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初中物理教材動手動腦學物理欄目:動手和動腦誰更重要?

更新時間:2024-08-13 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

物理學界有兩大派系,愛因斯坦是大腦派的領袖,愛迪生是動手派的領袖。mHG物理好資源網(原物理ok網)

畫面跳轉到中文支部:初中物理教材(人民教育出版社)有個專欄叫《動手和動腦學物理》,就是為了在中學生中宣傳動手和動腦學習物理的重要性。兩邊都不要得罪的節奏,哈哈mHG物理好資源網(原物理ok網)

全球各地分支場景:國內很多基層物理老師以及歐美的物理老師在各大主流視頻網站上傳了豐富的科普物理實驗短視頻。mHG物理好資源網(原物理ok網)

英國大導演克里斯托弗·諾蘭執導的科幻大片《星際穿越》(2014)因為影片中涉及的大量物理元素而大受歡迎。mHG物理好資源網(原物理ok網)

初中物理熵mHG物理好資源網(原物理ok網)

那么問題來了!我要嚴肅起來,提出一個宇宙話題:當涉及到物理學的深度(目的)時,“動手”和“動腦”哪個更重要?關鍵點:拒絕優柔寡斷!mHG物理好資源網(原物理ok網)

各位物理老師、物理愛好者們,如果您對本話題感興趣,請您投票。同時,在文章末尾的評論區說明理由。mHG物理好資源網(原物理ok網)

在物理學中,有一類特殊的實驗:它們不需要購買昂貴的儀器,而只需要一個有邏輯的大腦;而且這種實驗可以挑戰前人的結論,建立新的理論,甚至引發人們對世界的新認識。這就是思想實驗。mHG物理好資源網(原物理ok網)

歷史上許多偉大的物理學家都設計過引人深思的思想實驗,比如伽利略、牛頓、愛因斯坦等。這些思想實驗不僅對物理學的發展起到了重要作用,而且顛覆了人們對世界和宇宙的認識。下面介紹一些物理學史上著名的思想實驗。mHG物理好資源網(原物理ok網)

1.慣性原理mHG物理好資源網(原物理ok網)

亞里士多德以來,人們一直認為力是運動的原因,運動中的物體如果沒有力的作用就會靜止下來。直到伽利略提出了下面這個著名的思想實驗,人們才了解到慣性原理——一個物體不受任何外力作用(或凈外力為 0),它將保持靜止或以恒定的速度做直線運動。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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想象一條垂直的 V 形光滑軌道,一個球可以在上面無摩擦地滾動。讓球從左端滾下來,它會在右邊滾到同樣的高度。如果減小右邊軌道的斜率,球仍然會滾到同樣的高度,但是它會在水平方向上滾得更遠。斜率越小,球要達到同樣的高度就要滾得越遠。現在想象右邊軌道的斜率繼續減小,直到變成水平。根據以前的經驗,如果沒有摩擦,球會繼續滾動,保持勻速直線運動。mHG物理好資源網(原物理ok網)

在任何實際實驗中,由于摩擦力無法忽略,任何現實實驗都無法嚴格證明慣性原理。這也是古人沒有推導出慣性原理的原因。然而,思想實驗可以做到這一點。只需將日常經驗延伸,任何理性的人都可以相信慣性原理的正確性。這個最簡單的思想實驗足以體現思想實驗的敏銳性!mHG物理好資源網(原物理ok網)

2. 兩個球同時落地mHG物理好資源網(原物理ok網)

受亞里士多德的影響,伽利略之前的人們認為,較重的物體下落得更快,而較輕的物體下落得更慢。伽利略著名的比薩斜塔實驗廣為人知,但很多人不知道的是,在此之前,伽利略已經通過思想實驗證明了兩個球必須同時落地。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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如果亞里士多德的斷言是正確的,那么想象一下把一個重球和一個輕球綁在一起,然后讓它們落下。由于重球下落得更快,輕球下落得更慢,輕球會拖住重球,給它一個阻力,讓它減速,所以兩個球的下落速度應該介于重球和輕球下落速度之間。但是,如果把兩個球看作一個整體,總重量大于重球,應該比重球單獨下落時下落得更快。因此,這兩個推論互相矛盾,亞里士多德的斷言是錯誤的。兩個小球必須同時落地。mHG物理好資源網(原物理ok網)

結合上面的思想實驗,兩個球同時落地不僅是物理規律,更是邏輯必然。在這個例子中,思想實驗發揮了現實實驗無法實現的作用:即使在我們高中學到的牛頓引力理論不適用的情況下,兩個球仍然同時落地!后面我會講廣義相對論中的等效原理。這個思想實驗的邏輯必然性,是愛因斯坦總結等效原理的關鍵因素。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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3.牛頓大炮mHG物理好資源網(原物理ok網)

