绪论:写作既是个人情感的抒发,也是对学术真理的探索,欢迎阅读由发表云整理的11篇量子计算论文范文,希望它们能为您的写作提供参考和启发。
目前,在高速公路公司中广泛采用车流量法的公路资产折旧办法。在高金平所著《最新税收政策疑难解析》中,就有某提问者介绍的这样一个案例:某高速公路有限公司与市交通委员会于2005年9月签订了某段项目特许经营权协议,协议中规定某高速公路有限公司在特许经营期及特许经营区域范围内,自行承担费用、责任和风险,融资、建设、运营、养护及最终移交项目设施、权利。特许经营期28年,自取得政府主管部门批准收费之日起计算,特许经营期满将项目移交政府。该公司的公路资产按“工作量法”计提折旧,方法为:测算28年的总工作量为6.6亿辆(即总车流量),总投资额为39亿元,然后按每年车流量计提折旧。
1车流量法在实际操作中的问题
仍以上面提到的案例为例。要采用车流量法计算折旧,首先要预测在特许经营期内的总车流量,该例中为6.6亿辆。实际的预测过程为:根据相关的分析,运用一定的数学模型,预测出特许经营期内各年的车流量,加总即为特许经营期内的总车流量。不失一般性,我们假设该例中预测的前三年的车流量分别为1、2、3千万辆。现在我们来考察该企业运营三年后的情况,实际的运营结果是不可能完全符合预测结果的。为方便说明,我们假设该企业的两种实际运营结果并加以讨论。
(1)假设前三年实际运营结果为2、3、4千万辆,由于实际的车流量比预测的车流量多,那么根据实际运营结果计算的折旧情况也比较大。照此发展,由于实际的车流量有可能在不到28年甚至不到20年的时间内就达到了预测的总车流量6.6亿辆,如果一直根据实际车流量计提折旧并且不修改预测的总车流量,将会在不到28年甚至不到20年的时间内提完折旧。
(2)假设前三年实际运营结果为0.5、1、2千万辆,由于实际的车流量比预测的车流量少,那么根据实际运营结果计算的折旧情况也比较小。照此发展,由于实际的车流量有可能在28年期满后仍达不到预测的总车流量6.6亿辆,如果一直根据实际车流量计提折旧并且不修改预测的总车流量,将会在28年期满后仍未提完折旧。
有些企业有定期根据实际运营情况修改预测总车流量的计划,那么在修改预测总车流量后,又会有两种情况:一种是仅以后年度以新的预测总车流量为基数计算折旧,以前年度已经计算的折旧不再调整,这种情况下会造成各个期间的单位车流量分担的折旧额不同;另一种情况是不仅以后年度以新的预测总车流量为基数计算折旧,以前年度已经计算的折旧也要追溯调整,这种情况下会造成整个特许经营期内单位车流量分担的折旧额一直处于不确定状态,直到期满后才能最终确定。
2工作量法的性质及适用要求
《企业会计准则第4号——固定资产》第十七条规定:企业应当根据与固定资产有关的经济利益的预期实现方式,合理选择固定资产折旧方法;可选用的折旧方法包括年限平均法、工作量法、双倍余额递减法和年数总和法等。国家税务总局规定(国税函〔2006〕452号):按照企业会计制度和相关会计准则的规定,工作量法是根据实际工作量计提固定资产折旧额的一种方法,与年限平均法同属直线折旧法;在会计处理上按工作量法计提固定资产折旧的纳税人,可依照《企业所得税税前扣除办法》第二十七条的规定进行税务处理。由此可见,工作量法是企业会计准则提供的备选固定资产折旧方法之一,在性质上属于直线折旧法。工作量法之所以能与年限平均法一样同属直线折旧法,是由于其与年限平均法一样具有直线折旧的属性。年限平均法是单位时间承担的折旧额相等,而工作量法是单位工作量承担的折旧额相等,二者均具有一定单位承担相同折旧额的特性。
但作为直线折旧法之一中的工作量法据用一定的适用条件。既然要使单位工作量承担相同的折旧额,这就要求拟采用工作量法折旧的固定资产具有这样的特性:介于资产的自身设计及构造,该项资产的使用寿命与其使用强度具有很直接的关系,而与资产的使用时间关系不是很大,而且该资产的总的可使用工作量能够事先得到合理的估计。典型的适合采用工作量法的资产例子为汽车,汽车就具有行驶到一定的历程后(即达到一定的工作量)就要报废的特性。我们知道,如果使用强度大即每年的行驶里程长,则汽车就用不了几年;而如果其使用强度小即每年的行驶里程短,则汽车就可以用好多年。换句话说,对于适合采用工作量法折旧的固定资产来讲,对它的使用寿命的估计是根据它的可达到的总工作量进行而不是根据使用年限进行的,因为只有这样才能更加符合该项资产的特性。
对于具备工作量法适用条件的资产,采用工作量法计算折旧会呈现下述特征:每单位工作量承担的折旧额可以事先确定,在达到总工作量也即提完折旧时资产已经或接近于报废。
3车流量法不属于工作量法
进入信息时代,计算机及相关软件在建设工程项目管理领域的应用也越来越广泛。在项目成本管理领域,早已实现工程成本及造价计算过程中定额子目的自动套用、费用的自动计算及人、材、机的自动分析和汇总,但工程量的计算还未能完全实现自动化,各类具有自动算量能够功能的软件在实际应用中也存在各种问题。
1. 当前项目造价(成本)领域软件应用的水平及存在问题分析
1.1. 当前项目造价(成本)领域软件应用发展的水平
当前,在项目造价(成本)领域的应用软件,主要在于实现自动讨价及工料分析。由于工作关系,笔者对目前市面上常用的几款软件都曾试用,总体来讲,上述软件具有准确率高、换算方便、速度快等优点,实现了报表输出的兼容性。也有部分软件对实现自动算量功能做出了有益的尝试,并取得一定的成果。根据笔者的经验,这类软件均较好的解决了建模、自动算量、工程量的汇总及定额的套用等手工计算中费工费时的工作,有些更是具备了能直接调用电子图档的功能,省却了大量的建模时间,取得了较好的应用效果。
1.2.工程量自动计算的意义
传统的手工计算工程量,其基本过程无非是翻阅图纸、熟悉资料、列计算式、计算分项工程量、汇总工程量、套用单价。很显然,这极为费力费时,需要细心和极大的耐心,稍有不慎则容易出错,效率低下。
而工程量的自动计算基本过程如下:建模、校核、自动计算、自动套用定额子目或生成工程量清单项目。
工程量的软件计算最大的优越之处在于实现了工程量的自动化、智能化:
1)实现了构件交接处的自动扣减;
2)实现了工程量的自动分类汇总及报表输出;
3)建模时标准层可直接复制,非标准层可稍加修改,成倍的提高了工效。
相较于手工计算,用软件计算的功效是手工计算的至少4~5倍。笔者本人曾作过专门比较,同一栋框架结构宿舍楼,手工计算工程量到汇总得出分部分项工程量约需2~3天,而用软件计算从建模到输出工程量总共只用了不到10个小时,孰优孰劣,一目了然。
工程量的自动计算,不仅是项目建设初期及竣工阶段造价(成本)管理工作的需要,也是工程项目实施过程中管理工作的需要。项目管理中经常要做到对部分楼层、部分构件或部分材料的分项汇总,用手工计算容易出现统计错误,而软件则可以在几十秒钟之内实现上述功能。不仅如此,在招投标领域实现快速投标、在工程竣工决算审计中能起到减少重复计算、提高功效的作用。正由于此,笔者认为,应在项目造价(成本)领域大力推广工程量的自动计算。
1.3.当前算量类软件在项目造价(成本)领域应用中存在的问题
通过对上述部分具备算量功能的软件的使用,总体感觉目前的此类软件普遍存在如下缺点:
1)软件的智能化程度不高,需大量的人工干预,操作繁琐,容易出错;
2)对于建筑造型独特、不规则的建筑物建模有困难,如对墙面的一些非常规装饰不能方便的建模甚至无法建模;
3)计算公式的输出不规范,不符合人们的手工计算习惯,难以阅读,不便于核对和查错;
4)尽管部分软件声称具备能直接调用设计院的电子图档的功能,但实际应用中其效果并不理想;
5) 部分人士感觉其计算过程 “暗箱”化,对软件的计算结果不完全放心。
