量子力学应用举例精选(九篇)

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第1篇：量子力学应用举例范文

关键词：自然哲学　量子革命　系统辩证法

关于20世纪科学革命，有人说只须记住三件事：相对论、量子革命和混沌学（系统科学中最突出的新分支）。正是这三大科学革命为人类建构全新的自然图景（也就是新颖的自然哲学）作出了决定性的贡献。这里所谓自然哲学是指人对自然的哲学反思。自然哲学的中心问题就是基于人与自然的关系来研究自然本体最一般的性质和人类的世界图景。

一

自然哲学在哲学史上有过两个全盛时期（古希腊及近代机械论），只是在谢林、黑格尔之后衰落了。由于20世纪三大科学革命的强大影响，自然哲学正在当代复兴起来，这是十分令人鼓舞的。我们先从三大科学革命说起。

首先要提到的是相对论革命对改造人类世界图景的贡献。在1905年的狭义相对论中，时空性质依赖于参照系等概念是对“观察无关性”的经典信念的初次冲击；1915年的广义相对论把引力场（它具有整体全息相关性）确立为新的“独立的实在”，这是对牛顿的实体观的又一次打击。接着要论述的是量子革命，它比相对论革命更为深刻地改变着人类的世界图景。因为1925年以后所创建的量子力学进一步使笛卡儿与牛顿以来的主客绝对二分原则、实体主义原则乃至严格决定论原则都受到猛烈冲击。最后要强调的是系统科学革命。20世纪中叶以来近半个世纪系统科学的蓬勃发展表明，从总体上说，系统自然观集中体现了当代自然图景的精华，因此系统自然观几乎成了当代自然科学的世界图景的代名词，贝塔朗菲称之为“一种新的自然哲学”。20年代所出现的怀特海的“机体论哲学”则是这种自然哲学之先声。

当代的系统自然观借助于维纳的控制论(1949)、贝塔朗菲的一般系统论(1948)、普利高津的耗散结构论(1969)和哈肯的协同学(1971)等理论复活了亚里士多德的机体论和内在目的论的自然哲学。〔1〕控制论通过对“动物（即生命系统）和机器（即非生命系统）的通用规律”的研究表明，自动机器通过反馈调节机制可以表现出与神经控制同样的合目的性或规律。[1]维纳在《控制论》中对牛顿的严格决定论进行了深刻有力的批判，肯定了统计力学家吉布斯把偶然性引进到科学中来的重大的方法论意义，并突破了目的论与机械论之间的两极对立。莫诺在《偶然性与必然性——略论现代生物学的自然哲学》(1971)一书中，则用生物微观控制论表明，借助于生物化学和分子生物学层次的反馈机制以及微观-宏观相互作用，完全偶然的基因突变最终可以纳入物种进化的必然轨道；耗散结构论表明，在远离平衡态条件下开放系统可以通过非线性正反馈机制的作用表现出有序化和合目的性；协同学还进一步发现序参量是整个自组织过程的主宰如此等等。总之，所有这些自动机器和自组织理论都表明，无须超自然的神力和神秘的“生命力”，自然系统也象自动机一样可以凭借内在机制的作用呈现合目的性。从这个特定意义上说，认为宇宙＝巨大的超级自动机的“机械论”是对的，而非神学性的宇宙“内在目的论”也是对的。从历史上看，牛顿的机械论自然哲学是对亚里士多德的目的论自然哲学的否定。现在，我们的立足于系统科学的新自然哲学则应看作一种“否定之否定”。它是对机械论与目的论自然哲学的更高的辩证综合。

当代自然哲学（它以系统自然观及其系统辩证法为核心或灵魂）最有革命性的一个方面，也许表现在反严格决定论和对偶然性客观意义的新认识。直到现在为止，一般人都相信“近似决定论”：只要近似知道一个系统的运行规律和初始条件就可以足够好地计算出系统的近似行为。可是混沌学中著名的“蝴蝶效应”，即系统演化进程对初始条件的敏感依赖性，却断然否决了牛顿-拉普拉斯决定论的任何翻版（如“近似决定论”）的有效性。美国气象学家洛仑兹在1961年发现，实际上长期天气预报是不可能的。因为即使对于严格确定的气象方程组，初始条件的小误差，也会导致灾难性的后果。诸如珞珈山的蝴蝶拍拍翅膀那样的初始小扰动，经由地球大气系统中的逐级放大，最终可能在南美洲引起大风暴。这种由决定论引出来的混沌，对经典观念的打击是毁灭性的。混沌革命加强并深化了量子革命。

通过量子力学、分子生物学、协同学乃至混沌学的研究，现代科学家越来越认识到，偶然性在自然界具有不容忽视的本体论地位，以及研究偶然性的内在机制的重要性。为恩格斯赞同过的黑格尔关于“必然性自己规定自己为偶然性，……偶然性又宁可说是绝对的必然性”（〔2〕，第562—563页）的辩证论断，得到最新自然科学的支持。正如马克斯·玻恩在《关于因果与机遇的自然哲学》(1951)中所注意到的，量子世界是由因果与机遇联合统治的，其中机遇是有规则的。同样，在哈肯的协同学演化方程（如福克-普朗克方程和郎之万方程）中，决定论力项与随机力项是共同起作用的。在混沌理论中，混沌本是由决定论规律引出的内在的无序和不规则性，然而对混沌吸引子的相空间图解研究却表明，即使混沌也有精细结构，其中机遇也是有规则的，偶然性与必然性相互作用的深层非线性机制是可以认识的。从量子力学到系统科学的研究表明，概率统计定律是比严格决定论定律更好的认识工具，但原有的“大数定律”与“统计平均值”等概念对于描述偶然性已经显得太粗糙了，非线性数学该出阵参战了。因为唯有借助于非线性数学才可能认清偶然性起作用的深层结构机制。

当代自然哲学中的系统整体论思想也是相当有革命性的。自从欧几里得、阿基米德以来，“整体＝部分和”的公理已经成为背景知识不可缺少的一部分。这一观念也是牛顿的机械论自然哲学的一个基本要素（它与实体主义、还原主义相协调）。然而，一般系统论中的贝塔朗菲原理“整体不等于各部分简单相加的总和”，却断然取消了欧几里得的公理，以整体论取代了机械论的还原主义。量子力学中的全域相关性和粒子物理学中的新奇现象（“基本”粒子分割到一定限度，将出现“部分大于整体”的佯谬）以及生态系统的整体关联性（卡普拉《转折点》，1989）都支持贝塔朗菲的系统整体观。

总之，以现代物理学与系统科学为代表的当代科学革命已经引起了人类自然图景的根本变革，人们有理由期待一种浸透着量子力学辩证法和系统科学辩证法精神的全新的自然哲学的出现。

二

现在我们转入当代自然哲学的主要疑难及其可能解法的讨论。

鉴于机械论自然哲学所遇到的困难，当代自然哲学所要讨论的主要问题可以归结如下：1.自然本体的性质问题。物理实在究竟是孤立的实体还是依赖于系统场境的存在？“潜在”是否也是物理实在的基本形态之一？究竟是否存在终极实在？2.物理实在所遵循的规律究竟是决定论还是非决定论的？自然系统究竟是必然性还是偶然性所支配的？偶然性应当具有怎么样的本体论地位（是否应当有）？3.所谓“观察者侵入物理事件”的实质是什么？主客二分的合理界限是什么？4.系统整体论与还原主义孰是孰非？5.目的论的新解释问题。自然系统本身能有目的性吗？能代替上帝作为选择主体的地位吗？目的论是否真与机械论势不两立？它又如何与神学划清界线？下面我们将依次详细分析这些问题：

1.自然本体或物理实在的性质问题。

牛顿机械论自然哲学的本体论或实在观的要害就在于实体主义。一切物理实在被认为都有实体性、实存性，自然被等同于实体的集合（简单相加的总和），一种在绝对空间构架中的机械性的存在物。然而，在新的原子科学中，从前认为不容置疑的“实体实存”原则已经失效。明确的电子“轨道”或光子“路径”等经典性观念在量子力学中是不允许的。电子实际上以“电子云”方式存在着，它并没有绝对分明的轮廓，而且只是或然地显现出来。如“测不准关系”所要求的，电子的位置与相应的动量具有天生的不确定性，决不可能同时有确定的值，因而人们决不可能同时测量到其确定的值。所有这些事实，如果从牛顿的经典本体论的眼光来看简直是不可理解的，因为“潜在性”观念完全没有地位。

实际上，现代物理学家海森伯在批判牛顿机械论实在观的基础上，确实发展了一种全新的、更广义的“潜在”实在观。他根据量子力学事实总结出，潜在是介于可能与现实之间的物理实在的新型式，它被认为特别适用于微观客体。海森伯尖锐地指出：“在量子论中显示的实在概念的变化，并不是过去的简单的继续，而却象是现代科学结构的真正破裂。”（〔3〕，第2页）“几率波的概念是牛顿以来理论物理学中全新的东西。……它是亚里士多德哲学中‘潜在’(potentia)这个老概念的定量表述。它引入了某种介乎实际的事件和事件的观念之间的东西，这是正好介乎可能性和实在性之间的一种新奇的物理实在。”（〔3〕，第11页）“事件并不一定是确定的，而是可能发生或倾向于发生的事情便构成了宇宙中的实在”。（〔4〕，第177页）