如圖所示,一門架在高山上的大炮,以極高的速度水平發射炮彈,炮彈速度越快,下落的距離就越遠,一旦速度足夠快,炮彈就永遠不會落地,而是會繞地球做周期性運動。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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牛頓這個簡單的思想實驗,使人們第一次意識到,月球之所以不會落到地球上(也不會飛走),就是因為引力使蘋果落到地上!牛頓的引力理論初中物理熵,使人們的認識有了一次飛躍:天上的事物并不是“神圣的”,它們和地球上的普通物體一樣,遵循著同樣的規律。mHG物理好資源網(原物理ok網)

4.桶實驗mHG物理好資源網(原物理ok網)

用一根長繩子吊住一個水桶,讓它旋轉,直到繩子繃緊為止,然后往里面倒水。水和桶暫時靜止,液面明顯是水平的。然后突然反方向旋轉水桶,剛開始水面不跟著運動,水面還是水平的。但后來,水桶逐漸把運動傳遞給水,使水開始旋轉起來。可以看到水逐漸離開它的中心,沿著桶壁上升,形成一個凹面。運動越快,水上升得越高。如果此時突然停下水桶,水由于慣性還會繼續旋轉,液面還是凹的。牛頓認為,水的凹面不是水對周圍環境的相對運動造成的,而是由水絕對的、真正的圓周運動造成的。因此,可以用水的凹面來判斷絕對運動的存在。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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這個思想實驗是牛頓為了證明絕對空間的存在而設計的。然而眾所周知,牛頓的絕對空間觀和時間觀其實是錯誤的,也就是說這個思想實驗其實是一個失敗的例子。這個謬誤在一百多年后才被哲學家、物理學家馬赫指出。馬赫認為,水面凹陷不是因為水相對于“絕對空間”的運動,而是因為宇宙中所有其他物體的運動,通過引力對水產生了作用。起決定作用的物體是遙遠的天體,是遙遠天體的“參考系拖拽”導致相對于它們旋轉的液面凹陷。馬赫認為,絕對空間是不存在的,所有參考系都是等效的。如果水面能夠保持靜止,所有遙遠的天體能夠一起旋轉,按照馬赫的觀點,靜止的水面就會產生凹陷的液面。我們顯然不可能做這樣的實驗,但是如果用一個幾公里厚的水桶來做上面的水桶實驗,人們就無法確信牛頓對液面平整度和凹凸度的判斷了。后來,馬赫的觀點對愛因斯坦發明廣義相對論產生了決定性的影響,而馬赫原理本身也隨著廣義相對論的逐漸被證實而得到了廣泛的認可。mHG物理好資源網(原物理ok網)

5. 奧爾伯斯悖論mHG物理好資源網(原物理ok網)

在20世紀大爆炸理論提出之前,人們對宇宙的認識很簡單:宇宙是無限的、存在了無限的時間、處于穩定狀態、宇宙中的恒星在大尺度上均勻分布。然而,當時人們并不知道的是,這四個基本假設在邏輯上可以得出明顯與事實相反的結論——奧爾伯斯悖論。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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如果宇宙是穩定的、無限的、時空平整的,發光體均勻分布,那么由于發光體的照度與距離的平方成反比,而一定距離球殼內的發光體數量與距離的平方成正比,所有發光體的照度積分不會收斂,夜空應該是無限明亮的。mHG物理好資源網(原物理ok網)

但是,每天夜幕總是如期降臨,天空也并不總是無限明亮。這就說明我們以前對宇宙的認識存在問題。奧伯斯自己也給出了一種解釋,他認為宇宙中的塵埃和不發光的恒星吸收了一部分光。但是這種解釋是錯誤的,因為根據熱力學第一定律,能量要守恒,所以中間的屏障就會變熱,開始發出輻射,導致天空出現均勻的輻射,溫度應該等于發光體表面的溫度,也就是天空和星星一樣明亮,但事實上這種現象并沒有被觀測到。直到大爆炸理論提出,奧伯斯佯謬才得以解決。根據大爆炸理論,宇宙誕生于150億年前的大爆炸,而宇宙至今還在膨脹過程中,因此宇宙的存在時間是有限的貝語網校,并不是處于穩定狀態。四個基本假設中有兩個不再成立,奧伯斯佯謬自然瓦解。mHG物理好資源網(原物理ok網)

6.拉普拉斯妖mHG物理好資源網(原物理ok網)

