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量子力學(xué)知識點范文第1篇

關(guān)鍵詞 量子力學(xué) 量子教育學(xué) 主觀性

中圖分類號：O413.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

量子力學(xué)所涵蓋的一些思想，在哲學(xué)的研究中體現(xiàn)比較廣泛，也對教學(xué)理論方面起了重要的作用，可以說量子力學(xué)對哲學(xué)思想的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。量子力學(xué)著重利用圖景等表象來認(rèn)識周圍的世界，強(qiáng)調(diào)因果關(guān)系的認(rèn)識，對后期形成的教育學(xué)理論具有參考性。但是，借助量子力學(xué)所形成的“量子教育學(xué)”則有很大的不同，這一教育學(xué)對原來的量子理論認(rèn)識存在較大的偏差，充分強(qiáng)調(diào)自然科學(xué)。

1量子力學(xué)的緣起

1900年，量子假說出現(xiàn)在眾人的認(rèn)知里，現(xiàn)在的量子力學(xué)仍在不斷完善，為后期的科學(xué)發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)，可以說量子力學(xué)是量子理論的中心，它促進(jìn)了原子能等一些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，為社會的重大發(fā)明打下基礎(chǔ)，使人們更加清晰地認(rèn)識到微觀世界，并利用微觀運(yùn)動來更好地服務(wù)社會，是人類的重要發(fā)現(xiàn)，也是社會的偉大進(jìn)步。

2量子力學(xué)的宇宙觀

在宇宙世界中，對量子理論有較多的探討，從已經(jīng)存在的氫原子中，找到了量子級別的狀態(tài)。對于電子而言，比原子更為復(fù)雜，這就要求必須要滿足求解該原子的特定的方程來解出，并且要求其 場剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。此外，量子態(tài)與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊(yùn)含的能量有關(guān)，每種量子狀態(tài)都有所表征的能量。這就是說，預(yù)期任何一個態(tài)的能量都是一個具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據(jù)，就可以科學(xué)地估測態(tài)的能量多少。由于質(zhì)子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動一個電子就必須要克服引力做功。

3量子的思維方式

人類思想總是處于不斷發(fā)展中，當(dāng)兩種思想發(fā)生交集時，就會形成一個比較完整的、令人驚嘆的思想成果，正如牛頓的世界觀與量子理論產(chǎn)生彼此彌合的交集，才會讓思想發(fā)展得如此迅速，才會讓社會發(fā)展如此的快。量子思維方式給人類一個重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時代的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，信息技術(shù)逐漸融入了人的智慧和思想，他們彼此都是看不見的，沒有確定的形狀，但彼此交匯起來以后，就成了一種可以量化的物質(zhì)，這是由于物質(zhì)性比較弱。其實，量子物理學(xué)所產(chǎn)生相關(guān)的科學(xué)智慧，是人類社會發(fā)展的重要因素，也是文明進(jìn)步的重要保障，可以說，量子物理學(xué)是計算機(jī)重要的組成部分，所形成的計算機(jī)芯片是重要的思維體現(xiàn)，量子物理學(xué)不僅是科學(xué)進(jìn)步的前提，更是信息發(fā)展的重要保障，量子思維更是現(xiàn)代社會發(fā)展的必要方式。

4“量子教育學(xué)”的唯心主義

從產(chǎn)生量子力學(xué)后，“量子教育學(xué)”也隨之不斷發(fā)展，雖然也涉及到一些教育學(xué)方面的觀點，但這些觀點都是被眾人早就接受了。如：學(xué)習(xí)是一個整體的過程，在這個過程中各知識點是相互聯(lián)系、彼此交錯的，以及還談到了關(guān)鍵詞：服務(wù)、個性化、互補(bǔ)等，但是，這些所謂的觀點及結(jié)論不是原汁原味的，也不是從量子力學(xué)中演變而來，而是與它的原理相悖，從本質(zhì)上講，“量子教育學(xué)”就是一種唯心主義的表現(xiàn)。

貝克萊比較重視經(jīng)驗，認(rèn)為所學(xué)的知識來源于經(jīng)驗，但是他卻犯了一個致命的錯誤，認(rèn)為感覺是世界真正存在的東西，其他的都是看不見的。他認(rèn)為，知識是一切力量之源，但感覺是我們?nèi)ヌ剿魑粗澜纾非笾粮哒胬淼奈ㄒ皇侄?，只有能感覺到，才能被發(fā)現(xiàn)。也就是說：我們的主觀性決定了我們所看見的世界，這也是量子教育學(xué)詮釋的觀點。他認(rèn)為，只要消除了事物與觀念的差異，認(rèn)同事物等同于所謂的觀念，并且觀念可以感知任何世界上存在的事物，這樣才會讓我們的知識更加具有生命力。

5“量子教育學(xué)”的曲解

正所周知，量子力學(xué)不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創(chuàng)造理論基礎(chǔ)，而“量子教育學(xué)”卻是唯心主義的重要思想來源，這是“量子教育學(xué)”對量子力學(xué)核心思維的歪曲，或者說對量子力學(xué)沒有正確的認(rèn)識，造成思想上出現(xiàn)截然不同的主張，另外，“量子教育學(xué)”過分強(qiáng)調(diào)感覺和經(jīng)驗，導(dǎo)致偏向于不可知論，與量子力學(xué)的思想相悖而馳。

