学文还是学理?所有的知识都不会白学 | 亲子科学系列(6)-深度-知识分子

学文还是学理?所有的知识都不会白学 | 亲子科学系列(6)

2019/11/03
导读
读书不能偏食,要注意营养平衡。

人类的文明包含了文学音乐美术等等“文科”性质的学问,也包括了数学与科学等等“理科”性质的学问。当然,一个人不可能学会所有的知识,因而从某种意义上讲,我们的人生多少都是有些遗憾与残缺的。而一个人越早将自己限定为文科生或理科生,其残缺就更大一些。

(图源:petovera.com


撰文 | 吴进远


我们知道,教育的终极目的,是将孩子培养成为一个完整的、幸福的人。一个孩子长大成人,固然要有一定的职业技能,但更应有一个能够享受欣赏各种人类文明之美的生活。人类的文明包含了文学音乐美术等等“文科”性质的学问,也包括了数学与科学等等“理科”性质的学问。当然,一个人不可能学会所有的知识,因而从某种意义上讲,我们的人生多少都是有些遗憾与残缺的。而一个人越早将自己限定为文科生或理科生,其残缺就更大一些。

世界上有不少著名的大学,新生入学时不必选定专业,让学生根据自己的兴趣与成绩,到二年级第一学期乃至第二学期再定。当然世界上很多大学还不能这样安排,但这告诉我们,对一个孩子而言,至少高中要学的所有课程都是有价值的。固然,由于高考的压力,学生在高中就开始偏向文科或理科,作为一个家长无法改变这种状况。但由家长主导的家庭教育,却可以起到维生素式的重要补充作用。作为家长,始终有那么一根文理并重,文理交融的弦,对孩子会非常有益。

当记者为啥要学“嫁给那美女”?

读过初中化学的朋友都知道金属活动性顺序:钾钙钠镁铝,锌铁锡铅氢,铜汞银铂金。这个顺序尽管很拗口很枯燥,但非常重要,必须把它背下来。很多老师想到了许多很好的口诀,帮助同学记忆,比如其中一个版本:
嫁给那美女(钾钙钠镁铝)
身体细纤轻(锌铁锡铅氢)
统共一百斤(铜汞银铂金)

口诀俏皮幽默活泼,多数同学都能记住,会做相应的题目。而且能够记得,前两句当中,也就是在氢之前的金属,可以把水或酸性水溶液中的氢置换出来。

可是,这有什么用呢?您的孩子可能会问。

假如您的孩子高考之后不想学理科,想学文科,那么高考之后,这个口诀即使没有还给老师,还有什么用呢?

我们不妨幻想展望一下,孩子大学学文科,毕业之后去做了一个记者。有一天,年轻的记者接到一个采访任务,一位发明家开发出了水氢发动机。当着人们的面,发明家让大家见证了奇迹。拉来一根自来水管,把水灌进车子的水箱,然后请大家上车,开了一圈,很舒适很平稳。

作为一个读过初中化学的记者,现在,你的职责是提一个问题:除了往车里加水,是不是还加了“嫁给那美女身体细纤”中的某一种金属?话问到这个份上,为了让你写成这篇报道,发明家自然会向你证实,系统里面没有美女,但却有不那么美的铝,事实上,铝是能量的来源。当然,为了避免铝在化学反应中形成保护层,降低反应速度,系统里还有些其他物质。至于是什么物质,也许他会作为商业机密。

这样,你的报道中有了上面这些内容,而不是仅有一句不明不白的话:“车辆只需加水即可行驶”。这就避免了引起是不是违反能量守恒定律这种低层级的争议,你也不用和发明家竞争,谁来做大众鄙视链的最底端了。

你的报导仍然会引起一些争议,但是争议的话题是经济适用性,系统安全性,环境影响等等比较有价值的问题。这种争议,是最终能够带来科学技术进步的争议。而能够引发这种有意义的争议,才是一个记者的价值所在。

另一个“嫁给那美女”

设想编辑部庆祝你的好文获奖,买了一盒饼干,大家把香甜的饼干慢慢吃掉,你有没有想过观察一下制作饼干盒的材料?