现实的情况就是,用传统的手工计算汇总工程量,然后手工录入套价软件。在其他的如工程技术设计领域早已解决的设计过程信息化,在项目造价(成本)领域还是未能实现。
转贴于
2. 当前项目造价(成本)领域信息化发展中存在问题的原因分析
笔者认为,当前在项目造价(成本)领域信息化水平低、造价(成本)管理中工程量的自动计算的自动化程度不高的原因是多方面的,概略分析,主要存在以下几个方面的原因:
2.1由于传统上对项目造价(成本)管理的忽视和方法的失误,导致相当长的一段时间内存在轻视“预决算”人员的倾向,造成长期以来工程造价类专业人士整体素质不高。尽管近年来国家推行“注册造价工程师”考试制度已在一定程度上扭转了这一现象,但现实中也的确存在部分民工或非“科班”出身的人士在从事工程造价管理工作——“预决算”,无疑他们的专业上的综合素养和接受新鲜事物的能力有限,部分甚至有排斥心理,导致造价类应用软件的推广受到极大的限制。
2.2由于算量类软件都需要建模——图形的输入,其操作较为繁琐。多数软件的建模依赖于设计绘图软件诸如PKPM、AutoCAD等图形平台软件的支持,而这一类软件对使用者的起点要求较高,限制了算量软件的广泛应用。
2.3有些声称能直接调用电子图档的软件,在实际应用中其效果不尽理想。由于绘图类软件种类繁多,标准不一,数据接口规范不尽统一,导致造价算量类软件在读入图纸时错误频出、修改量大,使得其宣称的功能大打折扣,影响了软件的推广。
2.4由于算量软件的使用受到诸多限制,加之一些业务部门平时工作任务繁重,认识有限,导致现实中对算量类软件的推广产生了极大的阻力,应用范围非常为有限。销售量的有限导致了其开发和推广成本的居高不下,使得此类软件的售价较高,又更限制了其使用范围的扩大,一定程度上形成了非良性循环。
3.对于推广算量类软件的几点思考
显然,当前我国项目造价(成本)领域计算机及软件应用水平还有待于进一步提高。为做好造价管理中算量软件的推广和应用水平,笔者认为应做好以下几个方面:
3.1 政府及有关管理部门的应加强引导和推广力度
我国建设工程项目管理界每一次大规模、深层次的变革均有政府和相关管理部门的大力推动。因此,在项目造价(成本)领域推广工程量的自动计算也有赖于政府和管理部门的大力引导和推动。各地的造价总站应在软件开发、软件推广、人员培训及资源和信息的共享、标准规范的制订和协调等方面为软件的开发者和使用者提供比以前更大的支持力度。
3.2 加强和其他相关领域的协作
众所周知,一个商业软件的生命力取决于其所能实现的功能和兼容性、易用性、稳定性。如能实现算量软件和设计绘图软件之间数据的无缝链接,真正做到算量软件能直接调用电子图档,简化建模,无疑是功能和兼容性上的一大进步。但兼容性则不是某一家软件公司所能解决的,这就需要国家或行业协会等出面,在设计制图规范、数据接口等方面召集建筑、结构、设备及软件开发等方面专业人士协调,实现数据库规范标准的统一,将能促进工程项目管理界信息的标准化和集成化,减少社会公共成本和重复成本,能极大的促进算量软件的推广和使用。
3.3促进部分软件开发商之间的横向合作
某些自动算量软件在开过程中和绘图软件开发商合作,实现了数据传递的无缝连接,但同一套软件在读入由其他绘图软件绘制的施工图时却需大量的人工干预,费时费力。在政府和管理部门暂时还不能实现对软件开发的协调的情况下,促进绘图类软件开发商和算量软件开发的横向联合,实现数据接口统一规范,不失为解决问题的有效途径。同时应鼓励有实力的绘图软件开发商在自身的图形平台上开发算量功能模块。
4. 结束语
综上所述,笔者认为:
4.1当前,我国的项目造价(成本)领域的软件应用已取得一定成绩,但远不能和其他领域相提并论;目前所存在的主要问题是还未能最终实现工程量的自动计算。
数值相对论计算机求解爱因斯坦方程
物理学家的随机过程理解噪声系统
量子信息和纠缠性的哲理
环境流体力学进展
聚合物的粘弹性力学基础分子理论、实验和模拟,第2版
天文问答指南
利用双筒望远镜探索太阳系的奥秘
药物设计
生态恢复
花图式
大脑中的语言
利用人工神经网络模拟感知
自然资源保护与管理中的分子方法
美容的神经生物学
空间认知与空间感知
评估自然资源
多媒体检索数据管理
Event—B语言的建模
算法语言Scheme的第6次修订报告
量子计算中的语义学技术
机械臂的自适应控制统一无回归矩阵方法
稀疏图像信号处理
机械和电子工程
伟大的工程师们
随机调度
复值数据的统计信号处理
移动机器人分析学的更多的进展 第5届国际ISAAC会议论文集
分析学的进一步进展 第6届国际ISAAC会议论文集
线性算子方法 逼近与正则化
2008年Isehia群论会议文集
应用数学和计算数学的前沿
计算科学的最近进展
超流宏观理论
高等凝聚态物理
量子杂谈 微观世界的魅力
从π介子到夸克 20世纪50年代的粒子物理学
非线性振动
非线性波
时间序列分析 社会科学家用的全面介绍
时间,空间,星系与人类 关于宇宙大爆炸的故事
彗星和生命起源
发现宇宙大爆炸)膨胀宇宙的发现
环境科学中的机器学习方法 神经网络与核方法
世界上最大的湿地 生态与保护
有害污染物的科学管理
达尔文的短篇出版物1829—1883
物理生物学 从原子到医学
达尔文笔记1836—1844
诺贝尔生理医学奖专题讲座2001—2005
陆蟹生物学
无标记生物传感技术以及应用
传感器与微系统 第13届意大利学术报告会论文集
传感器与微系统 第12届意大利学术报告会论文集基本泛函分析
物理学及有关领域大学生用数学方法
伽罗瓦理论 第二版
变分法中的重积分
数论概要
解Pell方程
复杂的非线性 混沌、相变、拓扑变化和路径积分
量子位势论
导电物质量子理论 超导
自旋 Poincare研讨会2007
结构系统的现代试验技术
结构力学中的混沌
物质结构
激光材料加工原理 现代传热与传质技术
超快强激光科学的进展 第四卷
相变材料 科学和应用
分析系统动力学 建模与仿真
微极亚塑性颗粒状物体中的剪切局部化
天线和望远镜的建模与控制
将无人飞机系统集成到国家空域系统
动力学系统中的模型提取 用于移动机器人控制
临床核磁共振成像及其物理学 指南
胶原蛋白 结构和力学
大型涡流模拟的质量及可靠性
信息系统开发、
移动多媒体广播标准 技术与实践
ThomsonScientific国家科学指标数据库2004年数据显示,中国数学论文在1999~2003年间篇均引文次数为1.03,同期国际数学论文篇均引文次数是1.3,这表明中国数学研究的影响力正在向世界平均水平靠近。相较于物理学、化学和材料科学等领域,中国数学研究的国际影响力是最高的。
我们以美国《数学评论》(MR)光盘(1993-2005/05严为数据来源,用统计数据揭示国际数学论文的宏观产出结构。通过对《MR》收录中国学者发表数学论文每年的总量及其在63个分支上的分布统计,将中国数学论文的产出置于一个相对明晰的国际背景之下,借以观察中国数学的发展态势。此外,我们还以中国科学院文献情报中心《中国数学文献数据库》(CMDDP为数据来源,统计了中国数学论文在63个分支领域的分布,并对其中获国家自然科学基金资助或国家自然科学基金委员会数学天元基金资助的论文情况进行了定量分析。上述数据库均采用国际同行认可的《数学主题分类表》(MSC),分别在国际、国内数学领域具有一定的影响力和相当规模的用户群。
《MR》光盘收录发表在专业期刊、大学学报及专著上的数学论文,其收录范围非常广泛。1993~2004年共收录论文769680篇,其中有74988篇是由中国学者参与完成的,我们称之为中国论文。这里中国论文是指《MR》的论文作者中至少有一位作者是来自于中国(即《MR》光盘中所标注的“PRC”)。12年中,中国论文数占世界论文总数的9.74%。