“量子教育學(xué)”對量子力學(xué)概念和方法認(rèn)識的偏差表現(xiàn)有。為了進(jìn)一步認(rèn)識光的本質(zhì)特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補(bǔ)原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質(zhì)?！皽y不準(zhǔn)”原理而是在某一個方面有較大的缺陷，不是粒子在宏觀世界的不適用，只是說明不能單一地應(yīng)用某一個方面，只有同時應(yīng)用時才能為物理現(xiàn)象提高全面的解釋。玻爾認(rèn)為，波粒二象性在整個量子力學(xué)中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現(xiàn)象的原理，也可以說是解釋因果關(guān)系的一種原理，它可以相互促進(jìn)、相互排斥，這種互斥的關(guān)系不可或缺，這種互補(bǔ)關(guān)系后來被廣大學(xué)者所接受。

6結(jié)語

近年來，量子力學(xué)逐漸被廣大研究者重視起來，探討量子力學(xué)的基本原理以及與量子教育學(xué)的重要關(guān)系，在量子理論的發(fā)展過程中，這已經(jīng)留下了較多的論爭?？梢钥隙ǖ氖橇孔恿W(xué)對于科學(xué)的進(jìn)步貢獻(xiàn)了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯(lián)系起來，而量子教育學(xué)并不是量子力學(xué)的正確認(rèn)識，就本身的發(fā)展情況來看，量子教育學(xué)認(rèn)同了后現(xiàn)代主義，成為了唯心主義的重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 母小勇.量子力學(xué)與“量子教育學(xué)”[J].教育理論與實踐，2006（07）：1-5.

量子力學(xué)知識點范文第2篇

1目前面臨的形式

大學(xué)物理課程是高等職業(yè)學(xué)院各工科學(xué)生的公共基礎(chǔ)課程。物理學(xué)是科研和各現(xiàn)代技術(shù)工程的基礎(chǔ)。大學(xué)物理課程包含了大量的物理學(xué)知識和物理學(xué)原理，既是非常重要的基礎(chǔ)理論課程也是科學(xué)素質(zhì)教育不可或缺的組成部分。大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)不但有利于培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，更加為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的技術(shù)能力打下了堅實的基礎(chǔ)。因此對于高職學(xué)生來說大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)是非常重要的。然而在目前階段，高等職業(yè)的大學(xué)物理課程的教學(xué)基本類似于普通的高等學(xué)校的教學(xué)模式，即更加重視基礎(chǔ)的物理學(xué)知識和物理學(xué)原理的講授，缺乏學(xué)生的動手實踐能力的培養(yǎng)。另一方面，高等職業(yè)學(xué)院的學(xué)生普遍存在入學(xué)分?jǐn)?shù)較低，物理學(xué)基礎(chǔ)知識薄弱，理解接收新知識的能力有限，主動學(xué)習(xí)能力較差等特點［4］。在進(jìn)行大學(xué)物理教學(xué)過程中，傳統(tǒng)教學(xué)主要采用基礎(chǔ)知識講授、教師實驗反復(fù)演示，一講一練、課后再練的方式鞏固知識。主要注重于傳授知識、偏重于解題技巧和解題方法的訓(xùn)練。這對于課時充足時是可行的也是有效的，但是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，知識和信息的不斷豐富，學(xué)校開設(shè)的課程不斷增多，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識更加廣泛，同時大學(xué)物理和其它的課程一樣，課時大大削減，再加上物理演示實驗儀器的有限性與物理科學(xué)技術(shù)的瞬息萬變形成了鮮明的對比，繼續(xù)沿用原來的教學(xué)方法就造成了學(xué)生聽不懂，教師教不會，學(xué)生聽懂了不會靈活運(yùn)用的結(jié)果。這些在一定程度上影響了大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。近幾年各高職院校在大學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)容、方法上都有了很大的改進(jìn)，出了一些比較優(yōu)秀的教材，也制作了不少教學(xué)課件，本文綜合這些成果，從教學(xué)的內(nèi)容和方式方法上，提出了全面提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量的一些措施。

