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物理实验思想和方法的形成 物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用和转化规律的学科。它本身以及它与各个自然学科、工程技术部门的相互作用创造了今天的科技进步和人类文明,对当代及未来高新科技的进步、相关产业的建立和发展提供着巨大的推动力。 在人类追求真理、探索未知世界的过程中,物理学展现了一系列科学的世界观和方法论,深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活,是人类文明的基石。 物理学发展的历史证明了,正确的科学思想及由此产生的科学方法是科学研究的灵魂。 伽利略(G.GaLileo)是最早运用我们今天所称的科学方法的人。这种方法就是经验(以实验和观察的形式)与思维(以创造性构筑的理论和假说的形式)之间的动态的相互作用。伽利略是近代科学的奠基者,是科学史上第一位现代意义的科学家,他首先为自然科学创立了两个研究法则,即观察实验和量化方法,将实验和数学相结合、真实实验和理想实验相结合的科学方法。从而创造了和以往科学研究方法不同的近代科学研究方法,使近代物理学从此走上了以实验精确观测为基础的道路。伽利略在用实验方法发现真理的过程中,获得了一个极其重要的科学概念,即自然法则和物理定律的概念。伽利略通过亲身的科学实验,认识到寻求自然法则是科学研究的目的,自然法则是自然现象千变万化的秘密所在,而一旦发现自然法则便可以认识自然。这个观念一经确立,人们才逐渐认识到,不仅天文学、运动学现象,一切自然现象都是有其自身规律的,于是在力学的带领下,逐渐发展出近代科学的各个分支。伽利略在建立系统的科学思想和实验方法中,开创了实验物理学,开创了近代物理学,对物理学的发展作出了划时代的贡献。正如他自已在《两种新科学的对话》中所述:“我们可以说,大门已经向新方向打开,这种将带来大量奇妙成果的新方法,在未来年代会博得许多人的重视”。事实正是如此,当代著名物理学家爱因斯坦在《物理学的进化》中,对伽利略的科学思想方法给予了高度评价。他指出:“伽利略的发现,以及他所用的科学推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端。 伽利略开创的实验物理学,包括实验的设计思想,实验方法开创了自然科学发展的新局面。在实验物理学数百年的发展进程中,涌现了众多卓越的在物理学发展史上起过重要里程碑作用的实验。它们以其巧妙的物理构思、独到的处理和解决问题的方法、精心设计的仪器完善的实验安排、高超的测量技术、对实验数据的精心处理和无懈可击的分析判断等,为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想,开创出解决问题的途径和方法。这些思想和方法已经超越了各个具体实验而具有普遍的指导意义。学习和掌握物理实验的设计思想、测量和分析的方法,对物理实验课及其他学科的学习和研究都大有裨益。
规矩,是一种存在自然规律是规矩——四季轮回、物种演化,五运六气,无不遵循着某种自然法则,你得遵守了,这是对自然规矩的敬畏。?社会习俗是规矩——行为习惯、生活伦理,包括约定俗成的各种“老理儿”,这个,你也得不要违背了,约束你做事的规矩,这是你生活在这个世界上舒适的基本规矩底线。?规章制度是规矩——法律法规、组织纪律、村规民约,你同样得遵守了,这是不可轻易触碰的社会规矩高压线。
[b]序 言[/b]自然界中的所有动物和植物都具有类似的网格状等级结构,比如叶子的叶脉、植物的根茎系统、人体的血管系统等等,这些结构的存在不仅仅是为了保证自身结构的稳定,同时还确保了生命体在进行新陈代谢与物质能量传递过程中所受的阻力最小、运输的效率最高。[b]一、默里定律在自然界的应用[/b]我们都知道根据流量与流速的关系,当液体从一个比较粗的管道流进一个比较细的管道时,液体的流速会增加,同时细管的所受的液体压力相对于粗管所承受的压力来说也更大。但是通过对我们生物界的血液系统进行观察可以发现生物体内不管是粗的血管还是细的血管,所受的压力都不会太大。科学家默里通过观察发现在人体中很多小血管从一个大血管分叉出去,所有小血管的横截面积的总和大于大血管的横截面,通过精确计算可以知道在一个最佳血液循环网络中,大血管半径的立方,大约等于小血管半径的立方的总和。[align=center][img]http://img1.17img.cn/17img/images/201705/uepic/5ae28483-121a-4329-a4fc-622ff1f503e0.jpg[/img][/align][align=center]图1. 人体血管与叶片脉络的电镜显微图[/align][align=center][/align]如上图所示,在自然界中不管是动物还是植物,涉及到物质运输时,其运输管道都会遵循默里定律(血管、气管、根系、叶脉等),以使物质传输效率达到最优化,同时也使构造力学结构最优化。[align=center][b][/b][/align][b]二、通过向自然界学习默里定律的应用示例2.1 锂离子电池[/b][align=center][/align][align=center][img]http://img1.17img.cn/17img/images/201705/uepic/6f8b1ca1-417e-4b09-921c-5c045e67aaf9.jpg[/img][/align][align=center]图2. 根据默里定律设计的多等级孔道电极材料示意图[/align]依据默里定律发现的自然界中动植物物质运输的最优化法则,科学家们设计了上图2所示的多等级孔隙电极材料,电极材料中的大孔、小孔、微孔的孔隙比率遵循了默里定律的最优比。有这种结构的电极材料由于锂离子在其内脱锂嵌锂的效率非常高,其充放电的倍率性能及比容量都比常规的氧化锌电极材料高出很多,下图是其充放电的性能示意图:[align=center][img]http://img1.17img.cn/17img/images/201705/uepic/942659bb-aca6-4c29-8d86-246c870c0f96.jpg[/img][/align][align=center]充放电倍率性能、循环稳定性能、比容量性能示意图[/align][b]2.2 天然气、水、石油运输[/b][align=center][img]http://img1.17img.cn/17img/images/201705/uepic/5ce8dbe4-4392-4a04-ab6f-304fcb6a1a7c.jpg[/img][/align][align=center]图3. 管道运输示意图[/align]西气东输、南水北调这些石油、天然气、水的大量运输过程中管道的粗细与运输速度和所承受的压力要经过严格的计算才能保证安全高效的运输工作,这里也体现了默里定律的重要性。[b]后 记[/b]“实践是检验真理的唯一标准”,先人们通过模仿大自然的运行规律,总结出来了很多可以被我们后人来学习和使用的规则与定律,通过对这些规则与定律的应用,我们的生活水平与科技水平得到了飞速的提高。但是碍于之前我们的观察能力,仅仅能对肉眼或者光学显微镜能够看到的世界来进行学习与模仿。而现如今电子显微镜的存在极大的提高了我们观察身边的微观世界,更有效的学习自然法则,研究微观形貌结构与宏观材料性能的关系,制造出更先进更优异的材料及工具来改善我们现今的生活。