《CMDD》收录中国国内出版的约300种数学专业期刊、大学学报及专著上刊登的数学论文,此外,还收录了80种国外出版的专业期刊上中国学者发表的论文,并对那些获国家自然科学基金或国家自然科学基金委员会数学天元基金资助的论文进行了特别标注。
2.1《MR》收录中国论文的统计分析
考虑到二次文献的收录时差,为保证数据的完整性,选取的是1993~2004年的文献数据,检索结果如图1所示。数据显示,《MR》12年来收录的中国论文呈现出稳步增长的势头,中国论文的增长速度要大于《MR》总论文数的增长速度。
2.2《MR》收录论文在数学各分支上的分布
为避免重复计数,在对63个数学分支进行统计时,均按第一分类号统计。按2000年《MSC》提出的修订方案,将1993~1999年的数据进行了合并和调整。图2显示了国际数学论文在63个数学分支上的分布。
数学各分支占论文总产出的百分比在一定程度上反映了该领域的研究规模,而相应分支学科的研究热点变化也是统计中着重揭示的问题。在实际统计中,跟踪热点变化主要是通过这63个数学分支的时间序列分析完成的。统计数据揭示的主要特征和趋势如下:1993〜2004年,国际数学或与数学相关论文产出百分比最高的前10个分支依次是:量子理论(81)、统计学(62)、计算机科学(68)、偏微分方程(35)、数值分析(65)、概率论与随机过程(60)、组合论(05)、运筹学和数学规划(90)、系统论/控制(93)、常微分方程(34),这10个分支的产出占总体产出的42.5%。
隹某些分支领域表现出良好的增长势头,如统计学领域的论文数量近3~4年增长较快,有取代量子力学成为现代数学最大板块的趋势。对统计学进一步按照次级主题分类进行统计,结果表明论文产出主要集中在非参数推断(62G)方向(见图3)。
2.3《MR》〉收录中国论文在数学各分支上的分布
MR收录中国学者的数学论文的主要特点表现在以下几个方面:
參1993~2004年论文产出百分比最髙的前10个分支领域依次是偏微分方程(35)、数值分析(65)、常微分方程(34)、系统论/控制(93),运筹学和数学规划(90)、统计学(62)、组合论(05)、概率论与随机随机过程(60)、动力系统和遍历理论(37)、算子理论(47),这10个分支的产出占总体产出的52.25%。
偏微分方程(35)是中国数学论文产出的最大分支,对偏微分方程的二级分类进行细分,结果见图5。
从图中可以看出数理方程及在其它领域的应用(35Q)所占比重较大。同时,根据对35Q的下一级分类的追踪发现,关于KdV-like方程(35Q53)、NLS-like方程(35Q55)的论文有增加的趋势。
差分方程(39)、Fourier分析(42)、计算机科学(68)、运筹学和数学规划(90)、对策论/经济/社会科学和行为科学(91)、系统论/控制(93)、信息和通讯/电路(94)表现出一定的增长势头。
结合环和结合代数(16)、逼近与展开(41)、一般拓扑学(54)、大范围分析/流形上的分析(58)、概率论与随机过程(60)等表现出下降趋势。
与《MR》收录数据的主题分布所不同的是中国的量子力学和统计学均没有进入前5名,量子力学排到了第12位,且有下降趋势。计算机科学(68)、常微分方程(34)在《MR》中分别排在第3位和第10位,而中国数学论文中,常微分方程位居第3,计算机科学位居第11。
1993~2004年《中国数学文献数据库》收录论文统计分析
1993~2004年《CMDD》收录中国学者发表的论文总数达到93139篇。从这些论文在63个数学分支上的分布中可以看出,这63个数学分支学科的发展是不平衡的。对这63个数学分支的论文产出的时间序列分析发现,有些分支增长较快,如运筹学和数学规划(90),对策论/经济/社会科学和行为科学(91),有的变化不大,如几何学(51-52)。
通过对《CMDD》的数据统计,表明中国数学文献的学科分布有如下特点:
參1993〜2004年论文产出百分比最高的前10个数学分支依次是数值分析(65)、运筹学和数学规划(90)、常微分方程(34)、偏微分方程(35)、统计学(62)、系统论/控制(93)、计算机科学(68)、组合论(05)、概率论与随机过程(60)、对策论/经济/社会科学和行为科学(91),这10个分支的产出占总体产出的56.0%。
一些分支表现出良好的成长性。如数理逻辑与基础(03)、矩阵论(15)、实函数(26)、测度与积分(28)、动力系统和遍历理论(37)、Fourier分析(42)、变分法与最优控制/最优化(49),运筹学和数学规划(90)、对策论/经济/社会科学和行为科学(91)、生物学和其它自然科学(92)、系统论/控制(93)、信息和通讯/电路(94)。
參一些分支所占比重下降。如逼近与展开(41)、一般拓扑学(54)、概率论与随机过程(60)、统计学(62)、数值分析(65)等。
參在排名位于前10位的数学分支中,量子理论(81)在《MR》、PRC(《MR》的中国论文)和《CMDD》中所占比重有较大的差异,其余的9个分支尽管所占比重不同但基本上都能进人分布的前10名,例如,计算机科学(68〉在《MR》数据组的排名是第3位,到PRC和《CMDD》数据组就下降到第11位和第7位,在《MR»数据组的排名分别是第8位和第10位的运筹学和数学规划(90)和常微分方程(34),在PRC数据组中,则上升到第5位和第3位,在《CMDD》数据组则为第2位和第3位。这些排名的变化可以部分地揭示出中国在量子理论、计算机科学的交叉研究等方面稍有欠缺,但在数值分析、运筹学(含数学规划)等方面,中国具有相对的竞争优势。
组合论(05)在《MR》、PRC和((CMDD》中所占比重较为一致,分别位居第7、第7和第8位。数据表明组合论中的二级分类图论(05C)的论文产出比例最高,对图论主题进行进一步分析,发现这几年成长较快的图论领域的研究论文大多集中在图和超图的着色(05C15),其次是因子、匹配、覆盖和填装(05C70)。在图论的这两个三级分类上,中国学者的论文产出与国外非常吻合。
本文中的“基金资助”指的是国家自然科学基金或国家自然科学基金委员会数学天元基金的资助。为统计方便,二者统一按基金资助处理。1993~2004年《CMDD》收录的获基金资助的论文共计27662篇,受资助力度达到30%左右。表8显示,获基金资助的论文近年来有不断上升的趋势。2005年《中国数学文摘)>第6期附表1说明《中国数学文摘》和《CMDD》2005年收录的论文受基金资助的比例达40%以上。《CMDD》收录的获基金资助的中国论文在数学各分支上的分布特点如下:
在数量上,前10个分支领域为:数值分析(65)、系统论/控制(93)、偏微分方程(35)、运筹学和数学规划(90)、计算机科学(68)、常微分方程(34)、统计学(62)、概率论与随机过程(60)、组合学(05)、对策论/经济/社会科学和行为科学(91),这10个分支占总体产出的60.2%。
【关键词】 结构化学 课程论文 创新思维
《结构化学》是理科院校化学专业的一门重要基础理论专业课。这门课程以严谨的数学逻辑推导为基础,建立比较抽象的理论概念,学生一般感到难学难懂。因此,学生易缺乏学习的积极性,影响到教学效果。根据结构化学教学的特点,我们在教学中,设置课程论文作为激励学生学习知识和评价教学效果的手段。对此, 我们在教学实践中, 在掌握学生基本学习情况的基础上,根据本课程的教学内容和教学特点,设置与教学目标和教学要求相适应的,注重理论研究和解释实际实验现象的课程论文题目,引导学生尝试应用结构化学/量子化学的理论计算结果来解释化学实验,深入了解分子结构和理论性质,揭示其内在规律性。从而在应用理论的过程中加深对理论知识的认识,提高学生的学习积极性,取得较好的教学效果。
