函数是物质场的特性，是物质生命能力的一种体现。表现在粒子上，粒子就具有波动性，同时物质运动一定需要能量的，也一定出现物质的波动。所以不是粒子具有波粒二象性，而是物质场具有波动函数。就象一整铁的内部具有轻微的布郎运动，也就是说这块铁的所有原子、分子、电子等等一切粒子都在做一定的布郎运动。所有的粒子都具有这块铁的物质特性。也就是所有的粒子都有自己相应的波动函数。这与这块铁的运动和外界条件都有关系。就比如大海是所有的水滴和水中的悬浮物体构成一个统一的物质场，是所有的物质场的叠加效应，如果你取出一滴水，那么这一滴水就不属于大海了，它和大海就毫不相干了，完全是不同的物质场了。

说到这些，大家可能会乐了，我也很乐的：这就是我们量子力学上著名的不确定原理和测不准原理，因为你要对这一个量子测量，那你就要破坏这个粒子在物质场的状态，你永远不能无法精确测量一个量子系统。因为你测量一滴水的结果就会脱离大海这个物质场。这一滴水在大海里就和大海一样大，除非有测大海一样大的仪器，否则无法测量这一滴水在大海中运行状态。但是我们可以运用统计学对整个的物质场的运动进行统计。我们可以计算大海每天蒸发了多少吨的水，但不可以说是那一吨水。

其实量子力学碰到的最大问题，不是实验不能证明。而是无法说明粒子为什么不可测，而且无法确定位置，因为任何一个物质场都是一个面，一个量子只是一个点，而运动和变化是物质场与物质场之间发生的，与单个的粒子运动关系不大。当然也不能说一点没有，就象人与人打架一样，是两个物质场在运动，打在手上，而全身都难受，手痛得最厉害。是整个物质场在对外界的物质场共同的感受。可不是只是手不舒服，所以我们能够精确地确认各个量子运动叠加之后统计结果（宏观物理），但我们不能很精确一个物质场内部的那一小点起作用。物质是整体运行的，当外部的物质变化时内部的物质也会有相应变化的，量子运行方式会发生一些改变。

量子力学从来没有从一个面去研究物体，只注重了一个点，而经典物理只注意宏观物理现象的规律性，也就是注意面了。

量子力学注重研究了物质场的内部运动：单个粒子的运动（点）。经典物理学：牛顿力学，相对论只注重了物质场与物质场的外部运动（面）。

而布郎运动是把物质场的内部和外部运动结合一起的表现运动，是点到面，再面到点全过程，所以对布郎运动的研究也是一个科学研究物质运动史的一个缩影。

人对事物的认识总是渐近的，按照绝对论的原则，弧立的事情是不存在的，所有的系统都是宇宙整体的一部分，所有的运动都是宇宙生命的一种体现。

现在用量子理论中的概念说明热的本质问题：热量只是能量的一种表现形式。热的来源一般是：化学反应，物理作用（包括核反应），能量转化。等等的这一切源于：量子运行方式的改变。量子运行只会一个场，一个场的变化，也就是说量子运动只可123456 不会连续不断 没有0.1，0.2，0.3，0.4等等。量子的运行方式改变只可这个场直接到那个场，要么吸收一定能量，要么释放一定能量。水分子或者是固态，或是气态，液态，没有中间的状态。能量有许多表现形式，而热量是能量的一种表现形式，所以我们可以测定温度等等现象。量子运行方式改变了，物质的特性也就改变了。烧火做饭，木柴变成灰烬，原子一个不少，电子一个不少，可是它们之间的运行方式改变了，能量或释放了或吸收了，物质也就变化了。

第6篇：量子力学在化学中的应用范文

一、结构化学课程的教学现状分析

目前结构化学教学面临两大难题。首先，结构化学中的很多概念过于抽象，教师难以形象地去讲授，学生难以理解和接受。其次，随着现代化学学科本身的快速发展以及与其他学科的交叉融合，使得结构化学的教学内容快速膨胀，而结构化学的教学课时不但没有增加反而有所减少，这就势必产生“任务重，时间少”的难题。

