物理学不好,公式背不下,是因为没掌握好方法?

教育   教育   2024-12-02 20:56  

 

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在思考如何能让读者更好地“读懂”少年时77期《从静电、动电到“飞翔的电”》的时候,我抱着这样一个疑问去了编辑部:


“‘电磁学’这个题材可能比较冷门,不太容易吸引读者的兴趣,你们为什么要策划这样一本书?”


编辑部是这样回答我的:


“首先,‘电’是我们必然会做的一个主题。生活在这样一个电气化的时代,不让孩子深入了解电知识是不行的;其次,我们当初策划这本书的本意之一,就是为了讲‘麦克斯韦方程组’。它是与‘电’相关的学科的重要枢纽。离开了这个枢纽,整本书就连不起来了。”


既然“麦克斯韦方程组”对了解电磁学相关学科知识如此重要,那么我们不妨就从麦克斯韦方程组入手,来看一看这本书是如何深入浅出地讲解电磁学知识的。



“麦克斯韦方程组”何以有着连接电磁学知识的中心地位?

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是一位英国的天才理论物理学家,他站在巨人的肩膀上,用简洁的四个数学公式,推导出“电”与“磁”的相生关系,为电磁学奠定了扎实的科学基础,并揭开了电磁波的秘密。可以说,没有电磁学就没有现代电工学,也就不会有现代文明。
麦克斯韦肖像

如何用“麦克斯韦方程组”串联起电磁学知识?

如果我们将书中的内容用一张图来表示,它应该是这样的:
建议把手机横过来,点开看大图
(更正:图中第三式、第四式应为“叉乘”):
绿色方框里的内容,代表电磁学的基础学科;
蓝色椭圆框里的内容,代表电磁学的应用学科;
粉色椭圆框里的内容,代表与其他学科的衔接(本书未涉及)。
从这张图中我们可以看出电磁学基础学科与电磁学应用学科,以及其他学科之间是如何相连接的。
比如,从麦克斯韦方程组的第三式,可以推导出法拉第电磁感应定律,将定律运用于发明创造,便产生了最早的圆盘发电机,而后才有了直流发电机、交流发电机等技术设备。这些技术设备的渐趋成熟,使得我们有能力将电力传输到更远的地方,并建立起规模庞大的复杂电网,以供亿万级家庭日常生活使用。同时,由于发电消耗的化石能源对环境造成严重污染,我们已经开始了对新型清洁能源的探索和开发,例如风能、水能、太阳能等。未来,当人类掌握了成熟的可控核聚变技术后,对能源的利用效能将发生质的改变。
这就是从科学研究→发明创造→应用的整条通路搭建过程,也是《少年时》很多主题书中反复讲述的科学探究过程,由此,孩子们才可以掌握方法,而非分割的知识点。
在感叹前人伟大的同时,我们更希望读这本书的孩子们能够从中获得启发和兴趣,学习前人的智慧,沿着他们的道路继续科学研究和发明创造,推动人类文明持续前进。

“麦克斯韦方程组”串联起课本中所有考点

实际上“麦克斯韦方程组”并没有出现在中学课本里,只有上大学以后,相关专业的学生才会接触到。
而《少年时》的编辑们却大胆地把它放在书中去讲解,在串联起整个电磁学发展历程和知识的同时,也囊括了所有中学课本中会接触到的知识点和考点。
如果没有麦克斯韦方程组这样一个核心,知识就是零散的、浮于表面的,孩子学习时无法形成对电磁学知识的深入理解和知识网络的搭建,单靠死记硬背概念,根本谈不上获得了知识。
你可能会担心,书里这么多公式,会不会很难呀?孩子读不懂怎么办?
确实,这本书包括了很多学科的内容:
静电学、静磁学、电磁学、电路学、电力学、电机工程学、电子学、微电子学、固体物理学、天体物理学。
但是《少年时》的编辑们,采用的是这些学科的最基本的原理,介绍这些原理的关系,使读者能够建立一个网状关系(参照上面的图)。这种关联思维,作为教科书的辅助读物,是很有用的。因为采用的是最基本的原理,所以通常难度也不会太大。


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特别声明:《少年时·从静电、动电到飞翔的电》包含在少年时第七辑内,订阅过2021年第本辑少年时的读者,可不用购买。



进击的电磁学——和孩子一起来开脑洞

书中还隐藏了一组关系,是拓展认知边界,日常开脑洞的不二之选,那就是从“最小”到“最大”,从微观到宏观的关联模型。
人类从观察自然界中的电现象,到研究微观世界里的电子运动方式,再到用公式推导出电磁波,并且发现宇宙中几乎每个角落都存在着电磁力。

电磁力对宇宙的演化起了重要的作用,也使我们可以通过观察电磁辐射和喷流,来观察脉冲星、黑洞、星系等天体的活动。

书中讲述“太阳受电磁力影响抛射日冕物质的原理”


而电磁力是宇宙中四种基本作用力当中的一种,其余三种还包括引力、强相互作用力和弱相互作用力。这四种力在强度、作用范围、作用大小和作用对象上都不同,比如引力让地球围绕太阳公转,强相互作用力让质子和中子结合成原子核,弱相互作用力则影响中微子等粒子。

提及这四种力,就终于算是摸到了物理学研究的前沿地带——统一四种力的大一统理论。目前尚没有一个公认的物理学理论或定律,可以把这四种力都包含进去描述,就像麦克斯韦方程组所做的那样,将电与磁放在一个简洁的数学公式里。不得不再次感叹麦克斯韦的智慧,难怪物理学界流传着这样一句话:
上帝说要有光,于是便有了麦克斯韦方程组。

带着问题去看书

让孩子带着问题去看书,能够提高阅读的质量。家长也可以在孩子看完书后用这些问题去“考一考”孩子,看他是不是真的掌握了书中的知识。
右滑看答案,详细内容请去书中查看。
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