1 设置课程论文的重要性
与其他化学专业课程不同,《结构化学》的内容主要是抽象理论,缺乏合适的配套实验对所学理论知识进行加深、拓宽和巩固。该门课程的对象一般是大学三年级学生,具有相当的化学专业知识。设置课程论文可以让学生在搜寻研究对象或者范围时,对以前专业知识进行回顾和分析,思考大学一年级以来学习的知识是否存在可以采用结构化学理论解释的地方,引发学生对化学知识、原理和现象进行思考,在自由选择题目范围的情况下,激发学生的学习和研究兴趣。在指导学生进行课程论文研究时,注意讲述一般科学研究的方法和步骤及科学工作者所应当具备的科学道德,全面提升学生的科学素养。在指导学生进行课程论文撰写时,着重讲授一般论文的写作格式,培养学生的逻辑思维,提高学生的书面表达能力,形成一定论文写作规范。这对于一般理工科学生尤其重要。设置的课程论文同时为四年级毕业论文研究阶段所需要的逻辑思维和论文写作打下基础。
2 理论化学计算软件的讲授
让学生进行课程论文研究,首先必须先教导学生使用理论化学的计算软件,让计算软件成为学生进行课程论文研究的工具,所以教师本身需要对该类软件非常熟悉,同时具备利用该类软件进行科学研究的能力和经验,这对教师的教学和科研能力有较高的要求。在众多量子化学理论计算软件中,HyperChem比较适合一般学生使用。可视化软件使深奥的理论计算结果形象化、直观化进行表达,让学生好学易懂,同时操作简单,适合用来作为课程论文研究的计算软件。在实际教学中,我们只需要1学时就能教会学生有关HyperChem的基本操作和应用于简单的理论计算。谭君[1]介绍了HyperChem软件的一些使用操作和特点,这里不再重复叙述。
3 科学研究思维和步骤的指导
授之以鱼不若授之以渔,所以我们在课堂上,教导学生一般的科学研究思维和步骤。课堂上以苯环上亲电取代反应的定位规律作为计算例子,采用Hyperchem软件计算各原子电荷并解释定位规律的实验现象。众所周知,苯环上的取代基分为邻对位定位基和间位定位基两类。这里选择了氨基和甲醛基分别作为邻对位定位基和间位定位基两类代表,通过计算其量子化学指数,讨论其计算结果,从理论上解释定位效应。
首先分析影响亲电反应的因素。一般认为碳原子的电子云密度是主要因素,所以我们可以通过计算苯环上的碳原子电荷来解析亲电反应规律。
在Hyperchem构造并以PM3分别计算氨基苯和苯甲醛,按display中的labels,选定charge项,在分子中显示各碳原子的电荷分布。
电荷分布显示氨基苯上邻位和对位的C原子带负电荷,分别为-0.191和-0.169,均大于间位C原子电荷(-0.05),所以对于氨基苯来说,亲电基团会首先进攻邻位和对位。而在苯甲醛的情况恰好相反,间位C原子电荷为最负,为-0.119。亲电基团会首先进攻间位。根据上述计算结果和讨论,应用原子电荷的规律变化很好地解释了亲电取代定位规则。
转贴于 4 拟定结构化学计算题目
自由选择题目范围,可以激发学生的学习和研究兴趣,教学中,我们设定以下方向(题目):
① 药物分子的结构与活性关系
通过对分子的结构计算,讨论结构与活性关系,寻找分子活性中心和主要影响活性的因素。
② 化学反应原理与规律解释
以理论方法计算和解释常见化学反应的产物与规律,如丁二烯的加成反应。
③ 分子结构与性质
计算出分子的量化指数,寻找量化指数与分子性质的关系,如HOMO、LUMO与颜色的关系。
④ 光谱的移动
研究分子结构与光谱移动的关系,如分子中的键长的变化直接影响红外吸收峰的移动。
⑤ 分子的结构/构型/构象
以理论方法研究分子的结构、具体构型和构象。
⑥ 分子间的相互作用
分子间的作用一般为氢键和范德华作用,与化合键作用相比,属于弱作用,是生物大分子主要相互作用。
5 论文指导与创新思维模式的培育
创新思维的特征是求同与求异的统一、发散与收敛思维的统一、敏锐的直觉与理论思维的统一。课程论文布置下去以后,学生在对课题的思考会有许多新的问题和新的想法,我们要鼓励学生在对新的问题进行创新思维。安排课程讨论,将学生的想法在课堂上讨论,尊重学生的新想法,引导学生将课堂学习的结构化学理论知识应用于课程论文研究中。
具有独立思考判断能力是学生创新思维模式的主要表现。传统教师讲、学生听的缺乏互动的教学模式已表现出许多弊端,影响了学生独立思考和动手的素质及其能力的形成。学生自己选题,成为培养学生独立思考判断能力跨出的第一步,也是重要的一步。独立开展课程论文研究,进一步培养学生独立思考判断能力。因此,教学的重点应放在课程论文研究的过程上,而非结论。教会学生从抽象的数理推导中评选出适合个体所需的条件。同时,学生只有具备独立的思考判断能力和获取知识的能力,才能在终身教育过程中面对日新月异的世界,不断实现知识的更新[2]。
【参考文献】
谷歌去年的研发开支达到80亿美元。为了在互联网搜索和在线广告等市场保持领先地位,谷歌目前正在开发一些新的计算机技术。在科技行业中的一些人看来,量子技术是计算机进行海量数据分析的一种革命性方式。这种新技术对谷歌的主要业务尤其有帮助,对它的新项目――如联网设备和联网汽车――也是有用的。
“在一个硬件研发团队的协助下,量子人工智能研究小组现在能够落实新的设计并测试新的产品。”谷歌在博客中写道。
在整理和分析海量数据方面,量子计算机将具有比传统计算机更快的解决速度。谷歌量子人工智能小组成员马苏德・莫森(Masoud Mohseni)曾经与人合作撰写过具有领先学术水平的量子技术论文。谷歌也一直被视为这一新技术革命的领导力量之一。
此外,谷歌的竞争对手微软也在进军这个新领域,并建立了一个名为“量子架构和计算(Quantum Architectures and Computation Group)”的研究小组。
探秘量子计算机
量子计算机,早先由理查德・费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德・费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。
从物理层面上来看,量子计算机不是基于普通的晶体管,而是使用自旋方向受控的粒子(比如质子核磁共振)或者偏振方向受控的光子(学校实验大多用这个)等等作为载体。当然从理论上来看任何一个多能级系统都可以作为量子比特的载体。
从计算原理上来看,量子计算机的输入态既可以是离散的本征态(如传统的计算机一样),也可以是叠加态(几种不同状态的几率叠加),对信息的操作从传统的“和”,“或”,“与”等逻辑运算扩展到任何幺正变换,输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活,并能实现并行计算。
量子计算机或不再遥远
据外媒报道,美国普林斯顿大学研究人员近日设计出一种装置,可以让光子遵循实物粒子的运动规律。现存的计算机是基于经典力学研发而成的,在解释量子力学方面有很大局限性。量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。
研究人员制作出一种超导体,里面有1000亿个原子,在聚集起来之后,众多原子如同一个大的“人工原子”。科学家把“人工原子”放在载有光子的超导电线上,结果显示,光子在“人工原子”的影响下改变了原有的运动轨迹,开始呈现实物粒子的性质。例如,在正常情况下,光子之间是互不干涉的,但是在这一装置里,光子开始相互影响,呈现出液体和固体粒子的运动特性,光子的这种运动“前所未有”。
