中學物理與大學物理的熱力學比較分析

權(quán)偉龍 韋艷芳 朱留華

摘 要：學生初二、初三對熱學都有接觸，高三的熱學已經(jīng)基本自成體系，大學物理中的熱學目錄又與高三熱學比較接近，新鮮感不足，缺少學習動力、輕視心理明顯，是導致大學物理熱學部分學習效果不好的重要原因。本文對學生四次熱學學習的知識體系進行對比，指出了大學物理熱學與中學物理熱學的本質(zhì)區(qū)別，有助于學生清楚認識自身知識架構(gòu)的不足，明確學習目標。

關(guān)鍵詞：大學物理 熱學 知識結(jié)構(gòu)

本文對初中物理、高中物理和大學物理教材中的熱學內(nèi)容進行了梳理和對比。對于初中物理教材，我們以人民教育出版社義務教育教科書《物理》為參考[1-2];對于高中物理教材，我們以人民教育出版社2005版普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3—3為參考;對于《大學物理》教材，我們以北京郵電大學出版社出版、湘潭大學趙近芳教授、王登龍教授主編的“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材《大學物理學》第五版為參考。選取的初中、高中物理教材在我省目前使用最為廣泛;而大學物理教材則是我校非物理專業(yè)理工科學生正在使用的教材。當然，教材并不是學生熱學知識的全部，但對絕大多數(shù)學生而言，教材內(nèi)容是其知識結(jié)構(gòu)的主體，具有普遍的代表性。

一、中學與大學物理熱學知識結(jié)構(gòu)

熱學是研究熱現(xiàn)象和熱運動的一門科學，從廣義上講，任何物質(zhì)系統(tǒng)（場）都可以是熱學的研究對象，但是對于本科階段的非物理專業(yè)學生而言，熱學最重要的研究對象是理想氣體。從初二、初三、高中和《大學物理》中的主要熱學知識點可以看出，熱學內(nèi)容廣泛、概念繁多，但仔細梳理后容易發(fā)現(xiàn)，熱學知識體系可以分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)與過程、能量轉(zhuǎn)化三個方面。

（一）物質(zhì)結(jié)構(gòu)

熱學中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，中學涉及較多，核心要點有3個：第一，物質(zhì)由大量分子原子構(gòu)成;第二，分子熱運動永不停息;第三，分子排列可以有序、也可以無序。這些都是觀念、圖像上的認識，重在想象和理解，定量的計算很少，僅在高中階段有關(guān)于分子大小測定的簡單實驗和計算（如油膜法及其有關(guān)計算）。初二從是否具有固定熔點的角度接觸了晶體與非晶體;高三則指出晶體中的原子是周期性排列的，從而導致各向異性、規(guī)則外形等，而非晶中的原子排列則沒有周期性，比較混亂和無序，高三還指出了單晶、多晶、液晶等概念，指出了溫度和分子運動劇烈程度有關(guān)，甚至給出了 的比例關(guān)系。可以看出從初中到高中，學生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識前進了一步，但還是停留在定性認識和圖像理解層面。到了大學，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是專業(yè)課固體物理的內(nèi)容，大學物理幾乎不涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)，氣體動理學和熱力學都是圍繞理想氣體展開的;

（二）狀態(tài)與過程

關(guān)于熱學中的狀態(tài)與過程的學習，可以分為四個階段：第一階段在初二，接觸了溫度和溫度計，認識了固體、液體、氣體三種物態(tài)以及熔化、凝固、液化、汽化、升華、凝華六種轉(zhuǎn)變行為，但都停留在現(xiàn)象層面，即能分清楚三種物態(tài)、六種轉(zhuǎn)變以及誰吸熱、誰放熱就可以，不涉及定量計算;第二階段在初三，學生接觸了熱機和熱機效率的概念，了解了內(nèi)燃機四沖程過程，定量計算僅限于簡單的熱機效率和電流的焦耳熱問題;第三階段在高三，這里突破就比較大，首先，學生了解了飽和蒸氣壓、熔化熱、汽化熱等概念，還要會簡單計算和判斷，問題開始變得比較抽象;另外接觸了表面張力、毛細現(xiàn)象、浸潤不浸潤現(xiàn)象及其原因。在觀念上，引入了平衡態(tài)與非平衡態(tài)、宏觀態(tài)與微觀態(tài)、熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熵等概念和原理。這意味著高三之后，學生描述簡單熱力學系統(tǒng)的概念和基本框架初步形成，但是這些都限于觀念上的理解;高三熱學的重點是玻意耳定律、查理定律和蓋呂薩克定律，最后歸結(jié)為氣體狀態(tài)方程。有關(guān)代數(shù)計算開始成為學習熱學的重點、分析推理計算能力要求迅速提高。這些推理計算的前提是對壓強、溫度、體積、初始狀態(tài)、末狀態(tài)、等溫、等壓、等體過程要有準確的理解。