总之，海森伯认为量子理论意味着实在观念的革命，牛顿机械论的实在观念已经失效。他举例说，几率波、量子态、电子轨道等都与统计期望值相关联，表示倾向性的、潜在的物理实在，这是物理实在的新形式。

现代粒子物理学的新假说把潜在性观念发展到海森伯本人始料所不及的程度。乔弗利·丘(Geoffrey Chew)著名的粒子靴绊学说[2]，断然否定了终极实体的可能性，揭示了自然本体的自助的、生成的本性。按照我的看法，它使系统实在论与系统辩证法完全本体论化了！由于任何粒子都可以充当基础粒子，用以构成其他粒子，因此说穿了没有任何一种粒子是真正的“基本粒子”，这就是所谓“基本粒子并不基本”。从根本上说，自然界不可能还原到任何一种或几种终极的实体。说一个质子可以由中子和π介子所构成，或者说它是由Λ超子和K介子所构成，或者说它是由两个核子和一个反核子所构成，甚至说是由场的连续质所构成。所有这一切可能性是同样真实地存在的。应当说，所有这些陈述都同样地正确又同样地不完善。因为真实世界等于所有这些潜在的“可能世界”互相叠加的总和。借用日本物理学家武谷三男的话来说：“作为终极要素的实体——基本粒子本身也是相互流动地相互转化的。这件革了以前的物质观，显示了辩证逻辑的正确性。”（〔5〕，第28页）

我们的进一步的问题是：作为自然本体的物理实在究竟是否可以归结为互相孤立的实体？还是从本质上说只能是依赖系统场境的整体全息相关的存在？在对著名的EPR假想[3]的实验检验中所表现出来的量子关联（即远距粒子之间的整体相关性）很好地回答了这一问题。正如美国科学哲学家西莫尼(A.Shimony)所指出：“我们生活在一个实验结果正在开始阐明哲学问题的非凡时代”。而今最新实验结果表明，两个相隔几米且又没有彼此传递信息机制的实体可能被相互纠结在一起，即它们的行为可以有极显著的相关性，以致对其中一个实体进行测量将瞬时地影响到另一个实体的测量结果。这个新奇的实验结果断然否定了爱因斯坦等人(EPR)的预设（即“空间上远隔的客体的实在状态必定是彼此独立的”），却符合量子力学的系统整体观。正如玻尔所注意到的，量子现象是作为整体而存在的，其中所反映出来的内在关联是不可消解的。量子现象的整体性不允许人们对它作机械的切割并把这种切割物认作它自身。因此我们有理由说，量子力学的整体实在观是与系统整体观相通的，量子辩证法与系统辩证法相互渗透，量子革命与系统科学革命相互支持。因此，作为科学革命的结晶，新自然哲学主张，物理实在的部分性质取决于整体，取决于系统的内在关联，从根本上说，自然本体是整体全息相关的存在。

2.决定论与非决定论疑难，偶然性的本体论地位问题。

从前认为不容置疑的机械论自然哲学的“严格决定论”预设，如今在新的原子科学中也已经失效。人们向来认为，自然科学和“自然科学唯物主义”有一个不可动摇的支柱：这就是严格决定论。对自然科学的这种见解，最典型地表现在拉普拉斯杜撰的那个精灵故事中，据说这个精灵（超智慧者）知道世界现况的一切决定因素，因而能够无歧义地得出世界在过去或未来的其他一切状态。这个被后人称作“拉普拉斯妖”的理想实验正是严格决定论的化身。可是，现在在微观领域里发现了与这种严格决定论原则相违背的种种反常事实。简略地说，热学与分子物理学的研究表明，气体分子运动是包含不确定性的自然进程，由于初始条件捉摸不定，单个分子的运动状态成为纯粹的偶然事件。分子运动论乃至统计力学的建立表明，概率统计定律也是自然描述不可缺少的一种基本形式。

强调概率统计定律重要性的科学思想反映到自然哲学中去，就成为“统计决定论”。其要旨可概括如下：对于一些包含不确定性的自然过程，虽然严格决定论不能直接应用，但若应用统计方法研究大量单个偶然事件的平均行为，却可以找出明显的统计规律性。换句话说，这些自然过程在统计平均意义上仍是决定论性的。这是决定论的弱化形式之一。

统计决定论的科学基础在于经典统计力学。统计力学的基本出发点则在于，认为尽管大量分子的集团行为满足统计规律，但从底层基础而言，单个分子（单个过程）仍遵守牛顿定律，满足严格决定论。这样，统计决定论并不把不确定性归因于基础规律的不同，而是把它归因于初始条件的难以捉摸（即人类知识的不完备性）。因此，统计决定论只是严格决定论的补充形式。

然而，将概率统计观点真正贯彻到底，最终导致量子物理学的兴起，而测不准关系的发现则使严格决定论沦为无意义的空想。

在现代科学家中第一个对“非完全决定论”（即under-determinism，这个词的不恰当的替代词是indeterminism，即非决定论）有十分清醒认识的是哥廷根学派的马克斯·玻恩。他在名著《关于因果和机遇的自然哲学》中对非完全决定论作了比其他量子物理学家（如玻尔、海森伯等）更为系统和透彻的分析。通过对玻恩文本的适当解释、调整与转译，我们可以提炼出对当代自然哲学极有价值的内容和决定论／非决定论问题的辩证解。〔7〕

非完全决定论的最主要或最有特色的一种表现形式，是与量子力学相应的概率决定论。其要点如下：(1)单个（量子）过程内在地是几率性的、非决定性质的；(2)“自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。”（〔8〕，第9页）(3)机遇律是自然律的终极形式，偶然性有规则，“它们是用数学上的概率论表述出来的。”（〔8〕，第7页）

关于自然界究竟是由必然性还是偶然性所支配的，是决定论性还是非决定论性的那个争论，波普有一个著名的比喻：“云和钟”。“云”就是天上的云，代表极端不确定性，它非常不规则、毫无秩序又有点难以预测；“钟”就是家家都有的时钟，代表高度的确定性，它非常有规则、有秩序又是高度可预测的。这是两个不同的极端，一端变化莫测，另一端高度精确。一般的自然事物往往处在这两个极端之间。波普用“所有的云都是钟”（当然也可以说“所有自然事物都是钟”）表示决定论，用“所有的钟都是云”（当然也可以说“所有自然事物都是云”）表示非决定论。波普终于认识到，人类理性需要的是“处于完全的偶然性和完全的决定论之间的某种中间物，即处于完全的云和完善的钟之间的某种中间物。”（〔6〕，第239—240页）这种完全的偶然论（非决定论）和完全的决定论的中间物，我们可以恰当地称作“非完全决定论”，它意味着对偶然性与必然性、因果与机遇的某种辩证综合，这就是当代自然哲学对这一争论所作的正确解。以上我们是借用M.玻恩与波普的话，经校正、转译纳入自己的概念框架，并用以阐发自己的“非完全决定论”观点。〔7〕

现代生物学和生物微观控制论也为非完全决定论提供新的佐证。莫诺在其名著《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》中，从分子生物学的材料出发，有力地抨击了严格决定论，并为恢复偶然性在自然哲学中的本体论地位付出极大的努力。莫诺是这样说的：

当偶然事件——因为它总是独一无二的，所以本质上是无法预测的——一旦掺入了DNA的结构之中，就会被机械而忠实地进行复制和转录，……从纯粹偶然性的范围中被延伸出来以后，偶然性事件也就进入了必然性的范围，进入了相互排斥、不可调和的确定性的范围了。因为自然选择就是在宏观水平上、在生物体的水平上起作用的。自然选择能够独自从一个噪声源泉中谱写出生物界的全部乐曲。（着重号为引者所加）（〔9〕，第88页）

莫诺这段话应当看作关于生物自然界的非完全决定论，关于极小几率的偶然事件向极严格规律转化过程的生动说明。特别是最后那句话是说明生物界的偶然性与必然性的相互联系、相互作用方式的绝妙比喻。当然，由于莫诺有时十分不恰当地将严格决定论与辩证唯物论混为一谈，应当注意他的言论本身具有两重性。（〔10〕，第324页）

非完全决定论的内容还由于系统科学的兴起而得到了进一步丰富和加强。有人因之称作系统决定论。其要旨可概括如下：

一般的自然界的复杂系统（在自然哲学中姑且撇开社会系统），不能由它的构成要素和子系统通过简单相加和线性因果链无歧义地决定其整体功能和行为。但系统的存在与演化仍有相当确定的规律可循，机遇与因果共同决定着系统的存在和发展，因而系统在整体上仍有决定性。

具体地说，系统演化的主要机理就在于机遇性涨落、反馈和非线性作用。人们常喜欢将借助于系统科学特有的资料所认识的辩证法，称作“系统辩证法”。系统科学从自己的角度阐明了因果与机遇、决定性与随机性的辩证法：自组织系统作为远离平衡态的开放系统，以偶然的随机的涨落为诱导，通过正反馈和非线性放大，某一涨落在矛盾竞争之中取得支配地位，成为序参量，于是使系统的演化纳入必然的轨道，建立时空、功能上的新的有序状态。系统辩证法与矛盾辩证法在自组织动力学机制的解释上是高度一致的：当自组织系统处于不稳定点时，系统内部矛盾全面展开并有所激化，与各种子系统及其要素的局部耦合关系和运动特性相联系的模式和参量都异常活跃，各种参量的涨落此起彼伏，它们都蕴含着一定的结构与组织的胚芽，为了建立自己的独立模式并争夺对全局的支配权，它们之间进行激烈的竞争与对抗，时而“又联合又斗争”，最后才选拔出作为主导模式的序参量。非完全决定论在协同学的描述系统演化的数学方程中也得到反映。如郎之万方程（描述布朗运动的）和福克-普朗克方程中，概率论描述与因果性描述共处于一体，随机作用项与决定论作用项被综合在一起，偶然性与必然性因子被综合在一起。从自然哲学看，它们体现了机遇律与因果律的辩证综合。

