逍遥学能 2018-10-31 19:38
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。