2整合內(nèi)容體現(xiàn)技術(shù)性

大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、量子力學(xué)和相對論等內(nèi)容。在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中關(guān)于經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)容即力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)中的理論知識是重要講授的內(nèi)容，同時對于近代物理學(xué)內(nèi)容即量子力學(xué)和相對論也會做非常詳細(xì)的講授。但是對于高職教育中“必須夠用”的原則，對于量子力學(xué)和相對論這樣的理論知識內(nèi)容來說，在講授的過程中只需要簡單介紹，使學(xué)生知道量子力學(xué)解決什么問題，相對論的主要內(nèi)容是什么即可。應(yīng)當(dāng)將大量的課時用來介紹經(jīng)典物理學(xué)的內(nèi)容。在講授力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)的過程中，應(yīng)當(dāng)聯(lián)系實際的力學(xué)問題，向?qū)W生傳授力學(xué)知識，對于一些理論性非常強(qiáng)而實際技術(shù)應(yīng)用中較少的物理學(xué)原理的介紹要適當(dāng)減少。例如，在力學(xué)中關(guān)于摩擦力的講授可以分析摩擦力作為阻力時的實例和作為動力時的實例，讓學(xué)生切實體會摩擦力的本質(zhì)。在講授光學(xué)中關(guān)于光線的波長和光的顏色時給學(xué)生分析，人眼對于光的不同顏色的敏感度是不同的，如交警和學(xué)生校服上熒光物質(zhì)的顏色時草綠色，因為人眼對這種波長的光最為敏感，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在學(xué)生感興趣的基礎(chǔ)上適當(dāng)介紹光譜分析等技術(shù)。在講授電磁學(xué)的過程中，結(jié)合電磁技術(shù)讓學(xué)生明白理論與實踐是如何聯(lián)系的。通過這樣的理論與實踐結(jié)合的方式講授，就可以避免理論知識的枯燥性，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的興趣。在學(xué)生具有較高學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上展開教學(xué)，教學(xué)效果可以顯著提高。

3提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量的手段

在上述學(xué)生具有對物理學(xué)較高興趣的基礎(chǔ)上可以從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩方面提高教學(xué)質(zhì)量。在教學(xué)方法方面嘗試進(jìn)行下面的教學(xué)探討:①通過教師對一些物理學(xué)原理的演示實驗、對一些物理學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行多媒體視頻資料播放等直觀的教學(xué)，可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時加深學(xué)生對物理概念的理解。②通過進(jìn)行讀書指導(dǎo)，教會學(xué)生自學(xué)。通過給定學(xué)生某個知識點的問題，讓學(xué)生帶著問題去讀書，去圖書館查閱相關(guān)資料，要求學(xué)生在自己讀書的調(diào)研之后能夠給出自學(xué)提綱，同時能整理出知識點;讓學(xué)生通過對這些問題的討論及改變問題中初始條件的變化來的結(jié)果學(xué)會舉一反三，通過知識點間的聯(lián)系學(xué)會觸類旁通。這個方法的學(xué)習(xí)過程也是教會學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。③通過學(xué)生動手進(jìn)行實驗操作、完成實習(xí)作業(yè)等教學(xué)方法，增加學(xué)生主動參與教學(xué)活動的意識，促進(jìn)學(xué)生積極思考。這些方法的使用在實際的教學(xué)過程中大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的興趣，同時調(diào)動了學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，起到了較好的教學(xué)效果。例如機(jī)電1班的同學(xué)在物理討論課后談到:“為了解決老師在課堂上提出的問題，我不僅看了課本，在網(wǎng)上查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)資料，還去圖書館看了許多資料，…”在教學(xué)手段方面，采取傳統(tǒng)的教學(xué)手段，教師課堂演示、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔導(dǎo)系統(tǒng)、學(xué)生實驗等豐富多彩的立體化教學(xué)手段。在課堂講授時大量使用演示實驗、多媒體課件和計算機(jī)動畫插播等手段，使學(xué)生直觀的了解到相關(guān)的實驗現(xiàn)象，以及發(fā)生這些現(xiàn)象所要求的條件。隨后通過啟發(fā)、課堂討論和學(xué)生互動實驗等方式，提高課堂教學(xué)效果。課后通過布置學(xué)生作業(yè)、督促學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)資源、要求學(xué)生完成某一小論文和以寢室為單位的學(xué)生自學(xué)討論交流，幫助學(xué)生進(jìn)行自主式、互動式、研究式學(xué)習(xí)。同時積極搭建教師備課平臺，有效支持教師充分恰當(dāng)利用電子教案、電子講稿、素材庫等現(xiàn)代化教育技術(shù)手段進(jìn)行個性化教學(xué)，使得一些不容易用語言描述的物理過程和概念一目了然，有效地提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，擴(kuò)大信息量。

4結(jié)束語

量子力學(xué)知識點范文第3篇

關(guān)鍵詞：玻爾理論；能級；躍遷；光譜

中圖分類號：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0014-3

1 “能級”的來歷――玻爾理論

19世紀(jì)，人們已經(jīng)知道物質(zhì)是由原子組成。1911年E.盧瑟福提出原子核式模型，這一模型與經(jīng)典物理理論之間存在著尖銳矛盾。按照經(jīng)典物理理論會得出原子將不斷輻射能量而不可能穩(wěn)定存在的結(jié)論；原子發(fā)射連續(xù)譜，而不是實際上的離散譜線。玻爾著眼于原子的穩(wěn)定性，吸取了M.普朗克、A.愛因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運(yùn)動，提出原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論。

1.1 玻爾的假設(shè)

理論的兩條基本假設(shè)是：①定態(tài)假設(shè)：原子系統(tǒng)中存在具有確定能量的定態(tài)，原子處于定態(tài)時，電子繞核運(yùn)動不輻射也不吸收能量。原子的定態(tài)可通過經(jīng)典力學(xué)和角動量量子化條件得出。②躍遷假設(shè)：原子系統(tǒng)從一個定態(tài)過渡到另一個定態(tài)，伴隨著光輻射量子的發(fā)射和吸收。

