夯實(shí)基礎(chǔ) 行穩(wěn)致遠(yuǎn)

夯實(shí)基礎(chǔ)    行穩(wěn)致遠(yuǎn)

——記陳敏華博士應(yīng)邀來公司講學(xué)

“我們需要創(chuàng)新，找到一個一個的機(jī)會點(diǎn)”,2020年7月任正非先生帶隊(duì)訪問上海交大、復(fù)旦大學(xué)等高校時如是說。作為一家致力于等離子體技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的創(chuàng)新型研發(fā)公司，西安航科等離子體公司高度重視自主創(chuàng)新，近年來不斷加大研發(fā)投入，力求實(shí)現(xiàn)卡脖子技術(shù)的突破。

基礎(chǔ)知識是創(chuàng)新的根基和源泉。在邀請多位科研院所、高校的教授、博導(dǎo)蒞臨講學(xué)后，為進(jìn)一步夯實(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)能力，8月4日至7日，公司特地邀請了浙江省紹興市鑒湖中學(xué)物理特級教師兼浙江師范大學(xué)物理學(xué)科教育研究生導(dǎo)師陳敏華博士，依托德國卡爾斯魯厄大學(xué)物理教材（該教材充分體現(xiàn)了德國物理教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性，對物理概念的外延、內(nèi)涵有深刻的闡述，對物理學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)會產(chǎn)生不可估量的深遠(yuǎn)影響，下文對該教材簡稱KPK），利用三天時間，系統(tǒng)梳理了力、熱、電、磁、波動及原子和原子核物理的基礎(chǔ)。

    陳老師有著40年的物理教學(xué)與教育研究經(jīng)驗(yàn)，以其極為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度和教書育人的責(zé)任感，為全體學(xué)員帶來3天精彩的課程，受到了大家一致好評。本次培訓(xùn)不僅對大學(xué)力學(xué)、大學(xué)電磁學(xué)、大學(xué)熱力學(xué)和大學(xué)光學(xué)的KPK教材進(jìn)行很好的導(dǎo)讀，陳老師更是向大家傳遞了德國Falk教授、Herrmann教授及他本人關(guān)于物理學(xué)的現(xiàn)代觀點(diǎn)。對這些基礎(chǔ)概念更深的理解，對于開展創(chuàng)新性研究大有裨益。培訓(xùn)共分為8講，每一講的內(nèi)容都非常豐富。接下來小編在每一講中采擷一個小知識點(diǎn)，與各位分享。

一、高屋建瓴的認(rèn)識論、方法論

第1講題目是《物理學(xué)的四大范疇》。

本講陳老師介紹了物理學(xué)的四大范疇、吉布斯的基本方程、廣延量的守恒和不守恒等內(nèi)容。

與KPK教材風(fēng)格一樣，陳老師課堂貫穿了大量的不同物理分支領(lǐng)域的類比，例如在講電磁學(xué)概念時候，會用力學(xué)的概念進(jìn)行類比，從而幫助學(xué)生加深對概念的理解，建立起不同分支領(lǐng)域的聯(lián)系。那么什么是建立電荷、動量和轉(zhuǎn)動慣量的紐帶和橋梁呢？答案來源于本講。

如果有人說電流概念可以不存在，這個冒天下之大不韙的說法一定會遭人嗤之以鼻！

但是當(dāng)知道了對物質(zhì)的第一次抽象——性質(zhì)、第二次抽象——物理量、第三次抽象——物理定律（數(shù)量關(guān)系），電流這個物理量只是人們根據(jù)研究需要，為了對物質(zhì)二次抽象而定義發(fā)明的，僅此而已。假設(shè)電流不重要（當(dāng)然截止目前它非常重要），電流這個概念也不是神圣不可侵犯的。因此，物質(zhì)以及對物質(zhì)的三次抽象，和更進(jìn)一步的廣延量、強(qiáng)度量和流的概念，架設(shè)起了物理各個分支學(xué)科的橋梁。

