刘全慧
物理系课程唯《热力学与统计物理》难啃其余都是小菜 精选
2019-1-18 20:14
阅读:6241
标签:物理, 热力学, 统计物理

----“季向东自述”节录----

(季向东 上海交通大学鸿文讲席教授、中国PandaX暗物质实验合作组负责人)

因为我的数学功底比较好,理论力学、电动力学、量子力学等课程学起来也比较轻松。特别是量子力学,看上去基本都是一些数学题,不需要搞清其中的物理意义就能拿高分。但唯有一门功课是例外,就是热力学与统计物理。

这是一门研究日常生活中冷与热的学科,涉及到温度、能量守恒定律、热功转换效率、相变等,其研究成果直接推动了蒸汽机的应用与第一次工业革命。

热力学是一门非常优美的经验学科,而统计物理则是用微观的分子热运动去解释热力学的定律。当时课堂里流行用的是北京大学王竹溪先生写的两本教材。令人沮丧的是,统计物理的书虽然看懂了,但习题却非常难解。原来统计物理研究的是几乎无穷多个(10^23)粒子的力学系统,光数学好没有用。必须弄清其中重要的物理机制才能找到合适的数学方法去进行近似求解。

 1982年大学毕业前要报考研究生,我二话没说就报了北京大学王竹溪先生的研究生。我的理由非常简单:第一,北大是当时中国物理学最强、物理学子最向往的地方;第二,去学最难的东西才能挑战自己。王先生既然能写这样的教科书,那他应该是我能找到的最好的老师了!那是一个非常幸运的春天,我报考北大物理研究生被顺利录取了。

----季向东自述:追踪质子自旋之谜三十年( 公众号 知识分子 2017-12-29)

季教授感受小结:物理系课程唯《热力学与统计物理》难啃其余都是小菜。既然课程艰难,唯有以毒攻毒。

----博主

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班上的一位优秀本科生在课程结束后狂谈如何学习热统。除了对个人信息进行了隐藏处理和部分内容高亮之外,一字未改!题目系从内容中提取。

热统课在思维和物理感觉上给学生的训练,能够使人脱胎换骨

    上这门课前我就听往届学长学姐说您是一位"特别"的老师。他们嘴中的"特别"包含有特立独行,有奇言怪语,也包含有给分特低,上课特难等。但是上完这学期的热统课,听了您讲课,也听了XX老师和XXX老师讲课以后,我对您的"特别"有了一点不一样的感受。我发现你和其他老师最大的不同在于,您的课更适合,甚至可以说是只适合看过一遍书的人听。这句话听着像抱怨,但其实是表扬。我觉得这是您比其他老师牛B的多的地方。我给您的建议都将基于这一感受。

    在提建议之前,我想先和您讲讲我的学习过程。老实说,这学期我上的最辛苦的一门课就是您的课了,短短一学期内,心情由最开始的期待,变为恐惧,再变成厌恶,最后为了写作业和对付测验硬着头皮去看书,慢慢开始又有了兴趣,多看了看教材后重新有了期待。以上的心路历程特别体现在前两章!也不怕您笑话,我必须要承认前两章前前后后我至少完整看了四遍才理清思路。刚开始上热统课的时候我惊呆了,原因有二:

  1. 数学不熟练。举个例子,我以前根本没想到热平衡定义温度这么直观自然的东西居然还能用方程给证明出来。虽然我们学过微分也学过偏导,但之前一直都只是在具体问题和具体方程里用,没有这么“广义”或者说是“泛”的用过。所以刚开始听课时,遇到方程推导和理解的时候有点吃力。(您一直强调这是简单的数学,我当时觉得您在装B,但后来自己多看了几遍书用顺手之后才发现这确实是些简单的数学。不过说实话,他在最开始的时候给了我极大的困扰)

  2. 逻辑不连贯。热统的前两章和之前的物理课相比非常奇怪,哪怕统计力学部分和前两章都在同一本书里,但相比之下,前两章学起来格外的不自然。其他的物理课都是一步推一步,一环扣一环,然后再交叉一下整本书就连起来了,学完以后会发现其实整门课里核心和基础讲了的东西就那么几个,很简洁。但是热统前两章的东西感觉都是突然冒出来的,搞不清它的前因是什么,也想不清我们为什么要把他搞出来。而且一出现就是一大堆,什么可逆不可逆啊,什么效率高不高啦,又是自由能又是吉布斯自由能的,各种奇奇怪怪的函数让我搞不清热力学的系统到底有多高的自由度,居然需要这么多乱七八遭的东西来描述。这极大消磨了我学习的热情,每次上课都觉得您说的好像对,但是自己却连不起来,这其实是很痛苦的。