3.物理事件与观察的关系、主体-客体相互作用问题。

从前认为不容置疑的“客观事件与任何观测无关”的自然哲学信条，如今在新的原子科学中同样也正在失效。正如海森伯所指出，经典物理学的真正核心，也就是物理事件在时间、空间上的客观进程与任何观测无关的信念，由于许多量子实验的发现而受到冲击。而现代物理学的真正力量就存在于自然界为我们提供的那些新的思想方法之中。因此，再指望用新实验去发现与观测无关的“纯客观事件”或不依赖于观察者和相关参照系的“绝对时间”，就无异于指望极地探险家在南极圈尚未勘查过的地方会发现“世界尽头”，那只能是不切实际的幻想。（〔4〕，第4页和第9页）对原子、电子那样的客体的任何一次射线照射或观测都足以破坏其初始状态，而且由于或然性和不可逆性，这种状态不可恢复。

玻尔为量子力学所作的“互补性诠释”中一个最基本的思想是：观察者（主体）与被观察者（客体）之间的严格划界是不可能的，因为在实际过程中两者处在紧密相连的相互作用之中。无论是纯粹的“主体”即可以）“无干扰”地进行观察的观察者）或是纯粹的“客体”（可以绝对隔绝外界作用而界定被观察系统的孤立状态）概念都只是经典物理学所作的理想化，而这两种理想化既是相互补充又是相互排斥的。〔11〕这就是玻尔著名的“我们既是观众（观察者），又是演员（被观察者）”辩证论断的真实含义。

实际上，从当代自然哲学的眼光看，这是很自然的：人（观察者）本来就是自然（被观察者）不可分割的一部分，我们只能用一种内在化的眼光来看待自然，而不可能象上帝那样用完全超脱的外在化眼光看自然，这就是问题的症结所在。

正如罗森菲尔德所指出，所谓“观察者介入原子事件进程”的局势，容易产生科学事实的客观性被败坏的假象，因此我们必须与机械论和不可救药的唯心主义划清界线。罗森菲尔德本人正是以辩证法为武器在与机械论和唯心主义划界的过程中阐明了观察者与物理事件的辩证关系的客观性质。（〔12〕，第140页）海森伯说得很分明：“量子论并不包含真正的主观特征，它并不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分”。（〔3〕，第22页）可见，“客体行为与观测有关”原则并不意味着我们可以抛弃客观实在而接受主观主义。

4.系统整体实在观问题。在阐述以上各个问题的过程中，我们实际上已经阐明了整体实在观的基本观点：“整体不同于各部分机械相加的总和”。自然本体是依赖于系统场境的存在、处在相对相关中的存在，是整体全息相关的实在。正如D.玻姆所指出的，按照量子概念，世界是作为统一的不可分割的整体而存在的，其中即使是每个部分内在的性质（波或粒子）也在一定程度上依赖于场境。其实，人本身就是自然的产物，自然不可分割的一部分，人只能作为参与者并在相互作用过程中用内在化的观点来理解自然本体。只是在系统及其诸要素之间的相互作用可以忽视的情况下，还原主义才是近似地有效的。

5.自然本体目的性的（自组织解释）问题。简单地说，当代自然哲学的目的论观是亚里士多德内在目的论的复活和发展，是现代系统科学目的论观的升华。宇宙象是一个有机统一的整体，自然系统（包括生命系统和非生命自组织系统）的结构、功能和演化过程的合目的性可以通过自然本身的自组织机制的作用得到合理解释。〔1〕

例如，自然选择的实质问题是由生物哲学所提出的一个重要问题。按照生物控制论的初步解答，关于生物进化的自然选择机制实质上就是一种以偶然的突变为素材，通过反馈调节的最优化控制机制。艾根的超循环理论则进一步明确，在大分子的自组织阶段，在生化反应的超循环中选择价值高的突变不断通过过滤和正反馈放大，形成功能性的组织，强化、优化并向更高水平进化。这里，一方面自然选择表现为自然本身的纯物质性的有规则的相互作用过程，但它不同于牛顿的机械因果性模式，因为其中突变与选择机制、机遇与因果是辩证地联合起作用的；另一方面，尽管它排除了自然神力的干预，却仍然是合目的性的过程，因为它有自引导的、自动调节的功能（使物种或分子拟种适应环境）。这样，按系统辩证法重新解释过的合理的目的论又能与神学划清界线。

三

正如我们已经看到的，20世纪早期的相对论量子论革命向统治思想界长达二三百年之久的机械论自然哲学，提出了全面的诘难和挑战，并给予毁灭性的打击。当代自然哲学正是在克服旧自然哲学的危机，在回答新兴自然科学所提出的诘难和挑战的过程中逐步建立起来的。20世纪中叶以来以系统科学群为代表的新兴科学的迅速发展，丰富了当代自然哲学的内涵，加速了人类自然图景革新的步伐。

总起来说，当代自然哲学的核心观点，可以简要地重新概括如下：

1.自然本体是依赖于系统场境的、在关系中生成的、流动的实在，作为孤立实体的终极实在根本不存在，“潜在”是物理实在的一种新形式；2.自然系统遵循非完全决定论（即决定论与非决定论的中间物），它是由因果与机遇联合统治的，此两者互斥又互补。偶然性的本体论地位是：它是自然本体本质中的一个规定、一个方面和一个要素。偶然性存在精细的非线性作用机制（由混沌革命所发现！）。3.物理事件与观测有关，人作为自然系统的一分子只能用参与者的身分和内在化的观点来观察自然，绝对的主客二分只是不切实际的幻想；4.系统整体观在总体上比还原主义更为合理，不过为了进行精细的研究，有节制的还原主义仍是必不可少的和有启发力的，两者其实是互斥又互补的。5.自然系统的合目的性可以按自组织观点得到最合理的解释，目的论与机械论也是互斥又互补的。

最后，我们所要强调的是偶然性的恰当的本体论地位问题。迄今仍有不少读者受过时的哲学教科书的影响，把偶然性当作一种外在的、主观的、局部的、非本质的和不稳定的或暂时的东西。其实这种看法有违辩证法的本意，可以毫不客气地说它属于机械论的范畴。通过对量子辩证法与系统辩证法的研究，我们可以十分有把握地说：机遇或偶然性在本体论中恰恰是一种内在的、固有的、普遍的、本质的和永久性的成分。借用列宁论“假象”的话来说，偶然性是“本质的一个规定、一个方面和一个环节”，是“本质自身在自身中的表现”。机遇与偶然性是客观的并且具有自己的非常独特的规律。在新自然哲学中，我们不能再满足于把偶然性看作必然性的“补充形式”的外在化理解，而要比以往任何时候都更加清醒地认识到，机遇与因果相互联结、相互渗透，辩证地融为一体。在非完全决定论中，偶然性恢复了它本来应有的本体论地位，机遇与因果，偶然性与必然性以几率或统计性乃至“混沌吸引子”为中介辩证地联结在一起。在相空间中混沌吸引子的精巧的无穷嵌套的自相似结构，精确而形象地展示出系统演化过程中机遇与因果如何联合起作用的深层非线性机制，进一步丰富了对自然本体辩证内涵的认识。

应当说，这是量子辩证法与系统辩证法对矛盾辩证法的一项贡献，它们本应是相得益彰的。

参考文献

〔1〕桂起权：《目的论自然哲学之复活》，载“自然辩证法研究”1995(7)，并收入吴国盛主编《自然哲学》一书，中国社科出版社1994年版。

〔2〕《马克思恩格斯全集》第20卷。

〔3〕海森伯：《物理学与哲学》商务印书馆1984年版。

〔4〕海森伯：《严密自然科学基础近年来的变化》上海译文出版社1978年版。

〔5〕《武谷三男物理学方法论论文集》商务印书馆1975年版。

〔6〕波普：《客观知识》，上海译文出版社1987年版。

〔7〕桂起权：《非完全决定论：因果与机遇的辩证综合》，载“科学技术与辩证法”1991(2)。

〔8〕玻恩：《关于因果和机遇的自然哲学》商务印书馆1964年版。

〔9〕莫诺：《偶然性与必然性（略论现代生物学的自然哲学）》，上海人民出版社1977年版。

〔10〕桂起权：《科学思想的源流》武汉大学出版社1994年版。

〔11〕桂来权《析量子力学中的辩证法思想—玻尔互补性构架之真谛》，载“哲学研究”1994(10)。

〔12〕罗森菲尔德：《量子革命》商务印书馆1991年版。

注释：

[1]正是在这一意义上，梁实秋在《远东英汉大辞典》中，将控制论(cybernetics)译作神经机械学。

第2篇：量子力学应用举例范文

物理学本身是其实丰富多彩的，力、热、光、电、磁……它来源于生活的方方面面。但是，这些理论用严谨系统的数学语言描述起来就变成了枯燥晦涩的数学公式。作为教师，我们需要将这些数学公式还原回到生活，使乏味的物理课堂重新变得生动有趣。这实际上也是将理论联系到实际的过程，而这点恰恰又是大学生最缺乏的。例如，作为光波薄膜干涉的应用之一增透膜，用近视眼镜上的紫色镀膜来举例就使干涉理论变得生动具体。物理学是自然科学和工程技术的基础，跟许多专业学科都有交叉，如果能够因人而异地应用例举，就会引起不同专业学生的共鸣，引发其对大学物理的学习兴趣。例如对于数学专业的学生，应着重强调物理和数学间密不可分的联系，物理和数学的发展是相辅相成的，牛顿当年就是在研究物理问题的时候发现现有的数学工具不够了，才转头去研究数学，发明了微积分；所有的物理学家无一例外地都有着骄人的数学功底。

