很多学生和家长都想知道如何学好物理,有没有诀窍。很多老师的回答让他们很扫兴,因为老师们说的都差不多,要么是养成良好的学习习惯,要么是多刷题,要么多思考多总结。这些道理都对,学生们也都懂,但具体执行总有各种各样的问题。不同的人,用心程度不同,结果自然可想而知。为此我想从物理学家的角度再谈谈这个问题,看看这些处在物理塔尖上的人的心路历程,或许对大家有所启发。
【观察与体验 】
物理学作为科学的一部分,萌芽于人类诞生伊始对自然的观察和体验。约在公元前6世纪的某一天,泰勒斯记载了两个很有意思的现象:一是摩擦后的琥珀吸引轻小物体,二是磁石可以吸铁。这是有史以来人们对自然现象的第一次完整的记载,代表着物理学史上的第一个实验观察记录。
【学会提问,让思考逐渐深入下去 】
摩擦让首饰沾满灰尘,或让绸缎或毛皮刺痛人手。匆匆出现,又莫名其妙消失。到底是什么导致这一现象?后来人们知道这些与电荷有关。那电荷是什么?大小是多少?能创造吗?电荷之间有相互作用吗?相互作用和什么有关?我们如何储存电荷?电荷如何移动?如何形成电流?电流为何会产生磁场?电流在磁场中会受到力的作用吗?不断思考不断深入,人类在这个过程中增长了知识,获得了对大自然更多的理解。
【总结现象,分析问题】
1791年,伽伐尼的青蛙电学实验引起了伏特的注意,他没有把关注点放在伸缩的青蛙腿上,而是伽伐尼手上的金属刀片。伏特尝试着把不同的金属片放在一起,然后发现了一件神奇的事情??不同的金属接触会造成电势差,也就是说起电的方法很简单,就是把两块不同的金属叠在一起,自然就有了电!伏特还发现金属和液体(主要是电解质)接触则不会产生电势差,因此伽伐尼之所以看到青蛙腿被电,是因为他手上的金属刀片本身带电。伏特号称他的发现“超出了当时已知的一切电学知识”。已经四十五岁的伏特,突然获得了一个极其重要的灵感??如果把不同金属块按照一定顺序堆叠,自然就可以产生很高的电动势,他把这种浸在酸溶液中的一大堆锌板、铜板和布片称之为“电堆”,后被人叫做伏特电堆(或伏打电堆) 。
【用简单的公式或叙述阐明本质问题 】
1871 年,麦克斯韦出任剑桥大学物理学教授,负责筹建卡文迪许实验室,并对更多的物理问题产生了浓厚兴趣。其中一项重要贡献就是他提出的气体分子动力学假说,他认为气体是由一个个独立的微小分子组成,它们的集体运动规律决定了气体的宏观性质。1872?1875 年间,来自奥地利的天才物理学家路德维希?玻尔兹曼进一步发展了麦克斯韦分子运动论,他用概率统计的方法,引入能量均分理论,用于描述大量气体分子的运动状态。玻尔兹曼给出一个极其重要的结论:一切自发过程,总是从概率小的有序态向概率大的无序态变化。而我们熟知的热力学中的熵,其实是刻画系统无序度的物理量。1900 年,普朗克将玻尔兹曼的研究写成一个极其简洁的表达式:S=k logW。
【机遇总是留给有准备的人 】
1745年,荷兰莱顿大学的莫森布鲁克教授在某次电学课上,不小心把一枚带电的小铁钉掉进了玻璃瓶。掉了也就掉了吧,也没啥大不了的事情,待会儿下课再捡起来呗,教授心想。不料,等他课后从玻璃瓶捏出铁钉的时候,手上突有一麻酥酥的感觉。“有电!”教授惊奇道,原来铁钉的电并没有消失,掉进玻璃瓶后一直都在!莫森布鲁克仔细考量了他用的玻璃瓶,经过不断改进,终于发明了降服小电妖的魔瓶??莱顿瓶,这名字是为了纪念它的发明地点莱顿大学而来。银光闪闪的莱顿瓶里外都贴有锡箔,瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接,棒的上端是一个金属球。小电妖一旦落入莱顿瓶,就像孙悟空进了银角大王的紫金红葫芦里,很难跑出来得瑟了。如今看来,莱顿瓶其实就是一个简单的电容器,电通过金属链导入瓶中后,将被屏蔽保存在瓶中。
某一次物理实验课,一切似乎都是老样子,连电路,打开关,讲课,断电,收工。然而不经意间,一个小磁针放在了电路旁边,又是不经意间,他注意到开关电一瞬间,小磁针都会摆动几下。就像童话世界里用魔法棒隔空操控磁针一样,通电断电似乎也有这个效果,万分激动的这位仁兄差点摔到讲台下面去。之后,这位40多岁的普通物理教师,在实验室里愣是乐此不彼地玩了三个月的电路和小磁针,宣布发现了电和磁的魔法奥妙??运动的电荷可以让静止的磁针动起来。1820年7月21日,一篇题为《论磁针的电流撞击实验》的4页短论文发表,署名汉斯?奥斯特,这位安徒生的老师兼好友,一举成名。
