当今为什么不应该降低物理基础教育的难-磁共振弥散相
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当今为什么不应该降低物理基础教育的难
咱们先详细看一看物理学的全貌,再看一看现在高中阶段的物理知识占了这全貌的多大比重。物理学的全貌
我承认,自己稍微有点飘了,全貌二字怕是架御不了,不足之处还望诸位指教。物理学的其中一个知识体系是五大力学:
先警告一下!这部分内容都有点长且枯燥无趣。
1.理论力学
分为3大部分:牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学。
牛顿力学比较多那就是三个牛顿运动定律(我我相信大家都很清楚)。使用的都差不多数学工具是微积分,牛顿第二定律不过是个常微分方程(F=ma?外行才用!)。牛顿力学的内容还是可以再加万有引力定律。
牛顿第二定律
拉格朗日力学、哈密顿力学的要注意思想是极值原理(也叫大于作用量原理)。可以使用的基本数学工具大都变分法(比微积分略难的数学)。
拉格朗日力学的主要内容是欧拉-拉格朗日方程。哈密顿力学的主要内容是哈密顿-雅可比方程。这两个方程是可以用勒让德变换彼此间转换。
欧拉-拉格朗日方程
哈密顿-雅可比方程
2.经典电动力学
是可以分为两部分:麦克斯韦方程组、洛伦兹力方程。
麦克斯韦方程组具体描述场源与电磁场的关系,最常见的形式是4个偏微分方程(肯定有点难懂,但这已经是最简单的形式了)。这4个方程分别具体解释:电场、磁场、磁生电、电生磁。不使用的数学工具是矢量分析(可以简单解释成矢量代数和微积分的结合)。
麦克斯韦方程组
洛伦兹力方程具体描述电磁场对场源的力的作用。不使用的数学工具是矢量代数。
3.相对论力学
由狭义相对论、引力理论这两个部分分成。
狭义相对论可以归到最经典电动力学中,是对经典力学的俢正。主要内容是洛伦兹变换。接近光速时,钟变慢、尺变短、物变沉,质能转化成那些结论都出处狭义相对论(这些结论都源自洛伦兹变换)。使用的数学工具:微积分、闵氏数学几何。(再提一句,懂麦克斯韦方程组是没资格说自己懂狭义相对论的)
洛伦兹变换
当然了广义相对论,基本上思想是:时空告诉物质要如何运动,物质帮帮时空如何弯曲。主要内容是爱因斯坦场方程(二阶非线性偏微分张量方程,看不明白就对了)。使用的数学工具是黎曼几何、张量分析。
爱因斯坦场方程
4.热力学和统计力学
肯定是分为:热力学、统计力学。
热力学详细解释宏观现象,是统计计算力学的宏观和微观表述形式。主要内容是热力学四定律。第零定律:热平衡。第一定律:能量守恒。第二定律:熵增定律(这个可以由克劳修斯不等式能得到)。第三定律:绝对零度绝对不可达。实现理想气状态方程也是其基本内容。在用的数学工具:微积分。
克劳修斯不等式
统计力学具体解释微观粒子运动的统计规律,是热力学的微观表述形式。主要内容是玻尔兹曼速率分布律、能量均分原理。不使用的数学工具:微积分、概率论与数理统计、……。
5.非相对论量子力学
最起码有矩阵力学、波动力学、路径积分这三种形式。
只提一下波动力学,主要内容是薛定谔方程(偏微分方程)。学量子力学时不学薛定谔方程,看上去像学牛顿力学时不学牛顿第二定律。
况且使用的数学工具,有:微积分、变分法、线性代数、矢量分析、复变函数。(不懂希尔伯特空间,没资格说自己学过量子力学,比如说我)
薛定谔方程
上面这些内容仅只不过是基础知识,要是如今的物理学大厦应该是高中数学,那上面的内容不仅仅超过加减乘除。
再说这个基础头顶之上有什么?
像现代流体力学、古代声学、量子统计、量子电动力学、弹性介质力学、量子场论、量子色动力学、凝物理反应物理、标准粒子模型、混沌理论、弦论、M理论、……
(路漫漫其修远兮)
目前的高中物理知识
力学和电磁学是高中物理的大头,咱们主动对标一下上面的内容。高中力学-----理论力学
理论力学的三个部分,高中的力学只涉及到了牛顿力学(占33%左右)。
牛顿力学中有两个最重要的守恒定律:动量守恒和角动量守恒,而高中力学全部不提角动量,这再是让知识转弱缩水程度(占18%左右)。
前说过过,牛顿第二定律本身是个常微分方程。而不懂微积分,你咋能懂微分方程?不懂微分方程,你又咋能懂牛顿第二定律?(占9%以内)
能够得到结果:高中力学只占理论力学的9%以内。
高中电磁学-----经典电动力学
高中电磁学有洛伦兹力方程,这一点还确实不错,但超经典电动力学的大头是麦克斯韦方程组!
看一下麦克斯韦方程组的四个方程:(每个方程占比10%;洛伦兹力方程占比10%;集齐麦克斯韦方程组全套方程,占比50%)
1.描述电场有散无旋的高斯定律。(无公式,0%)
2.描述磁场有旋无散的高斯磁定律。(无公式,0%)
3.具体解释磁生电的电磁感应定律。(有公式,但还没有反映涡旋电场,5%)
4.详细解释电生磁的全电流定律。(无公式,0%)
能够得到结果:高中电磁学只占比较经典电动力学学的15%左右吧。
况且高中物理的以外内容,占高考物理卷的分值不大,大部分高中生的精力也在那上面,就不继续讨论了。
总结
高中力学只占理论力学的9P0左右。高中电磁学只占很经典电动力学的15p左右。
而理论力学、比较经典电动力学仅仅只像现代物理的基础知识。
大家感觉,高中物理再降底那些要求合适吗?初中物理再减少要求适合吗?
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