牛頓之后,經典力學在描述世界方面取得了巨大成功,人們逐漸相信世界可以用物理定律機械地描述。更為極端的是,拉普拉斯信奉機械決定論,認為世界上的一切(包括人類和社會)都無法逃脫某些物理定律的控制。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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我們可以將宇宙的現狀視為其過去的結果和未來的原因。如果一個智慧在某一時刻知道所有自然力的運動和所有自然物體的位置,并且如果它還能分析這些數據,那么宇宙從最大物體到最小粒子的運動將包含在一個簡單的公式中。對于這樣一個聰明的人,沒有什么是含糊不清的,未來對他來說只會像過去一樣。”——拉普拉斯。mHG物理好資源網(原物理ok網)

拉普拉斯所說的“智能”就是后人所說的“拉普拉斯妖”。如果拉普拉斯妖真的存在,那這個世界就太可怕了:你我的一切行為都可以被計算,我們的命運嚴格由物理定律+初始條件決定。沒有什么是無法計算的,那人生還有什么樂趣!幸好混沌理論和量子力學的發展,讓拉普拉斯妖不可能永遠存在。量子力學告訴我們,物理量是不確定的初中物理熵,無法準確無誤地測量。混沌理論表明,只要涉及三個或三個以上的物體,初始條件的極其微小的差異就會導致截然不同的最終結果。從另一個角度看,拉普拉斯妖建立在經典力學的可逆過程之上,但現實系統確實滿足熱力學第二定律(熵增原理)的不可逆過程。因此,世界依然充滿不確定性和意外,人們也可以通過自己的主觀努力改變命運。mHG物理好資源網(原物理ok網)

7. 麥克斯韋妖mHG物理好資源網(原物理ok網)

中學時我們都學過熱力學第二定律(熵增原理):孤立系統中不可逆過程的熵總是增加的。“落葉歸根,覆水難收;灰燼重生,難復生;鏡子破碎,再也無法團聚;人生易老,返老還童只是幻想;煮熟的米飯不可逆……”這些都是熵增原理在現實生活中的反應,如今它已經成為物理學中最牢不可破的原理之一。然而,麥克斯韋曾經提??出過一個關于熵增原理的問題,讓人很困惑。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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一個隔熱的容器被分成兩個相等的隔間,中間有一扇由“麥克斯韋妖”控制的小“門”。容器內的空氣分子在進行不規則的熱運動時會與門發生碰撞。“門”可以選擇性地將速度較快的分子放入一個隔間,將速度較慢的分子放入另一個隔間。這樣,一個隔間就會比另一個隔間熱,系統的熵就會減少。這個溫差可以用來驅動熱機做功,這與熱力學第二定律相矛盾。mHG物理好資源網(原物理ok網)

反駁這一反對意見并不容易。有些人可能會認為麥克斯韋妖在開門和關門時會消耗能量,這里產生的熵的增加將抵消系統熵的減少。然而,開門和關門所消耗的能量并不是本質的,可以任意降低到足夠小的水平。麥克斯韋妖的真正解釋直到 20 世紀才被揭示。熵的問題一直是一個比較難理解的問題,我就直接引用趙開華先生在《新概念力學·熱力學》中的話吧:“麥克斯韋妖具有獲得和儲存分子運動信息的能力,它依靠信息來干預體系,使體系朝著違背自然方向的方向發展。按照現代的觀點,信息就是負熵。麥克斯韋妖給體系輸入了負熵,使其熵降低。那么,麥克斯韋妖如何才能獲得所需要的信息呢?它必須有一個溫度不同于環境溫度的微光源來照射分子,這就需要一定的能量,并產生額外的熵。麥克斯韋妖以此為代價來獲得所需要的信息(即負熵),而這個額外熵的產生又補償了體系中熵的減少。綜上所述,即使麥克斯韋妖真的存在,它的工作方式也不違背熱力學第二定律。”mHG物理好資源網(原物理ok網)

8. 雙生子佯謬mHG物理好資源網(原物理ok網)

愛因斯坦的狹義相對論建立了一種全新的時空觀,這一觀在當時是難以為人們接受的。因此,狹義相對論自提出以來就受到各種批評,其中最著名的就是雙生子佯謬。然而,無論受到怎樣的批評,狹義相對論都能給出完美的解釋,所有佯謬都被一一解決。研究這些佯謬,可以幫助我們更深入地理解狹義相對論中的時空觀。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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在狹義相對論中,運動的參考系的時間會變慢,這就是所謂的運動時鐘減慢效應。現在設想這樣的場景:有一對雙胞胎A、B,A留在地球上,B乘坐接近光速的飛船飛往宇宙深處。飛行一段距離后,飛船掉頭飛回來,最后落回地球,兩兄弟相見。現在的問題是:A認為B在運動時時間會變慢,因此B應該比A年輕;而同樣,在B看來,一直在運動的是A,變慢的是A的時間,因此A應該比B年輕。那么這兩兄弟誰更年輕呢?狹義相對論是否自相矛盾呢?mHG物理好資源網(原物理ok網)

