学习高中物理是不是该不去管其本质?

高中物理学的本质,我们具体问题具体分析:

能级结构图和氢原子轨道图

比如在高中物理当中是如何理解氢光谱的呢?

学习高中物理是不是该不去管其本质?

认为氢原子核外电子可以存在在若干个轨道上,当电子从高能级向低能级轨道跃迁时,就可以向外辐射出光子,光子能量恰好等于能级差,这个解释,在一般物理系本科生的原子物理当中都会提到:下图摘自杨福家先生的《原子物理学》。

事实上玻尔理论就是经典理论加上自己的假设,假设固定轨道上的电子不辐射电磁波,假设电子轨道可以发生跃迁辐射光子。事实上一般的高中生对于能否辐射电磁波丝毫不能理解,所以产生不了疑问,而第二条假设又是通俗易懂,所以高中阶段对于氢光谱处理可以说是点到为止,保持了温文尔雅的态度。在这样的解释中,哪里是本质?经典理论似乎不是本质,补充的假设也不够说服人,似乎也不是本质,本质在哪里?本质在量子力学的氢光谱解释中,从波函数的角度出来,然而问题来了,波函数就一定是本质么,不一定,就这关乎到物理学的本质,物理学是研究运动规律和物质基本结构科学,它是一门实验学科,有理论解释实验的结果,所有的理论都是解释这种情况的,好坏的鉴别就是和实验的契合度,是否具有预测性,在目前实验情况下,量子力学的解释是完美的,但是也有问题,比如它的一些实在到现在都有争执。

既然如此,学生就不该关乎本质么,不是,起码这个追究所谓本质的过程就是一个不断深化学习不断思考过程,是恨一个非常有价值的历程。分外热爱思考的学生,他们会遇到这样的问题:

氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁,电子的动能和势能如何变化?氢原子的能量如何变化?

一般老师如何解答这个问题呢?将电子绕原子核类比于行星围绕恒星模型,事实上从经典理论来看,他们的物理方程是高度统一的,所以轨道越低动能越大,而势能越低,高中物理不讲引力势(竞赛党没问题),可以从引力做正功引力势能这样类比角度出发,而轨道越低,总能量越低,比如基态能量是-13.6ev是最低的。

好了,同学要问,氢原子能量怎么解释?是氢原子电子动能和势能之和,不就只是电子能量么,为何是氢原子呢?因为势能是电子和原子核共有的,就像重力势能是物体和地球共有一样,电势能是电子和电场共有一样,读到这里,你是不是有点触及本质的小感觉呢?然而路还长着呢?聪明的学生灵机一动,我凭什么认为原子核静止不动呢?原子核也会动啊,有动能,那怎么办?确实会动,确实有动能啊,这就是两体问题,我们会用折合质量去处理,这个时候,优秀的老师会根据学生的情况适当点拨,一番新天地就这样一点点打开了,虽然它和本质仍然相去甚远。

这个过程就是很有意思的,虽然它不一定能够触摸到本质的灵魂,或者直到如今,本质或许都没有呈现,所谓“刘郎已恨蓬山远,更隔蓬山一万重。”然而追问却可以踏级更多的知识和拓宽自己的思维阈,但是一定要注意打开方式,不要走歪了。

再举个通俗易懂的,孩纸么,你初中是怎么认识电源两端电压的?有外压内压说法么?没有,当你蓦然回首初中时候电源两端电压就是电源电动势时候是什么感受,可是当初当你接受有内阻而内压和外压之和才是电动势是不是花了一番功夫,可能有的孩纸迄今还是浑浑噩噩一只半解的,我要说这就是物理学一个特征,它在一开始面对授众是粗浅的,是需要降阶的,其实从初中到高中再到普通物理和理论物理,物理学都是按照力热光电原子物理顺序螺旋化上升的,所以踩着适合的阶梯一步步向上走是一个最合理的学习历程,适度的挖掘是值得赞许的,但是不要好高骛远。比如电源内部的结构,如何产生稳定电动势,你感兴趣可以去拓展去调研,事实上这已经是工程了,不是物理学领域啦。

再来,如图,一个滑块从四分之一圆弧顶端下滑,到底端A点求滑块受到底端的压力是多少?不计一切摩擦。


太简单了:对于A:

又有:,得:

