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夯實(shí)基礎 行穩致遠
夯實(shí)基礎 行穩致遠
——記陳敏華博士應邀來(lái)公司講學(xué)
“我們需要創(chuàng )新，找到一個(gè)一個(gè)的機會(huì )點(diǎn)”,2020年7月任正非先生帶隊訪(fǎng)問(wèn)上海交大、復旦大學(xué)等高校時(shí)如是說(shuō)。作為一家致力于等離子體技術(shù)基礎和應用研究的創(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(lái)不斷加大研發(fā)投入，力求實(shí)現卡脖子技術(shù)的突破。
基礎知識是創(chuàng )新的根基和源泉。在邀請多位科研院所、高校的教授、博導蒞臨講學(xué)后，為進(jìn)一步夯實(shí)研發(fā)團隊基礎能力，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（該教材充分體現了德國物理教學(xué)的嚴謹性和系統性，對物理概念的外延、內涵有深刻的闡述，對物理學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)習會(huì )產(chǎn)生不可估量的深遠影響，下文對該教材簡(jiǎn)稱(chēng)KPK），利用三天時(shí)間，系統梳理了力、熱、電、磁、波動(dòng)及原子和原子核物理的基礎。
陳老師有著(zhù)40年的物理教學(xué)與教育研究經(jīng)驗，以其極為嚴謹的研究態(tài)度和教書(shū)育人的責任感，為全體學(xué)員帶來(lái)3天精彩的課程，受到了大家一致好評。本次培訓不僅對大學(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)的現代觀(guān)點(diǎn)。對這些基礎概念更深的理解，對于開(kāi)展創(chuàng )新性研究大有裨益。培訓共分為8講，每一講的內容都非常豐富。接下來(lái)小編在每一講中采擷一個(gè)小知識點(diǎn)，與各位分享。
一、高屋建瓴的認識論、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(lèi)比，例如在講電磁學(xué)概念時(shí)候，會(huì )用力學(xué)的概念進(jìn)行類(lèi)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(dòng)量和轉動(dòng)慣量的紐帶和橋梁呢？答案來(lái)源于本講。
如果有人說(shuō)電流概念可以不存在，這個(gè)冒天下之大不韙的說(shuō)法一定會(huì )遭人嗤之以鼻！
但是當知道了對物質(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（數量關(guān)系），電流這個(gè)物理量只是人們根據研究需要，為了對物質(zhì)二次抽象而定義發(fā)明的，僅此而已。假設電流不重要（當然截止目前它非常重要），電流這個(gè)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、強度量和流的概念，架設起了物理各個(gè)分支學(xué)科的橋梁。
二、熟悉又陌生的動(dòng)量流
第2講的題目是《牛頓運動(dòng)定律的動(dòng)量解釋》。
無(wú)論是電流還是動(dòng)量，大家應該不陌生。但是很少聽(tīng)說(shuō)動(dòng)量流這個(gè)概念，其實(shí)動(dòng)量流就是我們平常說(shuō)的力。別暈，再往下聽(tīng)就更要睜大眼睛了。
桌子上的書(shū)為什么靜止不動(dòng)？受力平衡，沒(méi)錯！但是因為有超距作用嫌疑，這個(gè)解釋不夠好。聽(tīng)聽(tīng)KPK怎么解釋吧：引力場(chǎng)源源不斷給書(shū)輸入動(dòng)量流，然后，流經(jīng)書(shū)本的動(dòng)量流沿著(zhù)桌子全部流入了地球。這里引力場(chǎng)像電場(chǎng)一樣，是用來(lái)傳遞動(dòng)量的介質(zhì)。怎么樣？不知道聽(tīng)完這個(gè)解釋?zhuān)袥](méi)有和小編一樣有耳目一新的感覺(jué)。
三、關(guān)于角動(dòng)量守恒的兩個(gè)誤解
第3講題目是《角動(dòng)量守恒定律》。
陳老師指出，守恒說(shuō)的是廣延量不會(huì )產(chǎn)生和消滅，而不是任何物理量的不變。根據這一理解，角動(dòng)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(dòng)量不變和角動(dòng)量守恒。出于好奇，小編回家翻出了大學(xué)時(shí)代的《大學(xué)物理》，果真教材中混淆了角動(dòng)量不變和角動(dòng)量守恒。概念的偏差會(huì )造成什么影響呢？值得深思。
