物理课本需要这种透彻细致的讲解(看伟大物理学家怎样讲解平凡的热传导)

科学的故事 2024-11-21 16:39:55

不少物理课本,似乎流行一种病。这就是,它们对知识的讲解,非常粗疏,非常简略。无论是对现象的描述,还是对概念的阐释,都是如此。

读这种书,让人有一种感觉,好像正在说的事情没什么意思,没什么可谈的,或者面前的事情太简单了,没什么需要停下来细细体会和思索的地方。

我们在许多事情上都欣赏细腻。我们听歌曲,会欣赏歌手细腻的演唱;我们读小说,会欣赏作者细腻的描写;我们欣赏细腻的工艺;我们追求高像素的手机——想把细节看得更清楚。

可是一打开有些物理课本,你就会看到全天下最为粗疏简略的东西。好像谁都需要细腻,唯独科学不需要,唯独科学只配得上粗疏!人们难道忘了,科学属于人类创造出的最为精微(同时也最宏伟)的“产品”吗?

更要命的是,有些人用惯了、见惯了这种课本,于是认为,物理课本就该这样写,只能这样写,别的写法都不对,都不合适。

可是,我分明记得,许多年前读《费曼物理学讲义》,最大的感叹之一就是,费曼对每件似乎很不起眼的事情,讲得多么细致呀!后来,我又在别的最杰出的物理教科书中,一再遇到这种细致。

纪录片“James Clerk Maxwell - The Man Who Changed the World”海报

麦克斯韦是历史上最伟大物理学家之一,是费曼心中的3位物理英雄中的一位。麦克斯韦为大学低年级学生写过几本教科书,如此伟大的麦克斯韦,会怎样向新手解释物理呢?他从事的研究是那样深奥,那样复杂,在给新手讲授最基础的物理知识时,会不会觉得很乏味,所以草草了事?

我从他的书中挑几小段,翻译出来。这几段讲的是热传导(回忆一下,您读到的课本,对热传导一共用了多少笔墨?)。

“(在介绍了一个实验后,麦克斯韦接着说)热量从物体的较热部分传到较冷部分的过程,叫做热传导。当物体中发生热传导时,热量所来自的部位的温度,一定比热量所传向的部位的温度高,而且,穿过物质中的任何薄层的热量大小,与薄层两边的温度差有关。

比如,把银质小勺放进一杯热茶,小勺在茶内的部分很快变热,相比之下,小勺刚露出茶外的部位是冷的。由于这两部分温度不相等,热量立即沿着金属从A向B流动。热先把B加热一些,使B的温度比C高,然后,热量就从B向C流动,就是以这种方式,一段时间后,小勺的末端摸上去就是热的了。

“发生热传导的关键是,在路途中的每一部分,热都是从物体较热部分向较冷部分走。在A变得比B热、B变得比C热、C变得比D热、D变得比E热之前,没有热量可以传到E。为了做到这一点,需要在小勺的中间部分消耗一定的热量,先把小勺的中间部分依次加热。所以,把小勺放进茶杯后,在起初的一段时间里,我们察觉不到小勺末端的温度发生变化。

当物体的任何部位由于热传导而变热时,把热量传给它的那个部位必须要比它更热,更上游的部位必须还要更热。

“现在,如果我们用德国银勺与刚才的银勺并排放进热茶杯,我们会发现,在银勺末端变热之后,还要等很长时间,德国银勺的末端才能变热。如果我们再把用动物的骨头或角做的小勺放进去,那么,不管我们等多久,我们都察觉不到它们的末端变热。

“这表明,银勺传热比德国银勺快,德国银勺传热又比骨质或角质小勺快。小勺的末端永远不可能变得与茶一样热,原因是,小勺的中间部分在变冷,一方面由于热量从它们传到挨着的空气中,另一方面热量通过辐射散布到空间中。

“用温度计测量较热物体的温度时,热量首先加热温度计的玻璃泡,只有等玻璃泡已经被加热后,热量才能到达玻璃泡内的液体(水银等)。为了表明这一点,拿一个玻璃泡很大的温度计,眼睛盯着细管内的液体,向玻璃泡上浇一点热水。会看到,细管内的液体先下降,然后才开始上升,这表明,玻璃泡先发生膨胀,然后玻璃泡里面的液体才开始膨胀。”

然后,我们看到一个小标题,“辐射”。在这个小标题下面,我们读到:“在冬季没风的日子,我们感到阳光的温暖,尽管水正在结冰,冰又干又硬。”麦克斯韦用这样一句话开始他对辐射的讲解,他用这句话使我们立即看到,辐射传热与热传导存在多么大的不同!

这种细致入微的讲解,会对学生的大脑,产生多么有益的作用啊!

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