量子力学授课教案.doc

量子力学授课教案 第一章：绪论 教学目的：了解经典物理在解释微观世界运动规律时遇到的主要困难以及为克服这些困难所提出的一些新的假设。 教学重点：普朗克假设的基本思想；德布罗意假设的基本思想和数学表述。 教学难点：物质波概念。 教学时数：6课时 教学方法：讲述法为主，辅以浏览部分历史人物图片以提高学习兴趣。 量子力学课程介绍 量子力学研究内容 量子力学是研究微观粒子（分子、原子、原子核、基本粒子）运动规律的理论，是在上世纪二十年代总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。 量子力学在物理学上地位 1、量子力学是物理学三大基本理论之一。 物理学基本理论分三大块： 经典物理学---研究低速、宏观物体； 相对论---------研究高速运动物体； 量子力学------研究微观粒子。 2、相对论、量子力学是近代物理的二大支柱。 3、量子力学与现代科学技术是紧密相连，凡涉及原子分子层次的现代科技都离不开量子力学，如半导体技术、纳米材料、激光、量子通讯、量子计算机等。现代医学、生物基因工程也与量子力学紧密相关，许多疾病、有关生命现象只有在原子分子层次上才能加以解释。 量子力学特点 1、抽象 独立于经典物理，自成一套系统，脱离人们的日常生活经验，难以理解，如波粒二象性、微观粒子没有运动轨道等。理论本身一些内容不能直接用实验验证，如薛定谔方程、E=hν等，原因是微观粒子太小，目前实验无法直接观察。 2、理论形式本身不是唯一的。 量子力学目前主要有二种理论形式： 薛定谔波动力学；海森堡矩阵力学；另外还有路径积分理论（比较少用）。其原因是量子力学理论基本上结合实验假设、猜测出来的，主观成份较多。 3、量子力学参考书很多，较适中的有： 量子力学教程 周世勋 量子力学 惠和兴 量子力学导论 曾谨言 量子力学 曾谨言 量子力学基础 关洪 还有各高校的量子力学教材等。 四、本章概述： 本章作为讲述量子力学的绪论，主要介绍在十九世纪末、二十世纪初物理学的研究领域拓展到微观世界时人们发现的经典物理理论在解释微观现象时出现的困难。为了克服这些困难人们所提出的新的假设。 第一讲：经典物理学的困难（1课时） 经典物理学的体系简介 到十九世纪末期，经典物理已建立起十分完整的理论体系： 牛顿力学体系：牛顿三大定律，万有引力等。用来描述物体的机械运动在其速度远小于真空中光速时的运动规律。 热力学统计物理体系：热力学三大定律与统计方法，用来描述分子无规热运动及宏观热现象。 Maxwell经典电磁理论、光学：Maxwell理论、Lorentz力公式等，用来描述宏观电磁现象及规律；光的波动理论最后也归结到Maxwell理论。 经典物理如此完善，以致使一部分物理学家认为，物理学已建立了极终理论。 二、经典物理学的困难 到十九世纪末二十世纪初，随着生产力的发展，物理学已经发展到了深入研究微观现象的阶段，其结果是发现许多实验现象无法用经典物理理论来解释。比较典型的有： 迈克尔逊-莫雷的以太实验、能量均分定理、黑体辐射、光电效应、氢原子光谱、康普顿散射等。1900年，开尔文说：“在物理学晴朗天空的远处，还有二朵不祥的乌云”基本上描述了当时物理学的状况。 归结起来，当时经典物理遇到了严重困难有两类：一类是光（电磁波）的的量子性质问题；一类是原子结构问题。 第二讲：光的波粒二象性（2课时） 一、光的波动性 光的波动性早在十七世纪就已经被发现。光的干涉、衍射从实验上验证了光的波动性。 其中、分别表示穿过狭缝、到达点的光波振动。则点的总的光波振动为： 当 该点强度为极大； 当 该点强度为极小。 二、光的粒子性 1、黑体辐射 普朗克量子假设 黑体：如果一个物体能完全吸收投射到它上面的辐射而无反射，则称该物体为绝对黑体。如开有小孔的空腔。 黑体辐射问题所研究的是辐射与周围物体处于平衡状态时的能量按波长（或频率）的分布规律。实验表明：在某一温度T下（热平衡时），频率在到之间的辐射的能量密度只与和T有关，即 此处表示与空腔的材料、形状没有关系的普适函数。当时虽然不能写出它的具体解析表达式，只能画出它的实验曲线，但许多人企图用经典无力学来说明这种规律，比较有代表性的有： ⑴．维恩（Wien）公式：由热力学得出，在短波部分与实验结果符合，在长波部分与实验结果显著的不一致。 ⑵．瑞利（Rayleigh）--金斯（Jeans）公式：根据经典电动力学和统计物理学得出，在长波部分吻合很好，在短波部分完全不吻合，导致“紫外灾难”。 ⑶．普朗克假设：1