又如，计算机专业的学生往往对自己的专业———计算机更感兴趣，其实，计算机的硬件离不开物理，法拉第、麦克斯韦的电磁理论，德布罗意、海森伯、薛定谔等人的量子力学，半导体，甚至牛顿力学，都是计算机诞生的基础理论，举个简单的例子，在电子器件中，电子在电场的作用下沿着设定的电路运动，就实现了器件的功能。科技的发展突飞猛进，而大学物理的理论基础相对固定，如果不及时更新应用举例，一直沿用老旧的例子，会令学生觉得物理落伍了，学了没有用。大学物理作为自然科学的基础，在打好底子的同时，也应赋予它新鲜血液。教师应时刻关注前沿科技的发展，恰当地引入课堂，激发学生对大学物理的学习兴趣。

2多种教学手段相结合

与大学物理丰富的教学探索内容相适应的，是多样的教学探索手段。物理现象千姿百态，奇妙无穷，仅凭口述和板书，很难展现它的多彩魅力。比如，波动光学里的白光干涉有美丽彩色条纹，教师可以自己制作铁丝圈配制肥皂水，在课堂上亲手演示薄膜干涉现象，定能给学生留下深刻的印象。再如，自带一根普通跳绳，随时悠动起来演示横波现象，既操作简单又能形象地解释深刻的波动规律。当然，更多实验不方便课堂演示，或者得有专门的仪器才能演示，这就得依靠现代教学探索手段———多媒体了。比如，波动学里的驻波，画在黑板上时，它就是某一时刻的波形图，看起来和行波完全相同，然而，驻波在同一个波节内各质点的振动相位都相同，这跟行波规律有着本质的不同，这点总是会让学生感到费解。当运用多媒体教学探索手段，动态地演示驻波的传播过程，让学生清楚地看到同一个波节内各质点究竟是如何振动的，这个疑团自然就解开了。

3注重讲课的艺术性

第3篇：量子力学应用举例范文

关键词：物理知识；生活；应用分析

引言

物理学科是自然科学的重要分支，与生活有着密不可分的联系。对物理课程的学习是我们从自然到物理、从生活到物理的认识过程，在学习物理的过程中，一定要经历基本的科学探究实践，注重物理学科与其他学科的融合，让我们的思维得到开拓。物理学理论是人类对自然界最基本、最普遍规律的认识和概括。因此，加强物理知识与生活实际的联系，对我们高中生学习物理知识、认知物理知识、运用物理知识都是极为重要的。加强两者的联系，不仅可以提高自己的学习兴趣，也可以增加物理学习的直观性，更具有对生活的指导意义，提升生活技能。

一、生活实际与物理的关系

在生活中，我们看到的很多现象都被归类为物理的方面，比如说树叶会漂在水上，而石头会沉入水底；氢气球可以飞上天，但吹出来的气球却会掉在地上；水往低处流；水底石穿的现象；航天员在月球行走是漂着走；冬天毛衣容易起静电；指南针的工作原理……这些生活中常常容易被忽略的小事情，却无一例外都可以用物理学的知识来解释，而我们高中生在学习物理的过程中，也正是对生活进行深入了解的过程。物理是最早的物理学家们对自然界的现象的总结，后来逐渐形成了物理这一专门的学科，物理科学家们研究的范围越来越广，也越来越深入，但物理还是从相对简单的现象入手的。物理和生活之间的联系，物理课本中就有很多生活化的小例子，但是，更多地与生活实际相联系，可以增加学习物理的乐趣，我们学习起来会更好理解，同样的，将我们学到的物理知识应用在生活中，也能够开发我们的创造力。

二、物理知识在生活中的应用

1、纳米技术

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术。纳米技术在高中物理中，属于分子学的范畴，所以，了解纳米技术的应用，对我们学习分子学有很大的帮助。在生活中，我们经常接触到的纳米技术如下：

（1）在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。

（2）利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，达到饮用标准。纳米食品色香味俱全，还有益健康。

（3）纳米材料可以提高和改进交通工具的性能。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率，延长发动机工作寿命。

（4）利用纳米技术制成的微型药物输送器，可携带一定剂量的药物，在体外电磁信号的引导下准确治疗。纳米机器人，其体积小于红细胞，能疏通脑血管的血栓，清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。

2、车辆速度计

在我们高中物理第一册第二章《运动快慢的描述速度》中讲到速度计是来测定运动物体的瞬时速度，本文来解释一下它是如何来测定机动车的瞬时速度。

当车以一定的速度行驶时，对应着车轮的一定转速，这时经过变速机构也使软轴以一定的转速转动，从而由电磁感应使感应盘也转动，使指针偏转一定的角度，那么在刻度盘上对应的位置刻上对应的车子速度，由于指针的转动角度与感应盘的转动角度是相等的，而感应盘的转动与软轴的转动成正比，而软轴的转动与车轮的转速成正比，而车轮的转速完全与车速成正比，所以速度计上指针所指的速度值完全由汽车的行驶速度来决定，所以测出的速度就是这个时刻车子的瞬时速度。速度计中应用了很多的物理知识，电磁感应、力矩转动、力矩平衡及仪表的刻度刻制和实际数据的处理.这都是物理知识的应用和能力体现。

3、航天技术

针对航天技术学习高中物理力学，就是在充分利用教材上的航天技术的所有内容，了解我们所感兴趣的领域。我们在学习的时候，可以进一步充分利用各种媒体，获得大量的有关航天技术的资料，包括古代的，现代的，当代的，中国的，外国的，视频的，文字的，图片的，在此基础上进行删减，最终获得那些形象的，有趣的，励志的等等对我们学习高中物理力学有价值的资料，除了课堂上教师的讲解内容，我们还应该利用课外的时间多多关注一些航天技术，感受物理知识所带来的强大的力量，明白物理知识与实际生活的联系，与科技进步的联系。我们在学习的时候，要结合我们自己了解到的航天知识，在课堂上积极主动学习，勇于质疑，敢于挑战权威困。在航天技术中所应用到的力学知识如下：

（1）天体力学和轨道力学

为了开发宇宙，我们必须对各个行星的运动规律有进一步的认识。因此，必须用近代的力学知识进一步描述天体的运动规律。另一方面，为了节约能量，必须对各种航天器的轨道进行优化。关于这方面，我们可以举例子。比如AOTV，就是气动辅助变轨转移飞行器。大家知道，要改变航天飞行器的飞行轨道，需要很大的能量。有时几乎是做不到的。一些力学专家提出了一些新的想法，即利用航天器在再人大气层中所受的气动力，来改变飞行轨道，就可以节省许多能量。

（2）大气层飞行力学

大气层飞行力学的重点是空天飞机的上升段轨道优化。由于空天飞机使用吸气式组合发动机，在整个飞行过程中，它受到很大的阻力和气动加热。为了节省能量，必须对上升段的轨道进行优化。

（3）结构动力学

不论是航天器，还是运载器，都存在大量振动问题。例如，运载火箭的长细比例较大，就必须进行振动塔试验和结构动力学的计算。建造振动塔是非常费钱的。随着今后火箭直径的加大和长度的进一步增加，进行全尺寸的振动试验变得越来越困难。为此，必须在建立正确的模拟火箭结构的结构动力学模型，进行分析计算。运载火箭还存在一些复杂的振动现象，若处理得不好，就可能造成发射的失败。

结语

总之，物理知识在生活实际中的应用十分广泛。我们在学习的时候要理解物理知识的重要性，认识物理知识在当代社会中的重要作用，更要关注物理学的最新发展，坚持与时俱进，利用物理知识推动社会和谐发展，更好地造福于人类。

参考文献

第4篇：量子力学应用举例范文

关键词:虚拟机;计算机教育;应用策略

中文分类号: TP391.9 文献标识码:A文章编号: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

很少有哪项技术能像计算机技术的发展一样迅速,在过去的六十几年里,其变化速度达到了惊人的程度。然而,由于量子力学对电子的作用等,晶体管尺寸不可能无限制地小下去,狭义上的摩尔定律将逐渐失效并在十几年内走到尽头。[1]尽管如此,其他造成硬件变化的因素依然显著,典型如多核技术、新型存储技术等。伴随软件和硬件发生的显著变化,计算机知识总量亦呈爆炸性增长。对于计算机教育来说,其间的挑战尤其强烈,教学中不仅需要满足众多课程对软、硬件的不同要求而且每门课程在其整个教学阶段内对软件和硬件的要求也往往是不同的。常规情况下,复杂、异构的软、硬件环境的建立与维护意味着大量人力、物力、资金的投入。近年来,虚拟机技术的重要作用逐步显现,本文从该技术应用角度,探讨解决上述问题的具体应用策略和方法。

