（貴州大學(xué) 物理學(xué)院 貴州貴陽 550025）

一、大學(xué)物理的兩種主要方法范式

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，它是對我們生活周圍現(xiàn)象的不斷總結(jié)、歸納、理解和分析逐步發(fā)展起來的當(dāng)今社會最成熟最重要的自然科學(xué)。物理學(xué)的研究成果使得人們對自然規(guī)律有了定量化的認(rèn)識，極大地促進(jìn)了社會文明的進(jìn)步。國際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會23屆會議指出：物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對人類的未來起著探索自然、驅(qū)動技術(shù)、培養(yǎng)人才的關(guān)鍵作用。物理學(xué)既是世界觀又是方法論，人類的發(fā)展文明的每一步進(jìn)步，物理學(xué)無不起著重要的作用。所以，大學(xué)物理的學(xué)習(xí)是掌握必要的方法論和學(xué)習(xí)社會專業(yè)技能的基礎(chǔ)。

為了更好的讓學(xué)生學(xué)好扎實(shí)的物理基礎(chǔ)，筆者根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐，將大學(xué)物理的兩種主要的方法范式列舉如下：

1.基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、定律的邏輯推導(dǎo)：物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，對大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律總結(jié)形成了物理學(xué)的基本定律。這些基本定律是物理內(nèi)在邏輯演繹的基礎(chǔ)，是物理理論的出發(fā)點(diǎn)，不能用其他更基本的方法導(dǎo)出。如各種守恒定律、牛頓運(yùn)動定律、熱力學(xué)定律、畢奧薩伐爾定律、庫侖定律等。通過這些物理學(xué)的基本定律，建立起物理學(xué)的整個體系。

2.基于原理、假設(shè)的邏輯演繹：為了解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在建立理論的過程中需要引入一些基本的原理和假設(shè)，以這些原理和假設(shè)為基礎(chǔ)，經(jīng)過邏輯演繹，得到新的描述物理現(xiàn)象的規(guī)律，進(jìn)一步加深人們對自然規(guī)律的認(rèn)識，推動科學(xué)的發(fā)展。如力學(xué)相對性原理，等效原理，相對性原理，光速不變原理，位移電流假設(shè)、薛定諤方程、波函數(shù)假設(shè)等。

二、勢能的教與學(xué)邏輯

勢能是大學(xué)物理學(xué)中非常重要的概念，為了刻畫保守力做功而引入[1]。常見的保守力場有重力場，彈性力場，萬有引力場，電場等。在筆者給理工科大學(xué)生講授勢能的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對勢能相關(guān)的內(nèi)容理解不透徹，對教材中給出的各種保守場的勢能形式感到很突兀，對保守力做功和勢能的關(guān)系缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬂斫?。鑒于這些問題，本文從基本原理和基本定理出發(fā)，通過簡單的思維實(shí)驗(yàn)，對保守力做功和勢能的關(guān)系做了邏輯化的理解。根據(jù)本文的討論，教材中給出的勢能零點(diǎn)的一般選取、各種保守場的勢能形式都有了自然的邏輯結(jié)果。

我們首先給出在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生的常見困惑與不解，主要集中于：為了刻畫保守力做功，引入和位置有關(guān)的勢能函數(shù)如萬有引力勢能為學(xué)生缺乏邏輯的理解。對保守力做功等于勢能增量的負(fù)值[2]，即學(xué)生對負(fù)號的理解混亂，出現(xiàn)將公式的推論反過來作為原因的邏輯循環(huán)。

我們認(rèn)為建立對勢能這一知識點(diǎn)的邏輯化理解，首先需要認(rèn)識自然界關(guān)于能量的兩個客觀規(guī)律：（1）能量守恒規(guī)律[3]；（2）關(guān)于體系穩(wěn)定性的位能（勢能）最低原理。勢能最低原理告訴我們體系處在相對位能較低的狀態(tài)時，體系是相對穩(wěn)定的。若體系只受到自身保守力的作用，自然界的一切系統(tǒng)總是趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即向相對勢能能量較低的位置演化。日常生活中重物受到了重力的作用會豎直下落，因?yàn)楦叨仍降?，體系的相對勢能越低，體系越穩(wěn)定。正電荷產(chǎn)生電場中的電子總是向帶負(fù)電的帶電體運(yùn)動是由于體系勢能處于更低的狀態(tài)。由于上面兩個原理的支配，自然界的體系總是朝著穩(wěn)定的方向演化，這是自然界存在的普遍客觀規(guī)律。

設(shè)想一個思維實(shí)驗(yàn)，某一物體處在保守力場中，在保守力的作用下從場中某一位置A運(yùn)動到某一位置B。根據(jù)保守力做功的特點(diǎn)，引入勢能的概念使得保守力做功用兩個位置的勢能差表示，我們有進(jìn)一步根據(jù)假設(shè)，在體系自身的作用下（只受到保守力的作用），若物體從靜止開始運(yùn)動，則保守力對物體做功一定滿足體系朝著穩(wěn)定的狀態(tài)演化有這里一部分勢能轉(zhuǎn)化為了其他形式的能量，綜合上面兩個條件得到若物體在保守力的作用下做速度減小的運(yùn)動，則根據(jù)能量守恒部分動能轉(zhuǎn)化為勢能，這時勢能一定增加，系統(tǒng)處在相對不穩(wěn)定的狀態(tài)。由動能定理和上面的穩(wěn)定性條件可知這時仍然有的結(jié)論。所以我們得到保守力做功和勢能變化滿足這就是相關(guān)教材中規(guī)定的保守力做功等于勢能增量的負(fù)值[2]。由萬有引力做功

將該式和上面的結(jié)論比較立即得到萬有引力勢能的表達(dá)式為

結(jié)語

本文總結(jié)了物理學(xué)的主要范式邏輯，通過思維實(shí)驗(yàn)，從自然界客觀規(guī)律出發(fā)討論了勢能的教與學(xué)邏輯。從我們的討論中看出勢能的相關(guān)規(guī)定其實(shí)是作為一個最自然的數(shù)學(xué)結(jié)論出現(xiàn)，據(jù)此，勢能的概念有了邏輯化的理解。思維實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中起著非常重要的作用，關(guān)于光在不同參考系中運(yùn)動的思想實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了愛因斯坦建立相對論，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的海森堡也通過思維實(shí)驗(yàn)得到了不確定關(guān)系的普遍規(guī)律[4]。通過本文我們再一次看到思維實(shí)驗(yàn)對理解和建立物理定理有著重要的作用。在其它知識的學(xué)習(xí)中，可以利用類似的方法范式，深刻理解物理知識的內(nèi)在邏輯，掌握基本知識，建立方法論。