在教材中，角動(dòng)量守恒定律是從牛頓運動(dòng)定律推導出來(lái)的。那是不是可以認為角動(dòng)量守恒定律是牛頓運動(dòng)定律的推論？答案當然是否定的。按照對稱(chēng)性原理，動(dòng)量守恒定律與空間平移對稱(chēng)性對應，角動(dòng)量守恒定律與空間轉動(dòng)對稱(chēng)性對應，能量守恒定律與時(shí)間平移對稱(chēng)性對應，它們是獨立的物理定律，涇渭分明?？墒沁@個(gè)誤解如何澄清呢？陳老師坦言，他也曾被這個(gè)問(wèn)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《力矩與轉動(dòng)第二定律的物理學(xué)邏輯起點(diǎn)》一文，闡述了強牛頓第三定律和弱牛頓第三定律的區別。正是因為推導中，使用了強牛頓第三定律，實(shí)際上，已經(jīng)把角動(dòng)量守恒定律引入了定律的推導過(guò)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(jiǎn)單理解為光速，就會(huì )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(méi)有區別。
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)——歷史上，狹義相對論是從觀(guān)察光速與參考系無(wú)關(guān)這個(gè)現象開(kāi)始的。
五、廚房設備可測量熵的增量？
第5講題目是《熱力學(xué)定律的熵理解》。
“熵”是一個(gè)容易令人“受傷”的概念。然而，在KPK教材中，簡(jiǎn)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備測量一杯水加熱時(shí)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(chēng)，熱得快）、燒杯、水。根據dE=TdS，可知dS=dE/T=P dt/T，這樣便可以根據熱得快的功率P和加熱時(shí)間得到熵的一個(gè)增量dS。我們把這個(gè)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)中需要強調的幾個(gè)工具》。
大家在初中就學(xué)過(guò)，電荷具有同性相斥、異性相吸的性質(zhì)，但是，由于沒(méi)有引入電場(chǎng)的概念，很少會(huì )向學(xué)生解釋原因。陳老師通過(guò)彈簧做比喻，形象地解釋電場(chǎng)的應力狀態(tài)：在電場(chǎng)線(xiàn)方向電場(chǎng)處于拉伸狀態(tài)，而垂直電場(chǎng)線(xiàn)方向電場(chǎng)處于壓縮狀態(tài)。
我們都知道，場(chǎng)是一種物質(zhì)。在同一空間，物質(zhì)在不同方向可以同時(shí)處于拉伸和壓縮狀態(tài)?；谏鲜鰣?chǎng)的應力狀態(tài)的特點(diǎn)，對“同性相斥、異性相吸”就很好理解了——“同性相斥”是因為電場(chǎng)把兩個(gè)帶同種電性的帶電體拉開(kāi)的；“異性相吸”是因為電場(chǎng)把兩個(gè)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(dòng)與信息》。
在波動(dòng)與信息一講中，陳老師為大家講解了振動(dòng)系統、波前等內容，包含一維波、二維波和三維波、波的疊加與干涉等內容。令小編印象尤為深刻的恰是一個(gè)演示共振的小實(shí)驗。
如果用最簡(jiǎn)單明了的方式解釋共振現象，你會(huì )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。假設一個(gè)人站在地面上，手里提一個(gè)連接擺球的線(xiàn)，構成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的單擺系統。對于這個(gè)系統，陳老師首先強調了作為一個(gè)振動(dòng)系統，繩子、擺球、地球和地球周?chē)囊?chǎng)共同組成了單擺振動(dòng)系統。接著(zhù)外力的頻率（由人的手提供）特別低的時(shí)候，單擺不會(huì )擺動(dòng)，只會(huì )跟著(zhù)人的手平動(dòng)；當外力的振動(dòng)頻率特別高的時(shí)候，單擺一樣擺動(dòng)不起來(lái)；只有當外力的振動(dòng)頻率與單擺的固有頻率相同時(shí)，單擺才會(huì )像秋千一樣越蕩越高，發(fā)生共振現象。
八、原子如何構建？
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，陳老師介紹很多數據和新穎的概念，而且很多數據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律？較為準確的數量是多少？陳老師向我們展示了KPK教材中的內容，并且以氦原子為起點(diǎn)，用加一個(gè)質(zhì)子、再添加一個(gè)電子的方式，展現了原子半徑周期性變化的規律。
（圖片來(lái)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)習在老師的精彩講授和學(xué)員們熱烈討論中很快過(guò)去了。通過(guò)此次培訓，西安航科的研發(fā)團隊不僅了解了德國KPK教材中對物理概念的全新闡釋?zhuān)哺玫厥崂砹艘延械幕A物理知識體系。相信公司研發(fā)團隊，在今后研發(fā)過(guò)程中，會(huì )更加關(guān)注基礎概念的學(xué)習和應用，也預?？蒲腥藛T早日再取佳績(jì)。
供稿：高鑫 編輯：趙偉
https://mp.weixin.qq.com/s/IFJE7AIlTymQecJCE5l0Kg“僑心向黨 共慶百年”柯“僑”人物（17）陳敏華：敏而好學(xué) 精而求專(zhuān)
https://mp.weixin.qq.com/s/ZRLtXkfbBfnsYMDatmlGkg[德]赫爾曼著(zhù)，陳敏華譯，卡爾斯魯厄物理課程全套13冊教材