现存的计算机是基于经典力学研发而成的,在解释量子力学方面有很大局限性。量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。研究人员称,在改变光子的运动规律之后,量子计算机的发明也许不再遥远。
就我国量子计算机而言,相关研究也一直处于世界领先水平。早在2013年12月30日,美国物理学会《物理》杂志就公布了2013年度国际物理学领域的十一项重大进展,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事张强、马雄峰和陈腾云等“利用测量器件无关量子密钥分发解决量子黑客隐患”的研究成果位列其中。
《物理》杂志以“量子胜利的一年――但还没有量子计算机”为题报道了中国科学家成功解决量子黑客隐患这一重要成果。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科,经过化学家们的努力,量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展,在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前,量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域,取得了丰富的理论成果,并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、 在材料科学中的应用
(一)在建筑材料方面的应用
水泥是重要的建筑材料之一。1993年,计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中,解决了很多实际问题。
钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一,它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下,研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现,含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致,而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr,Ba 原子键级与Sr-O,Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级,由此认为,含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。
将量子化学理论与方法引入水泥化学领域,是一门前景广阔的研究课题,它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来,也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。
(二) 在金属及合金材料方面的应用
过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构,通过量子化学计算表明,含有杂质石原子的磁矩要降低,这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明,在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是:d>f>p>s,其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说,NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心),其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论,并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。
量子化学方法因其精确度高,计算机时少而广泛应用于材料科学中,并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善,同时由于电子计算机的飞速发展和普及,量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展,将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。
二、在能源研究中的应用
(一)在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用
煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步,量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。
量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子, 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径,由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性,对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于
(二)在锂离子电池研究中的应用
锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点,被人们称之为“最有前途的化学电源”,被广泛应用于便携式电器等小型设备,并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。
锂离子电池又称摇椅型电池,电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此,深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明,随着锂含量的增加,锂的离子性减少,预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法,对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究,研究表明,锂优先插入到石墨层间反应,然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。
随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展,相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。
三、 在生物大分子体系研究中的应用