1 虚拟机技术

虚拟机是源自操作系统中的概念,起初定义为由软件模拟的、有效的、孤立的真实机器的复制品。从上述角度,操作系统亦可被看作是一台虚拟机。作为操作系统结构的一种,VM/370是早期的一个实例。当前,虚拟机的概念发生了较大变化,存在和任何真实机器无关的虚拟机,一些著作阐述了此类虚拟机的设计与实现方法。[2]

虚拟机原理复杂多样,和虚拟机设计目标有很大关系。但总体上可以认为虚拟机是新增加的一个软件中间层。本文从应用角度对虚拟机进行分类:

1)高级语言虚拟机。这类虚拟机一般运行在某宿主操作系统之上,对自定义的字节码文件进行解释或翻译执行(又分静态和动态两种),属于与真实机器无关的虚拟机,运行其上的程序实现了平台无关性。举例:Sun公司的Java虚拟机JVM、微软公司的公共语言运行库CLR。

2)指令集虚拟机。这类虚拟机的应用目的一般是为了执行某种和宿主计算机体系结构不同的其他体系结构指令集ISA(Instruction Set Architecture)。举例:Armulator仿真ARM指令集、Bochs仿真Intel x86指令集。

3)应用程序虚拟机。由于虚拟机所处的层次较高,应用目的一般只为支持应用程序的执行。举例:Cygwin通过仿真POSIX API支持在Windows下运行Unix/Linux的应用程序。Wine通过仿真应用程序二进制接口ABI支持在Linux下运行Windows的应用程序。

4)系统虚拟机。其应用目的一般是为了运行某操作系统下的所有应用程序,因此通常支持某个或多个操作系统的运行。举例:VMware Workstation、Virtual PC。另外,众多的手机、游戏机等的模拟器也可归为这一类。

5)企业级虚拟机。其应用目的一般为服务器资源整合优化、虚拟机在线迁移、数据中心管理等。举例:VMware ESX Server、VMware Infrastructure、Xen。

虚拟机的分类可以从多个角度、按不同的标准进行。前述划分不是绝对的划分,其中往往又有一些交叉性。当前,业界及一些文献使用了虚拟化(Virtualization)的概念,这个概念没有标准的定义,在企业级虚拟机这一级别被经常使用。虚拟机、虚拟化技术在应用的深度和广度上不断增长,在未来的CPU技术中,指令集支持虚拟化功能是一个重点。[3]

2 虚拟机应用策略和典型方法

本文以高校计算机教育为例进行分析和阐述,参考了大学非计算机专业计算机基础教育要求和计算机专业规范及课程设置情况。根据虚拟机的应用分类,可采取的虚拟机总体应用策略是:使用虚拟机模拟某些真实硬件,达到替代的作用,降低计算机教育中的硬件成本,降低硬件维护费用和复杂性;在虚拟机中运行各个时期的软件,使各个时期的计算机关键技术得以呈现,适应计算机软、硬件快速变化。下面按照虚拟机的应用分类,结合计算机课程实际情况,详细说明虚拟机的应用策略和典型方法:

1)高级语言虚拟机。计算机基础教育及专业教育中,程序设计语言的教学应逐步推广基于虚拟机的语言,提高这类语言的教学基础地位。掌握这类语言最大的好处是获得平立性,所编写程序生成的字节码处于较高层次,字节码的执行不依赖于具体的计算机CPU类型和操作系统,极大地增强了通用性。这个好处将延伸到Web开发、分布式应用、嵌入式系统应用、无线技术以及未来无数跨平台应用中。在代码移植性上,使用基于虚拟机的语言亦具有优势,对于大的项目,在新的体系架构不支持该语言时,只需要移植虚拟机本身即可,可降低多个代码数量级。同时,由于字节码不是针对硬件的具体机器码,所编写的程序在安全性、健壮性等方面也具有优势。

2)指令集虚拟机。使用指令集虚拟机而不必真正拥有异构硬件,将获得极大的方便性并可节约教学资金、降低设备维护费用等。直接相关的课程举例:计算机体系结构、计算机组成原理、操作系统、汇编语言、嵌入式系统、单片机技术、接口技术等。典型应用:虚拟机技术使硬件开发和软件开发并行进行,可以缩短工程周期、降低开发成本;虚拟机软件为操作系统软件的调试创造了条件,具有特殊重要的意义;细粒度虚拟机在处理器体系结构设计、高性能计算机系统的设计和评估中起到广泛而重要的作用。

3)应用程序虚拟机。这类虚拟机使用最为简便,可在一个操作系统中直接仿真使用另外一个操作系统中的应用程序,在要求较低的情况下可以普遍使用。典型应用:通过Cygwin的支持,在Windows下运行移植后的GNU工具或其他程序进行嵌入式开发(例如在Intel x86平台下使用交叉编译工具开发ARM应用)。

4)系统虚拟机。这种虚拟机使用场合最为广泛,可以在几乎所有的计算机类课程中得到应用。在实验教学、理论教学演示等各个方面起到重要作用。一些系统虚拟机可兼具应用程序虚拟机及指令集虚拟机的好处。典型应用:

操作系统相关教学。操作系统安装与配置、操作系统原理教学、典型操作系统结构分析、Unix/Linux操作与管理教学、网络操作系统教学等。通过系统虚拟机可以在一台计算机上同时运行多个操作系统,比安装多操作系统方便、快捷。

编程与测试。分布式程序设计与测试、异构环境的测试、Web测试、Unix/Linux下的程序设计、集群测试、数据库性能测试、兼容性测试等。通过使用虚拟机,提供了极大的方便性,提高了计算机的利用效率。

网络实验。服务器及网络设备的安装与配置、远程访问、模拟交换机、路由器等网络设备、模拟网络拓扑规划与子网划分、模拟FTP、DNS等网络服务、局域网访问控制实验、各种VLAN实验、TCP/IP协议簇实验等。上述网络实验对网络软、硬件条件要求较高,在虚拟机上完成上述实验,可摆脱对某些昂贵网络软、硬件的依赖,极大地降低网络实验成本。[4]

计算机安全实验。网络监听、网络攻击与防护、木马及病毒原理研究、防火墙实验、加密与解密实验、黑客程序的分析等。通过使用系统虚拟机实现上述功能,可以起到隔离本机环境的作用,从而避免对真实环境造成危害,在计算机安全学习与研究上具有特殊意义。

计算机维护与管理实验。系统管理工具的使用、多操作系统安装、BIOS设置、磁盘分区与格式化、注册表修改、系统环境破环性实验、系统备份与恢复实验等。这些实验对本机系统改变较大,具有一定危险性,系统虚拟机为这类实验创造了难得的条件。

手机平台模拟。手机平台已经演变成为当今最为广泛的平台,在其他平台上(如PC平台)使用各种手机模拟器开发、测试、运行手机平台程序是常见的手段。举例:使用附带模拟器的WDK (Wireless Toolkit)无线开发工具开发J2ME MIDP应用等。

运行早期操作系统上的某个程序。这实际上是对其他不容易分类情况的一种通用提法,具有更大应用的背景。通过建立独立的虚拟机,配置一次后,保存虚拟机文件以备日后加载运行(如VMware中)。这种方法极大地降低了软、硬件维护的复杂性,具有广泛的通用性。

5)企业级虚拟机。学校实验中心、网络中心、数据中心可逐步开展企业级虚拟机的应用。这项技术具有较好的应用前景,能够整合优化服务器资源、提高服务器利用率、降低维护费用、降低能耗等。该项技术的使用和学校整体网络环境、硬件环境的改善密接相关,可以从多个方面促进计算机教学。

3 结束语

虚拟机技术可以为改善计算机教育环境、有效地满足计算机教学软件与硬件需求起到不可替代的重要作用,可以让各个历史时期、不同平台下的计算机技术得以呈现和展示,具有神奇的力量。尽管本文以大学计算机教育为例,但阐述的策略和典型方法对各类各级计算机教育都有借鉴作用,整个计算机教育界都应该充分认识、利用和推广虚拟机技术。

参考文献:

[1] Bill Blunden.虚拟机的设计与实现-C/C++[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] Andrew S.Tanenbaum.现代操作系统(第2版) [M].北京:机械工业出版社,2005.