1.2 玻爾理論對氫原子光譜的解釋

玻爾由基本假設(shè)出發(fā)，計算出氫原子的軌道半徑和能量公式如下：

氫原子的軌道半徑為

可見，氫原子的軌道半徑和能量都不是連續(xù)的，即是量子化的。

把這種量子化的能量值稱為原子能級（簡稱能級）。當(dāng)氫原子由一個能級躍遷到另一能級時，就產(chǎn)生一條譜線。玻爾的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合的很好。

1.3 玻爾理論的成功及局限性

玻爾理論對氫原子光譜的解釋獲得了很大的成功，在原子理論和量子力學(xué)的發(fā)展過程中起到了很大的作用。然而，玻爾只考慮了電子繞原子核的運(yùn)動，實際上分子、原子、電子、原子核的運(yùn)動是相當(dāng)復(fù)雜的。所以玻爾理論對復(fù)雜的堿金屬光譜就難以解釋，對譜線的強(qiáng)度、色散現(xiàn)象、偏振等問題更無法處理。直到1926年，薛定諤等人建立了量子力學(xué)，人們才對微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律有了更全面、深刻的認(rèn)識。

2 教材對玻爾理論內(nèi)容的處理

本章“量子論初步”分五節(jié)。第一、二節(jié)介紹光的波粒二象性，初步接觸量子化、二象性、概率波等概念，第三節(jié)介紹能級概念，第四節(jié)介紹物質(zhì)波的概念，第五節(jié)介紹不確定關(guān)系。

第三節(jié)“能級”分以下幾部分講述：

①引入：簡述有核模型與經(jīng)典物理理論之間的矛盾，玻爾理論提出的科學(xué)歷史背景；

②玻爾理論的內(nèi)容介紹和評判：介紹軌道量子化的概念和定態(tài)假設(shè)的內(nèi)容，分析玻爾理論的成功和局限性；

③能級：提出能級、基態(tài)、激發(fā)態(tài)、電離的概念；

④光子的發(fā)射和吸收：講述玻爾理論躍遷假設(shè)的內(nèi)容，介紹能級圖以及躍遷公式；

⑤“原子光譜”部分：介紹氫原子光譜，分析玻爾理論對氫原子光譜的解釋。

3 教學(xué)中對教材的利用和改進(jìn)

我認(rèn)為在教學(xué)中應(yīng)把教材中那些過時的，遠(yuǎn)離學(xué)生實際的材料、知識舍棄。對教材中主干知識和體現(xiàn)物理方法的內(nèi)容，針對重點、難點，結(jié)合學(xué)生實際，結(jié)合物理學(xué)、科技的新發(fā)展花大力氣進(jìn)行拓展延伸。使學(xué)生能熟練地理解、掌握這些基本概念，基本規(guī)律和方法。對于非主干知識的拓展，只限于科普式的介紹一些最新的、正確的觀點、材料，只要求學(xué)生知道是什么，不要求知道為什么，更不用介紹技術(shù)和操作的細(xì)節(jié)，起到擴(kuò)大學(xué)生知識面和視野的作用即可。特別是在這個信息時代，應(yīng)讓學(xué)生用有限的時間和精力去高效的學(xué)習(xí)正確、有用的知識，而不是探索、重復(fù)前人的錯誤。應(yīng)該吸收其優(yōu)秀成果，走捷徑去繼承并加以發(fā)展。

3.1 關(guān)于“量子”

本節(jié)課整篇圍繞“量子化”展開，可在全文卻沒有給出“量子”的概念或解釋?！傲孔印币辉~來源于拉丁文，原意是“分立的部分”或“數(shù)量”。所謂量子或量子化，本質(zhì)是不連續(xù)性。在宏觀領(lǐng)域中，這種量子化（或不連續(xù)性）相對宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計。我認(rèn)為，在接觸玻爾理論之前搞清楚“量子”含義，對本節(jié)內(nèi)容的理解有很大幫助。

3.2 引入部分

教材指出，根據(jù)盧瑟福原子模型和經(jīng)典電磁理論推出原子應(yīng)當(dāng)不穩(wěn)定和輻射電磁波的頻率是連續(xù)的這一結(jié)論與實驗事實相矛盾?？梢宰寣W(xué)生體會到，正是這個矛盾，推動了能量量子化理論的提出，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立和發(fā)展，從而達(dá)到對學(xué)生進(jìn)行辯證唯物論、認(rèn)識論和方法論的教育目的。教學(xué)中可讓學(xué)生閱讀自主學(xué)習(xí)。

3.3 玻爾理論的內(nèi)容介紹和評判部分

教材中將玻爾的“定態(tài)假說”稱為“原子結(jié)構(gòu)假說”。按照經(jīng)典電磁理論，原子應(yīng)是不穩(wěn)定的，但實際情況不是這樣，這一點，教材并未強(qiáng)調(diào)，原因是學(xué)生過去并沒有“做加速運(yùn)動的帶電粒子要輻射能量”這樣的認(rèn)識。相應(yīng)地，教材也沒有提到玻爾理論中“定態(tài)”這個概念。講到軌道量子化的時候，教材重點描述了“量子化”，有意淡化了“軌道”，沒有采用過去教材中常用的以同心圓代表氫原子軌道的插圖。這樣做，避免了強(qiáng)化軌道的圖景。為了使學(xué)生更深刻理解玻爾理論的這部分內(nèi)容，我讓學(xué)生總結(jié)，這些假設(shè)解決了經(jīng)典電磁理論和盧瑟福原子模型的哪些矛盾？學(xué)生在逐條對比中加深認(rèn)識。

