關(guān)于物理課本的標(biāo)題“功能和內(nèi)能”的商榷

李明++李振偉??

摘要：在人教版教材選修3-3第50頁，課本正文標(biāo)題為“功能和內(nèi)能”；但在目錄中顯示第十章，第一節(jié)標(biāo)題為“功和內(nèi)能”。同一本教材的相同部分內(nèi)容，兩個(gè)不一樣標(biāo)題，誰更合適，值得商榷。

關(guān)鍵詞：功；能；功能和內(nèi)能；物理教材

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書高中物理課本選修3-3（人民教育出版社，2012版）第50頁，課本正文標(biāo)題為“功能和內(nèi)能”；但在目錄中顯示第十章，第一節(jié)標(biāo)題為“功和內(nèi)能”。同一本教材的相同部分內(nèi)容，兩個(gè)不一樣標(biāo)題，誰更合適，值得商榷。

首先，分析本節(jié)所涉及的基本概念。功是力學(xué)相互作用下的能量轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)的外力作用下，物體的平衡將被破壞，在物體狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將伴隨能量的轉(zhuǎn)化，這個(gè)轉(zhuǎn)化的能量就是功。在熱力學(xué)系統(tǒng)絕熱過程中，只有在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，才有能量轉(zhuǎn)化，而功是不同能量的傳遞形式。功是不同形式能量間轉(zhuǎn)化的量度，并都與狀態(tài)變化的過程有關(guān)，因而功不是系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，即功不是系統(tǒng)狀態(tài)的屬性，所以不能說物體或系統(tǒng)具有多少功，只能說物體或系統(tǒng)在變化過程中對外界做了多少功，注意功有正負(fù)之分。

內(nèi)能：在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)所做的功僅由過程的始末兩個(gè)狀態(tài)決定，并不依賴于做功的具體過程和方式。因而任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，該物理量在兩個(gè)狀態(tài)之間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，這個(gè)量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們稱之為系統(tǒng)的內(nèi)能。這只是從熱力學(xué)系統(tǒng)和外界之間能量轉(zhuǎn)化的角度來理解內(nèi)能，這是宏觀熱力學(xué)的觀點(diǎn)，它并未追究內(nèi)能微觀本質(zhì)。從微觀角度來看：內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子（如分子，原子）的永不停息的無規(guī)則熱運(yùn)動動能以及它們之間相互作用的勢能之和。一切物體都是由做無規(guī)則熱運(yùn)動并且相互作用著的分子組成，因此任何物體都有內(nèi)能。

由于分子熱運(yùn)動的平均動能與溫度有關(guān)系，分子勢能與物體的體積體積有關(guān)系，因此當(dāng)體積和溫度這些狀態(tài)參量變化時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)能也會變化。因而內(nèi)能是狀態(tài)參量，內(nèi)能與系統(tǒng)狀態(tài)間有一一對應(yīng)關(guān)系。

其次，討論一下本節(jié)所講的具體實(shí)例熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，從1840年到1879年間，焦耳做了多種多樣的實(shí)驗(yàn)，致力于精確測定功與熱相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系。在焦耳做的實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)最具有代表性。一個(gè)是讓重物下落，帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升，如下圖1所示，用絕熱性能良好的材料制作容器，容器中安裝著葉片組成攪拌器。重物下落時(shí)帶動葉片轉(zhuǎn)動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。多次實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明盡管每次懸掛重物的質(zhì)量不同，下落高度也不同，但只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水上升的溫度都是相同的，即重力所做的功是水內(nèi)能變化的量度，所以此處應(yīng)理解為功和內(nèi)能的關(guān)系而非“功能”和內(nèi)能的關(guān)系。

焦耳另一個(gè)代表性的實(shí)驗(yàn)是通過電流的熱效應(yīng)給水加熱，如上圖2所示，電流通過浸在液體中的電阻絲給水加熱，使水溫度上升。多次測量結(jié)果表明，對于同一個(gè)絕熱系統(tǒng)，不管通過電阻絲的電流或大或小，通電時(shí)間或長或短，只要電流所做的功相等，則水上升的溫度都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化相同，在焦耳采用了原理不同的各種方法，做了四百余次的實(shí)驗(yàn)后，于1849年6月作了題為《熱功當(dāng)量》的總結(jié)報(bào)告，全面整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出如下結(jié)果。（數(shù)據(jù)來源：The Scientific Papers of J.P.Joule，vol.2 .Taylor，1884.328單位均以磅·英尺/英熱單位表示）

焦耳對實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理的相當(dāng)嚴(yán)密，對上述結(jié)果焦耳分析：在這三種材料中，以水的比熱最大，所以比較起來，應(yīng)該是用水做實(shí)驗(yàn)最準(zhǔn)確。因此他取1卡=4.2焦耳作為最后結(jié)果。他先后采用磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)、槳葉攪拌實(shí)驗(yàn)、水通過多孔塞實(shí)驗(yàn)、空氣壓縮實(shí)驗(yàn)、空氣稀釋實(shí)驗(yàn)等，測得大量熱功當(dāng)量的數(shù)據(jù)。盡管所用方法，設(shè)備和材料各異，但結(jié)果相差不大，并隨著實(shí)驗(yàn)精度提高而趨于同一數(shù)值，無可置疑的證明了在絕熱系統(tǒng)中“功是內(nèi)能改變的量度”，而非“功能是內(nèi)能改變的量度”。

關(guān)于“功能”在高中物理具體內(nèi)容中根本沒有找到，只是在標(biāo)題中有“功能”的說法。作為一個(gè)整體詞匯的概念?！肮δ堋痹谧值渲械慕忉屖侵甘挛锘蚍椒ㄋl(fā)揮的有利作用或效能，顯然不是高中物理學(xué)中的概念。結(jié)合功和內(nèi)能的含義，再結(jié)合教材里的具體內(nèi)容，可知該章節(jié)教材所講述的內(nèi)容是通過焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。并通過焦耳的實(shí)驗(yàn)表明：功是內(nèi)能改變的途徑之一。即：Δu=w功是內(nèi)能改變的量度。所以結(jié)合功，內(nèi)能的含義以及本節(jié)主要內(nèi)容，筆者認(rèn)為：目錄中標(biāo)題“功和內(nèi)能”比正文中標(biāo)題“功能和內(nèi)能”更合適。endprint