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夯實基礎 行穩(wěn)致遠

夯實基礎    行穩(wěn)致遠

——記陳敏華博士應邀來公司講學

“我們需要創(chuàng)新，找到一個一個的機會點”,2020年7月任正非先生帶隊訪問上海交大、復旦大學等高校時如是說。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，近年來不斷加大研發(fā)投入，力求實現(xiàn)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、博導蒞臨講學后，為進一步夯實研發(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物理特級教師兼浙江師范大學物理學科教育研究生導師陳敏華博士，依托德國卡爾斯魯厄大學物理教材（該教材充分體現(xiàn)了德國物理教學的嚴謹性和系統(tǒng)性，對物理概念的外延、內(nèi)涵有深刻的闡述，對物理學專業(yè)學習會產(chǎn)生不可估量的深遠影響，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。

    陳老師有著40年的物理教學與教育研究經(jīng)驗，以其極為嚴謹?shù)难芯繎B(tài)度和教書育人的責任感，為全體學員帶來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力學、大學電磁學、大學熱力學和大學光學的KPK教材進行很好的導讀，陳老師更是向大家傳遞了德國Falk教授、Herrmann教授及他本人關于物理學的現(xiàn)代觀點。對這些基礎概念更深的理解，對于開展創(chuàng)新性研究大有裨益。培訓共分為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，與各位分享。

一、高屋建瓴的認識論、方法論

第1講題目是《物理學的四大范疇》。

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

與KPK教材風格一樣，陳老師課堂貫穿了大量的不同物理分支領域的類比，例如在講電磁學概念時候，會用力學的概念進行類比，從而幫助學生加深對概念的理解，建立起不同分支領域的聯(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。假設電流不重要（當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，和更進一步的廣延量、強度量和流的概念，架設起了物理各個分支學科的橋梁。

二、熟悉又陌生的動量流

第2講的題目是《牛頓運動定律的動量解釋》。

無論是電流還是動量，大家應該不陌生。但是很少聽說動量流這個概念，其實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！但是因為有超距作用嫌疑，這個解釋不夠好。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時代的《大學物理》，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動定律推導出來的。那是不是可以認為角動量守恒定律是牛頓運動定律的推論？答案當然是否定的。按照對稱性原理，動量守恒定律與空間平移對稱性對應，角動量守恒定律與空間轉(zhuǎn)動對稱性對應，能量守恒定律與時間平移對稱性對應，它們是獨立的物理定律，涇渭分明。可是這個誤解如何澄清呢？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《美國物理學雜志》發(fā)表的《力矩與轉(zhuǎn)動第二定律的物理學邏輯起點》一文，闡述了強牛頓第三定律和弱牛頓第三定律的區(qū)別。正是因為推導中，使用了強牛頓第三定律，實際上，已經(jīng)把角動量守恒定律引入了定律的推導過程中。

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——歷史上，狹義相對論是從觀察光速與參考系無關這個現(xiàn)象開始的。

五、廚房設備可測量熵的增量？

第5講題目是《熱力學定律的熵理解》。

“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《電磁學中需要強調(diào)的幾個工具》。

大家在初中就學過，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顟B(tài)的特點，對“同性相斥、異性相吸”就很好理解了——“同性相斥”是因為電場把兩個帶同種電性的帶電體拉開的；“異性相吸”是因為電場把兩個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驗。

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》。

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。若進一步深究，不同原子的半徑有什么變化規(guī)律？較為準確的數(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，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天的集體學習在老師的精彩講授和學員們熱烈討論中很快過去了。通過此次培訓，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，也更好地梳理了已有的基礎物理知識體系。相信公司研發(fā)團隊，在今后研發(fā)過程中，會更加關注基礎概念的學習和應用，也預祝科研人員早日再取佳績。

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 精而求專

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