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工科院校大学物理中近代物理部分教学尝试

作者：牛金艳 李永峰 刘国庆 董玉和 来源：《科技视界》2013年第14期

【摘 要】近代物理有两大分支，相对论力学和量子力学，在这两大分支的理论基础上，科学技术突飞猛进的发展。为了给国家培养既能掌握新技术，又能创造新技术的高素质人才，我们在讲授大学物理时，应该提高讲课起点，加强近代物理知识和现代科学技术的讲解。这样不但能提高学生对科技前沿问题的兴趣，而且启发了学生进行创造性研究的欲望，提高学生科学素质和综合应用能力。

【关键词】近代物理；相对论；量子力学；高素质人才

随着科学技术的发展，新技术、新工艺不断涌现，如电子扫描隧道显微镜（STM）、全球卫星定位系统（GPS）等。这些新发明大多数用到了物理学中的近代物理知识。而我们目前使用的物理教材，经典物理内容比例较大，近代物理内容相对不足，当代物理前沿及其在高科技中应用方面的内容就更为少见，这严重违反了教学指导委员会给出的《理工科类大学物理课程教学基本要求》。教指委指出：大学物理课程不少于126学时，其中近代物理知识不少于26学时。这充分体现了对近代物理知识的要求及近代物理知识的重要性。

然而很多学校对近代物理知识的要求并不高，有的学校甚至只介绍一点狭义相对论的知识，对于量子力学部分根本不介绍，近代物理在高科技中应用更是避而不谈。在这种情况下，势必会存在两种弊端，第一，那些再也不接触物理课程的学生有可能永远都不会知道相对论力学与量子力学在研究什么，也不可能知道相对论力学与量子力学的发展对科学的发展、社会的进步起着怎样的推动作用。这对于上过大学的学生来说无疑是一件悲哀的事情；第二，在这种情况下，使得对大学物理神往的学生一接触到大学物理课程，就大失所望，因为大学物理中许多内容与高中所学的内容重复。所以如果我们再以传统的方式花大力气在这些经典内容上，势必会扼杀学生的学习兴趣。

为了能使学生感到大学物理内容新颖、有学头，为了适应当代科技和社会发展对物理教学的要求，为了给国家培养既能掌握新技术，又能创造新技术的高素质人才，我们应该精简经典物理内容，提高讲课起点，着重加强那些新理论、新技术所需要的近代物理基础知识，主要是近代物理中的基本概念、基本理论和基本方法，加强近代物理和现代科学技术知识。这样不但能提高学生对科技前沿问题的兴趣，而且启发了学生进行创造性研究的欲望，提高学生科学素质和综合应用能力。

然而，我们面对的是工科类学生，他们的数学基础相对薄弱，单纯的讲述近代物理的理论部分，势必会将学生讲的云里雾里，或者是知其然不知其所以然，久而久之，他们也会产生厌学心理。所以我们给工科学生讲述近代物理时，应该简单讲述基本概念，基础知识，在此基础上，多讲述与近代物理知识相对应的新科技，或者介绍近代物理这一方面的科研热点，如量子

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保密通讯，量子计算机等，这不但能够激发学生的学习兴趣，还能达到学以致用的效果。例如，GPS现在已经广泛应用于日常生活中，比如在手机、汽车、轮船、飞机等领域都有应用。就是这样一个跟我们密不可分的一项新科技，就用到了近代物理中的相对论知识。

早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内，这个误差实际是相对论效应使导航星时钟较地面时钟产生了相对偏差[1]，需要爱因斯坦相对论来修正。每个GPS卫星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。卫星所受的较弱引力添加了另一种相对论效应，使得时钟每天快45微秒。因此，为了得到准确的GPS数据，将星载时钟每天拨回38微秒的修正项必须计算在内。因为广域增强系统依赖从地面基站发出的额外信号，配备了该系统的GPS接收器，就消除了相对性误差。

讲完这个相对论的应用后，相信学生的体会一定是：相对论离我们并不遥远，它就在我们的身边，而且我们时时都在受益。

另外一个例子是关于量子信息方面的。我们熟知的信息传递是经典信息的传递，包括发电报，电话通话等，这些信息在传递时，容易被窃听，信息传递时不安全的。而量子信息的传递，信息不会被截获，所以国家乃至世界范围内掀起了量子信息传递的热潮。量子信息传递的一个关键技术是量子态隐形传输，量子态隐形传输就是指利用“量子纠缠”技术（在量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即通常所说的“量子纠缠”。）[2]，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。利用量子纠缠技术，需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”，在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似“超时空穿越”的通信方式。 2012年8月，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。

相信这样的前沿性科研问题，必定能引起学生的学习兴趣，而这样的讲述方式，也能引导学生提前走进科学研究。

总之，在给工科学生讲述近代物理时，应该少讲数学推理，多讲述与近代物理知识相对应的新科技，这样才能激发学生的学习兴趣，提高学生的接受程度。 【参考文献】

[1]邹来智.导航星全球定位系统与相对论[J].现代物理知识，1997（1）：20-21. [2]光明日报[N].2010-06-04：13-14. [责任编辑：丁艳]

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