第5篇：量子力学应用举例范文

【关键词】班主

问题是科学研究的出发点，是开启任何一门科学的钥匙。爱因斯坦有一句很著名的话：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题有时仅仅是一个数学上或实验上的技巧，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学上的真正进步。”知识经济的推动力在于知识的创新，知识的创新需要具有创新精神的人才。而重视学生主动发现问题、提出问题，才有利于创新能力的培养。现代教学论研究指出，产生学习的根本原因是问题。没有问题难以激起求知欲，学生就不会深入思考，学习只能是表层和形式的。美国在1989年和1996年分别发表了《普及科学―美国2061计划》和《美国国家科学教育标准》。这两部文献都强调了科学探究的重要性，而发现问题、提出问题是进行科学探究的第一步，提出问题的能力是学生应具备的一种主要的探究能力。广东省从2004年秋季起开始实施普通高中新课程。在普通高中物理课程标准（实验）中将提出问题的能力作为科学探究的一个要素。同时在课程目标中提出让学生“经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律”“具有一定的质疑能力”“能领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘”“勇于探究与日常生活有关的物理学问题”“具有敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，具有判断大众传媒有关信息是否科学的意识”“敢于坚持正确观点，勇于修正错误”。由此可见，教师在教学中引导学生质疑，把问题贯穿于学习过程中有利于激发学生强烈的学习愿望，积极主动投入到学习之中；有利于培养学生勇于探索，追求真理的科学精神。

一、农村高中学生提出问题的现状

为了较真实的了解农村高中学生提出问题能力的现状，本人于2009-2010学年度对本校就读高一的全体学生进行问卷调查。问卷调查结果中学生认为“上课应由师生共同提问”的占82%。“能经常观察身边的物理现象并提出问题”的学生占7.8%，其中男生占12.4%，女生占4.7%。综合问卷调查结果分析发现学生对提出问题的意义有比较高的认识，但发现问题和提出问题的能力较差。男生提出问题的能力比女生提出问题的能力强些。

二、农村高中物理教学中提高学生提出问题能力的途径

面对农村高中学生提出问题能力较差的现状，通过对学生在提出问题方面的观察及与其他教师对学生提出问题能力的探讨，本人认为可以通过以下几个途径来提高学生提出问题能力。

（一）营造教学氛围，引发学生提出问题

我国古代伟大教育家孔子倡导民主、平等的教学气氛，他有一句格言：“当仁不让于师”。他教导学生在“仁”面前不分师生，一律平等，学生不要因位卑或年龄小而谦让老师。在教学中，他鼓励学生大胆发表意见，阐述自己的看法，反对盲目服从，不赞成“对吾言无所不悦”的态度。正是这种民主的风气，才有子路、冉求、樊迟与孔子的争辩；正是在这种氛围下，才会培养弟子三千，贤人七十二。

无独有偶，20世纪20年代全球物理学研究的主要中心之一――丹麦哥本哈根理论研究所以它民主、平等、自由讨论和相互紧密地合作的学术气氛吸引了一大批有才华的年轻物理学家来这里学习和工作，这里被称为诺贝尔奖的摇篮。先后有七八人获得诺贝尔奖，其中最有代表性的是玻恩、海森堡和泡利，他们发现的“测不准定律”“互补原理”“不相容原理”、量子矩阵力学和量子统计力学等成为量子力学发展的一个里程碑。

从以上两个例子中我们不难发现，只有在民主、愉快的氛围中才能调动学生学习的积极性，激发学生内在的学习动力，促使学生积极的思索，发现和提出问题。所以在教学过程中教师应创建民主、愉快的教学氛围，让学生感受到“心理安全”和“心理自由”，从而乐于接受教师提出的问题，能积极主动思考问题，敢于质疑问难，主动探索。

（二）创设问题情境，激发学生发现问题

美国著名社会心理学家费斯汀格创立的认知失调理论认为，人的认知由许多因素构成，它们之间有些是彼此独立的，有些是相互关联的。在有关联的认知因素之间存在两种情况：一是两者成协调状态，一是呈不协调状态，即失调。该理论认为，不管对待什么问题，不论什么时候，人总是有一种要保持其各种认知因素协调一致的倾向，保持自身态度和行为协调一致的动机。一旦不协调，便产生矛盾和冲突，人就会感到紧张不安和烦闷，这时人的内心就会产生一种动力，要减少或消除这种不协调，以获得内心的平衡。教师在教学过程中运用认知失调理论创设一个问题情境，这个问题情境与学生原有的认知存在着差距和矛盾，对于学生来说具有一定的难度，激发学生的思维，使学生在原有知识基础上产生主动学习的需要。问题情境的创设多种多样，可以来自于生活、来自于实验、来自于科研活动等方面。

⒈通过生活现象创设问题情境

通过学生身边的事物和现象中创设问题情境，让学生充分感受到物理知识与现实生活的紧密联系，为学习的知识运用到现实社会和生活中提供了有意义的背景，容易引起学生的兴趣，激发学生的思考。

例如在《力的合成》教学中引入合力与分力概念时利用多媒体展示如下情境：

情境1：汕头海湾大桥跨越汕头港入海处，全长2420m，是我国第一座大跨度悬索桥。是什么力量拉起这么重的桥体呢？ （如图1所示）

情境2：如图2中一个力跟几个力有什么关系？同学们还能举出哪些类似的例子？

通过贴近学生生活例子的引入，使学生能容易接纳新的知识，思维更加活跃，所以当让学生举例时，学生的积极性都很高。

⒉通过实验创设问题情境

物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理概念的建立、物理规律的发现都有其坚实的实验基础。实验在物理的发展中具有重大意义和推动作用。通过实验创设问题情境可以使物理教学更有吸引力，更能调动学生主动参与。

例如在《超重和失重》的教学中，考虑到农村学生很少有人坐过电梯，也很少有人去过游乐场，没有超重和失重的体验。所以在教学中设计如下的情境：

情境1：请同学们利用弹簧秤测出桌面上物体所受重力的大小。提弹簧秤使物体加速上升，弹簧秤的示数发生什么变化？若提着弹簧秤使物体加速下降，弹簧秤的示数又会发生什么变化？

情境2：观看视频“放在台秤上的物体移入电梯中在不同情况下台秤的示数”，与你所做的实验相比较，你发现了什么？如何利用所学的牛顿第二定律解释这些现象？

情境3：把一个下部挖有几个小孔的矿泉水瓶装满水，水会从小孔流出，若让瓶子自由下落，会发生什么现象？请利用所学的超重失重现象进行解释。

通过实验来引发学生头脑中的认知冲突，从而激发学生的学习动机和求知欲望，让学生在原有的知识基础上主动建构新的知识，最后通过实验进一步加深学生对知识的理解。

⒊通过物理科研创设问题情境

物理学史展现人类探索和逐步认识物理世界的现象、结构、规律和本质的历程。其中包含有着科学的思想、科学的观念；包含科学进步对社会发展的推动。在物理教学中通过联系物理科研发展中的实验、发现和发明来创设的问题情境，不仅能使学生学到物理知识，还可以学到科学方法，受到科学精神的教育。

例如在《追寻守恒量》教学中创设这样的问题情境：

情境1：正常的水表连在自来水管道中，总表的读数与各分表读数之间存在怎样的关系？

情境2：生活中存在有守恒的观点。在物理学上是否也存在着守恒的观点？请观看视频“伽利略的理想实验”（如图3所示）思考几个小问题。

⑴小球沿斜面A从h高处由静止开始滚下时，它的位置、速度怎样变化，如何运动？

⑵当小球从斜面底沿另一个斜面B向上滚时，它的位置、速度怎样变化，如何运动？

⑶如果斜面是光滑的，空气阻力也可忽略，小球沿斜面B到达速度为0的位置高度与从A滚下的起始点高度有什么关系？

⑷若改变B的倾角，小球沿斜面B到达速度为0的位置高度与从A滚下的起始点高度有什么关系？

⑸伽利略发现了一个怎样的事实？得到什么启发？

⑹当小球在A斜面的起始点高度时，具有什么形式的能量？

⑺当小球在到达A斜面的底部时，具有什么形式的能量？

⑻这两种形式的能量有什么样的联系？你还能举出其他的例子吗？

⒋通过知识拓展创设问题情境

利用学生原有知识进行拓展，创设问题情境，最能激发学生的认知冲突。

例如在《加速度》中创设如下的问题情境：

情境1：一辆小汽车起步在20s内速度达到了100km/h，而一列火车达到这个速度大约要用500s。请利用前面判断运动快慢的相同方法判断它们俩谁的速度“增加”得比较快？

⑴这些物体运动过程中，哪个速度大？

⑵这些物体运动过程中，哪个速度变化大？

⑶采用什么方法可以来比较出它们哪个速度变化最快？

（三）示范物理问题，引导学生从物理的角度提出问题

在平时与学生交谈时，学生会这样说：“老师，我课堂上听得懂，可是自己课后翻书，却有好多地方不明白”。我说：“你有哪些地方不明白呢？把问题提出来，我们一起来探讨。”但学生却不能将他的思考和疑惑提出来。要提高学生提出物理问题的能力，就需要教师加以引导，在提出问题方面提供好的示范。

如《加速度》一课中从正面提出问题：为什么加速度的方向与速度变化量相同，而不是与速度方向相同？在《用牛顿运动定律解决问题》一课中可以用“已知物体的受力情况怎样确定物体的运动情况”引入本课内容，再用逆向提问的方法提出“ 已知物体的受力情况，可以确定物体的运动情况。那么，已知物体的运动情况，怎样确定物体的受力情况呢？”通过这两个问题作为贯穿本课的线索。如在《功率》一课通过类比方法提出“速度、加速度、功率的定义有什么相似之处？”

（四）形成提问习惯，提高学生提出问题的能力

中国古代著名思想家、教育家孟子在《孟子・离娄下》中说到“君子深造之以道，欲其自得也。自得之，则居之安；居之安，则资之深；资之深，则取之左右逢其源，故君子欲其自得之也。”他强调获得学问关键是靠内省力量。但学习者往往受限于自己原有的经验而阻碍自己产生新的思想。心理学家比奈认为自我批判是最重要的智力指示物。通过训练和教育，学生可以获得自我批判的能力。所以教育心理学认为元认知在成功学习中扮演着重要的角色。元认知是指人们预测他们在各种任务中表现的能力以及对目前的理解和掌握程度进行监控的能力。教师可以使用元认知理论帮助学生进行自我监控，监控自己的思维过程。通过自我提问的方式提出物理问题，逐渐形成提出问题的习惯，提高提出问题的能力。

由于很多学生特别是女生不善于提问，所以利用课余的时间有目的地让学生使用“问题单”。 通过训练学生使用“问题单”，可以有效地促使学生提出问题。对于比较害羞、不敢发问的学生，这个方法更能提高他们提出问题的能力。

面对未来的社会，学生是否具备自我学习、自我更新的能力，是否学会学习比掌握知识本身更重要。而提出问题则是生长新知识、新方法、新思想的起点。提高学生提出问题的能力不是一朝一夕就能达成的，需要一个长期持续不断的过程。这也促使教师不断地更新观念，不断学习新的知识，不断提高教学的智慧。

【参考资料】

［1］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理1：必修[M].北京：人民教育出版社，2004.

