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張朝陽的物理課:無限深勢阱的薛定諤方程怎么解?

更新時間:2024-02-12 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

無限深勢阱的薛定諤多項式如何解?1月9日12時,《張朝陽的數學課》第十九期播出。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐陣搜狐視頻直播間,仔細剖析了相速率與群速率的差異,闡述群速率才是傳遞能量與信息的速率。并借助分離變量法,得到定態薛定諤多項式,又以無限深勢阱問題為例張朝陽物理課視頻,具體解出分立的基態和能量本征態波函數。最后引入并賦于傅立葉變換數學意義,再度闡述不確定性原理,一窺量子熱學世界。JIv物理好資源網(原物理ok網)

與往期直播逐漸推論公式不同,一開場張朝陽奔向主題,在“直播白板”上寫下薛定諤多項式。“它相當于微觀世界的牛頓定理。”張朝陽說,“數學家要用盡所有的可能性,但搞化學的人,會去猜幾種非常的情況,所以明天我們來猜猜它的解。”他同時也提醒網友,“學習量子熱學,須要把握微積分、線性代數,傅立葉變換等基礎知識。”這些知識也在授課中悉數用到。JIv物理好資源網(原物理ok網)

借助分離變量法求解得到定態薛定諤多項式JIv物理好資源網(原物理ok網)

張朝陽先是帶著網友備考上節課提到的波的速率的概念,闡述了相速率與群速率。隨即,他開始通過分離變量法解薛定諤多項式。多項式里的波函數既富含對時間t的偏導,也有對位置x的偏導,采取分離變量法,將時間t與位置x分開,也就是假定波函數具有如下的方式:JIv物理好資源網(原物理ok網)

代入薛定諤多項式中,便可將富含位置x的項與富含時間t的項,分開到等號兩側,即:JIv物理好資源網(原物理ok網)

張朝陽介紹,因為這個多項式對任意的位置x與時間t都組建,所以等號右邊(或右側)是一個與位置x和時間t都無關的常數,我們假定這個常數為E,則可將原先復雜的二元微分多項式分解為兩個一元微分等式:JIv物理好資源網(原物理ok網)

“這就急劇增加了解多項式的難度。若再將其通分一下,即可得到定態薛定諤多項式。”張朝陽邊寫邊說。JIv物理好資源網(原物理ok網)

(張朝陽在“直播白板”上推論定態薛定諤多項式)JIv物理好資源網(原物理ok網)

探求無限深勢阱得到分立的基態JIv物理好資源網(原物理ok網)

為具體彰顯求解薛定諤多項式的完整過程,張朝陽舉了無限深勢阱的反例。他介紹說,當位置x在0到a之間,勢能U(x)為零,而其它地方勢能無窮大,所以波函數在位置0到a區域之外都為零,而因為波函數又有連續的性質,所以波函數在x=0與x=a時也為零。于是,當x在0到a之間時,可寫出其定態薛定諤多項式:JIv物理好資源網(原物理ok網)

對應的邊界條件為:JIv物理好資源網(原物理ok網)

這個微分多項式是十分精典而容易解的,張朝陽解出這個一元微分多項式,便得到基態E的表達式:JIv物理好資源網(原物理ok網)

與對應的能量本征態波函數:JIv物理好資源網(原物理ok網)

其中,n取正整數。JIv物理好資源網(原物理ok網)

(張朝陽在“直播白板”上解無限深勢阱的基態)JIv物理好資源網(原物理ok網)

“與精典理論的連續性有很大不同,可以看見能量E是分立的。”張朝陽總結。JIv物理好資源網(原物理ok網)

賦于傅立葉變換數學意義闡述不確定性原理JIv物理好資源網(原物理ok網)

在此后的直播中,張朝陽還介紹了物理的傅立葉變換與量子熱學假象之間的關系。“動量在量子熱學里雖然是個算符。”他在白板上逐漸推論:JIv物理好資源網(原物理ok網)

他介紹,若某量子態滿足如下公式:JIv物理好資源網(原物理ok網)

則說明這個量子態是算符的本征態,而數值p就是這個本征態對應的本征值。此時就是描述動量為p的粒子的波函數。JIv物理好資源網(原物理ok網)

傳統的物理傅立葉變換是:JIv物理好資源網(原物理ok網)

“這跟量子熱學不確定性原理是相符的。”張朝陽說。JIv物理好資源網(原物理ok網)

“我們明天介紹了薛定諤多項式在一個簡單情形下的應用。未來將繼續講解薛定諤多項式,求解氫原子問題。”直播尾聲,張朝陽告訴網友,“下一堂課,將對量子熱學做進一步的闡述。”JIv物理好資源網(原物理ok網)

搜狐視頻加碼知識直播傳播知識玩轉科學JIv物理好資源網(原物理ok網)

自11月5日至今,《張朝陽的化學課》已直播十八期。在第一、二課中,張朝陽科普了“力”和“速度”,算出飛船和空間站每日繞地飛行圈數;第三、四課和“振動”相關,科普可見光的基本知識。第五、六課引起了關于音速和體溫的大討論。在第七、八、九課重溫精典熱學的“兩朵烏云”;第十、十一課重點回顧宋體幅射曲線及其應用;第十二、十三、十四課嘗試步入愛因斯坦的思想世界,推導入知名的公式“E=mc2”,并論證鐘慢尺縮效應。第十五課講解了原子的結構和原子核的衰變。第十六課開始步入量子熱學,討論光的波粒二象性、康普頓散射、海森堡不確定性,以及薛定諤多項式等。JIv物理好資源網(原物理ok網)

從這十多期的化學課可以看出,《張朝陽的化學課》的直播風格獨樹一幟——通過觀察日常生活現象、用網友最熟悉的話題來提高興趣,再以公式推論的方法解釋其背后的數學原理,“透過現象看本質”,從而反過來解決生活中的類似問題。JIv物理好資源網(原物理ok網)

張朝陽覺得研究自然界是非常有意思的事情,他希望數學課的受眾能保有好奇心,“在好奇心驅使下張朝陽物理課視頻,了解自然界的奧秘,了解我們在這個世界生存的道理”。在后續課程中,他還將繼續以這些直播風格解釋生活中常見的化學現象,讓普通人就能聽懂、專業人士也能認可,迸發科學學習的風潮。該課程于每周周一、周日12時在搜狐視頻直播。JIv物理好資源網(原物理ok網)

除《張朝陽的化學課》外,搜狐視頻也約請多位通識教育播主,科普知識,傳遞價值。上海交通學院理大學班主任陳征博士玩起了“奇趣的科學實驗”,走入“光的波粒二象性”;康奈爾學院化學物理博士包坤,變身“包大人玩科學”,教普通人讀懂2021年諾貝爾獎;還有天體化學博士劉博洋科普“日全食是如何形成的”等。未來,還將有更多知識播主進駐,一起玩轉科學。JIv物理好資源網(原物理ok網)

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