很多學(xué)生和家長都想知道如何學(xué)好物理，有沒有訣竅。很多老師的回答讓他們很掃興，因?yàn)槔蠋焸冋f的都差不多，要么是養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，要么是多刷題，要么多思考多總結(jié)。這些道理都對，學(xué)生們也都懂，但具體執(zhí)行總有各種各樣的問題。不同的人，用心程度不同，結(jié)果自然可想而知。為此我想從物理學(xué)家的角度再談?wù)勥@個問題，看看這些處在物理塔尖上的人的心路歷程，或許對大家有所啟發(fā)。
【觀察與體驗(yàn) 】
物理學(xué)作為科學(xué)的一部分，萌芽于人類誕生伊始對自然的觀察和體驗(yàn)。約在公元前6世紀(jì)的某一天，泰勒斯記載了兩個很有意思的現(xiàn)象：一是摩擦后的琥珀吸引輕小物體，二是磁石可以吸鐵。這是有史以來人們對自然現(xiàn)象的第一次完整的記載，代表著物理學(xué)史上的第一個實(shí)驗(yàn)觀察記錄。
【學(xué)會提問，讓思考逐漸深入下去 】
摩擦讓首飾沾滿灰塵，或讓綢緞或毛皮刺痛人手。匆匆出現(xiàn)，又莫名其妙消失。到底是什么導(dǎo)致這一現(xiàn)象？后來人們知道這些與電荷有關(guān)。那電荷是什么？大小是多少？能創(chuàng)造嗎？電荷之間有相互作用嗎？相互作用和什么有關(guān)？我們?nèi)绾蝺Υ骐姾�？電荷如何移動？如何形成電流？電流為何會產(chǎn)生磁場？電流在磁場中會受到力的作用嗎？不斷思考不斷深入，人類在這個過程中增長了知識，獲得了對大自然更多的理解。
【總結(jié)現(xiàn)象，分析問題】
1791年，伽伐尼的青蛙電學(xué)實(shí)驗(yàn)引起了伏特的注意，他沒有把關(guān)注點(diǎn)放在伸縮的青蛙腿上，而是伽伐尼手上的金屬刀片。伏特嘗試著把不同的金屬片放在一起，然后發(fā)現(xiàn)了一件神奇的事情??不同的金屬接觸會造成電勢差，也就是說起電的方法很簡單，就是把兩塊不同的金屬疊在一起，自然就有了電！伏特還發(fā)現(xiàn)金屬和液體(主要是電解質(zhì))接觸則不會產(chǎn)生電勢差，因此伽伐尼之所以看到青蛙腿被電，是因?yàn)樗稚系慕饘俚镀旧韼щ姟７靥柗Q他的發(fā)現(xiàn)“超出了當(dāng)時已知的一切電學(xué)知識”。已經(jīng)四十五歲的伏特，突然獲得了一個極其重要的靈感??如果把不同金屬塊按照一定順序堆疊，自然就可以產(chǎn)生很高的電動勢，他把這種浸在酸溶液中的一大堆鋅板、銅板和布片稱之為“電堆”，后被人叫做伏特電堆(或伏打電堆) 。
【用簡單的公式或敘述闡明本質(zhì)問題 】
1871 年，麥克斯韋出任劍橋大學(xué)物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，并對更多的物理問題產(chǎn)生了濃厚興趣。其中一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)就是他提出的氣體分子動力學(xué)假說，他認(rèn)為氣體是由一個個獨(dú)立的微小分子組成，它們的集體運(yùn)動規(guī)律決定了氣體的宏觀性質(zhì)。1872?1875 年間，來自奧地利的天才物理學(xué)家路德維希?玻爾茲曼進(jìn)一步發(fā)展了麥克斯韋分子運(yùn)動論，他用概率統(tǒng)計(jì)的方法，引入能量均分理論，用于描述大量氣體分子的運(yùn)動狀態(tài)。玻爾茲曼給出一個極其重要的結(jié)論：一切自發(fā)過程，總是從概率小的有序態(tài)向概率大的無序態(tài)變化。而我們熟知的熱力學(xué)中的熵，其實(shí)是刻畫系統(tǒng)無序度的物理量。1900 年，普朗克將玻爾茲曼的研究寫成一個極其簡潔的表達(dá)式：S=k logW。
【機(jī)遇總是留給有準(zhǔn)備的人 】