【有勇气挑战未知 有勇气挑战权威 】
1746年,英国的科林森小心翼翼地打包了一个莱顿瓶,快递给了遥在美国费城的好朋友??本杰明?富兰克林,同时附上了使用说明书。美国人富兰克林是一个十足的科学爱好者,在数学、物理、工程、音乐等许多方面都有研究,在电学刚刚风靡起来的时代,富兰克林同学最喜欢的礼物莫过于一只莱顿瓶了。当时关于摩擦引起的静电的研究已经非常之多,可以说,人们对“地电”已经十分熟悉。但是对于更加强大的“天电”??闪电,人们还是敬而远之的。不过,这对胆大包天的富兰克林而言,不是问题。1752年的某一天,风雨雷电大作,富兰克林认为在这种天气里就该干点疯狂的事情。他叫来助手把早已准备好的风筝放上了乌云密布的天空,风筝是由铜骨架做成的,风筝线则绑着一根铜线,头上栓了一串他家里的钥匙,放在莱顿瓶里。轰隆隆的雷声,亮闪闪的电,富兰克林等待着奇迹的发生。终于,一道闪电击中了风筝,一股强大的电流顺着铜线传到了莱顿瓶里,富兰克林第一次成功把“天电”抓到地面上来(图6)。富兰克林通过仔细研究抓到的闪电,他最终认为闪电其实和摩擦产生的电没有任何区别,也就是说“天电”和“地电”同属一电。
【站在巨人的肩上 】
卡文迪许从另一个科学伟人??牛顿身上学到了实验物理方法,也思考了他提出的万有引力定律,他认为静电力之间也存在类似引力的平方反比定律,并亲自用两个同心金属球壳做了实验。而库仑则利用他精湛的力学工程技能,改进卡文迪许测量引力的扭秤实验,成功精确测量了静电力,证明了卡文迪许关于平方反比定律的猜想。电学里第一个定律??库仑定律,就这样诞生
【全力以赴】
安培勤于思考各种物理问题,无论何时何地,想起来就根本停不下来。他曾将自己的怀表误当鹅卵石扔进了塞纳河,也曾把街上的马车当做黑板来推公式。可以想象这样一个科学痴人,当他得知奥斯特的实验结果之后是多么地兴奋。安培在第一时间重复了奥斯特的所有实验,并把结果总结成一个非常简单的规律??右手螺旋定则。
我们都听说过居里夫人付出的艰辛努力,其实这样做并不盲目。她首先证实,铀盐发出射线的强度只与化合物中铀的含量成正比,而与化合物的种类无关,也不受光照,加热,通电等因素的影响。由此,她确认这一现象的起因在于原子内部,并提出了“放射性”这个词,用来描写这一现象。居里夫人提出了一个重要的问题:是否还有其他元素也具有这种性质?他们决定检查当时知道的所有元素,结果发现钍也发射类似的射线。居里夫人还发现,某些含铀钍混合物矿石的辐射强度比已测到的铀和钍放射性强得多,他们大胆假定这些矿石中含有当时尚不知晓的某种其他放射性元素。玛丽居里和丈夫一起开始了一项艰苦的工作:从沥青铀矿中分离这种新元素。1898年7月,他们得到了一种放射性比铀强400倍的新元素,并把它命名为钋,以表达对祖国波兰的热爱。同年12月,他们又发现了放射性比铀强百万倍的镭。镭的发现再次轰动了科学界,但也有人怀疑它的存在。为了排除这一怀疑,居里夫妇经过艰辛繁重的工作,在几万次提炼后,终于在1902年从8t沥青铀矿中提炼出0.12g纯净的氯化镭,向世人证实了镭元素的存在。可能是由于长期受到射线的照射,居里夫人死于白血病。
【发挥想象力 】
关于为什么电可以生磁,安培继承了奥斯特的童话思维模式,想象磁铁里面也有一群小电精灵,就像一个个电流小圈圈,形成了一大堆小电流磁针,并且指向一致,如同群飞的鸟儿或海洋里群游的鱼儿一样,集体的力量最终形成了极大的磁作用力。安培给他的小小电精灵取了个形象的名字,叫做分子电流。要知道,那个时代对微观世界的认识只到分子层次,关于是否存在原子以及原子内部是否有结构属于超越时代的问题,能创新地想想分子里面有环状电流已经十分大胆前卫了。虽然分子电流在后来实验证明并不存在,但是其概念雏形为解释固体材料里面的磁性起到了抛砖引玉的效果??磁虽然不是来自分子电流,但和材料里的电子运动脱不开关系。为纪念安培的贡献,后人将电流单位命名为安培,简写为A。
【大量的阅读 】