饼干盒是铁皮做的(用磁铁可以验证),铁很容易生锈,因此表面镀了一层锡,以此保护铁。我们确实看到,这种镀锡薄板制成的饼干盒,罐头筒,铅笔盒等可以保持银亮美观很长时间。

当然了,好文常有而获奖不常有。上次庆祝是N年以前,饼干盒扔在储藏间里,盒子里面生锈了。


饼干盒生锈后,可以看到成片的锈斑。


此外,我们也知道,人们为了保护铁制品,也会在其表面镀上其他金属,以防止铁制品生锈。比如,建筑构件,螺栓等等是镀了锌的。


我们看到旧的镀锌铁制品,表面会灰暗,失去金属光泽,但通常没有褐色的铁锈。

那么,在铁制品表面镀锌和镀锡有什么差别吗?当然有,在金属活动顺序中(以及后面谈到的电化序当中),锌在铁前面,锡在铁后面。这三种金属都排在氢前面,当它们单独与酸性水溶液接触时,都会置换出氢使得自己被腐蚀。

镀锌或镀锡的铁制品,时间长了表面的镀层总会有破损,使里面的铁暴露出来。使用时,环境潮气可能凝结成水,并且溶解周围杂质成为酸性水溶液。当铁与锌或者铁与锡同时与酸性水溶液接触时,两种金属就构成了一个电池的两个电极。而两种金属又是互相接触的,因此电池是短路的,大量电子从一端走到另一端。由于这样一种电化学效应,使得某一种金属得到保护锈蚀较少,而另一种金属锈蚀较大,牺牲自己,保全对方。

这样一来,对于镀锌铁制品,锌被腐蚀,铁被保护。只有在表面的锌基本腐蚀光了之后,才会使铁腐蚀。

反之,对于镀锡铁板,铁被腐蚀,锡被保护。不过铁一旦被腐蚀,锡镀层也会脱落,这样我们就看到饼干盒里出现锈蚀斑点,而且逐渐扩大。

我们这里看到的是一种电化学效应。在电化学效应中,谁腐蚀谁保护是由电化序决定的,它与金属活动性顺序很相似,有联系,但不是同一个定义,希望您鼓励孩子上网弄清楚二者的异同。具体的次序,“嫁给那美女,身体细纤轻”,这部分两者仍然一致。但后面几种金属,在电化序中的次序是铜汞银金铂,按“统共一斤半”比较好记。

小记者断大

木质建筑暴露在外面的木头,容易被雨水泡糟。通常的保护方法,是在木头上刷漆。但是,隔几年就要刷一次,非常麻烦。而一种比较好的保护方法,是在木头外面包上薄铝皮。

想象一下,某工程的一部分是在木质外结构上包铝皮,以此保护木结构。可是工程完成一年后,铝皮上出现破洞。施工方与材料供应方互相扯皮,施工方说材料质量有问题,材料供应方说施工有问题。


编辑部派你去采访,你本来是打算写篇新的获奖文章的,题目都想好了:《木结构保护新工艺之谜》。这件纠纷中有那么多的狗血剧情,足够你描写发挥。

不过,你从生锈的饼干盒那里学过电化序里的“嫁给那美女”,因此应该知道,要想把这些铝皮钉在木头上,必须使用铝质的钉子。如果使用铁钉,由于电化学效应,很快就会把铝皮腐蚀成脆弱的薄片,最终碎出一个大洞。因为铝的电化序在铁之前,二者在酸性水溶液中形成电池的两极,使得铝被加速腐蚀。

这样一来,材料供应方摘出去了。那么,是不是施工方用了铁钉呢?施工方的包工头小老板对此怀疑嗤之以鼻,干了那么多年工程,怎么会不知道要用铝钉呢?