生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域,尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究,是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等,都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问,这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶;可以揭示遗传与变异的奥秘, 进而调控基因的复制与突变,使之造福于人类;可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等,可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。
综上所述,我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中,量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来,由于电子计算机的飞速发展和普及,量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言,在不久的将来,量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。
参考文献:
[1]程新. [ 学位论文] .武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994
[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17 (4) :12
[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147
[4]闵新民,沈尔忠, 江元生等.化学学报,1990,48(10): 973
[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1
[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449
[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,2003,26(1):1
[8]Ago H ,Nagata K, Yoshizaw A K, et al. Bull.Chem. Soc. Jpn.,1997,70:1717
科学背景
高中物理讲过,原子中间是一个极小的原子核,是电子,不过原子层次的物理现象没法用牛顿的经典力学解释,为了说清楚原子的事儿,物理学家们创立了量子理论。这个理论认为物质粒子也具有波的性质;粒子也不像皮球那样缺乏个性地沿着确定的路径运动,而是可以同时处于多种状态,循着无穷多的任意路径达到最终状态。物理过程必须考虑所有可能路径的总汇。
量子理论虽然如天书,却是微观世界真实的客观规律。它不但用于原子能级、光谱、半导体、超导等现象,也被用于化学、生物等领域,还用来计算分子结构以及解释生物化学过程。没有量子理论,孰不会有晶体管、集成电路、激光,也就不会有计算机与计算机通讯。可以说,量子的宏观应用已经使人类从电气时代进入了微电子时代。
晕死人的量子世界
维兰德来自于美国加州,中学时并不是最优秀学生,在高中最后一年才对物理产生了兴趣。大学原本读的数学专业,后来才改学物理,拿到物理博士学位后在美国国家标准技术研究所当研究员。他在那里干了37年,主要研究用离子束缚(iontrap)探索量子世界。
维兰德与阿罗什的研究是直接操控并测试单个粒子的量子系统。对于维兰德的实验,他的方法是用电场把单个离子(如汞离子)限制在一个势阱(可以把它想象成一个无形牢笼)内,就像用磁场把磁悬浮列车悬在空中一样。这个离子在势阱里只能来回运动,无法逃逸出去。
被束缚在势阱里的离子整体只能来回振动(你可以理解为折返跑),而离子内部的电子也有不同的能级。这个振动的能量是量子化的,也就是一级一个台阶,只能在不同的能级之间跳跃。离子内部的能量也是量子化的,也是一级一个台阶。
维兰德的秘诀是调节激光的频率,迫使离子内部能级跳上一个台阶的同时让它的振动能级跳下一阶,这样离子就会从内部高能级回落到低能级,不断重复下去达到降低振动能级的效果,使离子处于运动能量最低的状态。离子从高能级向低能级跃迁的时候释放的能量转换为一个光子,而光子的频率正比于它的能量。在固体与气体中,原子能级跃迁时的发光受到其他原子以及自身运动的影响,导致频率的扰动。而单个孤立的离子则不受这些因素的干扰,因而可以实现很高的频率精度。在另一个实验中,通过不同的激光对离子照射,使它同时处于两个量子状态——这就是量子力学里“薛定谔的猫”,而且进行了相应的测量。在更为复杂的实验中,三个离子形成量子缠绕状态,构成三个可以用于量子计算的量子位元(qubit)……过去对量子力学的检验大多是基于统计结果,而通过对单个离子的精准控制,维兰德等人的各种实验与测量直接从微观层次验证了量子力学。
阿罗什与维兰德殊途同归。他的实验是通过两面镜子来回反射把光子关进一个空腔,通过测量这些光子对高能级原子的影响得出光子的量子信息。
该方法指出,不同类型的纠缠态与几何形体即多面体有关,这些形体代表“空间”,也就是某种纠缠的可用空间。一种给定的状态是否属于某种多面体,可以通过检测个别粒子来确定,而检测方法有很多。新方法通过检测个别粒子来描述纠缠态特征的可能性,不仅效率很高,而且不必同时检测许多粒子,这是与其他方法的不同之处,也意味着它能扩展到多粒子系统。
如果我们抛弃了光量子的没有形状的观点而认为光量子在传播过程中始终存在宽度(此宽度不同于振幅,对于同频率的光量子是一个定值,并且光量子的宽度可以互相叠加),就能很好的理解以上这些现象。按照这种假设,光从光源发出后,每个光量子在均匀的各向同性介质中传播时的路径就不能简单的看作一条直线或一列波,而是时刻保持一定宽度的‘波带’的直线传播过程。下面我将叙述一下我的假设性观点,援引并解释一下能用此观点解释的一些事实,我希望我的这个观念对一些研究工作者在他们的研究中或许会显得有用。
1 用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律时需要的条件和忽略的事实
我们首先通过惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律。
如图1所示,设想有一束平行光线(平行波)以入射角由介质1射向它与介质2的界面上,其边缘光线1到达点。作通过点的波面,它与所有的入射光线垂直。光线1到达点的同时,光线2、3、···、n到达此波面上的点、、···、点。设光在介质1中的速度为,则光线2、3、···、n分别要经过一段时间、、···、后才能到达分界面、、···、各点,每条光线到达分界面上时都同时发射两个次波,一个是向介质1内发射的反
图1
射次波,另一个是向介质2内发射的透射次波。设光在介质2内速度为,在第n条光线到达的同时,由点发射的反射次波面和透射次波面分别是半径为和的半球面。在此同时,光线2、3、···传播到、、···各点后发出的反射次波面的半径分别为、、···,而透射次波面的半径为、、···。这些次波面一个比一个小,直到处缩成一个点。根据惠更斯原理,这些总扰动波面是这些次波面的包络面。不难证明反射次波和透射次波的包络面都是通过的平面。设反射次波总扰动的波面与各次波面相切于、、、···各点,而透射次波总扰动的波面与各次波面相切于、、、···各点,联接次波源和切点,既得到总扰动的波线,亦即,、、、···为反射光线,、、、···为折射光线。
由于,直角三角形和全同,因而=,由图1不难看出,=入射角,=反射角,故得到
这样便导出了反射定律。由图1还可以看出=折射角,因此
此外,于是
.
