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基础自然科学的学习方法

2019-10-08来源:中部网

2019年1月16日星期三

        基础自然科学的学习方法

        先设定一下这个话题的边界。这里说的基础自然科学不包括各种社会科学,而且限定在小学、初中和高中学习的一部分内容,大致包括数学、物理、化学、生物、地理等等学科的一部分。这类自然科学可以简单地这样理解,即一个问题的结论要么正确,要么错误,都必须有一个唯一的正解。

        谈到基础自然科学的学习方法,必须简单聊一下这些科学知识是怎么来的,这属于科学哲学的范畴了。科学知识的来源大概有四种:前人传授、书本(其实大多数书本知识也属于前人传授的范畴)、实验证明、假设不能被证伪。前三种都比较好理解,第四种是20世纪新产生的科学方法,举个例子,比如爱因斯坦的相对论,就是自己提出一个假设,经论证后发表。这个假设可以解释相关自然现象或理论研究,且假设的同时给出证伪条件。没有被证伪前,这个理论都可以理解为是正确的。那么,最初的知识是怎样发展成为现在那么多科学门类和体系呢?其实最早的知识是人们日常生活中发现的,然后一代代传授,其中一部分写到书籍中传授下去。比如最早人们发现太阳每天从东方升起、西方落下,久而久之,就形成了地心说的观点。其后,有科学家为了完善地心说,又提出了同心球、本轮等模型,然后寻找各种证据证明其正确。我们抽象化这个过程,可以看到科学知识发展的过程:地心说(公理)、同心球等模型(定理)。所以基础科学知识就是从公理到定理,并通过实验、测试等方法证明定理的过程。定理被证明正确,则更加能够证实公理的正确性。但是证明定理前,必须给定理下一个定义,比如前面的例子里,要给同心球下个定义。这里就不展开说明了,总之这个定义,不但能够统一所有人对定理的认识,还确定了定理的边界,同时还指出了证明定理的方向。

        综上,所有我们可以看到,在基础自然科学的范畴里,公理是不需要证明的,所有基础自然科学学习的过程,就是学习各种概念,然后引出各种定理进行证明,再教授证明定理的各种实验、计算的方法。基础代数的公理之一可以是1+1=2。拿平面几何举例。我们知道一条直线的角度是180度,两条平行线永远不相交等等,这些都是公理。根据这些公理我们给两条平行线上画一条交叉线,这时候情况就复杂了,出现了几个角。这时候为了引出一些定理,我们要给几种不同情况的角取个名字,就是下定义了,比如对顶角、同位角、内错角、同旁内角等等。有了这些定义,就可以进一步提出定理,如同位角相等、内错角相等、同旁内角互补等等。证明这些定理的过程就是方法。这些方法可以用到更多的定理推导、证明的过程中。

        所以,学习基础自然科学的方法有两个关键点,即深刻理解定义或者说概念,熟记定理推导过程和方法并且灵活应用。说来简单,我们用一个例子看看怎么做到。比如最近学到的比热或称为比热容。它的定义是“指没有相变化和化学变化时,一定量均相物质温度升高1K所需的热量”。科学概念的定义里,每个词都是关键不可替代的,要仔细理解。这个定义里的“没有相变化”指的是物质的状态没有变化,即物质不会从固态、液态或气态的某个状态变化成另外一个,所以当具体学习或练习的时候,发现物质状态有变化的时候,我们就要警惕,比热容肯定会有变化了。不同状态的某一物质的比热容是不同的,那么假如做一道通过比热容计算热量的题目,中间经过了这个物质状态变化的阈值温度,我们就要注意使用相应状态下的比热容数值进行计算;“没有化学变化”也是边界,因为有了化学变化,原来的物质会变成其他物质,不同物质的比热容是不同的,而且化学变化还有可能吸收或释放热量;“一定量物质”说明比热容是跟质量有关的;“均相”也很重要,指这个一定量的物质必须只有一个相,即固态、液态和气态中的一个,不能是混合态的;“温度升高1K”这里有两个要点:一是做概念定义的时候只能确定一种情况,即温度上升,但其实跟后面一句结合,这个概念关注的是热量的多少,所以文档上升吸收热量,反过来文档下降的时候是可以释放热量的,二是1K这个词也是概念定义时使用的,因为比热跟几个因素有关,有的变化条件在定义的时候固定下来,是方便做定义的,所以同时可以意识到,如果温度变化是其他数值,比热的量是不变的,但计算的时候可以根据温度变化影响热量的变化,温度变化越大,热量值越大。详细理解了概念,再看公式即Q=cMT就一目了然了。未来遇到各种习题,我们对概念理解得越深,做题的时候越不容易出错。比如如果发现物质不是均相的,那么题目一般不可解;c在一个状态下是常量,状态变化了,c的值会有变化,那么假如碰到一个题目计算某一质量的水从51度到150度的热量,我们就需要分两段计算,一段要用液态水从51度到100度的比热计算,另一段要用气态水从101度到150度的比热计算;质量和热量是正比关系,质量大,同样条件下所需热量大,反之则小;温度变化是一个矢量值,即温度变大热量增加,温度变小热量减少,或者说温度变大吸收热量,温度变小释放热量。那么提个问题,如果比热值是负数,温度变化跟热量的关系又是如何的呢?

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