好了,现在从A点向左延长一条水平轨道,也是光滑的,问在此轨道上受到的压力是多大,显然就是mg啊,那么问题来了,A点究竟属于圆弧上面的点还是轨道上面的点。哎呀,傻了吧,问题在哪?总不能说问题是不存在不能这样问吧?问题出在函数连续和是否可导上面,这里微积分会给出严密定义,然而高中生是完全可以触摸到这样的问题的,因为大家都学过导数,对函数的连续性和光滑都有初步的认知,即便这个问题不能现在解决,等到本科时候也是一个经典的例子。

而且,对于导数理解,只要稍微带一下,很多问题就好解决了。因为物理学终究是一个变量的世界,像匀速运动简直是理想中理想,而学生最容易错误地方就是把一切运动当匀加去算,因为他们的认知缺乏变量的思考,以为一切都可以算出来,事实上触摸到了导数就会引发更多的思考,优秀的学生就会想导数的逆运算了,哈哈,微积分不就在眼前么。

我在高中时候,数学最好的一个同学就触摸到了积分,不过他是数竞党的,说来也好玩,现在做的是粒子物理方向。

比如这样一个问题,一个物体瞬时速度是,请问瞬时加速度多少,很多同学不假思索回答是,哈,当成匀加了,启发他们不是匀加,会意识到错误,写出很多人就会得出。

物理学和数学紧密联系,很多最优秀学生高中阶段最热爱的就是这两门学科,数学的有些工具是物理学工作者创立或者发扬光大的,向量在十几年前的高中数学教材中是不怎么涉及的,但是物理不可能绕开向量,甚至极个别优秀的初中生就能根据已有的知识初步总结出向量的计算方法,这个就很了不起了。虽然等到他们的学习更加深入之后,他们会发现这些都是极成熟的知识,但这又如何呢?杨振宁第一次独立科研的时候的工作就已经被前人做过了,这是成长必须经历的。

当下的科研工作者,他们工作阈相当于一个半径巨大的圆,很多优秀的博士,穷极一生,只能在圆的边界上作出一点点贡献,要拿高倍率放大镜才能看得清楚,然而这并不代表最基础的问题就已经完满解决了,不信请看下面这个问题,试给出向心加速度的物理意义?

向心加速度的物理意义,这个问题本质么?似乎本质,给得出么?简单啊,加速度是描述速度变化快慢的物理量,向心加速度就是表征速度方向变化快慢的物理量呗,请问角速度物理是什么呢?是不是也是反应速度方向变化快慢的物理量?难道这两个概念一回事儿啊!

到这里,我给出的解释是基础物理学的一些概念之所以还有些模糊,其实无关大局的,至少他不能撼动基石,不是热点,而关于向心加速度物理意义的讨论我认为不是追寻本质的讨论,是钻牛角尖,真正的问题应该是跳出来,我们看看,向心加速度为什么要被引入,它就是圆周运动一个维度上的合加速度嘛。

在物理学发展过程中,一些现在看来极其简单的常识是前人经过无数次摸索得来的,比如经常有人对我说,牛顿的理论我都懂,爱因斯坦就难多了?你去看看《原理》试试,能看得懂有多少呢?而且就算用现在的改良的版本,高中生能解决行星椭圆轨迹么?你会最速降线么?不会吧。在热力学里,吸收热量和外界对我做功是等价的都花费很久很久,也就是说热量单位和做功单位都是焦耳以及引力质量和惯性质量是等价的,这些常识建立都是良久的,所以不要小看热素说和光的粒子说这些抛进垃圾堆的学说,他们的建立不容易的,也是有十分的内涵的,所以不要急功近利,去贪图一些既定的事实,学习的过程是一个摸索前行的过程,不是一步到位的,所以即便在追寻本质过程中有些弯道也是好的,不要认为是进入歧途,这和我上面提出有正确打开方式不矛盾,是两个方面。

当然这又涉及到另外一个问题,就是物理学学习到底要不要追踪历史的轨迹,最经典的案例就是学习相对论到底要不要从尺度收缩时钟变缓一点点开始,这个争议很大,我没有思考成熟,暂时给不出好的答案。

总结一下,物理学是一个很成熟的学科,对于初学者他有完备的逻辑链,只要你踩着这个阶梯一步步下去会打扎实基础,对于勤学善思有天赋孩子可以跳的快一点追的深一点,甚至付出走出弯路的代价,但是切忌痴人说梦,黄维一般闭门造车那样就不是追寻本质了。

当然,在高中物理学追寻本质问题中,还有很多这样的疑问,限于篇幅,有些问题不再一一枚举了。如果你有兴趣,可以关注我,哈。

最后来个例子,前文那个数竞好朋友问我的,“关于电,我学了半天都不知道电是什么?”这个问题本质么?我现在的回答是这根本不是个物理问题。

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