为了解决这两大难题，人们已做了一些有益的尝试和探索，如，整合教材内容，采用多媒体教学等。这些改革都不同程度地改进了结构化学的教学，也取得了一些积极的效果。但是，这些改革措施和方法并没有彻底解决这两大难题。我们结构化学教学组经过长期的尝试和探索，得到了一种行之有效的方法，这就是在结构化学的教学中采用目前先进的可视化量子化学分子设计软件来辅助教学。下面予以介绍，以期为同行们提供一些借鉴。

二、可视化量化计算软件的使用

使用可视化的量子化学软件，通过计算得出教材中的结论，将抽象的概念变为直观的图形，也可以通过化学软件的使用使学生了解到所学的基本概念在实际中的应用，在课堂上用多媒体的形式加以演示。在实际教学过程中具体做法如下：

第四章对于分子的对称操作和点群的有关知识，利用可视化软件画出具体的图形，在课堂上利用多媒体对具体的图形进行各种对称变化和操作，形象直观容易接受。

丁二烯分子π轨道图形

另外，对于结构化学知识在实践中的应用、NMR数值的测定、偶极距、分子光谱等问题都可以利用量子化学软件计算得出与实验相符合的数值，使学生进一步了解学习结构化学课程的作用。

总之，可视化量化计算软件可以使结构化学的教学从单纯的理论讲授变成理论与实践相结合的课程，将结构化学抽象的概念变成直观的图形；通过让学生动手进行计算，分析计算结果，加深了学生对课程内容的理解，使学生便于接受和理解，同时提高了他们的学习兴趣，培养他们的科研能力。

第7篇：量子力学在化学中的应用范文

(一)简介材料计算模拟软件Materialsstudio是美国Accelrys公司为材料科学领域开发的一款科学研究软件，用于帮助用户解决当今材料科学中的一些重要问题。MaterialsStudio软件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十几个计算模拟模块，是一款强有力的计算模拟工具。用户可以通过Visualizer可视化模块进行一些简单的界面操作来建立材料分子的三维结构模型，之后通过软件包中相应的计算模块，对材料分子的构型优化、性质预测、X射线衍射分析及量子力学方面进行计算。通过计算得到的结果可以对各种晶体、无定型与高分子材料的性质及相关过程进行深入的分析和研究，其计算的结果精确可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的缩写，最早由英国剑桥大学的一个凝聚态理论小组开发，是广泛用于计算周期性体系性质的一个先进量子力学程序。它可用于金属、半导体、陶瓷等多种材料的相关计算，可研究晶体材料的光学性质（折射率，反射率，吸收及发射光谱等）、缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、电子结构（能带及态密度）、体系的三维电荷密度及波函数等。

