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雷科技 2021-11-28

《张朝阳的物理课》第七课再现经典力学窘境 量子力学微露曙光

当实验和理论计算出来的数据不一样,是否意味着物理学错了?经典力学原来不是万能的?11 月 28 日 12 时,搜狐创始人、董事局主席兼 CEO 张朝阳坐镇搜狐视频直播间,通过对双原子气体的理想气体方程、KT 与气压和内能关系的演算,带领网友重温经典力学的第一次窘境,科普了 " 两朵乌云 ",由此引入 20 世纪相对论和量子力学的概念。

结合第六期 " 温度的故事 ",张朝阳简单复习了从理论和实验推算出来的理想气体状态方程。他指出,我们经常遇到的不是氦气这类最接近理想气体的单原子气体,那么双原子气体,比如氧气、氢气、氮气,是否也适用理想气体状态方程?

张朝阳卖个关子," 实验证明是对的,但理论上怎么解释呢?" 他说," 今天主要研究一下双原子气体的情况,就微观的情况来解释。" 计算涉及到自由度、平动动能、转动动能、振动动能、势能等概念,并使用波动方程、理想气体状态方程 pV=nRT、比热容比 γ =Cp/Cv,得出 γ 的值为 1.4。

张朝阳计算比热容比 γ

张朝阳借助能量均分定理做推导。在经典统计力学中,能量均分定理是一种联系系统温度及其平均能量的基本公式。为了方便网友理解,张朝阳将此比喻成蓄水池、口袋和遗产分配。

然而问题出现了。根据能量均分定律,计入双原子气体的平动动能、转动动能、振动动能和势能后,计算结果为 1.286,并不等于 1.4。张朝阳又试图去掉势能,结果是 1.3,依然小于 1.4。" 这是经典力学的第一次灾难。" 张朝阳介绍,1900 年新春之际,物理学家开尔文在演讲中提到,19 世纪已将物理学大厦全部建成,但物理学的天空上,还飘浮着两朵小小的,令人不安的乌云。一朵为以太漂移实验的否定结果,另一朵为黑体辐射的紫外灾难,包括气体比热中能量均分定律的失败。

张朝阳指出,在那个年代,经典力学堪称解释一切。正是遭遇到这样的挑战,才触发了相对论的发现和量子力学的发展。张朝阳在去掉势能的基础上,继续减去振动动能,只保留平动动能和转动动能,终于得出 γ 等于 1.4 的结论。随后,他用量子力学的能级概念,验证了计算过程。" 这是当时开尔文解决不了的,等 20 世纪量子力学出来才解决。"

自 11 月 5 日开始,《张朝阳的物理课》已直播七期。在第一、第二课中,张朝阳科普了 " 力 " 和 " 速度 ",并现场计算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行的圈数;第三、四课的内容则一脉相承,和 " 振动 " 相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚太阳颜色不一样的原因,以及天空呈现蓝色的秘密。第五、六课,则引发了关于音速和温度的大讨论。今天的课程则则重温 19 世纪经典力学遭遇的第一次窘境,带领网友首次触摸量子力学。

《张朝阳的物理课》不仅解释了生活中常见现象背后的原理,还层层深入,将知识点落到物理公式上。他通过第一宇宙速度、第二宇宙速度、库伦定律、简谐运动等,层层递进,步步演算,得出了瑞利散射、单摆、物理摆、理想气体状态公式。课后,网友还可通过 " 直播白板 " 复习。也有 " 课代表 " 将每堂课的笔记,发布在搜狐新闻客户端 " 关注流 " 上,便于网友查漏补缺。

观察生活现象 + 解释背后原理 + 推导演算公式,结合六期《张朝阳的物理课》可以看出,直播课程都是从日常现象引入,先帮助网友理解现象,提升兴趣,接着 " 透过现象看本质 ",解释物理知识,反过来解决生活中的问题。

这也印证着课堂开始的观点:" 物理是算出来的,玄乎其玄的科幻概念和实证有区别。" 张朝阳认为虽然物理并不轻松,但每个人不应该觉得自己可能学不会一件事而不去学,恰恰相反,聪明在于过程,看起来枯燥的物理知识如果经过分解后再理解,并不一定比生活中的事更困难。张朝阳鼓励网友应该打破思维的边界,科学学习,希望每个人都能对这个世界充满更多的好奇心与勇气。

据了解,在未来课程中,张朝阳还会解答宇宙大爆炸和光子辐射。通过设置一个个话题,以深入浅出的讲解方式,利用物理学解释生活现象,达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,借此激发科学学习的热潮。该课程将于每周周五、周日 12 时在搜狐视频直播。

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