然而在下面的類比分析中，教材還是用了地球和人造衛(wèi)星這個例子。它確實可以幫助學(xué)生理解原子狀態(tài)的不連續(xù)性，但也更容易使學(xué)生產(chǎn)生電子做勻速圓周運(yùn)動的錯誤認(rèn)識，也在無形中強(qiáng)化了“軌道”的概念。所以在教學(xué)中有必要對學(xué)生解釋，經(jīng)典的理論在這里已經(jīng)不再適用，其實氫原子中的電子是沒有軌道的，電子在原子中運(yùn)動的“軌道”這樣的說法，表達(dá)的只是一種可能性。

3.4 “能級”和“光子的發(fā)射和吸收”部分

主要講解玻爾理論中“躍遷假設(shè)”的內(nèi)容。教材突出了最有積極意義的能量量子化的觀點，舍去了能級公式的推導(dǎo)和計算，直接給出了氫原子的能級圖和一些可能的能量值，可能的躍遷方式。這樣做就是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，體現(xiàn)課改和素質(zhì)教育的精神。在一些習(xí)題中還會看到關(guān)于能級公式的計算，我認(rèn)為應(yīng)該大膽舍棄。高考考察的重點是能級躍遷的規(guī)律，這部分內(nèi)容應(yīng)當(dāng)做適當(dāng)?shù)耐卣埂?/p>

原子躍遷是一個比較難理解的知識點。在教學(xué)中，我先講授了躍遷的概念及躍遷公式hν=Em-En，讓學(xué)生閱讀教材，然后請他們例舉生活中與原子躍遷相似的事件，交流他們對此知識點的理解。學(xué)生舉出了非常好的例子：能級就好比臺階，原子躍遷就好比一個人在跳臺階。人可以從上跳到下，也可以從下跳到上，可以跳一級，也可以跳多級，但是不可能跳到某兩級之間。向上跳相當(dāng)于原子由低能級向高能級躍遷，跳的臺階越多，需要的能量就越大，如果上跳時具有的能量在到達(dá)二級與三級之間，他就無法到達(dá)第三級臺階而是落在第二階上。這樣一個類比，形象生動地描述了原子躍遷的過程，很容易突破了難點。但它也有一個缺點，生活中的臺階大多是高度一致的，而能級圖中每兩個能級的差是逐級遞減的。目前還沒找到更合適的例子，我就讓學(xué)生記住這個區(qū)別。

3.5 “原子光譜”部分

玻爾理論的一個重要貢獻(xiàn)就是正確解釋了氫原子光譜。教材中“原子光譜”這部分內(nèi)容也可以看成是玻爾理論的應(yīng)用。可以圍繞幾個問題展開：

①能量量子化的觀點怎樣解釋原子光譜是線狀光譜？

②為什么各元素的原子光譜不同？

③為什么可以用光譜分析確定樣品中有哪些元素？

④光譜分析有什么優(yōu)越性？光譜分析在現(xiàn)代科學(xué)，如地質(zhì)、冶金、石油、生物醫(yī)學(xué)、地球化學(xué)、材料和環(huán)境科學(xué)等各個領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用?？上?qū)W生做簡單介紹，使其了解物理在科技進(jìn)步以及社會發(fā)展中發(fā)揮的重要作用。

4 有待解決的問題

一些學(xué)生在學(xué)完整章會有這樣的煩惱：“學(xué)完能級，對原子結(jié)構(gòu)有了清晰的認(rèn)識，但是學(xué)了物質(zhì)波，看了氫原子的電子云好像又變得糊涂了?！逼鋵崳瑢﹄娮拥任⒂^粒子，由于不能用確定的坐標(biāo)描述他們在原子中的位置，因此，電子在原子中運(yùn)動的“軌道”這樣的說法其實是沒有意義的。電子云表示的是電子在原子核各個位置出現(xiàn)的概率。

我想學(xué)生之所以會有這樣的疑惑，是因為學(xué)習(xí)能級這節(jié)中“軌道量子化”時留下了錯誤的前概念。這部分內(nèi)容建立在盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型之上，本身就是不完善的，教材出現(xiàn)它的目的應(yīng)該是為“能量量子化”做準(zhǔn)備。

