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内能的逻辑链整理


写完上一篇后,我已经尽量不写这个专栏了。因为我发现,到了这个阶段,我说的越多, 女儿和外甥女学得越少。这就像她们小时候学二胡和小提琴,周末去老师家上课,上完了 ,剩下的时间都是自己练,这个自己练是枯燥,痛苦和“不好看”的,但这个过程才是“学会 ”的过程,如果你上完课,再找一个老师来给你再讲一次怎么拉琴,看起来你在努力,其实 你一点都没有学会。二胡和小提琴是这样,语文数学物理化学也是这样。所以,不要补课 ,补课没有任何好处。除非你要像学二胡小提琴那样,学一些“新”的东西。

所以,本文也不是要“补充知识”,或者代替你们来建这个逻辑链,只是作为一个例子,给 你们“表演”一下,逻辑链可以怎么建。

在工业革命的过程里,由于应用的需要(做汽车,做飞机等),人们对“机械能”的认识达 到了很高的水平,从机械能上,人们体会到了“能量守恒”这个特性,人们发现势能基本上 可以等价地转化为动能,反过来也一样,比如一个摆:

    .. figure:: _static/摆.jpg

它在左边的高度开始掉下去,速度从0变成一个最大值,然后看着它升到右边,可以获得一 样的高度(如果忽略摩擦力之类的影响),我们看着它从高度变成速度,速度再变成高度 。人们做了各种各样的实验,最终发现,这个“能量”的转化过程是“守恒”的——除了“摩擦力 等”的“影响因素”。

但问题常常总是出现在“影响因素”上的,“摩擦力”(或者其他类似的影响)的本质是什么?

动能和势能,是一种“整体能”或者说“宏观能”,如果我们把一个物体看做是一堆“粒子”的 组合,它的动能和势能是所有粒子的动能和势能的和(图中只用动能做例子):

    .. figure:: _static/内能.jpg

从这个角度来看,我们就可以理解到底什么是“内能”了,对于原来研究宏观物理的人看来 ,物体整体表现为的动能和势能,有一些无端端丢失了,去了哪里?那些宏观上丢失掉的“ 外能”,我们就认为它跑到“内能”中了。从上面那幅图上看,你就会发现,这种内能,很大 程度上主要就是两个转化途径:热能(粒子本身的动能,摩擦力一定程度上可以理解为碰 撞导致粒子弹射,转向,变成一种内部的动能)和化学能(原子结合成分子,因为电子能 级改变而吸收和释放的能量,一定程度上可以看做是微观的势能)。其实还有其他的途径 ,比如粒子距离改变形成部分的引力带来的其它势能变化等。

所以,一个化学或者物理过程到底是吸热还是放热(热是微粒的动能,是一种物理能), 不取决于你是否对它加热,而取决于这个系统的最终状态。你点燃火药,是对它加热,但 反应的过程是火药在放热,因为加热只是让分子的化学能量散发出来,目标系统并没有吸 收你点燃时给的能量。类比到宏观系统,你有一个小球放在10楼,你用力把它推下去,小 球的能量(势能)被释放出来了(变成动能),并不是简单吸收你推它的那个动能。

这样整理后,我们就有一个各种情形都“通”的逻辑,可能解释我们知道的所有“现实”。这 样,我们再得到新的“知识”的时候,就更容易思考,和发现这个新的知识的“关注点”到底 是什么了。只有你有这种能力了,你才能从经典物理,升级为量子物理这样的现代科学去 。这不需要每个点都总是正确的,但它能让你越来越正确。

我们学习后进行逻辑链推演,是建立类似这样的模型,把你学习到的知识前前后后都拉通 ,这样你记忆起来才会高效,遇到新的问题才能快速吸收,否则你只会越学越难受。

这就回到孔子那句话了:学而不思则罔,思而不学则怠。

你看,你没有经过这么一个思考的过程,孔子这句话在你脑中也就仅仅是一句话而已。学 习,是要经过一个思考,练习的过程的。要把这个作为学习必须的一部分,而不是放弃这 个,把时间浪费在“补课”这种虚妄的“感觉良好”上。