你可以用个磁铁探测一下,铝皮上其他位置的钉子确实是铝钉,不过破洞这里却发现了铁质的迹象。仔细看看,是底下加固木结构的铁钉。里面的铁钉没有完全钉入木头,露出的铁钉帽在铝皮内部与之接触,形成电池,使得铝皮腐蚀。

你的文章没有写成,但你却为大家总结出了重要的经验教训。包铝皮前,要把木头上的钉子完全打进去,至少要涂漆,避免铁与铝相互接触。

理科生理解的“夜半钟声到客船”

打算学文科的孩子,不应拒绝理科知识。同理,打算学理科的孩子,也不应拒绝文科知识。当然,对我们这些已经从事理科或文科工作的成年人,也应该如此。

文学诗歌音乐等等文科知识,经常会为理科工作者带来意想不到的灵感。我在读研时,老师转述一位著名的声学专家谈到过,“春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横”实际上描述了一个有趣的波动学现象。水波向岸边传播,被岸边反射,形成驻波,这个波的力学性质,使得栓着的船与岸边垂直。

研究生的课程也许难了点,我们聊个简单的。“夜半钟声到客船”是小学五年级就学过的。为什么夜里钟声传得远呢?环境安静噪声少是一个因素,但比较重要的一个原因是传向高空的声音,在夜间的空气中会向下折射,从而传到很远的地方。

在夜里,没有太阳照射,空气的对流也比较弱。相对而言,高处的空气温度较高,而地面附近的空气温度较低。声音在热空气中传播得比较快,于是,夜里高度比较高的空气里,声音的速度比较快,而比较低的地方声速比较慢。这就使得声音行进方向向地面弯曲。下图可以帮助我们理解这个原理。


这就像是同学们在操场上排成一排排的队列操练,每一个横排里面靠某一边的同学脚步如果慢一些,整个队列就会朝一个方向转弯。


记得以前读过一篇故事,讲的是第一次世界大战时,一位记者到前线去采访一次战役的经历。他在离开前线很远的地方过夜,听到枪炮声响了一夜。而在他第二天向前线进发的路上却听不到任何声音,中途当地人也说头一天晚上非常平静。当他走到离前线很近的地方,才又听到剧烈的枪炮声。


我们现在知道,这是声波的折射现象造成的。一个记者有了这样的知识,就不至于捕风捉影地认为,某地的居民支持冲突中的某一派,故而刻意要向无冕之王们隐瞒什么。

我们前面说好了,要讨论文科知识对理科生的启示。现在我就谈谈,“夜半钟声到客船”这句诗对我这样一个理科生的启示。

我们平常看到的折射现象,往往是发生在两种介质的界面。在两种介质里面,波动传播的速度不同,使得波的传播方向出现一个突变,好像把一根棍子折了一下。久而久之,我们就很容易产生一种固化的思维,认为只有在介质的界面才会产生折射现象,这是不对的。实际上,只要介质中波的传播速度不同,就会使波的传播方向改变,比如夜间高处与低处空气的声速不同,就会使声音的方向改变。

同样道理,夏天柏油马路晒得很热,靠近路面的空气也变得很热。热空气中的光速比冷空气中的光速快,光线也会发生折射,使得远处的路面看上去像是洒了水一样。


对于夜半钟声和马路倒影的情况,波动的传播速度是逐渐变化的,波的传播方向因而也是逐渐变化的。

这样一种利用介质中波速逐渐变化来控制传播方向的技巧,在光纤技术中也有应用。

对于普通的多模光纤,光波在其中的传播可以用几何光学的概念来近似。光纤的内芯是折射率比较高,或者说光速比较慢的玻璃。当光线来到光纤外界面时,只要入射角大于界面的临界角,光线就会全部反射回来。由于这种内全反射效应,使得光纤中的光始终维持在光纤之内而不会逃到外面损失掉。这样利用光纤就可以实现远距离的通讯。