這塊“雞肋”，舍掉，學(xué)生該如何理解能級？不舍，錯誤概念又怎樣消除呢？

參考文獻(xiàn)：

［1］楊福家.原子物理學(xué).北京：高等教育出版社，1991

［2］戴劍鋒.物理發(fā)展與科技進(jìn)步.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

量子力學(xué)知識點范文第4篇

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)的一款科學(xué)研究軟件，用于幫助用戶解決當(dāng)今材料科學(xué)中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強(qiáng)有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進(jìn)行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結(jié)構(gòu)模型，之后通過軟件包中相應(yīng)的計算模塊，對材料分子的構(gòu)型優(yōu)化、性質(zhì)預(yù)測、X射線衍射分析及量子力學(xué)方面進(jìn)行計算。通過計算得到的結(jié)果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質(zhì)及相關(guān)過程進(jìn)行深入的分析和研究，其計算的結(jié)果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學(xué)的一個凝聚態(tài)理論小組開發(fā)，是廣泛用于計算周期性體系性質(zhì)的一個先進(jìn)量子力學(xué)程序。它可用于金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等多種材料的相關(guān)計算，可研究晶體材料的光學(xué)性質(zhì)（折射率，反射率，吸收及發(fā)射光譜等）、缺陷性質(zhì)（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度）、體系的三維電荷密度及波函數(shù)等。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計1.知識點的設(shè)置。在材料科學(xué)的專業(yè)課中，如晶體物理、固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)、硅材料科學(xué)與技術(shù)等課程中,都會涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數(shù)等材料的光學(xué)或化學(xué)性質(zhì)。在完成這些基礎(chǔ)知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進(jìn)行計算和演示，為這些基礎(chǔ)理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質(zhì)與微觀機(jī)理銜接上，這樣學(xué)生對材料科學(xué)的知識體系就會有一個整體的認(rèn)識和了解。2.密度泛函理論及波函數(shù)的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，其本質(zhì)是以電子密度分布函數(shù)為變量代替波函數(shù)中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復(fù)雜體系波函數(shù)的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)及材料相關(guān)領(lǐng)域，特別是用來研究分子和凝聚態(tài)的性質(zhì)。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應(yīng)用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、光譜、能量、過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和活化勢壘等方面的進(jìn)行計算研究。在與分子動力學(xué)結(jié)合后，在材料設(shè)計、合成、模擬計算等方面有明顯進(jìn)展，成為計算材料科學(xué)的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。3.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應(yīng)用Visualizer模塊構(gòu)建有機(jī)、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結(jié)構(gòu)等模型，通過鼠標(biāo)控制這些分子構(gòu)型，可從不同角度查看并分析體系結(jié)構(gòu)，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數(shù)據(jù)庫中的晶體結(jié)構(gòu)可以用于教學(xué)演示，如在硅材料科學(xué)與技術(shù)和半導(dǎo)體物理等課程的教學(xué)過程中，需要用到單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數(shù)據(jù)庫文件夾中導(dǎo)入Si這個晶體數(shù)據(jù)文件，在課堂上為學(xué)生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進(jìn)行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結(jié)構(gòu)也可以演示各種晶體的密堆積結(jié)構(gòu)。這樣就給學(xué)生一個生動、形象、直觀動態(tài)的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學(xué)知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結(jié)構(gòu)，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進(jìn)行計算，可以得出其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，通過對計算結(jié)果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學(xué)的教學(xué)過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數(shù)據(jù)庫及WebofScience網(wǎng)站來獲取稀土配合物的晶體結(jié)構(gòu)，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結(jié)構(gòu)，用于課堂演示，有助于學(xué)生理解復(fù)雜的稀土配合物結(jié)構(gòu)。在固體物理教學(xué)過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結(jié)果及演示教學(xué)。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質(zhì)摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應(yīng)的模型，然后通過CASTEP計算模塊進(jìn)行計算。通過對計算結(jié)果的分析，說明這些因素對半導(dǎo)體材料性質(zhì)的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數(shù)等性質(zhì)。其計算的結(jié)果數(shù)據(jù)和圖表可以與教科書或文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設(shè)計更多的新型材料并進(jìn)行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學(xué)中的知識點，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好，嘗試進(jìn)行材料分子模型的設(shè)計并進(jìn)行模擬計算。通過計算結(jié)果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質(zhì)、空位等因素對材料性質(zhì)的影響，在此過程中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）簡介Gaussian是一個功能強(qiáng)大的量子化學(xué)綜合軟件包。應(yīng)用它可以計算分子能量和結(jié)構(gòu)、過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵以及反應(yīng)能量、分子軌道、熱力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)路徑等等，功能非常強(qiáng)大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，進(jìn)而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發(fā)態(tài)，算出吸收和發(fā)射光譜。Gaussian擴(kuò)展了化學(xué)體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進(jìn)行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術(shù)把體系作為重復(fù)的單元進(jìn)行模擬，以確定化合物的結(jié)構(gòu)和整體性質(zhì)。而GaussianView是一款為Gaussian設(shè)計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構(gòu)建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運(yùn)算結(jié)果。