1745年，荷蘭萊頓大學(xué)的莫森布魯克教授在某次電學(xué)課上，不小心把一枚帶電的小鐵釘?shù)暨M(jìn)了玻璃瓶。掉了也就掉了吧，也沒啥大不了的事情，待會兒下課再撿起來唄，教授心想。不料，等他課后從玻璃瓶捏出鐵釘?shù)臅r候，手上突有一麻酥酥的感覺�！坝须�！”教授驚奇道，原來鐵釘?shù)碾姴]有消失，掉進(jìn)玻璃瓶后一直都在！莫森布魯克仔細(xì)考量了他用的玻璃瓶，經(jīng)過不斷改進(jìn)，終于發(fā)明了降服小電妖的魔瓶??萊頓瓶，這名字是為了紀(jì)念它的發(fā)明地點(diǎn)萊頓大學(xué)而來。銀光閃閃的萊頓瓶里外都貼有錫箔，瓶里的錫箔通過金屬鏈跟金屬棒連接，棒的上端是一個金屬球。小電妖一旦落入萊頓瓶，就像孫悟空進(jìn)了銀角大王的紫金紅葫蘆里，很難跑出來得瑟了。如今看來，萊頓瓶其實(shí)就是一個簡單的電容器，電通過金屬鏈導(dǎo)入瓶中后，將被屏蔽保存在瓶中。
某一次物理實(shí)驗(yàn)課，一切似乎都是老樣子，連電路，打開關(guān)，講課，斷電，收工。然而不經(jīng)意間，一個小磁針放在了電路旁邊，又是不經(jīng)意間，他注意到開關(guān)電一瞬間，小磁針都會擺動幾下。就像童話世界里用魔法棒隔空操控磁針一樣，通電斷電似乎也有這個效果，萬分激動的這位仁兄差點(diǎn)摔到講臺下面去。之后，這位40多歲的普通物理教師，在實(shí)驗(yàn)室里愣是樂此不彼地玩了三個月的電路和小磁針，宣布發(fā)現(xiàn)了電和磁的魔法奧妙??運(yùn)動的電荷可以讓靜止的磁針動起來。1820年7月21日，一篇題為《論磁針的電流撞擊實(shí)驗(yàn)》的4頁短論文發(fā)表，署名漢斯?奧斯特，這位安徒生的老師兼好友，一舉成名。
【有勇氣挑戰(zhàn)未知 有勇氣挑戰(zhàn)權(quán)威 】
1746年，英國的科林森小心翼翼地打包了一個萊頓瓶，快遞給了遙在美國費(fèi)城的好朋友??本杰明?富蘭克林，同時附上了使用說明書。美國人富蘭克林是一個十足的科學(xué)愛好者，在數(shù)學(xué)、物理、工程、音樂等許多方面都有研究，在電學(xué)剛剛風(fēng)靡起來的時代，富蘭克林同學(xué)最喜歡的禮物莫過于一只萊頓瓶了。當(dāng)時關(guān)于摩擦引起的靜電的研究已經(jīng)非常之多，可以說，人們對“地電”已經(jīng)十分熟悉。但是對于更加強(qiáng)大的“天電”??閃電，人們還是敬而遠(yuǎn)之的。不過，這對膽大包天的富蘭克林而言，不是問題。1752年的某一天，風(fēng)雨雷電大作，富蘭克林認(rèn)為在這種天氣里就該干點(diǎn)瘋狂的事情。他叫來助手把早已準(zhǔn)備好的風(fēng)箏放上了烏云密布的天空，風(fēng)箏是由銅骨架做成的，風(fēng)箏線則綁著一根銅線，頭上栓了一串他家里的鑰匙，放在萊頓瓶里。轟隆隆的雷聲，亮閃閃的電，富蘭克林等待著奇跡的發(fā)生。終于，一道閃電擊中了風(fēng)箏，一股強(qiáng)大的電流順著銅線傳到了萊頓瓶里，富蘭克林第一次成功把“天電”抓到地面上來（圖6）。富蘭克林通過仔細(xì)研究抓到的閃電，他最終認(rèn)為閃電其實(shí)和摩擦產(chǎn)生的電沒有任何區(qū)別，也就是說“天電”和“地電”同屬一電。
【站在巨人的肩上 】
卡文迪許從另一個科學(xué)偉人??牛頓身上學(xué)到了實(shí)驗(yàn)物理方法，也思考了他提出的萬有引力定律，他認(rèn)為靜電力之間也存在類似引力的平方反比定律，并親自用兩個同心金屬球殼做了實(shí)驗(yàn)。而庫侖則利用他精湛的力學(xué)工程技能，改進(jìn)卡文迪許測量引力的扭秤實(shí)驗(yàn)，成功精確測量了靜電力，證明了卡文迪許關(guān)于平方反比定律的猜想。電學(xué)里第一個定律??庫侖定律，就這樣誕生
【全力以赴】
安培勤于思考各種物理問題，無論何時何地，想起來就根本停不下來。他曾將自己的懷表誤當(dāng)鵝卵石扔進(jìn)了塞納河，也曾把街上的馬車當(dāng)做黑板來推公式�？梢韵胂筮@樣一個科學(xué)癡人，當(dāng)他得知奧斯特的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后是多么地興奮。安培在第一時間重復(fù)了奧斯特的所有實(shí)驗(yàn)，并把結(jié)果總結(jié)成一個非常簡單的規(guī)律??右手螺旋定則。