其實,理解雙生子佯謬的關鍵,就是要明白A和B的地位是不對等的:兩人中只有B經歷了加速過程,而B在飛船掉頭時必然經歷一個加速度。因此,只有A處在狹義相對論成立的慣性系中,也只有A的觀點是正確的:當兩兄弟相遇時,B比A年輕。類似的效應已經被精密實驗證實。其實,只要利用狹義相對論進行細致的計算,同樣可以從B的角度理解B為什么比A年輕,但這需要繁瑣的計算,這里就不一一列舉了。至此,我們可以放心地說,狹義相對論在這個問題上并不存在任何矛盾之處。然而,出去旅行的雙胞胎兄弟回來時竟然更年輕,這一事實卻顛覆了大多數人的世界觀……但這是事實,你必須要相信!mHG物理好資源網(原物理ok網)

9.等效原理mHG物理好資源網(原物理ok網)

中學時,我們都學過質量的概念,但實際上質量有兩種:慣性質量和引力質量。慣性質量是 F=ma 中的 m,是慣性大小的量度;引力質量是 F=GMm/r^2 中的 m,是引力大小的量度。中學時我們不區分這兩者的原因在于,它們恰好相等。這一事實并非理所當然,愛因斯坦正是通過這一神奇的事實,總結出了廣義相對論的一個基本假設:等效原理。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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設想有一艘宇宙飛船在自由空間(無重力)中,以加速度a=9.8m/s^2做直線加速運動,如果里面有人向飛船中拋出一個小球,由于慣性作用,小球會以9.8m/s^2的加速度落到地面;這就好比一個慣性系處在引力場中。非慣性系中的慣性力與慣性質量成正比,而引力則與引力質量成正比。慣性質量等于引力質量,使得慣性力與引力兩種作用無法區分,這就是弱等效原理。愛因斯坦進一步推廣,對于一切物理過程(不僅僅是機械過程),自由空間中的加速運動參考系與引力作用下的慣性系在原則上是完全無法區分的,這就是強等效原理。mHG物理好資源網(原物理ok網)

“引力場中的所有物體都具有相同的加速度,也可以表述為慣性質量和引力質量相等這一定律,讓我立即意識到它的重要性。我對它的存在感到無比驚訝,并猜測它一定蘊含著更深入理解慣性和引力的鑰匙。”——愛因斯坦。mHG物理好資源網(原物理ok網)

10.薛定諤的貓mHG物理好資源網(原物理ok網)

薛定諤的貓可能是物理學界最著名的虛構動物。它是量子力學的奠基者之一——它是由薛定諤提出來的,目的是為了說明量子力學并不完備。mHG物理好資源網(原物理ok網)

初中物理熵mHG物理好資源網(原物理ok網)

把一只貓放在一個封閉的盒子里,然后將盒子連接到一個裝有放射性原子核和有毒氣體容器的實驗裝置上。假設放射性原子核在一小時內有50%的概率衰變,如果它衰變,就會發射出一個粒子,發射出的粒子會觸發實驗裝置,打開有毒氣體容器,殺死貓。根據量子力學,在觀察之前,原子核處于衰變和未衰變的疊加態,而貓處于死和活的疊加態,即“既死又活”(而不是很多人誤解的“半死”或“非死即活”)。但如果一小時后打開盒子,實驗者只能看到兩種情況:“衰變的原子核和死貓”或“未衰變的原子核和活貓”。現在的問題是:這個系統什么時候不再處于兩種不同狀態的疊加態,而成為其中一種?在打開盒子觀察之前,貓是死的,活的,還是既死又活的?這個實驗的初衷是想表明,如果不能對波函數和貓的狀態坍縮給出合理的解釋,那么量子力學本身就是不完備的。mHG物理好資源網(原物理ok網)

薛定諤貓是物理學家的噩夢,它把微觀的量子力學效應放大到宏觀的日常生活,讓一切都變得十分怪異。薛定諤貓的解釋牽涉到許多深奧的量子力學哲學理解,本文不再贅述。mHG物理好資源網(原物理ok網)

參考mHG物理好資源網(原物理ok網)

[1]許良英、范岱年主編,《愛因斯坦文集》第1卷,北京:商務印書館,1976年。mHG物理好資源網(原物理ok網)

[2]《關于托勒密與哥白尼兩種世界體系的對話》,周旭亮等譯,北京:北京大學出版社,2006年。mHG物理好資源網(原物理ok網)

[3]吳宗翰,周玉清,《物理學史與物理學思想方法論》,北京:清華大學出版社,2007。mHG物理好資源網(原物理ok網)

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