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夯实基础 行稳致远

夯实基础    行稳致远

——记陈敏华博士应邀来公司讲学

“我们需要创新，找到一个一个的机会点”,2020年7月任正非先生带队访问上海交大、复旦大学等高校时如是说。作为一家致力于等离子体技术基础和应用研究的创新型研发公司，西安航科等离子体公司高度重视自主创新，近年来不断加大研发投入，力求实现卡脖子技术的突破。

基础知识是创新的根基和源泉。在邀请多位科研院所、高校的教授、博导莅临讲学后，为进一步夯实研发团队基础能力，8月4日至7日，公司特地邀请了浙江省绍兴市鉴湖中学物理特级教师兼浙江师范大学物理学科教育研究生导师陈敏华博士，依托德国卡尔斯鲁厄大学物理教材（该教材充分体现了德国物理教学的严谨性和系统性，对物理概念的外延、内涵有深刻的阐述，对物理学专业学习会产生不可估量的深远影响，下文对该教材简称KPK），利用三天时间，系统梳理了力、热、电、磁、波动及原子和原子核物理的基础。

    陈老师有着40年的物理教学与教育研究经验，以其极为严谨的研究态度和教书育人的责任感，为全体学员带来3天精彩的课程，受到了大家一致好评。本次培训不仅对大学力学、大学电磁学、大学热力学和大学光学的KPK教材进行很好的导读，陈老师更是向大家传递了德国Falk教授、Herrmann教授及他本人关于物理学的现代观点。对这些基础概念更深的理解，对于开展创新性研究大有裨益。培训共分为8讲，每一讲的内容都非常丰富。接下来小编在每一讲中采撷一个小知识点，与各位分享。

一、高屋建瓴的认识论、方法论

第1讲题目是《物理学的四大范畴》。

本讲陈老师介绍了物理学的四大范畴、吉布斯的基本方程、广延量的守恒和不守恒等内容。

与KPK教材风格一样，陈老师课堂贯穿了大量的不同物理分支领域的类比，例如在讲电磁学概念时候，会用力学的概念进行类比，从而帮助学生加深对概念的理解，建立起不同分支领域的联系。那么什么是建立电荷、动量和转动惯量的纽带和桥梁呢？答案来源于本讲。

如果有人说电流概念可以不存在，这个冒天下之大不韪的说法一定会遭人嗤之以鼻！

但是当知道了对物质的第一次抽象——性质、第二次抽象——物理量、第三次抽象——物理定律（数量关系），电流这个物理量只是人们根据研究需要，为了对物质二次抽象而定义发明的，仅此而已。假设电流不重要（当然截止目前它非常重要），电流这个概念也不是神圣不可侵犯的。因此，物质以及对物质的三次抽象，和更进一步的广延量、强度量和流的概念，架设起了物理各个分支学科的桥梁。

二、熟悉又陌生的动量流

第2讲的题目是《牛顿运动定律的动量解释》。

无论是电流还是动量，大家应该不陌生。但是很少听说动量流这个概念，其实动量流就是我们平常说的力。别晕，再往下听就更要睁大眼睛了。

桌子上的书为什么静止不动？受力平衡，没错！但是因为有超距作用嫌疑，这个解释不够好。听听KPK怎么解释吧：引力场源源不断给书输入动量流，然后，流经书本的动量流沿着桌子全部流入了地球。这里引力场像电场一样，是用来传递动量的介质。怎么样？不知道听完这个解释，您有没有和小编一样有耳目一新的感觉。

三、关于角动量守恒的两个误解

第3讲题目是《角动量守恒定律》。

陈老师指出，守恒说的是广延量不会产生和消灭，而不是任何物理量的不变。根据这一理解，角动量守恒是不需要合外力矩为零的条件。但教材往往混淆角动量不变和角动量守恒。出于好奇，小编回家翻出了大学时代的《大学物理》，果真教材中混淆了角动量不变和角动量守恒。概念的偏差会造成什么影响呢？值得深思。

在教材中，角动量守恒定律是从牛顿运动定律推导出来的。那是不是可以认为角动量守恒定律是牛顿运动定律的推论？答案当然是否定的。按照对称性原理，动量守恒定律与空间平移对称性对应，角动量守恒定律与空间转动对称性对应，能量守恒定律与时间平移对称性对应，它们是独立的物理定律，泾渭分明。可是这个误解如何澄清呢？陈老师坦言，他也曾被这个问题困扰。课堂上，陈老师引用了Daniel J. Cross教授在《美国物理学杂志》发表的《力矩与转动第二定律的物理学逻辑起点》一文，阐述了强牛顿第三定律和弱牛顿第三定律的区别。正是因为推导中，使用了强牛顿第三定律，实际上，已经把角动量守恒定律引入了定律的推导过程中。