（二）教学环节设计1.知识点的设置。在材料科学的专业课中，如晶体物理、固体物理、半导体物理学、硅材料科学与技术等课程中,都会涉及材料的晶体结构，能带结构，带隙的分类，X射线衍射、缺陷，掺杂等知识点，也会涉及到材料的反射率、折射率、介电常数等材料的光学或化学性质。在完成这些基础知识点的讲解后，可以利用Mate-rialsStudio软件进行计算和演示，为这些基础理论给出直观形象的解释，把材料的宏观性质与微观机理衔接上，这样学生对材料科学的知识体系就会有一个整体的认识和了解。2.密度泛函理论及波函数的介绍。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法，其本质是以电子密度分布函数为变量代替波函数中的自变量来求解薛定谔方程，使求解复杂体系波函数的本征值成为可能。目前，密度泛函理论已广泛应用于物理、化学及材料相关领域，特别是用来研究分子和凝聚态的性质。目前密度泛函理论DFT（DensityFunctionalTheory缩写）被广泛应用到计算模拟软件中来求解薛定谔方程，可对材料的结构、性质、光谱、能量、过渡态结构和活化势垒等方面的进行计算研究。在与分子动力学结合后，在材料设计、合成、模拟计算等方面有明显进展，成为计算材料科学的重要基础和核心技术。3.软件的操作及相关内容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多个计算模块是通过Visualizer这个可视化核心模块整合在一起的，用户可以很方便地应用Visualizer模块构建有机、无极、聚合物、金属等材料分子、及周期性的晶体材料、表面、层结构等模型，通过鼠标控制这些分子构型，可从不同角度查看并分析体系结构，容易形成直观的概念。MaterialsStudio自带的数据库中的晶体结构可以用于教学演示，如在硅材料科学与技术和半导体物理等课程的教学过程中，需要用到单晶硅的晶体结构，可以很方便地从MaterialsStudio软件的Structures/semiconductors数据库文件夹中导入Si这个晶体数据文件，在课堂上为学生们演示，从（100）、（110）、（111）不同的晶面来进行展示（如图1），以说明硅单晶的晶体结构。也可以通过Visualizer模块中的菜单选项Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞结构，通过调整角度，可以从不同晶向观察晶体的晶面，通过超胞结构也可以演示各种晶体的密堆积结构。这样就给学生一个生动、形象、直观动态的概念，使其易于在头脑中建立空间模型，理解所学知识点。通过Visualizer模块对硅单晶的元胞进行演示，我们可以知道每个硅原子至多与另外四个硅原子相连，借此可以说明硅原子的共价键取向及硅晶体属于金刚石型结构，源于硅原子的sp3杂化，形成了四个共价键。通过CASTEP模块对硅单晶的元胞进行计算，可以得出其能带结构和态密度，通过对计算结果的分析，可以得出硅单晶材料的带隙特点。在稀土化学的教学过程中，可以通过CCDC英国剑桥晶体数据库及WebofScience网站来获取稀土配合物的晶体结构，然后通过MaterialsStudioVisualizer读出晶体结构，用于课堂演示，有助于学生理解复杂的稀土配合物结构。在固体物理教学过程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模块模拟粉晶体材料的X光、中子以及电子等多种衍射图谱,可用于验证实验结果及演示教学。4.知识点的拓展。对于缺陷、杂质掺杂、空位等对晶体材料的影响，可以通过MaterialsStudio中Visualizer模块建立相应的模型，然后通过CASTEP计算模块进行计算。通过对计算结果的分析，说明这些因素对半导体材料性质的影响。MaterialsStudio软件同样可以计算材料的折射率、反射率、介电常数等性质。其计算的结果数据和图表可以与教科书或文献上的数据图表进行对比，来说明计算方法的正确性，以此为支点，采用同样的计算方法，我们可以尝试设计更多的新型材料并进行计算。通过这些详实的计算实例我们可以更生动地说明教学中的知识点，学生可以根据自己的兴趣爱好，尝试进行材料分子模型的设计并进行模拟计算。通过计算结果的对比，可以初步探讨晶体中缺陷、杂质、空位等因素对材料性质的影响，在此过程中增加了学生的学习自主性和兴趣。

二、GaussianView和Gaussian软件在教学中的应用

（一）简介Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。应用它可以计算分子能量和结构、过渡态的能量和结构、化学键以及反应能量、分子轨道、热力学性质、反应路径等等，功能非常强大。计算可以模拟气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态，进而通过含时密度泛函研究材料分子体系的激发态，算出吸收和发射光谱。Gaussian扩展了化学体系的研究范围，可以对周期边界体系进行计算，例如聚合物和晶体。周期性边界条件的方法(PBC)技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。而GaussianView是一款为Gaussian设计的配套软件，其主要作用有两个：1.构建Gaussian的输入分子模型，2.以图形显示Gaussian程序的运算结果。