    第一点我是在做了作业题,多看了几遍书,看顺眼之后自然克服的。但第二点比较特殊,我刚开始想多看几遍书来解决。虽然看书的时候每一步都看懂了,但一合上书我就记不清了。别人问几个跨度大的问题我也答不上来。究其原因在于我还是不能把他们串起来。这个问题真正的解决是发生在期末,我们在群里讨论XXX的那个问题时。讨论到最后,我们发现S=0的真正原因在于S=1、2、3和S=0在实验上没区别。我到那个时候才突然有了感觉,热统真正奇怪的地方在于它和实验联系的格外的紧密。别的课可以先学理论再去用完整的理论来解释现实(特别是理论力学,所以我格外喜欢理论力学)。但是热统的源头一定是实验,一切都是建立在实验的各种现象上的。我们的假设和理论或许不是由之前的理论推导而出,它的正确性和必要性都是建立在实验上的。也正因于此,如果纯看教材的话,学起来就会格外的不连贯,格外的无厘头。

    基于以上两点原因,我热统学的很曲折,作业也一直拖交。不过学完以后我再回头一想,或许有一个办法可以帮助我的学弟学妹们少走一点弯路,这个办法就是我对您的建议。

    我就直说了。我强烈建议您要求她们在上课前必须先把教材对应内容先看完,然后上课前先花五分钟简单的测验一下(题目不用很难,比如焓的方程长啥样,啥条件下焓不变之类的,就是那种只要看过书不过理不理解都能写出来的很简单的问题),以此来督促他们预习。或许您对此嗤之以鼻。“都大学生了还不知道怎么学习?”,更何况您上课的目的也不是为了让他们都学懂,主要是为了挑出您觉得适合物理的人来。不过我想其实有很多同学并没有良好的学习习惯和看书习惯,所以他们的天赋显得非常暗淡。但如果您这样做的话,对您而言也是有好处的!我相信这一个学期下来可以让他们切实体验到预习的重要性和好处,从而学到最有用的东西,那就是如何学习,如何看书!这样一来,您也可以发现更多合你心意的同学,培养出更多适合物理的同学来!

    如果是别的老师上课的话我不会提这个建议。因为其他老师上课和我们自己看书的效果差不多。如果提前看了书那还上什么课呀?但您不一样!您课堂上讲的东西都是超过课本的,凝练过后的东西,更偏重于如何理解,如何感受,如何把他们连起来。要想在您的课堂上有收获,那最好是提前有过思考,至少是看过教材才行。

    虽然我不怎么喜欢你对部分同学非常明显的偏爱,但我必须要承认您是一位难得的好老师!我提这个建议是真的希望我的学弟学妹们不要因为不良的学习习惯而错失了跟您学习的宝贵机会。虽然我迷糊了大半个学期,但在物理思维上,真心讲是有很大收获的。我相信如果学弟学妹们利用好的话,这一门热统课在思维和物理感觉上给他们的训练,绝对一门顶得过四门(虚数,表示很大)。最后,我作为物理班的XXX,真诚地感谢您这学期对我们班同学的耐心指导!在我们私下的讨论中,对您的评价普遍都很高,尽管会有些小抱怨,但我们真心是很感激您的!希望您能继续保持风格!

XXX

2019.1.18下午

PS:还有一个不是很重要的建议。你可能也发现了,上课时同学们都不敢提问题,但群里匿名提问讨论的话却很活跃。这说明很多同学是有兴趣的,也是愿意思考的,只是他们有点怕您,怕您嫌他们蠢所以不敢提问。这个感受我很理解,一方面是因为我也很蠢,另一方面是因为我课前没预习,所以上课跟着听都很吃力了,那还敢在课堂上质疑您呢?所以我想再次请求您考虑下我的建议。另外建议他们班的班长也开启群匿名的功能。前提是他们班没有那种性格阴暗,逮着匿名机会就到处喷人的家伙。这种人应该不多吧。

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