［2］朱慕菊.走进新课程―与课程实施者对话[M].北京：北京师范大学出版社，2002.

［3］扈中平.现代教育理论（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

［4］美国国家研究理事会科学、数学及技术教育中心，《国家科学教育标准》科学探究附属读物编委会.罗星凯等译.科学探究与国家科学教育标准：教与学的指南[M].北京：科学普及出版社，2004.

［5］廖伯琴，张大昌.普通高中物理课程标准（实验）解读[M].武汉：湖北教育出版社，2004.

［6］王建军.中国教育史新编[M].广州：广东高等教育出版社，2003.

［7］袁振国.教育新理念[M].北京：教育科学出版社，2002.

［8］庞美玲.认知失调教学策略[J/OL]. 基础教育参考，2003（3）：37-41

［9］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.教案：物理必修1[M].北京：人民教育出版社，延边教育出版社，2005.

第6篇：量子力学应用举例范文

【关键词】物理模型 中学物理教学 抽象思维

1.物理模型及其分类

物理学是研究物质结构和运动规律的一门学科。由于自然界物质种类繁多，运动错综复杂，相互作用又各具特色，因而人们为了达到对物理事物本质和规律的认识，在实验的基础上，通过分析、综合、比较、分类等思维过程，对研究对象做一种简化的描述或模拟。霍利斯特说过：“模型方法乃是人们所说的‘科学方法’的核心。”所谓物理模型，就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所做的一种简化的描述或模拟。物理模型主要包括理想模型和理论模型两类，理想模型是根据研究对象和问题的特点，撇开、舍弃次要的、非本质的因素，从而建立的一个易于研究的、能反映研究对象主要特征的新形象；而理论模型是在观察、实验的基础上，经过物理思维，对研究对象的结构、相互作用、运动规律等所作的一种简化的描述，这种模型通常以假说的形式出现。

物理模型是物理思想的产物，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。就中学物理中常见的物理模型，可分类如下：

1.1 物理对象模型化。

物理中的某些客观实体，如质点，舍去物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略，也能当作质点来处理。类似质点的客观实体还有刚体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等等。

1.2 物体所处的条件模型化。

当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。

1.3 物理状态和物理过程的模型化。

例如，力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化等等都是物理过程和物理状态的模型化。

1.4 理想化实验。

在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。伽利略就是从斜槽上滚下的小球滚上另一斜槽，后者坡度越小，小球滚得越远的实验基础上，提出他的理想实验，从而推倒了延续两千多年的“力是维持运动不可缺少”的结论，为牛顿第一定律的产生奠定了基础。

2.物理模型的作用

模型方法是物理学研究中常用的一种重要研究方法，它不仅可以应用于形成正确的理论，也有助于对各种具体现象、具体问题的研究，物理模型主要有以下一些作用。

2.1 使复杂问题简单化。

物理学研究对象是十分复杂的客观世界，其起作用的因素很多，需要把复杂问题简单化，模型方法恰恰体现了抓住主要矛盾，突出问题的本质，可以使研究工作大为简化。就拿中学物理中一个很常见的物理现象“物体从空中落下”来说，分析物体的受力情况，除重力外，还受到空气的阻力和浮力，而空气的阻力和浮力又与物体的形状大小、空气的密度温度等因素有关，并且重力的大小也不是恒定的，随着物体下落的高度而发生微小的变化。此外，地球的自转和气体的流动对物体的下落也有一定的影响。我们在研究落体运动时，只突出了恒定重力作用，而把其他影响因素全都忽略了，引进了“自由落体”的概念，这样落体运动性质就比较容易把握了。

2.2 逐步逼近实际。

应用模型方法研究物理问题，能使问题的本质突出、关系明朗，有利于问题的解决。但是，我们也应看到，次要因素虽然对问题的影响很小，但毕竟有一定的影响，所以忽略次要因素以后得到的结果必然是近似的，与实际是有一定差距的。弄清楚主要矛盾后，再考虑次要矛盾，如此一级级作近似，就可能逼近实际。建立物理模型为研究实际事物提供了一个比较的标准，从而开辟了研究实际事物特征和变化规律的途径。例如，在推倒理想气体状态方程时，我们几乎把分子力忽略了，但在实际情况中它还是有影响的。不过在气态中分子力的效应毕竟比较小，我们可把它当作对理想气体模型的修正来处理。将理想气体方程式加以适当修正，即可得到比较符合实际气体行为的范德瓦尔斯方程式。这实际上是用比较复杂的物理气体模型（范德瓦尔斯气体模型）代替理想气体模型。可以看出，范德瓦尔斯气体模型是在理想气体模型的基础上建立起来的，从理想气体模型到范德瓦尔斯模型是一个以理想化逐步逼近客观实体的过程。

2.3 做出科学预言。

作为对物理事物简化描述的物理模型，不仅能够解释物理现象和实验定律，而且也常常能够做出科学的预言，指明进一步研究的方向。例如，在对热机效率的研究中，人们发现实际热机的效率总是小于可逆卡诺热机。这就启发人们在设计热机时，尽量使其接近于可逆卡诺热机，以提高热机的效率。在固体理论的研究中，常常以没有“缺陷”的理想晶体作为研究对象。当时从应用量子力学对理想晶体进行计算的结果，发现理想晶体的强度竟比通常金属材料大1000倍。因此，物理学家认为，常见的金属材料强度之所以减弱就是因为材料中有许多“缺陷”，假如能减少材料中的这些“缺陷”，那就能大大提高金属材料的强度，从而大大节约金属。实践证明，物理学家的预言是正确的。

3.物理模型在中学教学中的运用

3.1 建立概念模型，理解概念实质。

概念是客观事物的本质属性在人脑中的反映。客观事物的本质属性是抽象的、理性的。要使它在人脑中有深刻的反映，必须将它与人脑中已有的事物联系起来，使其形象化、具体化。物理概念大都是以理想化模型为对象建立起来的。如质点、刚体、理想气体、单摆、电场线、点电荷等。学生在理解这些概念时，很难把握其实质，而建立概念模型则是一种有效的思维形式。

图1表示一条电场线，A、B、C点的场强方向在各点的切线上，箭头表示各点场强的方向。

为了使学生理解并且清晰的建立起“电场线”的概念，我们可以用实验来模拟电场线的形状。把奎宁的针状结晶或头发屑悬浮在蓖麻油里，加上电场，微屑就按照场强的方向排列起来，这样，就把抽象的物理概念形象化、具体化，与学生脑中已有的相关知识联系起来，便于学生的理解与记忆。

〖TP14.TIF；%50%50，Y〗例如：电场线就是一理想化模型。在电场中画出一些曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致，这样的曲线就叫电场线。

对电场线的概念有初步了解之后，再通过物理模型来学习电场线的其他性质就方便多了。电场线总是从正电荷（或无穷远处）出发，到负电荷（或无穷远处）终止，因此，电场线有起始点和终止点，由图2可以清晰的看出，电场线是不闭合的曲线。根据现实中的一些例子结合物理模型，学生也很容易理解电场线的另外一个性质：在电场线密的地方电场强度大，疏的地方电场强度小，即电场线的疏密表示电场的强弱。

让学生讨论这么一个问题：电场中的电场线会不会相交？通过对这个问题进行理论分析，一方面可以激发学生的学习兴趣，另一方面可以使学生深入的理解概念模型。电场中每一点的场强〖TP15.TIF；%50%50，Y〗只有一个唯一的方向，如果电场线在电场中某点相交，则交点处相对两条电场线就有两个切线方向，该点的场强就有两个方向（图3所示）。可以由教师来指导学生自己分析总结。

电场线跟“质点”“点电荷”这些理想化的模型不同。“质点”“点电荷”这些模型包含有某些真实的内容，具有一定的客观性，在一定条件下，考虑对实际物理现象来说是主要的、本质的特性，而忽略次要的、非本质的因素。而“电场线”则完全是假象、虚构的。但是它们都能反映出实际现象的基本规律，为我们的研究提供方便。

3.2 认清条件模型，突出主要矛盾。

条件化物理模型就是将已知的物理条件模型化，舍去条件中的次要因素，抓住主要因素，为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。例如我们在研究两个物体碰撞时，因作用时间很短，忽略了摩擦等阻力，认为系统的总动量不变。条件模型的建立，能使我们研究的问题得到很大的简化。