我們都聽說過居里夫人付出的艱辛努力，其實(shí)這樣做并不盲目。她首先證實(shí)，鈾鹽發(fā)出射線的強(qiáng)度只與化合物中鈾的含量成正比，而與化合物的種類無關(guān)，也不受光照，加熱，通電等因素的影響。由此，她確認(rèn)這一現(xiàn)象的起因在于原子內(nèi)部，并提出了“放射性”這個詞，用來描寫這一現(xiàn)象。居里夫人提出了一個重要的問題：是否還有其他元素也具有這種性質(zhì)？他們決定檢查當(dāng)時知道的所有元素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)釷也發(fā)射類似的射線。居里夫人還發(fā)現(xiàn)，某些含鈾釷混合物礦石的輻射強(qiáng)度比已測到的鈾和釷放射性強(qiáng)得多，他們大膽假定這些礦石中含有當(dāng)時尚不知曉的某種其他放射性元素�，旣惥永锖驼煞蛞黄痖_始了一項(xiàng)艱苦的工作：從瀝青鈾礦中分離這種新元素。1898年7月，他們得到了一種放射性比鈾強(qiáng)400倍的新元素，并把它命名為釙，以表達(dá)對祖國波蘭的熱愛。同年12月，他們又發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)百萬倍的鐳。鐳的發(fā)現(xiàn)再次轟動了科學(xué)界，但也有人懷疑它的存在。為了排除這一懷疑，居里夫婦經(jīng)過艱辛繁重的工作，在幾萬次提煉后，終于在1902年從8t瀝青鈾礦中提煉出0.12g純凈的氯化鐳，向世人證實(shí)了鐳元素的存在�？赡苁怯捎陂L期受到射線的照射，居里夫人死于白血病。
【發(fā)揮想象力 】
關(guān)于為什么電可以生磁，安培繼承了奧斯特的童話思維模式，想象磁鐵里面也有一群小電精靈，就像一個個電流小圈圈，形成了一大堆小電流磁針，并且指向一致，如同群飛的鳥兒或海洋里群游的魚兒一樣，集體的力量最終形成了極大的磁作用力。安培給他的小小電精靈取了個形象的名字，叫做分子電流。要知道，那個時代對微觀世界的認(rèn)識只到分子層次，關(guān)于是否存在原子以及原子內(nèi)部是否有結(jié)構(gòu)屬于超越時代的問題，能創(chuàng)新地想想分子里面有環(huán)狀電流已經(jīng)十分大膽前衛(wèi)了。雖然分子電流在后來實(shí)驗(yàn)證明并不存在，但是其概念雛形為解釋固體材料里面的磁性起到了拋磚引玉的效果??磁雖然不是來自分子電流，但和材料里的電子運(yùn)動脫不開關(guān)系。為紀(jì)念安培的貢獻(xiàn)，后人將電流單位命名為安培，簡寫為A。
【大量的閱讀 】
這位叫做邁克爾?法拉第的孩子，利用他在書店打工的機(jī)會，用他僅有的小學(xué)二年級語文水平，博覽群書，特別是《大英百科全書》。法拉第對科學(xué)非常感興趣，時下最火熱的當(dāng)屬電學(xué)研究，他甚至自己搗鼓起簡單的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，還拉著小伙伴們一起討論科學(xué)問題。
【筆記的力量 】
一位叫做戴維的大科學(xué)家用淵博的知識征服了法拉第，很快他就成為戴維爵士的鐵桿忠實(shí)粉絲，精心記錄他的每一次演講，并在書店用他的裝訂技術(shù)做成了一本《戴維講演錄》，寄給了他作為圣誕禮物。戴維顯然被這位渴望科學(xué)知識的窮孩子粉絲感動了，事出湊巧，他不幸在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時候把眼睛弄傷了，急需一名助手。后面的故事，大家一定猜到了。
【將理論應(yīng)用于實(shí)踐 】
有了電源，下一個問題就是如何精確測量各種電學(xué)現(xiàn)象。按照富蘭克林的推論，電現(xiàn)象的本質(zhì)是電荷，電荷的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了靜電現(xiàn)象，電荷的運(yùn)動則導(dǎo)致了電流。那么，如何衡量電流的大小呢？因?yàn)殡娏髦须姾墒沁\(yùn)動的，你可不能像密立根那樣去數(shù)油滴，而且你也無法“看到”電荷，更何況，實(shí)際上電荷的數(shù)目是如此之多，你數(shù)也數(shù)不過來呀！幸虧奧斯特的童話魔法發(fā)現(xiàn)了電流可以讓磁針偏轉(zhuǎn)，因此電流大小，就能用可觀測的磁針偏轉(zhuǎn)角度來衡量。德國的施威格很快注意到這一點(diǎn)，他發(fā)明了利用電流磁效應(yīng)度量電流大小的磁針電流計(jì)。由于牛頓力學(xué)的深入人心，人們很輕松就可以把磁針偏轉(zhuǎn)造成的扭力大小測量出來，最終，電流大小對應(yīng)了某種力的大小，電學(xué)研究回歸到了人們熟知的力學(xué)研究范疇，一切變得容易起來