（二）知识点的设置1.在材料科学有机电致发光材料及稀土化学课程的教学过程中，会涉及到有机或稀土发光材料的吸收及发射机理。通过把Gaussian软件教学过程，我们可以很好结合这些算例讲解三重态，单重态发射过程，给出与发射过程相关的分子最高占据轨道HOMO和最低非占据轨道LUMO的电子密度图，这样就可以很形象地解释发射过程中的电子转移过程，对低能吸收和发射过程的电子跃迁性质进行判断。2.软件的操作及相关内容的演示。(1)通过CCDC晶体数据库或者WebofScience网站获得相应的配合物或者稀土配合物晶体的晶体结构（通常为cif文件）。(2)应用Mercury软件或者MaterialsStudio软件读取相应的晶体结构，转存为GaussianView程序可以读取的格式（一般选用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通过Gaussian-View转存为Gaussian输入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序进行计算。(4)通过GaussianView程序读入Gaussian03/09计算结果，通常为log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地读取Gaussian的计算结果并且以图形的形式显示出来，并可应用它对计算结果进行分析。(5)通过GaussianView对计算结果的进行处理，通过它显示出发光材料的分子轨道电子云密度分布情况，吸收光谱，发射光谱等情况，结合这些图形信息，我们可以对有机电致发光材料或者稀土发光材料的发光机理进行教学。3.知识点的拓展。GaussianView是由Gaussian公司开发的一款非常好的分子建模及显示工具，学生可以通过对它的使用，很方便地进行分子设计并输入到高斯程序中进行计算。可以安排学生在基础发光材料分子的基础上，在分子配体的添加取代基或者改变配体，进行尝试，进行配合物分子的设计，增强其动手能力，为今后走进实验室进行有机合成做准备。

三、预期的效果

第8篇：量子力学在化学中的应用范文

关键词：大学物理；物理学史；课堂教学；兴趣激发

作者简介：李玲（1980-），女，湖北荆州人，长江大学工程技术学院，讲师。（湖北 荆州 430020）

基金项目：本文系长江大学工程技术学院教研基金项目（项目编号：JY201112）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0122-02

一、大学物理课程的意义

物理是自然科学的基础性学科，它的知识体系和思维方法贯穿人们学习自然科学知识的始终，培养人的科学精神，陶冶人的科学思维，教会人应用科学方法解决具体问题。大学物理是工程技术学院（以下简称“我院”）相关系部许多专业课的理论基础，但因有些学生认识不到这门课的重要性，经常在课程中期出现畏难厌学现象。现通过改革课堂教学内容，提高学生对物理的学习兴趣，以期提高教学质量。

物理学史上的许多名人轶事及其主要研究成果的研发过程都对今人有积极的指导作用，如光学波粒二象性对立统一的认知发展过程。若能结合教学内容将物理学史中有代表性的知识体系发展融入教学过程，既可激发学习兴趣，改变满堂灌的理论推导，又可有机地将物理知识要点与科学的世界观及哲学发展理论结合起来，有利于学生知识底蕴的累积和眼界的开阔。

表1 大学物理全模块教学内容及课时分配

我院经过数年的大学物理模块化教学改革[1]后，将学科内容分为六个模块（表1），参考课时分配，本文讨论如何在课堂教学中将物理学发明史、名人史等容易激发学生兴趣的内容导入，以及导入后其对课题教学可起到的积极作用，课程内容以我院现在使用的大学物理教材[2]为准。

二、大学物理全模块教学内容

1.力学

力学部分的讲授内容比较多，是物理学实践探索方法与思想体系建立的基础。质点运动学有两次课，第一次课绪论开端讨论物理学科的研究范围，介绍从古人对自然的朴素的感性认知，到近代利用微积分等数学工具归纳推导大量天文观测数据及实验室数据而获得的经典物理学基本定理与定律，再到近现代的量子物理和相对论，物理的发展史即人类文明的发展史。这两次课中要将大学物理用到的微积分、矢量等数学知识进行系统化介绍，而微积分的发明者之一牛顿正是近代物理的标志人物。