这位叫做迈克尔?法拉第的孩子,利用他在书店打工的机会,用他仅有的小学二年级语文水平,博览群书,特别是《大英百科全书》。法拉第对科学非常感兴趣,时下最火热的当属电学研究,他甚至自己捣鼓起简单的电学实验,还拉着小伙伴们一起讨论科学问题。
【笔记的力量 】
一位叫做戴维的大科学家用渊博的知识征服了法拉第,很快他就成为戴维爵士的铁杆忠实粉丝,精心记录他的每一次演讲,并在书店用他的装订技术做成了一本《戴维讲演录》,寄给了他作为圣诞礼物。戴维显然被这位渴望科学知识的穷孩子粉丝感动了,事出凑巧,他不幸在做化学实验时候把眼睛弄伤了,急需一名助手。后面的故事,大家一定猜到了。
【将理论应用于实践 】
有了电源,下一个问题就是如何精确测量各种电学现象。按照富兰克林的推论,电现象的本质是电荷,电荷的转移导致了静电现象,电荷的运动则导致了电流。那么,如何衡量电流的大小呢?因为电流中电荷是运动的,你可不能像密立根那样去数油滴,而且你也无法“看到”电荷,更何况,实际上电荷的数目是如此之多,你数也数不过来呀!幸亏奥斯特的童话魔法发现了电流可以让磁针偏转,因此电流大小,就能用可观测的磁针偏转角度来衡量。德国的施威格很快注意到这一点,他发明了利用电流磁效应度量电流大小的磁针电流计。由于牛顿力学的深入人心,人们很轻松就可以把磁针偏转造成的扭力大小测量出来,最终,电流大小对应了某种力的大小,电学研究回归到了人们熟知的力学研究范畴,一切变得容易起来
【自学其他科学家著作,而不是被动的接受 】
麦克斯韦阅读了法拉第的著作,欧姆阅读过欧拉和拉普拉斯的数学著作,在玻尔兹曼自杀之后的几天,埃伦费斯特回到德国哥廷根负责整理玻尔兹曼生前的研究工作,于1911 年终完成热力学统计物理开山之作……
【合理的推测 】
20 世纪初,经过百余年的电磁学研究,人们已经非常清楚地认识到金属材料的电阻随温度下降将会减小。理由很简单:给材料整体降降温,让原子们冷静冷静,这样电子在不太变幻的“八卦阵”里也许就可以迅速找到高速通道,尽量不损失能量全身而退。理想看似丰满,现实却总是比较骨感。不同的人看问题的角度不同,于是在预测更低温度下金属电阻的走向时,有了多种不同的观点。大家普遍知道,金属中电阻主要来源于两部分,原子实热振动对电子的散射和杂质/缺陷等对电子的散射。降温只是让原子振动变弱,但无法改变杂质/缺陷的存在。因此, 1864 年,Matthiessen(马西森)预言金属电阻随温度下降到一定程度之后,将保持不变,即存在一个有限大小的“剩余电阻”。开尔文勋爵不太同意这个观点,他认为在足够低的温度下,电流中的电子也有可能被“冻住”而不能前进,导致金属的电阻会迅速增加。我们在此姑且定义马西森预言的材料叫“正常金属”,而开尔文预言的叫“反常金属”。低温物理的先驱杜瓦和昂尼斯则有另一种观点,金属的电阻随温度下降会持续稳定地减小,最终在零温极限下变成零,成为一个没有电阻的“完美导体”。
【严密的逻辑分析、理性思维、数据分析和正规体系 】
要让别人相信你的理论不是那么容易的事情,为了解释超导现象,许多顶尖的物理学家都前赴后继发明了各种自己的“语言”,真可谓“长江后浪推前浪,前浪死在沙滩上”。令人惊讶的是,“扑死”在超导理论沙滩上的物理学家,包括鼎鼎大名的爱因斯坦(Albert Einstein)、汤姆孙(Joseph John Thomson)、玻尔(Niels Bohr)、布里渊(Léon Brillouin)、布洛赫(Felix Bloch)、海森伯(Werner Heisenberg)、玻恩(Max Born)、费曼(Richard Feynman)等。
发现新物理现象??总结基本现象规律??针对特征现象进行详细实验测量及定量表征??从大量实验数据里找到合适的数学描述??得出相应公式化的定律??用定律来解释或预测新的现象。至今,实验为基、理论为辅的科学研究仍然是八股范式,几乎所有的自然科学研究都是这个模式。长期以来,它在描述我们生活的自然过程中取得的成功证明了:实践是检验真理的唯一标准。对于实验物理来说,关键在于获得可靠的定量化的实验数据,否则建立理论只能是空谈。
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