【自學(xué)其他科學(xué)家著作，而不是被動的接受 】
麥克斯韋閱讀了法拉第的著作，歐姆閱讀過歐拉和拉普拉斯的數(shù)學(xué)著作，在玻爾茲曼自殺之后的幾天，埃倫費(fèi)斯特回到德國哥廷根負(fù)責(zé)整理玻爾茲曼生前的研究工作，于1911 年終完成熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理開山之作……
【合理的推測 】
20 世紀(jì)初，經(jīng)過百余年的電磁學(xué)研究，人們已經(jīng)非常清楚地認(rèn)識到金屬材料的電阻隨溫度下降將會減小。理由很簡單：給材料整體降降溫，讓原子們冷靜冷靜，這樣電子在不太變幻的“八卦陣”里也許就可以迅速找到高速通道，盡量不損失能量全身而退。理想看似豐滿，現(xiàn)實(shí)卻總是比較骨感。不同的人看問題的角度不同，于是在預(yù)測更低溫度下金屬電阻的走向時，有了多種不同的觀點(diǎn)。大家普遍知道，金屬中電阻主要來源于兩部分，原子實(shí)熱振動對電子的散射和雜質(zhì)/缺陷等對電子的散射。降溫只是讓原子振動變?nèi)�，但無法改變雜質(zhì)/缺陷的存在。因此， 1864 年，Matthiessen(馬西森)預(yù)言金屬電阻隨溫度下降到一定程度之后，將保持不變，即存在一個有限大小的“剩余電阻”。開爾文勛爵不太同意這個觀點(diǎn)，他認(rèn)為在足夠低的溫度下，電流中的電子也有可能被“凍住”而不能前進(jìn)，導(dǎo)致金屬的電阻會迅速增加。我們在此姑且定義馬西森預(yù)言的材料叫“正常金屬”，而開爾文預(yù)言的叫“反常金屬”。低溫物理的先驅(qū)杜瓦和昂尼斯則有另一種觀點(diǎn)，金屬的電阻隨溫度下降會持續(xù)穩(wěn)定地減小，最終在零溫極限下變成零，成為一個沒有電阻的“完美導(dǎo)體”。
【嚴(yán)密的邏輯分析、理性思維、數(shù)據(jù)分析和正規(guī)體系 】
要讓別人相信你的理論不是那么容易的事情，為了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，許多頂尖的物理學(xué)家都前赴后繼發(fā)明了各種自己的“語言”，真可謂“長江后浪推前浪，前浪死在沙灘上”。令人驚訝的是，“撲死”在超導(dǎo)理論沙灘上的物理學(xué)家，包括鼎鼎大名的愛因斯坦(Albert Einstein)、湯姆孫(Joseph John Thomson)、玻爾(Niels Bohr)、布里淵(Léon Brillouin)、布洛赫(Felix Bloch)、海森伯(Werner Heisenberg)、玻恩(Max Born)、費(fèi)曼(Richard Feynman)等。
發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象??總結(jié)基本現(xiàn)象規(guī)律??針對特征現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)測量及定量表征??從大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里找到合適的數(shù)學(xué)描述??得出相應(yīng)公式化的定律??用定律來解釋或預(yù)測新的現(xiàn)象。至今，實(shí)驗(yàn)為基、理論為輔的科學(xué)研究仍然是八股范式，幾乎所有的自然科學(xué)研究都是這個模式。長期以來，它在描述我們生活的自然過程中取得的成功證明了：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對于實(shí)驗(yàn)物理來說，關(guān)鍵在于獲得可靠的定量化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，否則建立理論只能是空談。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaozhong/1254904.html
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