牛顿定律部分由于学生熟悉内容，在理论讲授部分很容易分散注意力，因此，介绍相关物理学史知识可以有效地激发学生兴趣。如被称为近代物理学之父的伽利略，其著名的比萨斜塔落体实验、斜面实验皆入选最美丽的十大物理实验，[3]其物理思想如惯性、力与运动的关系等，是牛顿定律得以建立的基石。而牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学的基石。质点动力学的最后一节非惯性系略有些抽象。以科里奥利命名的旋转参考系中的惯性力有许多常见实例，很容易激发学生探究兴趣，如台风气旋、下水方向、河道两边的不对称冲刷，以及著名的列入十大最美物理实验之一的傅科摆。[3]

刚体力学三次课相对来讲较难较抽象，需要用到微积分、空间立体几何及矢量叉乘知识，质点的角动量守恒可以将开普勒第二定律的反向证明作为计算实例，而历史上牛顿正是由开普勒第二定律推导定义角动量的概念。在大段相对沉闷的概念讲解和定理推导之后，第谷与开普勒师生的历史故事以及他们对物理学发展的贡献很容易引起学生的兴趣。

2.振动与波

由于简谐振动的振动方程、平面简谐波的波动方程等都比较抽象，其对应物理量的计算和转换多，所以此处学生最易产生厌学情绪。

机械振动两次课，第一节课可用中国2013年6月太空课堂的单摆实验导入；第二次课的利萨，及其后的阻尼振动及共振在生活中的应用及历史中的实例就更多了，例如著名的18世纪拿破仑士兵齐步过桥致桥塌事件。在西方，波动现象的本质首先是由达芬奇发现的。机械波致质点受迫振动也可举共振的例子，如中国古代战场上利用共振器判断敌军多寡和方位、唐朝寺庙钟磬声波共鸣等事例。第二次课中可以用1842年多普勒在散步时的“多普勒效应”导入，目前该效应应用很广。

3.热学

热学部分我院仅勘工和化工类专业需要学习。气体动理论部分的两次课中涉及到微积分的计算不太多，学生们对克拉伯龙方程也有一定基础，总体难度不大。第二次课讲自由度及麦氏速率分布率时，由于涉及到统计学，相对比较枯燥且理论公式冗长。可以在前期已观察到学生状态及接受水平的基础上，淡化理论，介绍一下科学家麦克斯韦生平。麦克斯韦被誉为牛顿与爱因斯坦之间最伟大的物理学家，其一生对物理学的卓越贡献不仅表现在对后世产生巨大影响的电磁学上。他在热力学方面提出的麦克斯韦速率分布式也是应用最广泛的科学公式之一，在许多物理分支中起着重要的作用。同时代的科学家玻尔兹曼将麦克斯韦速率分布式应用到保守力场中，提出了玻尔兹曼速率分布律，在热力学研究中也具有重要地位。玻尔兹曼把物理体系的熵和概率联系起来，阐明了热力学第二定律的统计性质并引出了能量均分原理。

热力学基础三次课，可联系科学发展史上对永动机的探索导入。如第一类永动机不可能被创造出来是违背了能量守恒定律，但其探索过程为热力学第一定律的建立提供了实验基础；第二类永动机则违背了热力学第二定律。此外，热机的发明是工业革命的标志之一，第二次课的循环过程可借此话题导入。

4.光学

光学是一个古老而充满活力的学科。[4]从十七世纪中叶牛顿和惠更斯分别提出光的微粒学说和波动学说之后，对于光的本质的讨论一直是科学界热点话题，直到二十世纪爱因斯坦提出光的波粒二象性才告一段落。牛顿对光学的研究可视为近代光学的开端，其棱镜分解白光实验入选十大最美物理实验，[3]而牛顿环实验至今仍是大学普通物理实验室经典必选实验之一。因牛顿的权威，光的微粒学说在科学界占主导地位达一个多世纪。光的干涉第一次课以十九世纪初托马斯杨的双缝干涉实验导入，这一实验揭开了近代波动光学的序幕，亦是十大最美丽的物理实验之一。[3]第二次课薄膜干涉可以用牛顿环导入。第三次课中介绍在物理学史上有重要地位的迈克尔逊（1907年获诺贝尔奖）干涉仪。