当然,光纤的内芯不可能悬浮在保护套之内,而是要在內芯外部包裹一层折射率比较小,或者光速比较快的玻璃。这样的光纤叫做阶变折射率光纤。
很显然,这种光纤存在的一个问题,是不同入射角度的光线路径长度不同。直接沿着轴心传播的光线路径最短,而偏离轴心角度越大,光线传播的路径越长。这样一来,入射的光信号有可能会不同时到达另一端,一个光脉冲会因此而展宽。

多模光纤中另外有一类叫做渐变折射率光纤。这种光纤也是中心折射率高,光速慢,而外面折射率低光速快,只不过它的折射率是随着半径逐渐降低的。


光在这样的光纤中传播,由于介质中不同部位的光速不同,因而其传播方向会逐步改变,就像是夜半钟声到客船或者夏天柏油路面的情况一样。这种方向的改变使得接近轴向传播的光线不会漏到光线外面损失掉,从某种意义上上说,这种把光线逐渐折回的现象也可以看成是一种全反射。


大家可能会有疑问,这种渐变折射率光纤的制造工艺显然会比较复杂,那么人们为什么要自找麻烦呢?实际上,这种光纤是有优点的,它是可以减轻前面谈到的入射光信号不同时到达另一端的问题。


不难看出,在渐变折射率光纤中,不同入射角光线传播路径的几何长度仍然是不同的。不过,从中心向外,折射率逐渐变低,光速逐渐变快,因此能够起到一定的补偿作用。比如对于入射角度偏离轴向比较大的光线,几何路径比较长,但它的路径中有很大部分处于光速比较快的区域,因此光线传过整个光线花费的时间并不一定会更长。


从理论上讲,我们可以找到一种理想的折射率分布函数,使得光线在一定范围内无论以什么角度入射,传输过整个光线所需要的时间都一样。这样就可以减轻光脉冲展宽的问题。


近些年来,在实际应用中单模光纤占有越来越重要的地位。在单模光纤中,内芯的直径通常为8-10微米量级,比多模光纤要细得多,而其中传输的近红外光波波长接近1微米。在这种情况下,介质的尺度与电磁波的波长接近,几何光学的很多近似已经不能再用了。但在光纤內芯与外覆玻璃中传播的电磁波相互影响,最终的结果还是避免电磁波能量向外失散。这部分内容比较深,读者可以自己查阅相关的文献。


事实上,夜半钟声到客船的情形与单模光纤更加接近。我们不妨估计夜半钟声的频率大约在150赫兹量级,对应波长2米左右,而靠近地面的不同温度空气层的尺度大约在几十米量级。这时介质尺度与波长的比例接近于单模光纤的情况,因而几何声学的近似也处于失效的边缘。但是不同温度空气层中声波的互相作用,仍然使得声波方向改变,避免声波的能量向高空失散,这一点与单模光纤很像。


所以,夜半钟声到客船这样一句非常文科的诗,确实可以帮助一位理科生理解一些相当硬核的物理与电子工程知识。

(图源:pixabay.com


在现代社会,文理并重,文理交融对于一个人的完整与健康的成长变得越来越重要。这就像是我们平常吃饭不能偏食,要注意营养平衡一样,读书也不能绝对地偏文科或偏理科,尤其是不能过早地将某一方面的知识视为没用,人为地关闭接收信息的通道。现在教育普及了,读到博士学位已经不算凤毛麟角。从这个意义上说,以前人们梦寐以求的“读半辈子书”,不再是一种奢侈品。期待大家的孩子,学富五车,幸福地生活。

小赛:你在教育孩子的日常中有哪些困惑或苦恼?你家娃的哪些问题问倒了你?欢迎留言告诉我们,说不定下一期的文章中我们就能帮到你〜

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