3.3 构造过程模型，建立物理图景，训练发散思维。

物理过程的理想化模型有匀速直线运动、简谐振动、气体的等温、等容、等压变化过程，匀速圆周运动、镜面反射等。物理学中，符合守恒条件的状态变化，是与中间过程无关的。这使我们能够想象不同的过程模型、不同的物理图景来完成状态变化，以训练思维发散。气体实验定律和状态方程，是气体保持质量不变时，初状态与末状态之间的守恒方程，由于气体的状态参量较多，所以气体状态变化问题的发散性很强。

例如：1982年高考第四题（如图4）。气缸A和容器B由一细管经阀门K相连。A和B的壁都是透热的，A放置在27℃，1.00大气压的空气中。B浸在127℃的恒温槽中，开始时，K是关断的，B内为真空，容器VB=2.40升。A内装有理想气体，体积为VA=4.80升。假设气缸壁与活塞之间无摩擦，细管的容积可忽略不计。打开K使气体由A流入B，等到活塞停止移动时，A内气体的体积将是多少？

3.4 转换物理模型，深入理解模型。

通过对理想化模型的研究，可以完全避开各种因素的干扰，在思维中直接与研究对象的本质接触，能既快又准地了解事物的性质和规律。许多人觉得物理难学，其实这个难，不在于记不住某个物理公式，而在于对一个新情景问题不知道如何与自己熟悉的物理模型情景联系起来思考或者该用什么公式，也就是不善于将一个具体问题转为自己熟悉的物理模型。

比如：在建立起了“单摆”这一理想化模型后，直接用公式求解，学生是很容易做到的。如换一新情景练习，学生就很难将它纳入对应的模型。

（1）小球 a、b可以当作质点模型。

（2）小球a作自由落体运动。

（3）小球 b作变速曲线运动，已学知识无法求解，可当作怎样的理想化模型？

3.5 构造理想实验模型，促进学生想象和逻辑理论思维能力的发挥。

理想实验是指人们在科学实验的基础上，运用逻辑推理方法和发挥想象力，在思维中把客观的实验条件和研究对象加以理想化，抽象或塑造出来的一种理想化过程的“实验”。

例如：伽利略发现惯性定律所设想的在纯粹理想状态下的斜槽实验，在实际当中是无法实现的，尽管我们可以创造各种条件，把运动物体所受的摩擦力和空气阻力尽量减小，但是永远不可能完全排除掉。然而，这并不阻碍人们根据越来越逼近于精确“实验”，运用逻辑理论思维的能力进行科学抽象而做出的应有结论，并且人们对于运用这种方法所得的结论的正确性是不怀疑的。教材中“牛顿第一定律”对伽利略的理想实验作了详细说明，并在本节的“阅读”中，通过“爱因斯坦谈伽利略的贡献”，对这样一种理想化实验的方法进行了充分的肯定，“人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义”。爱因斯坦本人更是运用理想化实验模型的典型代表。爱因斯坦在创立狭义相对论时构造了一个高速运动的火车参照系，对这一理想实验模型的研究，巧妙地解决了所谓既同时又不同时的问题，打破了牛顿的绝对时空观。但是，狭义相对论还不能回答惯性质量与引力质量为何相等这一问题。爱因斯坦在探索这一问题的过程中又构造了一个理想实验模型——爱因斯坦升降机，由此提出了作为广义相对论基础的等效原理。

4.物理模型教学存在的一些问题

物理模型是一种理想模型，这就要求思维过程具有一定的抽象性。因此在物理教学中使学生正确建立和运用物理模型，不仅有助于他们演算习题，更有助于培养学生抽象思维的能力。

目前在中学物理课堂教学中虽然已重视了物理模型的教学作用，但许多教师还只停留在单纯地利用物理模型进行物理知识和技能的训练层面上，典型的教学模式是先由教师总结归纳出一些物理模型呈现给学生，让学生跟着教师的思路去理解、并辅以大量的机械性训练。这样的课堂教学完全由教师主宰，忽视了学生的认知主体作用。学生往往只会识别已接触过的模型，不会辨别未遇过的情景，更不会自己建立模型、解决问题。这就造成了学生不重视建立物理模型的过程，更多的是运用形象思维方法，只记住物理模型的静态结论，生搬硬套。

5.如何帮助学生构建物理模型

物理学中“建模”能力是一种很重要的能力，这里存在一个如何将实际问题转化成一个物理问题的过程，就是建立物理模型的过程，它是分析研究问题的主要手段。无论问题情景多么新颖多变、与日常生活联系多么密切，大都可以归结为学生熟悉的物理模型。

例如：有一个人坐在一艘小帆船上以恒定的速率沿着笔直的小河逆流而上，某一时刻从船上掉下一个漂流瓶，经过半个小时，船上的人发现瓶子掉了以后，立即掉转船头去追漂流瓶，问多久以后追上瓶子。

很多学生看见这个题目都说做不出来，其实这就存在一个如何把实际生活中的情景同题目联系起来的问题，而连接两者的纽带，就是物理模型。

相信大家都有坐火车的经历，在火车行驶中，假设你以恒定大小的速率沿着火车行驶的方向从1号车厢走到10号车厢用了10分钟，那么当你又以这个速率逆着火车行驶方向从10号车厢走回1号车厢用去多少时间？根据经验，我们可以很快的得出10分钟这个结论，上面的问题也就迎刃而解了。

中学生的抽象思维能力较差，在分析事物时，他们往往看不到主流与支流、本质与非本质、内部与外部、部分与整体、抽象与具体的区别和联系，他们的形象思维强而语言的概括能力较弱，容易受到思维定势的影响，主观臆断强而唯物主义观点较弱，看到事物不易形成概念，因此，学生建立物理模型的心理障碍较多。不过他们思维比较敏锐灵活，接受能力强，有浓厚的好奇心等等，我们可以从以下几方面尝试帮助学生建立物理模型。

5.1 实验引导。

实验是物理学的基础，所以，在建立物理模型时离不开实验。其一般方法是先做有关实验，使学生在脑海中留下一个直观的、具体形象的物理模型，在次基础上作抽象引导，形成一种思维轮廓，变成具有思维特征的物理模型。然后利用学生思维中已建立起来的物理模型去解决一些实际问题 。这样建立起来的物理模型学生印象深刻。

例如，在讲液体的压强公式时，需要建立“液柱”模型。教学时先在两端开口的玻璃管的一端用小塑料片堵住管口并插入盛水的大烧杯中，向玻璃管内注入有色酒精，当酒精达到一定的高度时，塑料片下沉，然后取出玻璃管，倒出酒精，再重复上述操作，但向玻璃管中改加入有色的水，当管内外水面相平时，塑料片不下沉，再滴加少许水，塑料片下沉。然后提问：①塑料片为什么会下沉？当管内外水面相平时，塑料片上下两面所受的水的压力，压强如何？②如果取出玻璃管，玻璃管的位置由什么来占据？待学生回答后，教师与学生讨论水中刚才被玻璃管所占据位置的“水柱”的底的压力、压强情况，就可以引出“液柱”概念。这样，学生脑海里既有具体“液柱”的形象，又形成了抽象的概念。再推导液体的压强公式，学生自然容易接受。

5.2 下定义。

有些物理模型的建立，学生要从模型本身的特点给予定义，然后在运用中进一步体会模型的内涵。

例如，建立“理想气体”模型，首先给出一个框架：严格遵守气体实验定律的气体，称为理想气体。然后分析实际气体与理想气体的区别，并说明实际气体在压强不太大（与大气压强相比）、温度不太底（与室温相比）的情况下，可以近似视为理想气体。最后运用理想气体的定义处理具体问题。

5.3 举例。

在学生已有知识的基础上，通过举例的方法，引导学生建立物理模型。

例如，在建立“杠杆”这一物理模型时，先由学生熟习的撬物体实例引出“杠杆”模型：“在力的作用下能够绕固定点转动的刚性物体”，并适当引导，分析杠杆模型的三个特征：①物体具有理想的刚性；②受力的作用；③能够绕固定点转动。使学生对杠杆模型具有一个清晰的认识。

5.4 例题、习题中引导。

建立物理模型在解答物理例题和习题中经常起着决定性的作用。

例如在题目中出现“接触面光滑”意即不考虑摩擦；“铁块”即可认为是实心的，而“铁球”有可能是空心的；“轻质弹簧”或“轻绳”即指不考虑弹簧或绳的质量，……。学生若不知道这些模型所包含的物理意义，则不能正确解答有关习题。

6.结束语

模型方法是物理学研究中常用的一种重要研究方法，中学物理教材所叙述的许多物理现象，都是用模型来说明的。本文从中学物理常见的物理模型着手，通过探讨物理模型在中学教学中的应用，试图把物理模型和物理教学结合起来，培养学生的抽象思维能力以及发散思维能力。

新课程教育理论认为，知识是不能传递的，教师传递的是信息，信息只有通过学生主动学习才能变成学生认知结构中的知识，物理模型的教学不仅仅是一个传授物理知识的简单过程，而更应该是在一个传授物理知识的同时贯穿物理思想方法的过程。在中学物理教学中，循序渐进地启发、引导学生，合理建立、应用物理模型，养成良好的思维习惯，这对开发学生智力，发展创造性思维，将起到积极的作用。所以，物理模型在教学领域有着重要的价值。

参考文献

[1] 项红专.物理学思想方法研究[M].浙江大学出版社，2004.6.

[2] 王棣生.中学物理创新教法[M].学苑出版社，1999.8.

[3] 乔际平等.物理学科教育学[M].首都师范大学出版社，1999.1.

[4] 李新乡等.物理教育论[M].科学出版社，2005.9.