二、熟悉又陌生的動量流

第2講的題目是《牛頓運(yùn)動定律的動量解釋》。

無論是電流還是動量，大家應(yīng)該不陌生。但是很少聽說動量流這個概念，其實(shí)動量流就是我們平常說的力。別暈，再往下聽就更要睜大眼睛了。

桌子上的書為什么靜止不動？受力平衡，沒錯！但是因?yàn)橛谐嘧饔孟右桑@個解釋不夠好。聽聽KPK怎么解釋吧：引力場源源不斷給書輸入動量流，然后，流經(jīng)書本的動量流沿著桌子全部流入了地球。這里引力場像電場一樣，是用來傳遞動量的介質(zhì)。怎么樣？不知道聽完這個解釋，您有沒有和小編一樣有耳目一新的感覺。

三、關(guān)于角動量守恒的兩個誤解

第3講題目是《角動量守恒定律》。

陳老師指出，守恒說的是廣延量不會產(chǎn)生和消滅，而不是任何物理量的不變。根據(jù)這一理解，角動量守恒是不需要合外力矩為零的條件。但教材往往混淆角動量不變和角動量守恒。出于好奇，小編回家翻出了大學(xué)時代的《大學(xué)物理》，果真教材中混淆了角動量不變和角動量守恒。概念的偏差會造成什么影響呢？值得深思。

在教材中，角動量守恒定律是從牛頓運(yùn)動定律推導(dǎo)出來的。那是不是可以認(rèn)為角動量守恒定律是牛頓運(yùn)動定律的推論？答案當(dāng)然是否定的。按照對稱性原理，動量守恒定律與空間平移對稱性對應(yīng)，角動量守恒定律與空間轉(zhuǎn)動對稱性對應(yīng)，能量守恒定律與時間平移對稱性對應(yīng)，它們是獨(dú)立的物理定律，涇渭分明?？墒沁@個誤解如何澄清呢？陳老師坦言，他也曾被這個問題困擾。課堂上，陳老師引用了Daniel J. Cross教授在《美國物理學(xué)雜志》發(fā)表的《力矩與轉(zhuǎn)動第二定律的物理學(xué)邏輯起點(diǎn)》一文，闡述了強(qiáng)牛頓第三定律和弱牛頓第三定律的區(qū)別。正是因?yàn)橥茖?dǎo)中，使用了強(qiáng)牛頓第三定律，實(shí)際上，已經(jīng)把角動量守恒定律引入了定律的推導(dǎo)過程中。

四、c不是光速

第4講題目是《狹義相對論的研究對象和公理》。

質(zhì)能方程中的c,如果簡單理解為光速，就會造成這樣一種誤解：質(zhì)能方程要受到光的限制。陳老師特別指出，這是自然界中所有物質(zhì)的極限速度，不是光特有的。在極限速度面前，光子和其他粒子沒有區(qū)別。

極限速度概念之所以被光速替代，是與狹義相對論的起源有關(guān)——?dú)v史上，狹義相對論是從觀察光速與參考系無關(guān)這個現(xiàn)象開始的。

五、廚房設(shè)備可測量熵的增量？

第5講題目是《熱力學(xué)定律的熵理解》。

“熵”是一個容易令人“受傷”的概念。然而，在KPK教材中，簡單明了地指出熵就是衡量熱的多少的物理量（注意，不是熱量）。而且，陳老師還教我們用廚房設(shè)備測量一杯水加熱時的熵增量。是不是要驚掉下巴了。我們一起看陳老師如何做的。

器材與原料：秒表、溫度計、浸入式加熱器（俗稱，熱得快）、燒杯、水。根據(jù)dE=TdS，可知dS=dE/T=P dt/T，這樣便可以根據(jù)熱得快的功率P和加熱時間得到熵的一個增量dS。我們把這個增量從初試溫度到終了溫度進(jìn)行積分或者求和，便可以得到水增加的總熵。

