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视导随笔1——关于“大学物理”绪论 精选

已有 4714 次阅读 2022-11-16 19:57 |系统分类:科研笔记

全国绝大多数高校都有为帮助教师提高教学水平的“督导组”,我们称为“视导组”。名称不同功效稍有差异,都有出处。

“大学物理”是给非物理专业的学生开设的一门物理课。非物理专业的学生学习“大学物理”课的目的是用物理学的知识、思维方式、研究方法去研究他们自己专业的问题。“大学物理”的绪论课一般要介绍“什么是物理学?”、“为什么要学习物理学?”、“如何学习物理学?”等问题。

根据十多年视导工作的经历,对“大学物理”绪论课提出建议如下:

 

1. 加强对物理思想方法应用的介绍

物理学中很重要的思想方法是抽象与简化。实际问题是很复杂的,是难以直接研究的。物理学通过抽象与简化去掉部分次要因素,使问题变成不失本质、可研究的、简单的问题。科学研究过程也是如此。没有抽象与简化很难进行科学研究,没有前期的研究又很难合理地抽象与简化。

1:摆

物理学中的单摆是个经过抽象与简化的理想模型。它必须满足:1)摆角必须小于5°;2)摆线质量可忽略;3)摆线柔软;4)摆线不可伸长;5)摆球质量固定不变,摆球的直径要远小于摆线长度;7)摆要处于无阻尼环境;8)摆要处于惯性系中等,8个理想化条件。经过这些抽象简化,才变成既好研究又具有代表性的单摆。

真实的摆中有8个变量,如果不经简化,8个变量经过组合

 

即有256个问题,单摆只是其中的一个,余下的255个问题中,有的问题是可研究的,有些问题困难到当前还无法研究。(引用南京大学卢德馨教授PPT)

2理想气体压强

气体是由大量分子组成,每摩尔气体包含6. 022×l023个分子,即每立方厘米中包含2.69×l019个分子。为了理解这个数字的巨大,我们可参考宇宙的年龄,137亿年约等于l018秒。即,每立方厘米中包含的气体分子的数量约是宇宙的年龄以秒计数量的20多倍。气体压强是由大量气体分子与表面的碰撞引起。可见研究此问题的难度。

理想气体是经过抽象与简化的一种气体微观模型。

(1) 分子本身线度与分子间的平均距离相比可以忽略不计,分子可视为质点。

(2) 除碰撞的瞬间外,分子间的相互作用力可忽略不计。因此在两次碰撞之间,分子的运动可当作匀速直线运动。

 (3) 气体分子间的碰撞以及气体分子与器壁间的碰撞可看作完全弹性碰撞。分子与器壁间的碰撞只改变分子运动的方向,不改变它的速率,气体分子的动能不因与器壁碰撞而有任何改变。

物理学通过抽象与简化,只认真地研究一个气体分子的运动情况就解决了理想气体压强问题。(具体推导见教材相关内容。)

著名的俄国科学家巴甫洛夫曾经说过:科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。研究方法每前进一步,我们就更提高一步,随之在我们面前也就开拓了一个充满着种种新鲜事物的,更辽阔的远景。因此,我们头等重要的任务乃是制定研究方法。” 采用一个好的方法,可以事半功倍,而方法不当,往往就会事倍功半。

 

2. 要讲物理学与专业的关系

非物理专业的学生学习物理课的目的是用物理学的知识、思维方式、研究方法去研究他们自己专业的问题。物理教师要为学生在物理学与学生专业间搭建一座桥梁。从绪论开始就要讲物理学与专业的关系。例如学生是生命科学专业的学生:

量子力学是研究微观世界的一门科学理论,它的建立极大的颠覆了人们对世界的认识。量子力学是个关于原子和分子的亚原子世界理论,是支撑着现代物理学、化学和生命科学的理论。量子力学不仅作用于非生命现象,在生命现象中同样起着关键作用。没有量子力学,就无法解释酶的催化、光合作用、鸟的导航、鱼的嗅觉、基因突变等生命现象。

3光合作用中的量子效应

2019年第10Nature Communications最新报道,量子生物电子隧穿( QBET)结可以观察电子穿过具有不同势垒宽度的势垒分子隧穿的行为。使用QBET光谱,科学家们光学捕获活细胞中细胞凋亡和坏死过程中细胞色素c氧化还原动力学中的实时ET。活细胞中ET的无创实时QBET光谱成像通过提供一种捕获时空ET动态并揭示量子生物学机制的方式,开启了生命科学和医学的新纪元 。

加州大学伯克利分校的化学家格雷汉姆˙弗莱明带领的研究团队曾在2009年的《物理化学年鉴》上指出,通过光合作用得到的量子力学效应是绿色植物的一种关键能力,它可以瞬时地将捕光复合物分子中的太阳能传输给光电反应中心的复合物分子,完成能量的转移。光合作用中光子捕获的能量效率几乎为100% 

201419日的《Nature Communications》期刊上发表的一项最新研究,首次提出了光合作用中量子效应的明确理论证据。该项研究表明,植物细胞中的聚光大分子(light-gathering macromolecules),通过利用分子振动来传递能量。聚光大分子中的能量传递,是在发色团的特殊振动运动的协助下进行的。能量利用量子现象,以一种波浪式的方式进行传递。

光合作用中,植物和细菌对于俘获光子后发生的分步的、对质子的量子式释放,利用量子生物学的理论,已获得显著的研究进展。最近的研究已经确定了在光合作用的光收获阶段,不同的色素的激发态之间的量子相干性和纠缠

4催化作用中的量子效应

酶对生命至关重要,酶是生命的引擎。所有生物和人类生命的每一个过程,无一不由酶来加速。古生物学家玛丽·施魏策尔仅仅几十分钟之内,紧密结合了6 800万年的胶原蛋白链就被该酶破坏了。通过比较两个反应的时间──没有加酶时胶原蛋白自身分解消失的时间要大于6 800万年,加入恰当的酶后胶原蛋白分解的时间大约30分钟,我们可以粗略地估计酶让反应变快的比率:是1012倍。加州伯克利大学的朱迪思•克兰曼和曼彻斯顿大学的奈杰尔•斯克鲁顿等人发现,酶有一个神奇的量子小窍门——隧道效应。酶通过量子隧穿将它们从分子的一部分传输到另一部分。这效率非常高,很快,实验和理论的发现都支持酶促反应中包含量子隧道效应

 

物理教师要为学生在物理学与学生专业间搭建一座桥梁。从绪论开始就要讲物理学与专业的关系。讲物理学与专业的关系需要贯穿全课程,它是教学成功的关键。否则教师讲了一头汗,学生一片茫然,他们中的相当一部分人在想:你讲的内容与我的专业有什么关系?我为什么要学它?

 

真诚的欢迎您的批评,借用您的智慧完善我的思想。




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