在衍射部分，将菲涅尔等实验证明的著名泊松亮斑在第一次课中作简单介绍，可以很好激发学生的讨论热情，因泊松亮斑的相关历史很多学生都有所了解。第二次课的X射线衍射的发现过程亦十分有趣，伦琴（1901年获诺贝尔奖）夫人戴婚戒的手骨底片是第一张X光照片。

光的偏振总体上是介绍性质的讲授，重点是1808年发现的马吕斯定律和1815年布儒斯特定律，不作重点但比较有趣的双折射现象则是早在1669年就被人们发现的，其在生活中可作为辨别晶体与非晶体的一种方式。

5.电磁学

经典电磁学理论是大学物理中的必修模块，虽然理论推导多、微积分计算多，但现在电磁学在生活中的应用无处不在，且名人辈出，将课上得生动有趣并不困难。如静电学部分的库仑定律是1785年的库仑扭秤实验确立的，电荷的不连续性是由1909年密立根油滴实验证明，该实验是十大最美物理实验之一。[3]第三次课讲授的静电场高斯定理因“数学之王”高斯得名。高斯生平传闻轶事很多，尤其是其研究生时期，误将悬留两千余年未解的尺规作正十七边形问题作为导师布置的课后作业一夜解决的故事，与学生们发散讨论其心理学与教育学意义，对于学生打破心理设限努力钻研学习很有意义。

稳恒磁场八次课，第一次课可介绍中国古人在磁学方面的发现，司南和指南针的意义；1820年近代磁学标志性的奥斯特实验等，也是学生们熟悉且有兴趣的内容。第二次课的毕奥-萨伐尔定律，可介绍其定律的得出与安培、拉普拉斯等在数学上的帮助密不可分，再次强调大学物理学习中高数知识的重要性。安培是一位在数学、物理、化学领域都有很高造诣的科学家，约第四、五次课中学习的磁场安培环路定理、安培定律都由他发现，被称为“电学中的牛顿”。

电磁感应部分则由著名科学家法拉第的故事导入。被誉为电磁学领域的平民巨人，著名的自学成才的科学家法拉第，生于英国一个贫苦铁匠家庭，仅上过小学。1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。[4]法拉第是一位无以伦比的实验物理学家，在电磁学、化学、电解、气体液化等实验方面都做出了巨大贡献。而且法拉第十分幸运地在晚年遇到了既能理解他的物理思想，又长于数学的麦克斯韦，第三、四次课中的感生电场和位移电流假设都是由麦克斯韦提出。麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论，这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。1888年，赫兹经反复实验，终于发现了人们怀疑和期待已久的电磁波，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论，得以完美的证明。

6.相对论与近代物理

这部分内容我院只有全模块的勘工和建环专业按十六课时教学并考试，其他专业都只作为了解内容，用物理学史的故事串讲主要内容即可：

（1）被誉为20世纪最伟大物理学家的爱因斯坦，其狭义相对论的两个重要结论：时间延缓和长度收缩效应，及物理学史上著名的双生子佯谬已被实验证明，而为爱因斯坦赢得1921年诺贝尔奖的是光电效应的研究。

（2）光电效应方程中的普朗克常数对描述光的量子性非常重要，因研究黑体辐射而提出该常数的普朗克（1918年诺贝尔物理学奖）是量子力学的创始人。有趣的是，普朗克本人并不认同量子理论的许多观点，直到爱因斯坦利用能量子假设完美地解释了光电效应。

（3）被戏传一举拿下诺贝尔奖（1929）的德布罗意也是量子力学创始人之一，以物质波假设理论最初的确是在其博士论文中提出的，因德布罗意是法国公爵兼德国王子，使其曾被传闻是一位花花公子，事实上德布罗意终身献身于科学，深居简出，是个标准的工作狂。

（4）提出氢原子能级假设的天才玻尔是著名的哥本哈根学派创始人，量子力学的奠基人之一。

（5）概率波动力学的创始人薛定谔，提出著名假设“薛定谔的猫”。

三、结束语

本文按长江大学使用的《大学物理》教材[2]中各章节先后顺序列出各章可能提及的名人轶事，希望对执教于大学物理的同仁们在课堂教学中有所助益。

参考文献：

[1]李玲，梅丽雪.独立学院大学物理模块化教学探讨[J].华章，

2009，（9）.