由此可见,入射角与折射角正玄之比为一常数,这样我们便通过惠更斯原理导出了折射定律。
用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律是以1、2、3、···、n条平行光线为研究对象,这就是论证需要的条件。如果不以多条平行光线为研究对象,而只给定一个光量子,比如此量子沿光线1传播,以上论证中将无法确定点和点的位置,就不能确定次波的总扰动波线,就无法确定反射光线和折射光线,再用惠更斯原理来解释这一个光量子在界面处的反射定律和折射定律,将显得无从下手。
所以说,用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律至少需要两个或两个以上的光量子,这就是用惠更斯原理解释光的反射定律和折射定律时需要的条件。
另外如果考虑到古斯--汉申位移和半波损失,用惠更斯原理作出的光的反射光线将不是光的实际路线,而是反射光线的平行光线,虽然不影响论证光的反射定律,但是这也确实是它忽略的一个事实。
2用光量子的传播宽度解释光的折射定律
如果假设光量子在传播过程中始终保持一定的宽度(此宽度不同于振幅,且不随电场振动而变动),此宽度远大于原子直径,并且光量子传播过程中的每个边缘都平行等光程且能体现光量子在介质中传播的所有特性,那么折射定律就可以做如下论证:
如图2设想有一个光量子(任意的一个)以入射角,由介质1射向它与介质2的分界面上,光量子边缘1到达介质分界面上,同时边缘2到达,联接,则即为光量子的传播宽度且垂直边缘1和边缘2,设光在介质1中速度大于光在介质2中速度,当光量子边缘1由进入介质2后速度突变为,边缘2速度仍为,由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程,于是光量子传播方向向法线方向发生偏转,当边缘2经过时间到达介质分
图2
界面上时边缘1到达,又因为边缘2速度和边缘1速度之比为定值且光量子宽度不变,所以边缘1的路径和边缘2的路径是以延长线上某点为圆心的同心圆弧,且同等圆心角,所以延长线定过圆心。边缘2经过后进入介质2速度突变为,与边缘1变为同速,光量子传播方向不再偏转,边缘1和边缘2分别沿、上、点的切线方向传播,可以看出光量子完全进入介质2后边缘1和边缘2依然平行。设边缘1在介质2内以后的路径上有一点,我们过点向下作法线的平行线并取这条线上下方一点,则垂直于介质分界面,且为光量子的折射角,设为,再过作分界面的垂线交与分界面于点。
在图2中不难证明:和
又有
于是
,
由于相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比,又得到
于是我们得到
由此可见,对于任意一光量子的入射角与折射角的正玄之比为一常数,这样我们便通过光量子宽度的假设用一个光量子导出了光的折射定律。
3在光的全反射现象中用光量子传播宽度解释
古斯--汉申位移、隐失波以及光的反射定律和折射定律光从光密介质射向光疏介质时,当入射角增大至某一数值时,折射光线消失,光线全部反射,这种现象称为全反射,此时的入射角度称为全反射临界角。
如图3,设想有一光量子以全反射临界角入射,由介质2射向它与介质1的分界面上,设光在介质1中的速度大于光在介质2中速度,当光量子边缘1到达介质分界面上时,边缘2到达,联接,则即为光量子的传播宽度且垂直于边缘1和边缘2,当边缘1通过进入介质1后速度突变为,边缘2速度仍为,由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程,于是光量子传
图3
播发生偏转,当边缘2经过时间到达分界面时,光量子边缘1到达,因为边缘1速度和边缘2速度之比为定值且光量子宽度不变,所以、是以延长线上某点为圆心的同心圆弧,又由于为全反射临界角,所以此时恰好与分界面相切与点,也就是说此时光量子边缘1与边缘2传播方向都与分界面平行。此后光量子的传播可能发生两种情况:
1、发生反射,反射光线发位移
如果边缘2速度没有发生突变,就是说边缘2恰好与分界面相切于介质2的界面上一点,则光量子传播就会继续偏转,当边缘1经过时间到达分界面上一点时,边缘2到达,边缘1经过点后重新回到介质2,速度又突变为,与边缘2同速,光量子传播方向不再发生偏转。因为此前边缘1速度和边缘2速度之比为定值且光量子宽度不变,所以、同样是以为圆心的同心圆弧,此后光量子的边缘1和边缘2分别沿着、上、点的切线方向直线传播。此后的光量子路径就相当于入射光线的反射光线路径,由此我们可以看到反射光线相对于入射光线发生了从到的位移,并找出了发生位移的原因,通过光量子宽度的假设我们还可以求出位移的长度。
如图3不难看出、同圆, 、同圆,我们再设光量子传播宽度为。
由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比,得到
不难看出垂直界面于点,于是有
又有
由以上三式我们得到
不难看出
所以在光以全反射临界角入射并发生全反射时发生的位移长度为
此位移或许就是我们所说的古斯—汉申位移,如果是这样我们便能通过光量子传播宽度的假设在光的全反射现象中解释发生古斯--汉申位移的原因并求出位移的长度。
2、发生折射,折射光线急剧衰减
如果此时边缘2的速度发生突变,就是说边缘2与分界面恰好切于介质1界面上一点时,边缘2速度突变为,与边缘1同速,则光量子传播不再偏转,边缘1和边缘2分别沿、在、点的切线方向传播,且分别为折射光的两个边,而此时两切线刚好平行于分界面,所以折射光平行于分界面,所以此时折射角为。一般来说我们做实验所用的介质1与介质2的分界面不可能是一个严格的平面(这里严格是绝对的意思),所以边缘2沿介质1的分界面表面传播时一旦遇见分界面的凹点时就会再次进入介质2,速度突变为,使光量子的传播再次发生偏转,从而使光量子再次进入介质2传播,折射光强度就会急剧衰减,但是由于凹点的位置及大小的随机性较大,所以再次进入介质2的光很难再进行准确测量。
这里的折射光也许就是我们所说的隐失波,此时波的穿透深度可以用光量子的传播宽度来表示。
3、光的反射定律的论证
在图3中,不难看出
于是我们就不难求出
即反射角等于入射角,这样在光的全反射现象中我们用光量子传播宽度的假设用一个光量子论证了光的反射定律。
4、光的折射定律的论证
由于折射角等于,所以折射角的正玄值为1
于是
由图不难看出
又有
由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比,得到
于是得到
即入射角与折射角的正玄之比为一常数,这样我们又通过光量子宽度的假设在光的全反射现象中用一个光量子论证了光的折射定律。
5、关于在反射过程中的半波损失的解释
1、掠入射时,光从光密介质到光疏介质时反射光无半波损失的解释。