四、c不是光速

第4讲题目是《狭义相对论的研究对象和公理》。

质能方程中的c,如果简单理解为光速，就会造成这样一种误解：质能方程要受到光的限制。陈老师特别指出，这是自然界中所有物质的极限速度，不是光特有的。在极限速度面前，光子和其他粒子没有区别。

极限速度概念之所以被光速替代，是与狭义相对论的起源有关——历史上，狭义相对论是从观察光速与参考系无关这个现象开始的。

五、厨房设备可测量熵的增量？

第5讲题目是《热力学定律的熵理解》。

“熵”是一个容易令人“受伤”的概念。然而，在KPK教材中，简单明了地指出熵就是衡量热的多少的物理量（注意，不是热量）。而且，陈老师还教我们用厨房设备测量一杯水加热时的熵增量。是不是要惊掉下巴了。我们一起看陈老师如何做的。

器材与原料：秒表、温度计、浸入式加热器（俗称，热得快）、烧杯、水。根据dE=TdS，可知dS=dE/T=P dt/T，这样便可以根据热得快的功率P和加热时间得到熵的一个增量dS。我们把这个增量从初试温度到终了温度进行积分或者求和，便可以得到水增加的总熵。

六、为什么“同性相斥、异性相吸”？

第6讲题目是《电磁学中需要强调的几个工具》。

大家在初中就学过，电荷具有同性相斥、异性相吸的性质，但是，由于没有引入电场的概念，很少会向学生解释原因。陈老师通过弹簧做比喻，形象地解释电场的应力状态：在电场线方向电场处于拉伸状态，而垂直电场线方向电场处于压缩状态。

我们都知道，场是一种物质。在同一空间，物质在不同方向可以同时处于拉伸和压缩状态。基于上述场的应力状态的特点，对“同性相斥、异性相吸”就很好理解了——“同性相斥”是因为电场把两个带同种电性的带电体拉开的；“异性相吸”是因为电场把两个带异种电性的带电体拉拢的。

七、小朋友都可以明白的共振演示

第7讲题目是《波动与信息》。

在波动与信息一讲中，陈老师为大家讲解了振动系统、波前等内容，包含一维波、二维波和三维波、波的叠加与干涉等内容。令小编印象尤为深刻的恰是一个演示共振的小实验。

如果用最简单明了的方式解释共振现象，你会怎么做？弹簧振子是一种方案，比起弹簧振子，单摆在生活中更容易得到。假设一个人站在地面上，手里提一个连接摆球的线，构成了一个最简单的单摆系统。对于这个系统，陈老师首先强调了作为一个振动系统，绳子、摆球、地球和地球周围的引力场共同组成了单摆振动系统。接着外力的频率（由人的手提供）特别低的时候，单摆不会摆动，只会跟着人的手平动；当外力的振动频率特别高的时候，单摆一样摆动不起来；只有当外力的振动频率与单摆的固有频率相同时，单摆才会像秋千一样越荡越高，发生共振现象。

八、原子如何构建？

第8讲题目是《原子和原子核物理学》。

原子和原子核物理一篇中，陈老师介绍很多数据和新颖的概念，而且很多数据和概念都以令人印象深刻的图示方式进行展示。以原子大小为例，我们知道，原子半径量级是10-10m。若进一步深究，不同原子的半径有什么变化规律？较为准确的数量是多少？陈老师向我们展示了KPK教材中的内容，并且以氦原子为起点，用加一个质子、再添加一个电子的方式，展现了原子半径周期性变化的规律。

（图片来自KPK高中物理教材，经陈敏华老师同意贴出）

3天的集体学习在老师的精彩讲授和学员们热烈讨论中很快过去了。通过此次培训，西安航科的研发团队不仅了解了德国KPK教材中对物理概念的全新阐释，也更好地梳理了已有的基础物理知识体系。相信公司研发团队，在今后研发过程中，会更加关注基础概念的学习和应用，也预祝科研人员早日再取佳绩。

供稿：高鑫       编辑：赵伟

https://mp.weixin.qq.com/s/IFJE7AIlTymQecJCE5l0Kg“侨心向党 共庆百年”柯“侨”人物（17）陈敏华：敏而好学 精而求专

https://mp.weixin.qq.com/s/ZRLtXkfbBfnsYMDatmlGkg[德]赫尔曼著，陈敏华译，卡尔斯鲁厄物理课程全套13册教材