在大學物理教學中結(jié)合天文學的教學嘗試

1、在大學物理教學中結(jié)合天文學的教學嘗試在大學物理教學中結(jié)合天文學的教學嘗試一、引言大學物理作為面向理工科專業(yè)的一門根底課、必修課，其知識的掌握程度和才能的培養(yǎng)對后續(xù)專業(yè)知識的學習有著直接的影響，其重要性不可言喻。當然，有很多學生，特別是他們處在低年級，對這種重要性并沒有直觀的印象。所以，在實際教學活動中適當穿插一些相關(guān)專業(yè)或者前沿科技的知識，讓學生感受物理是如何被應(yīng)用的，從而進步學生對物理學習的興趣，激發(fā)其主動性和創(chuàng)造性。穿插的內(nèi)容也應(yīng)是學生普遍感興趣的，比方對學生所學專業(yè)或者是一些重大的科技進展。除此之外，我發(fā)現(xiàn)天文學是一個很好的穿插對象。天文學是研究宇宙空間天體、宇宙構(gòu)造和開展的學科，是一門

2、古老的學科，也是當代最活潑的前沿學科之一，本身具有強大的吸引力，很容易抓住學生的注意力。而且關(guān)于天文學的新聞時常出如今各種媒體，對一些字眼和根本概念，學生也不會感覺太生疏，這樣也就容易拿來當作素材介紹，用物理理論來講解會讓學生對之理解得更深化透徹。本文通過幾個實例來介紹天文學知識是如何穿插在大學物理教學中的。二、應(yīng)用實例恒星是天體中大家都比擬熟悉和關(guān)注的，比方離我們最近的恒星天陽。下面我們就以恒星為例子，看看里面包含哪些物理過程。首先關(guān)于恒星的形成，恒星是分子云引力塌縮形成的。那在什么條件下分子云才可能塌縮形成恒星？假如僅僅只是引力，那么分子云內(nèi)任何微小的密度漲落必將導致引力塌縮，很自然就會形

3、成恒星。剛剛學過氣體運動理論，就會想到分子熱運動不可防止。因此，分子云內(nèi)部必然存在著引力相抗衡的熱壓力。其結(jié)果是，較小的密度漲落產(chǎn)生的引力會被熱壓力所克制，并不能導致塌縮。只有當分子云本身密度較大時，才可能存在較強的密度漲落，從而引起引力不穩(wěn)定性，并導致塌縮。此時，熱壓力缺乏以抵抗引力導致的塌縮。這里只需要利用理想氣體壓強的概念，學生很容易順著這本文由論文聯(lián)盟搜集整理條思路找到答案。下面，我們來簡單估計產(chǎn)生引力不穩(wěn)定的臨界條件。假設(shè)分子云為理想氣體，溫度為T、密度為。考慮半徑為r的球，其質(zhì)量為r3，球體受到的引力為G2/r2，熱壓力為Pr2。假設(shè)氣體分子的平均分子質(zhì)量為，利用理想氣體狀態(tài)方程，

4、氣體壓強為P=kT/。這樣就可以得到引力不穩(wěn)定發(fā)生的臨界尺度和臨界密度：rrJ，J1.上面的式子就是天文學中常用的金斯不穩(wěn)定性判據(jù)，更嚴格的解比上面的會多出一個常數(shù)，但是作為量級來估計，1式已經(jīng)足夠了。這里用的物理知識都很簡單根底，很容易讓學生入手。通過這個例子，學生感覺自己也會用物理知識，而且跟天文更近了。是不是滿足金斯不穩(wěn)定性引起引力塌縮就能形成恒星呢？這里還有一個關(guān)鍵的問題是關(guān)于恒星的點火條件。我們知道恒星能量來源于輕核聚變，例如天陽中心的氫核聚變。但是恒星內(nèi)部是否可以發(fā)生核聚變呢？事實上，核聚變會受到原子間庫侖勢壘的阻礙。下面我們可以簡單估計該勢壘的大校在原子核物理簡介這一章，我們學習