[2]康垂令， 伍嗣榕，李玲.大学物理[M].武汉：武汉理工大学出版社，2013.

[3]宫铁波，张炳恒.十大经典物理实验回顾[J].大学物理实验，

第9篇：量子力学在化学中的应用范文

1专业知识体系的调整

2006年教育部全国高等学校教学研究中心、材料科学与工程教学指导委员会联合制定的《高等学校材料化学专业规范(讨论稿)》(以下简称“规范”)中所制定的专业知识体系对于我校应用型人才培养来说，显得内容偏多，理论偏深，要求偏理，工程意识不强，因此，结合我校应用型人才办学实际，对“规范”中所界定的专业知识体系中内容做了相应的调整，从而形成了我校材料化学专业发展的专业知识体系。该体系内容调整的思路和原则是:精简内容，保证基本理论和必要的基本知识，降低难度，突出应用特色，体现学科进展;达到学生具备继续学习的理论基础和应用所学知识于工程实践的能力，适于培养应用型、创新型人才的要求。如“规范”中的量子力学基础、计算化学、电子论、材料科学中的数学等理论性强的内容一律删除。调整后，体系由化学基础知识、材料科学基础知识、专业方向知识三个部分所组成，其中化学基础知识包括基本的化学知识，化学原理、化学方法;材料科学基础知识包括材料的结构、材料的化学制备，材料的分析测试、材料的物理性质以及材料的成型加工等;专业方向知识包括高分子材料的制备、结构、性能、加工以及应用等，详见表1。

2课程体系的设置

设置什么样的课程来贯彻实施上述专业知识是我们一直以来探索的一个重要的教学改革问题。课程设置不同所获得的教育效果也就不同。在这方面各学校办学情况不同其做法也不一样［2－4］。经过几年的教学实践，我们认为，材料化学既然是研究材料的化学问题的科学，材料化学专业人才培养理当强调化学基础的学习，只有具备厚实的化学基础，才有可能弄清材料的化学问题，并用化学方法去研究和解决材料的化学以及其他问题，未来发展才有后劲;另外，化学基础好更有利于学生就业。因此，我们设置了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、化工原理、高分子化学、材料化学和材料科学基础、高分子材料等9门核心课程来完成化学基础、材料学基础和专业方向等三部分知识，并做到统一考虑内容取舍、不重叠，处理好课程的相对完整与课程间融合衔接;精简繁多的数学推导和叙述性的内容，做到“简明”而不弱化基本理论，以满足材料化学专业本科教育专业认证的基本要求;引进学科近展的新内容，反映学科发展的方向。在教学内容上，无机化学、有机化学、化工原理、高分子化学和高分子材料等都紧密联系工业生产实际，渗透工程意念;分析化学以仪器分析方法为主;物理化学强化热力学基础和界面与胶体化学及其在材料化学中的应用;材料化学注重材料制备和分析测试;材料科学基础主要介绍材料的物理性质和材料的成型与加工(如表1所示)。

3课程标准的制定

教学的规范化、标准化是课程实施质量的保障，为此，我们陆续制定了上述核心课程的课程标准。在课程标准中规定了各门课程的性质、课程目标、课程内容，以及学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的基本要求，全面体现素质教育、创新教育的理念和课程功能。课程标准是教材编写、教学及其评估的依据，同时也是管理和评价课程、加强课程建设的基础，它的制定和实施，将全面推动教学质量的提高，这对于培养素质全面、富有应用型、创新型人才具有深远意义［5］。