量子力学虚拟试验的MATLAB演示-大学物理-北京师范大学

第31卷第5期 大 学 物 理 Vo1．31 NO．5

2012年5月 COLLEGE PHYSICS Mav 2012

量子力学虚拟实验的MATLAB演示

陈凤翔，汪礼胜，谭改娟，许文英

(武汉理工大学 理学院物理科学与技术系，湖北武汉 430070)

摘要：量子力学是一门较抽象的科学．为了更直观、形象地展示量子力学中的一些物理原理和实验现象，本文利用MAT—

LAB软件搭建了一个量子力学的虚拟演示平台，可以生动地演示电子双缝衍射、量子隧穿效应、氢原子电子云和斯塔克效应

等现象．通过相关物理参数的输入以及物理现象的演示，可以使学生在量子力学的学习中获得更直观的教学感受．

关键词：量子力学；虚拟平台；MATLAB

中图分类号：O 4-33；O 413．1 文献标识码：A 文章编号：1000—0712(2012)05．0058—04

相对论和量子力学是20世纪物理学基础理论

的两项重大进展，是近代物理的主要理论基础 ．

因此，量子力学的学习是本科生物理教学的一个极

为重要的组成部分 ．但是众所周知，量子力学是

一 门既难学又难教的课程，一是因为其中涉及的概

念和我们El常生活(或者说常识)相距甚远，二是所

涉及的数学课程比较多，主要有高等数学、数学物理

方法、线性代数等，几乎包括了物理专业学生所学过

的全部数学课程．概念抽象、远离Et常经验、计算复

图1 演示平台构成框架

杂，使量子力学成为一门难学难教的课程 ．

量子力学中有许多静态的图景和动态过程，单 1 演示平台介绍

从方程式和表达式上很难有较为直观的认识，而如

图2给出了量子力学波函数演示平台的主界

果我们用图形和动画方法将它们展示出来，则会有

面，从主界面中可以进入到4个子平台；在子平台

很好的效果 ．随着计算机技术的发展，国内许多

中，用户将通过键入自己设定的相关参数，控制相关

作者在这方面也做了一些很好的工作 ．我们借

按钮，获得量子力学实验的生动演示．

鉴了这些工作的成功经验，经过精心计划和有益的

尝试，开发了这个基于MATLAB软件中GUI工具的

量子力学演示平台，重点演示量子力学中的4个实

验，演示平台框架如图1所示．

整个演示平台包含4个实验——电子双缝衍

射、量子隧穿效应、氢原子电子云和斯塔克效应，利

用这4个基础实验，可清楚地演示微观粒子的波粒

二象性、微观粒子的隧穿过程、氢原子的空间概率分

布以及外电场对氢原子能级的影响，使学生获得更

直观的物理体验． 图2 演示总平台

收稿13期：201I一11—08；修回日期：2011—12—26

基金项目：湖北省教学研究项目(2010079)资助；武汉理工大重点教学研究项目(2010062)资助

作者简介：陈凤翔(1979一)，女，湖北黄冈人，武汉理工大学理学院物理科学与技术系副教授，博士，主要从事量子力学的教学和高效太阳能

电池的研究工作．

第5期 陈凤翔，等：量子力学虚拟实验的MATLAB演示 59

不具备实验条件．而随着计算机的普及，可以利用计

2 子平台功能演示

算机的绘图技术，重构电子双缝衍射的动态随机过

2．1 电子的双缝衍射 程，清晰演示电子衍射的全过程

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