5、過原子核中核子半徑為rN=R0A1/31.2A1/3f，其中A為原子核質(zhì)質(zhì)量數(shù)。在大于rN的區(qū)域，庫侖作用主導，那么兩個核電荷數(shù)分別為Z1和Z2，質(zhì)量數(shù)為A1和A2的原子核之間的庫侖勢壘為：V=1.2eV2.恒星中心典型溫度約107K，原子核的動能只有kT1keV？塏V。因此，用經(jīng)典物理知識我們甚至無法理解太陽為什么會發(fā)光這樣根本的問題。但是，微觀粒子具有波粒二象性，這里需要考慮量子隧道效應(yīng)，只要核子動能足夠大，還是可以大規(guī)模穿過庫侖勢壘的，從而點火。這要求星體中心溫度不能太小，被稱為點火溫度。通過這個例子，學生感覺到像太陽這樣的宏觀天體，其核心的根本物理過程也需要借助微觀的量子效應(yīng)。關(guān)于恒星

6、的特征溫度，天文學中常用維里溫度來估算。這里需要用到維里定理是：E=-Egr3.其中，Egr為星體的自引力能，E為星體的總熱能。上式說明，當星體收縮時，一半的自引力能被輻射掉，剩下的一半將轉(zhuǎn)化為熱能，增加恒星的溫度。我們可以用它來估計恒星內(nèi)部的特征溫度。星體自引力能可以估計為Egr=-G2/R，星體熱能Eth=NkTvir，于是有NkTvir=4.這樣給出的溫度Tvir被稱為維里溫度。就以太陽為例，在上式中代入太陽質(zhì)量和半徑后，估算的特征溫度為Tvir6106K，與標準模型得到的結(jié)果量級一致。上式4其實也很容易理解，只是用了氣體動理論里面的一些根本知識。關(guān)鍵是維里定理怎么來的，下面我們給出一個

7、簡單推導，同樣是用到這局部的根底知識?？紤]星體內(nèi)部的流體靜力學平衡，某一半徑r流體元受到的引力與壓強梯度平衡，即：=5.其中r是半徑r所包圍的質(zhì)量，式子兩邊同乘以4r3dr，并從星體中心到外表假設(shè)恒星半徑為R進展積分，即：4r3dr=-4r3dr6.上式右邊為星體的自引力能Egr.我們對6式左邊做分部積分，即：4r3dr=4r3Pr-34r2Prdr7.一般將PR=0的地方定義為星體外表，因此右邊第一項為零。右邊第二項可以改寫為：-34r2Prdr=-3V=-3VP8.其中P為星體的平均壓強，這與求平均速度的方法類似。綜合以上68式，我們得到引力束縛系統(tǒng)的維里公式：3VP=-Egr9.仍然把星

8、體內(nèi)氣體分子當作經(jīng)典理想氣體。利用理想氣體狀態(tài)方程PV=NkT，和氣體熱能Eth=NkT，我們得到P=。對其兩邊同乘以4r2dr并積分有：PV=E10.聯(lián)立上面的9式和10式，即可以自然得到維里定理。還有其他一些天文學問題，如當恒星演化至晚期，恒星中心合成鐵元素后，假設(shè)再進一步核聚變需要吸熱，在原子核物理章節(jié)，其中給出的核子的平均結(jié)合能曲線就是這個意思。其結(jié)果是晚期星體核心必然塌縮，通過核聚變的方式合成比鐵重的元素是不可能的。這些都是可以嚴密結(jié)合所學內(nèi)容，提出一些有趣的天文學問題，讓學生通過自己考慮，可以找到合理的解釋。只要留心，還能找到很多類似的例子。三、總結(jié)天文學本身具有很強的吸引力，容易引發(fā)學生的好奇心，因此在大學物理課程中穿插一些天文學知識可以起到較好的教學效果，讓學生通過積極考慮，感受如何運用物理知識，從而激發(fā)學習的主動性和創(chuàng)造性。另一方面，天文學作為一門古老的學科，作為自然科學的源泉，其開展對于人類的自然觀產(chǎn)生了重大影響，也最容易激發(fā)人們的求知欲望，理應(yīng)更受重視。在國外，高校大都開設(shè)有天文課，而國內(nèi)相對很少。我國是世界上天文學開展最早的國家之一，曾經(jīng)在天文觀測和研究中獲得了不少