工科院校大學(xué)物理中近代物理部分教學(xué)嘗試

牛金艷 李永峰 劉國慶 董玉和

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 數(shù)理與生物工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)，如電子掃描隧道顯微鏡（STM）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等。這些新發(fā)明大多數(shù)用到了物理學(xué)中的近代物理知識(shí)。而我們目前使用的物理教材，經(jīng)典物理內(nèi)容比例較大，近代物理內(nèi)容相對不足，當(dāng)代物理前沿及其在高科技中應(yīng)用方面的內(nèi)容就更為少見，這嚴(yán)重違反了教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)給出的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》。教指委指出:大學(xué)物理課程不少于126學(xué)時(shí)，其中近代物理知識(shí)不少于26學(xué)時(shí)。這充分體現(xiàn)了對近代物理知識(shí)的要求及近代物理知識(shí)的重要性。

然而很多學(xué)校對近代物理知識(shí)的要求并不高，有的學(xué)校甚至只介紹一點(diǎn)狹義相對論的知識(shí)，對于量子力學(xué)部分根本不介紹，近代物理在高科技中應(yīng)用更是避而不談。在這種情況下，勢必會(huì)存在兩種弊端，第一，那些再也不接觸物理課程的學(xué)生有可能永遠(yuǎn)都不會(huì)知道相對論力學(xué)與量子力學(xué)在研究什么，也不可能知道相對論力學(xué)與量子力學(xué)的發(fā)展對科學(xué)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步起著怎樣的推動(dòng)作用。這對于上過大學(xué)的學(xué)生來說無疑是一件悲哀的事情；第二，在這種情況下，使得對大學(xué)物理神往的學(xué)生一接觸到大學(xué)物理課程，就大失所望，因?yàn)榇髮W(xué)物理中許多內(nèi)容與高中所學(xué)的內(nèi)容重復(fù)。所以如果我們再以傳統(tǒng)的方式花大力氣在這些經(jīng)典內(nèi)容上，勢必會(huì)扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了能使學(xué)生感到大學(xué)物理內(nèi)容新穎、有學(xué)頭，為了適應(yīng)當(dāng)代科技和社會(huì)發(fā)展對物理教學(xué)的要求，為了給國家培養(yǎng)既能掌握新技術(shù)，又能創(chuàng)造新技術(shù)的高素質(zhì)人才，我們應(yīng)該精簡經(jīng)典物理內(nèi)容，提高講課起點(diǎn)，著重加強(qiáng)那些新理論、新技術(shù)所需要的近代物理基礎(chǔ)知識(shí)，主要是近代物理中的基本概念、基本理論和基本方法，加強(qiáng)近代物理和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)。這樣不但能提高學(xué)生對科技前沿問題的興趣，而且啟發(fā)了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性研究的欲望，提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和綜合應(yīng)用能力。

然而，我們面對的是工科類學(xué)生，他們的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，單純的講述近代物理的理論部分，勢必會(huì)將學(xué)生講的云里霧里，或者是知其然不知其所以然，久而久之，他們也會(huì)產(chǎn)生厭學(xué)心理。所以我們給工科學(xué)生講述近代物理時(shí)，應(yīng)該簡單講述基本概念，基礎(chǔ)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上，多講述與近代物理知識(shí)相對應(yīng)的新科技，或者介紹近代物理這一方面的科研熱點(diǎn)，如量子保密通訊，量子計(jì)算機(jī)等，這不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能達(dá)到學(xué)以致用的效果。例如，GPS現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中，比如在手機(jī)、汽車、輪船、飛機(jī)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。就是這樣一個(gè)跟我們密不可分的一項(xiàng)新科技，就用到了近代物理中的相對論知識(shí)。

早期的GPS接收器確定物體位置的誤差是在15米范圍內(nèi)，這個(gè)誤差實(shí)際是相對論效應(yīng)使導(dǎo)航星時(shí)鐘較地面時(shí)鐘產(chǎn)生了相對偏差[1]，需要愛因斯坦相對論來修正。每個(gè)GPS衛(wèi)星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。衛(wèi)星所受的較弱引力添加了另一種相對論效應(yīng)，使得時(shí)鐘每天快45微秒。因此，為了得到準(zhǔn)確的GPS數(shù)據(jù)，將星載時(shí)鐘每天撥回38微秒的修正項(xiàng)必須計(jì)算在內(nèi)。因?yàn)閺V域增強(qiáng)系統(tǒng)依賴從地面基站發(fā)出的額外信號，配備了該系統(tǒng)的GPS接收器，就消除了相對性誤差。

講完這個(gè)相對論的應(yīng)用后，相信學(xué)生的體會(huì)一定是:相對論離我們并不遙遠(yuǎn)，它就在我們的身邊，而且我們時(shí)時(shí)都在受益。

另外一個(gè)例子是關(guān)于量子信息方面的。我們熟知的信息傳遞是經(jīng)典信息的傳遞，包括發(fā)電報(bào)，電話通話等，這些信息在傳遞時(shí)，容易被竊聽，信息傳遞時(shí)不安全的。而量子信息的傳遞，信息不會(huì)被截獲，所以國家乃至世界范圍內(nèi)掀起了量子信息傳遞的熱潮。量子信息傳遞的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是量子態(tài)隱形傳輸，量子態(tài)隱形傳輸就是指利用“量子糾纏”技術(shù)（在量子世界中存在一種類似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，即通常所說的“量子糾纏”。）[2]，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等經(jīng)典信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。利用量子糾纏技術(shù)，需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同科幻小說中描繪的“超時(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶著信息的糾纏的光子進(jìn)行拆分，將其中一個(gè)光子發(fā)送到特定位置，這時(shí)，兩地之間只需要知道其中一個(gè)光子的即時(shí)狀態(tài)，就能準(zhǔn)確推測另外一個(gè)光子的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)類似“超時(shí)空穿越”的通信方式。

2012年8月，中國科學(xué)家潘建偉等人在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

相信這樣的前沿性科研問題，必定能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而這樣的講述方式，也能引導(dǎo)學(xué)生提前走進(jìn)科學(xué)研究。

總之，在給工科學(xué)生講述近代物理時(shí)，應(yīng)該少講數(shù)學(xué)推理,多講述與近代物理知識(shí)相對應(yīng)的新科技，這樣才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的接受程度。

［1］鄒來智.導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)與相對論[J].現(xiàn)代物理知識(shí),1997（1）:20-21.

［2］光明日報(bào)[N].2010－06－04:13－14.