（二）知識點的設(shè)置1.在材料科學(xué)有機(jī)電致發(fā)光材料及稀土化學(xué)課程的教學(xué)過程中，會涉及到有機(jī)或稀土發(fā)光材料的吸收及發(fā)射機(jī)理。通過把Gaussian軟件教學(xué)過程，我們可以很好結(jié)合這些算例講解三重態(tài)，單重態(tài)發(fā)射過程，給出與發(fā)射過程相關(guān)的分子最高占據(jù)軌道HOMO和最低非占據(jù)軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發(fā)射過程中的電子轉(zhuǎn)移過程，對低能吸收和發(fā)射過程的電子躍遷性質(zhì)進(jìn)行判斷。2.軟件的操作及相關(guān)內(nèi)容的演示。(1)通過CCDC晶體數(shù)據(jù)庫或者WebofScience網(wǎng)站獲得相應(yīng)的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結(jié)構(gòu)（通常為cif文件）。(2)應(yīng)用Mercury軟件或者M(jìn)aterialsStudio軟件讀取相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉(zhuǎn)存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進(jìn)行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結(jié)果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結(jié)果并且以圖形的形式顯示出來，并可應(yīng)用它對計算結(jié)果進(jìn)行分析。(5)通過GaussianView對計算結(jié)果的進(jìn)行處理，通過它顯示出發(fā)光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發(fā)射光譜等情況，結(jié)合這些圖形信息，我們可以對有機(jī)電致發(fā)光材料或者稀土發(fā)光材料的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行教學(xué)。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發(fā)的一款非常好的分子建模及顯示工具，學(xué)生可以通過對它的使用，很方便地進(jìn)行分子設(shè)計并輸入到高斯程序中進(jìn)行計算?？梢园才艑W(xué)生在基礎(chǔ)發(fā)光材料分子的基礎(chǔ)上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進(jìn)行嘗試，進(jìn)行配合物分子的設(shè)計，增強(qiáng)其動手能力，為今后走進(jìn)實驗室進(jìn)行有機(jī)合成做準(zhǔn)備。

三、預(yù)期的效果

量子力學(xué)知識點范文第5篇

【關(guān)鍵詞】固體物理 學(xué)科前沿 教學(xué)改革

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0181-01

《固體物理》是大學(xué)物理專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課。固體物理是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律，以闡明其性能與用途的學(xué)科［1，2］。同時，隨著科技的發(fā)展，以固體物理為基礎(chǔ)外向延拓的凝聚態(tài)物理成為當(dāng)前重點研究的學(xué)科之一，是材料物理、半導(dǎo)體物理、新材料和新器件等新興交叉學(xué)科的理論基礎(chǔ)。固體物理的學(xué)習(xí)成為基礎(chǔ)理論與應(yīng)用學(xué)科之間的橋梁，在當(dāng)今世界的高新科技領(lǐng)域起著不可替代的作用。本課程的主要學(xué)習(xí)任務(wù)是在大學(xué)物理、量子力學(xué)、統(tǒng)計物理等知識基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)晶格理論和固體電子理論、以及所涉及的學(xué)科發(fā)展的前沿和應(yīng)用。因此有必要學(xué)習(xí)且學(xué)好這門課，這要求學(xué)生必須具備較強(qiáng)的物理思想、扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、良好的量子力學(xué)基礎(chǔ)，而且這門課內(nèi)容抽象且龐大，因此對授課的要求也相應(yīng)地提出了挑戰(zhàn)。從教師角度來講，如果上好這門課，使學(xué)生深刻理解和掌握物理基本概念、所學(xué)內(nèi)容，并能學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，如何融合學(xué)科前沿知識于物理教學(xué)中，提高教學(xué)質(zhì)量，值得我們深思。

筆者在教學(xué)中考慮到傳統(tǒng)的固體物理教學(xué)內(nèi)容和日新月異的固體物理前沿內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)，在教學(xué)中引入學(xué)科前沿研究的具體問題，以期固體物理的教學(xué)能夠與時展相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。本文引用教學(xué)過程中選擇的一個具體研究體系：即石墨烯體系來闡明如何在教學(xué)中建立基礎(chǔ)知識與前沿間的關(guān)聯(lián)的。石墨烯體系是2004年英國曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov等人通過機(jī)械剝離法獲得了單層石墨烯片，這種二維材料仍保持了近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)和極高的穩(wěn)定性。石墨烯材料展現(xiàn)出了諸如無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子、彈道輸運(yùn)、室溫量子霍爾效應(yīng)等一系列新奇的物理性質(zhì)成為近幾年迅速發(fā)展起來的研究熱點材料之一。2010年，Geim和Novoselov因為在石墨烯研究方面的卓越貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎金。選擇石墨烯體系是因為：(1)它可以與固體物理眾多基礎(chǔ)知識點聯(lián)系起來，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中更加具體化；(2)在教學(xué)過程中結(jié)合一個研究問題，在學(xué)習(xí)過程中層層推進(jìn)，既深刻理解了固體物理的基本知識點，又同時逐步了解了前科學(xué)科的研究內(nèi)容、方法；(3)此教學(xué)過程可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，讓學(xué)生感知學(xué)科發(fā)展的動力，認(rèn)識科學(xué)的研究來源于基礎(chǔ)知識的積累、學(xué)習(xí)。下面我們簡要的梳理一下在教學(xué)過程中如何結(jié)合石墨烯體系進(jìn)行教學(xué)的。