在图3中我们可以看到光量子边缘1的实际路径大于边缘2的实际路径,使得两个边缘出现路程差,但由于边缘1的实际速度大于边缘2的实际速度,使得边缘1从传播到与边缘2从传播到用的时间相等,也就是说光量子的两个边缘虽然路程不等但是光程相等。这里需要指出:在此论文以前我们通常计算的几何光程没有考虑到光量子的传播宽度,但是要考虑的到光量子的传播宽度,这种计算方法有时就是不准确的。光的实际光程要以光量子的远边的光程来决定。在研究光从光密介质到光疏介质时反射光时我们计算的几何光程等于光边缘2的光程也等于光的实际光程,然后再通过几何光程计算预期的相位与观测到的相位(也就是实际相位)相符,所以我们就说光的反射光没有出现半波损失。
2、掠入射时,光从光疏介质到光密介质时反射光有半波损失的解释。
如果在图3中,介质1的绝对折射率大于介质2的绝对折射率,当光掠入射时,由于光量子的两边缘速度的差异,光量子本应该偏转进入介质2,但是由于介质2内的一些性质(我也不知道什么性质)使得光并没能进入介质2,反而被反射回介质1。(这种情况很难理解。)但是在这种情况下假设了光量子的传播宽度将比较好理解反射光的半波损失。在反射过程中光量子边缘1的实际路径大于边缘2的实际路径,两边缘出现路程差,由于边缘1在介质1中传播速度突然变慢为(这里是在介质1的绝对折射率大于介质2的绝对折射率的前提下的),但是如果边缘2的速度不发生突变仍为的话,的边缘1和边缘2将出现光程差,但是由于两边缘传播的同时性,光程差将是不被允许的,这就意味这边缘2必须降低到一个比更低的速度,也许只有这样该光量子才能不过被吸收,而是被反射。(不要问我为什么会这样,其实这就跟光从光疏介质入射到光密介质没发生折射而是发生反射一样不好理解,或许是由于光量子的某些微观结构能够识别介质1的某些性质而阻止了光量子的折射的发生,比如某一物体由于反射某一特定波长的光而呈现出特定颜色。)这样以来,光的光程将变长并等于光边缘1的实际光程,也等于变慢后的边缘2的实际光程,但是大于我们通过以前的方法求得的几何光程半个波长的时间。这时问题就出现了,由于我们求得的几何光程小于光线的实际光程半个波长时间,然后再通过几何光程计算预期的相位就会与观测到的相位(就是实际相位)出现不符,但我们坚信这种计算方法没有错误,于是我们就把这种现象描述为光经过反射后发生了相位跃变,同时反射光有半波损失。其实光并没有发生波长损失,只是延迟了半个波长的时间。
3、任何情况下,透射光都没有半波损失的解释。
由图1,光量子的光线边缘1的实际路程小于边缘2的实际路程,出现路程上的差异,但是边缘2的实际速度大于边缘1的实际速度,使得边缘2从传播到所用时间与边缘1从传播到所用时间相等,就是说两边缘路程虽然不等但是光程相等,我们通过以前方法求得的几何光程等于光线边缘1的几何光程,就等于光的实际光程,通过几何光程计算预期的相位与观测到的相位(就是实际相位)相符,所以我们就说透射光没有半波损失。
如果我的见解是符合实际的,那么很多像以上援引的光学现象将都比较好理解,并希望这一观点能给一些研究工作者带来一些方便。
另外,关于质量和能量如何扭曲时间的?
一、物理学与计算机的密切关系
电子计算机是因解决物理问题的需要而产生的,二次大战期间为了快速计算弹道,被公认为世界第一台电子计算机ENIAC于1946年研制成功[1],万维网的出现是因欧洲核物理学家们进行学术交流的需要而设计出来的。由此可见,计算机与物理学的关系是非常密切的,物理学的发展促成了计算机的产生与发展,计算机的出现是二十世纪最伟大的科学技术成就之一,它延伸了人们的思维能力,成功地解决了很多物理、数学等方面的难题,没有计算机就不可能准确计算出火箭和卫星的轨道位置、就没有今天的航天成就,计算机应用跨越各个学科,在工业技术、企业管理、情报信息处理、国民教育等领域引起深刻的变革,在今天几乎没有哪一个学科能够离开计算机的应用。
作为孕育计算机诞生与发展的物理学,如果说早期物理学应用计算机主要解决人们的计算速度、强度的技术问题,那么到了今天,计算机已在更深刻的层次上促进物理学的发展,由于在物理学很多领域中能够找到精确解的理论问题已经不多了,剩下的是大量的复杂的非线性问题,对这些问题的分析、预测和求解离开计算机,人们几乎无能为力了。另外一个方面,在计算机出现之前,人们只能够通过真实的实验来验证物理理论的正确性、工程中也往往需要耗费巨额资金做实验来探测某些数据和验证方案的可行性。而今天很多实验可以通过计算机仿真实验来完成,达到与真实的实验完全相同的效果,成本低廉且安全环保,用计算机来进行科学实验是科学技术史上革命性的变化。
物理学与计算机科学互相促进、共同发展的情况对我们今天的物理教学提出了更新更高的要求,物理学的教学内容、教学手段和教学方法必须与时俱进,适应新形势的要求。
二、物理教学中结合计算机教学的一些思考
大学物理课内容很多,结合不同的专业,在保证教学大纲的基本要求的前提下,内容上作一些必要的取舍,针对计算机科学技术和应用等相关专业,教学内容上适应地向专业倾斜,使基础课更好地为专业课服务,明确基础课的服务目标,让学生明了物理课程对后续专业课程的重要性,提高学习的积极性和主动性,以取得良好的学习效果,具体做法以下几方面进行:
(一)精选典型物理问题用计算机编程求解
大学物理课程一般在大一的下学期和大二的上学期进行,而大多数专业的计算机程序设计课程也恰好在此阶段展开,这就为物理课与计算机程序设计课相结合创造了有利条件。根据物理教学的不同阶段,可以精选一些典型的物理问题用计算机编程进行数值求解。例如在力学部分讲抛物运动时,先按教材讲授忽略空气阻力时的运动方程,求出精确解,然后补上空气阻力二次项,方程就变成非线性的了,让学生体验含有空气阻力时实际问题求解的难度,再介绍计算机数值计算的方法与思路,给出编程示范,作为综合习题让学生完成程序设计与调试,并与计算机程序设计课教师协商,程序调试可利用计算机上机课时间完成,通过这种方式,理论联系实际,既培养锻炼了学生解决实际问题的能力,又提高了学生学习物理课和学习计算机程序设计课双方面的积极性。又例如在振动学章节用计算机演示单摆大角度强迫振动的混沌效应;在热力学章节用计算机模拟二维布朗粒子运动;在电磁学章节用计算机编程求解一般位置的电场和磁场分布情况,像载流圆形线圈,根据毕粤--萨伐尔定律和对称性,教材上只给出了求线圈轴线上点的磁感应强度,但对其它位置的磁场分布情况计算就很难了,因此可在课堂上简单介绍计算机积分法,要求学生在此基础上利用计算机完成求解圆形电流非轴线上点的磁场分布情况,巩固和加深对物理定律及其适用范围的理解与把握,学习和体会计算机编程的方法与技巧。 转贴于
通过精选少量典型物理习题利用计算机编程进行数值求解,以小论文或综合作业的形式布置练习,具体实施中充分征求计算机相关教师的意见并请求协助和参与实施,加强不同学科、不同课程之间的交流与协作,达到事半功倍的双赢的教学效果,充分体现大学物理课的基础地位与作用,体现计算机对物理学习和研究的重要性,知道这两门课程关系如此密切,学习的认真态度和积极性自然就得到了加强和提高。
(二)部分物理实验利用计算机仿真课件来进行