波濤洶湧的量子革命(上)
教師: 高崇文

2017/06/12 ~ 2017/08/18
(報名結束)

摘要

量子物理向來以抽象艱深聞名,常令非物理專業的人為之卻步。其實量子物理之所以發展出高度抽象的數學架構,完全是因為科學家在面對無法以熟悉的古典物理來解決的難題時,無所不用其極地探索以後才逐漸產生的。要一探量子物理的奧祕,最佳的途徑乃是循著這些傑出的科學家當年思索的軌跡,自然會有"山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村"豁然開朗之感,所以我們嘗試以回顧量子物理的發展,來掌握量子物理的核心概念,並領略到為何二十世紀初的這場知識革命如此地新奇,如此地超乎一般人的想像。

課程目標

本課程的目標是使學員對量子物理產生興趣,並產生學習量子物理的動機。至少能掌握量子物理的幾個重要的核心概念。並且能以此為基礎,對尖端的物理發展能以這幾個核心概念為基礎有一定程度的瞭解。此外也希望透過對物理發展過程歷史的學習,能對科學社團的運作模式有正確的理解,而不會遭到坊間媒體誇大報導的誤導。

授課教師

高崇文

學歷

美國馬里蘭大學物理博士

經歷

現任:

中原大學教授

中原高能中心主任

交通大學兼任教授

中央大學兼任教授

曾任:

德國法蘭克福大學宏博學者

英國曼徹斯特大學博士後研究員

美國北卡羅來納州立大學博士後研究員

臺灣國家理論中心物理組中心學者

中原大學副教授

課程進度表

第1週:暗雲密佈─邁向量子革命的大道:十九世紀的物理學發展

第2週:黑體輻射

第3週:維恩上場

第4週:石破天驚─普朗克的量子假說

第5週:奇怪的光量子

第6週:不可思議的新統計

第7週:原子結構

第8週:氫之光譜

第9週:波爾模型

第10週:期末考試

課程內容

二十一世紀知識爆炸的時代,網路上遍佈許多古典物理學的知識與資訊,滿滿物理學家的歷史,以及字裡行間充滿枯燥乏味的方程式,如何能用有趣又生活化的方式來瞭解量子物理學,將是本課程的主要的目標。

本課程以量子力學之歷史人物為中心,並將錯綜複雜的量子力學形成的過程以輕鬆講解的方式呈現,適時參雜歷史人物的生活小故事以及與天文學相關知識引起興趣,也讓學習者對於教材內容更為印象深刻。每週課程第三單元內容為當週課程教材於生活中應用之例子,或是有關當週課程主題之趣味故事,期待讓學生能產生興趣進而自行尋找相關資料來學習。

主題順序

主題

學習目標

教學單元影片

1

暗雲密佈─邁向量子革命的大道:十九世紀的物理學發展

熟悉電磁學與統計力學的基礎概念

單元1:電磁學的發展(十分鐘)

單元2:熱力學的發展(十分鐘)

單元3:微波的應用(十分鐘)

2

黑體輻射

瞭解黑體輻射的重要性

以及與電磁學與統計力學的關聯

單元1:什麼是黑體輻射(十分鐘)

單元2:黑體輻射與熱力學(十分鐘)

單元3:宇宙微波背景(十分鐘)

3

維恩上場

熟悉結合電磁學與統計力學的研究手法

單元1:Wien定律(十分鐘)

單元2:Wien分佈(十分鐘)

單元3:如何測量恆星的大小?(十分鐘)

4

石破天驚─普朗克的量子假說

瞭解普朗克量子論特別是與熵的關聯

單元1:普朗克與黑體輻射(十分鐘)

單元2:普朗克定律(十分鐘)

單元3:普朗克其人其事(十分鐘)

5

奇怪的光量子

瞭解光量子與量子不同之處

單元1:光電效應(十分鐘)

單元2:光量子理論(十分鐘)

單元3:光電倍增管(十分鐘)

6

不可思議的新統計

熟悉量子統計力學的基礎概念 特別是全同粒子的概念

單元1:波色-愛因斯坦統計(十分鐘)

單元2:解開固體比熱之謎(十分鐘)

單元3:波色愛因斯坦凝結(十分鐘)

7

原子結構

瞭解電子與原子核被發現的過程

單元1:發現電子(十分鐘)

單元2:發現原子核(十分鐘)

單元3:發現放射性(十分鐘)

8

氫之光譜

瞭解氫光譜無法以古典物理理解的地方

單元1:氫原子光譜(十分鐘)

單元2:季曼效應(十分鐘)

單元3:如何測量恆星的磁場?(十分鐘)

9

波爾模型

瞭解波爾模型與古典物理的差異

單元1:波爾模型(十分鐘)

單元2:法蘭克赫茲實驗(十分鐘)

單元3:原子核液滴模型(十分鐘)

10

期末考試

 

範圍:主題一到主題九

上課形式

「波濤洶湧的量子革命(上)」課程一共十週,一到九週為課程主要內容,第十週為期末考試。每週主題共3個小單元,第1&2單元為主要課程內容,第3單元課程內容偏向當週主題課程之延伸應用的補充單元。每個單元提供一段大約10分鐘左右的視頻。每週課程結束後規劃測驗及作業,進而瞭解學習者的學習成成效,再透過同儕互評之合作學習的方式,促進學習者間的互動。考核標準請參見「評分標準說明」。

為了瞭解學習者報名課程的原因及學員期望在本課程中學習到什麼,所以,課程開始將會提供課前問卷提供學員填寫;課程結束也將會提供課後問卷供學員填寫,主要瞭解學習者在課程中是否真正理解課程內容的知識、課程編排、影片呈現方式等。

評分標準

考核項目

評量比例(%)

平時

測驗*9(5%/1次)

45%

作業

同儕作業*3(10%/1次)

30%

期末測驗

期末測驗

25%

通過標準


課程及格標準:60分滿分:100分

先修科目或先備能力

學習對象:

對於量子物理科學極有興趣,只需具備高中基礎物理之先備知識即可,適合想要瞭解量子物理學的來龍去脈、卻苦無門路的學習者,是絕佳的入門課程。

先備知識:

對於量子物理科學極有興趣,並具備高中基礎物理為佳。

常見問答集

1.我在此課程可以有什麼收穫?

週次

學習目標

1

熟悉電磁學與統計力學的基礎概念

2

了解黑體輻射的重要性以及與電磁學與統計力學的關聯

3

熟悉結合電磁學與統計力學的研究手法

4

了解普朗克量子論特別是與熵的關聯

5

了解光量子與量子不同之處

6

熟悉量子統計力學的基礎概念 特別是全同粒子的概念

7

了解電子與原子核被發現的過程

8

了解氫光譜無法以古典物理理解的地方

9

瞭解波爾模型與古典物理的差異

 

2.此課程是否會提供上課投影片?

會,本課程於教材區提供PDF檔案形式之課程簡報。

 

3.作業上傳可以使用那些格式?

PDF、WORD

 

4.我現在才發現有這麼好的資源,來不及上完怎麼辦?

別緊張,只要課程尚未結束,都可以進行報名上課。

 

5.課程結束後是否能繼續學習呢?

可以,只要您已報名上課,即使課程結束,也能利用您註冊的帳號登入繼續修習課程。

 

6.如果不瞭解課程內容怎麼辦?

別看高崇文老師影片中較嚴肅之講課方式,其實高老師本人是一位非常非常Nice的老師,面授課程中常常喜歡與學生互動,所以實體課程中非常受學生的歡迎。如果學員有任何問題,都可以在討論區發問,高老師或助教都會耐心回覆並解決您的問題。