1.晶格結(jié)構(gòu)。《固體物理》教學(xué)的第一塊內(nèi)容是晶體結(jié)構(gòu)以及對它的描述：基矢、倒格矢等。晶體結(jié)構(gòu)是微觀粒子的排列方式，抽象、枯燥。我們將Materials Studio軟件應(yīng)用于教學(xué)中，充分應(yīng)用模擬軟件的可視化功能，導(dǎo)入典型材料的晶格結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)多角度的觀察微觀粒子的排列方式，分析結(jié)構(gòu)特征。其中導(dǎo)入單層石墨烯結(jié)構(gòu)：分析原胞，分析兩個不等價的碳原子，用A、B表示，求解原胞基矢、倒格矢，分析每類原子的最近鄰、次近鄰等，為后續(xù)緊束縛近似從能級擴(kuò)展到能帶做鋪墊。

2.能帶理論。在晶體中，勢函數(shù)滿足周期性，狀態(tài)波函數(shù)滿足Bloch定理。求解石墨烯中載流子運(yùn)動狀態(tài)和能量滿足的方程，考慮到碳原子核外電子在一個原子附近時，將主要受該原子場的作用，而把其它原子場的作用看成是微擾作用，因此采用緊束近似的方法。由于石墨烯中有A、B兩種不等價碳原子，波函數(shù)可以寫為ψ=C1?覫A+C2?覫B其中?覫A，?覫B 分別代表A和B的原子軌道對所有格點求和的波函數(shù)，在教師引導(dǎo)下讓學(xué)生具體求解本征方程，具體計算結(jié)合書本，只保留到最近鄰相互作用項，給出能帶公式，分析能帶圖，提醒學(xué)生注意能帶圖殊的6個交叉點（即K，K’點），具體物理分析留待后面解釋。

3.能態(tài)密度和費(fèi)米面。能態(tài)密度以及費(fèi)米面附近的載流子濃度是決定材料物性最基本的物理量。通過對石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的分析，由6個K和K’點組成的平面即為零偏壓下的費(fèi)米面，忽略原子軌道間的重疊積分，在K/K’附件展開給出能量為波矢的線性關(guān)系，實驗上可用角分辨光電子譜等方法對石墨烯的能帶進(jìn)行測量，向?qū)W生展示實驗結(jié)果并對比理論進(jìn)行分析。相應(yīng)地描述石墨烯載流子行為的方程是Dirac方程，而不是薛定諤方程，這一點需向?qū)W生做進(jìn)一步分析解釋：區(qū)別傳統(tǒng)自由電子氣中描述載流子所采用的近自由電子近似，其中能量與波矢的關(guān)系成二次方項；而在單層石墨烯中載流子的速度約為106 m/s，類光子，采用Dirac方程描述。正是因為石墨烯中電子結(jié)構(gòu)的特殊性為人們研究觀察相對論量子電動力學(xué)效應(yīng)提供了更加方便的手段和系統(tǒng)，使得人們可以利用低能的凝聚態(tài)物理來模擬一些量子場下所預(yù)言的相對論量子現(xiàn)象，用石墨烯來檢驗Klein隧穿效應(yīng)等，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

4.電子在電場和磁場中的運(yùn)動。(1)通過能帶理論解析導(dǎo)體、絕緣體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為。針對石墨烯材料，同樣由能帶結(jié)構(gòu)分析導(dǎo)電性能。尤其指出當(dāng)門電壓為零時，理論上載流子濃度為零，如何解釋實驗上觀測到的最小電導(dǎo)率，向?qū)W生拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，最后總結(jié)目前文獻(xiàn)中的相關(guān)解釋。(2)采用經(jīng)典理論和量子理論分析自由電子系統(tǒng)在外加磁場條件下載流子的運(yùn)動特征，介紹傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)和整數(shù)量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。引入在石墨烯材料上室溫下觀測到的反常的量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生找出霍爾電導(dǎo)的反常性來源于材料結(jié)構(gòu)的特殊性以及描述載流子運(yùn)動方程的不同，并進(jìn)一步給出在外加磁場下的狀態(tài)方程和能量關(guān)系，分析實驗現(xiàn)象。

5.其它。在課時允許的條件下，以專題的形式向?qū)W生介紹前沿知識。同樣以石墨烯為例，介紹晶格振動實驗和理論的結(jié)果；各種散射機(jī)制以及采用Boltzmann方程的方法如何處理散射問題，異質(zhì)結(jié)的能帶形成過程；光的吸收與層數(shù)的關(guān)系實驗規(guī)律，分析光的吸收機(jī)制以及在透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域的應(yīng)用前景；以及石墨烯材料如何制備等等。當(dāng)然我們也同樣可以選擇其它的學(xué)科前沿的事例結(jié)合固體物理的教學(xué)，在這里筆記主要是介紹通過石墨烯的研究內(nèi)容來充實我們的教學(xué)內(nèi)容。

總之，結(jié)合固體物理理論性強(qiáng)，并且學(xué)科飛速發(fā)展的特點，在課程內(nèi)容上有必要增加學(xué)科前沿內(nèi)容，傳授研究方法，設(shè)計研究性課題，解決實際問題。從而培養(yǎng)有創(chuàng)新能力的學(xué)生。

參考文獻(xiàn)：