六、為什么“同性相斥、異性相吸”？

第6講題目是《電磁學(xué)中需要強(qiáng)調(diào)的幾個工具》。

大家在初中就學(xué)過，電荷具有同性相斥、異性相吸的性質(zhì)，但是，由于沒有引入電場的概念，很少會向?qū)W生解釋原因。陳老師通過彈簧做比喻，形象地解釋電場的應(yīng)力狀態(tài)：在電場線方向電場處于拉伸狀態(tài)，而垂直電場線方向電場處于壓縮狀態(tài)。

我們都知道，場是一種物質(zhì)。在同一空間，物質(zhì)在不同方向可以同時處于拉伸和壓縮狀態(tài)?；谏鲜鰣龅膽?yīng)力狀態(tài)的特點(diǎn)，對“同性相斥、異性相吸”就很好理解了——“同性相斥”是因?yàn)殡妶霭褍蓚€帶同種電性的帶電體拉開的；“異性相吸”是因?yàn)殡妶霭褍蓚€帶異種電性的帶電體拉攏的。

七、小朋友都可以明白的共振演示

第7講題目是《波動與信息》。

在波動與信息一講中，陳老師為大家講解了振動系統(tǒng)、波前等內(nèi)容，包含一維波、二維波和三維波、波的疊加與干涉等內(nèi)容。令小編印象尤為深刻的恰是一個演示共振的小實(shí)驗(yàn)。

如果用最簡單明了的方式解釋共振現(xiàn)象，你會怎么做？彈簧振子是一種方案，比起彈簧振子，單擺在生活中更容易得到。假設(shè)一個人站在地面上，手里提一個連接擺球的線，構(gòu)成了一個最簡單的單擺系統(tǒng)。對于這個系統(tǒng)，陳老師首先強(qiáng)調(diào)了作為一個振動系統(tǒng)，繩子、擺球、地球和地球周圍的引力場共同組成了單擺振動系統(tǒng)。接著外力的頻率（由人的手提供）特別低的時候，單擺不會擺動，只會跟著人的手平動；當(dāng)外力的振動頻率特別高的時候，單擺一樣擺動不起來；只有當(dāng)外力的振動頻率與單擺的固有頻率相同時，單擺才會像秋千一樣越蕩越高，發(fā)生共振現(xiàn)象。

八、原子如何構(gòu)建？

第8講題目是《原子和原子核物理學(xué)》。

原子和原子核物理一篇中，陳老師介紹很多數(shù)據(jù)和新穎的概念，而且很多數(shù)據(jù)和概念都以令人印象深刻的圖示方式進(jìn)行展示。以原子大小為例，我們知道，原子半徑量級是10-10m。若進(jìn)一步深究，不同原子的半徑有什么變化規(guī)律？較為準(zhǔn)確的數(shù)量是多少？陳老師向我們展示了KPK教材中的內(nèi)容，并且以氦原子為起點(diǎn)，用加一個質(zhì)子、再添加一個電子的方式，展現(xiàn)了原子半徑周期性變化的規(guī)律。

（圖片來自KPK高中物理教材，經(jīng)陳敏華老師同意貼出）

3天的集體學(xué)習(xí)在老師的精彩講授和學(xué)員們熱烈討論中很快過去了。通過此次培訓(xùn)，西安航科的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不僅了解了德國KPK教材中對物理概念的全新闡釋，也更好地梳理了已有的基礎(chǔ)物理知識體系。相信公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在今后研發(fā)過程中，會更加關(guān)注基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，也預(yù)?？蒲腥藛T早日再取佳績。

供稿：高鑫       編輯：趙偉

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https://mp.weixin.qq.com/s/ZRLtXkfbBfnsYMDatmlGkg[德]赫爾曼著，陳敏華譯，卡爾斯魯厄物理課程全套13冊教材