（三）能量轉(zhuǎn)化

熱力學過程中的能量轉(zhuǎn)化，第一次是在初二，學生了解到物態(tài)變化需要吸收或放出能量，第二次是初三，學習了電能轉(zhuǎn)化熱能（焦耳熱）的計算，知道電功率并不全都是熱功率，知道了能量轉(zhuǎn)化守恒定律、熱機效率、能源品質(zhì)及其相關(guān)的環(huán)境問題，到了高三，則引入了內(nèi)能、做功、熱傳遞，明確提出了熱力學第一定律（能量守恒）、熱力學第二定律（過程進行方向，也可以說是能量轉(zhuǎn)化的方向）、還提到了20世紀50年代才逐漸成熟的熱力學第三定律。但是直到高三結(jié)束，熱學中關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的定量計算都很少，更多的是在思想上認識到熱力學過程中伴隨著能量轉(zhuǎn)化以及這些能量轉(zhuǎn)化是有條件的即可（如溫度相同，不能傳熱;如熱量不能全部轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響）。熱力學過程中有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的定量計算幾乎都是在大學階段才開始學習的。

二、大學物理熱學的六個特征

客觀地講，《大學物理》課程中的熱學，相對于物理專業(yè)的《熱力學與統(tǒng)計物理》而言是簡單的，但是相對于中學階段的熱學而言，則是有質(zhì)的飛躍。第一，《大學物理》課程明確了理想氣體模型的五個基本假設（質(zhì)點、彈性碰撞、相互作用可忽略、均勻性、各向同性），指出了平衡態(tài)不僅是熱平衡態(tài)、還必須是力學平衡態(tài)、化學平衡態(tài)和相平衡態(tài)，還引入了準靜態(tài)過程、可逆過程、微觀狀態(tài)數(shù)目、最概然分布等重要概念，從而基本框架更加系統(tǒng)和完整;第二，《大學物理》課程對壓強和溫度的微觀本質(zhì)進行推導，引入了麥克斯韋速率分布律，學生對溫度和狀態(tài)方程的本質(zhì)認知從定性走向更加明確的定量，從宏觀走向微觀，并第一次把微觀平均性質(zhì)和宏觀狀態(tài)參量聯(lián)系起來，理論基礎(chǔ)更加堅實。第三，《大學物理》課程中熱學對等溫、等壓、等容、絕熱等四個熱力學過程中的熱量、功和內(nèi)能變化（熱力學第一定律的運用）進行了完整系統(tǒng)的計算，而高中關(guān)于這些過程的計算只是圍繞氣體狀態(tài)方程中的壓強溫度體積變化進行，到了大學階段，狀態(tài)方程已退居輔助條件的地位，而且此時的計算都以高等數(shù)學的微積分和概率論為基礎(chǔ)，這是高中物理根本無法比擬的;第四，《大學物理》課程中的循環(huán)部分，把中學的具體的熱機上升到更為一般和抽象的循環(huán)和循環(huán)效率，并在理想氣體情況下對熱機和制冷機效率進行嚴格計算;第五，《大學物理》課程中的熱學引入卡諾定理、克勞修斯不等式、玻爾茲曼熵等概念，從而使得對熱力學第二定律的理解從定性上升到定量，進入深刻的物理本質(zhì)及其數(shù)學表示階段。第六，《大學物理》課程在學時充分時（如128學時），還會就熱力學第三定律、真實氣體、相變和非平衡過程中的粘滯、熱導進行介紹，這些在中學階段只是簡單地列出了熱力學第三定律的內(nèi)容。

通過以上比較可以看出：第一，在觀念上，《大學物理》中的熱力學比中學物理中的熱學更加完整、更加理性、也更加抽象，物理思想更為深邃。如溫度，中學只是理解溫度表示物體冷熱程度，是物體內(nèi)部分子運動劇烈程度的反映，但并沒有具體的數(shù)量關(guān)系，更沒有嚴格的推導證明，而大學物理則推導了溫度的微觀本質(zhì)，并給出了能量按自由度均分定理;第二，在基本原理上，中學階段除了氣體狀態(tài)方程外，很多認識都只作定性要求，定量計算很少，但《大學物理》對溫度的微觀本質(zhì)、壓強的微觀意義、麥克斯韋速率分布律、熱力學第一定律、第二定律、微觀態(tài)數(shù)目等核心問題都進行了定量演繹和說明，從定性到定量這本身就是飛躍;第三，在計算上，中學階段以理想氣體狀態(tài)方程為主，對等溫、等壓、等容過程中狀態(tài)參量壓強、體積、溫度三者之間的數(shù)量關(guān)系進行研究，而《大學物理》中主要是研究這些過程中的熱量、功和內(nèi)能之間的定量關(guān)系，狀態(tài)方程只是輔助條件，并以此為基礎(chǔ)對理想氣體熱容進行了詳細討論，指出了梅耶公式和絕熱系數(shù)等概念，這也是和中學物理的重要區(qū)別。

結(jié)語

相較于物理專業(yè)的《熱力學與統(tǒng)計物理》，《大學物理》的熱學部分還是比較淺顯的，但是通過大學物理熱學的學習，學生對熱現(xiàn)象的認識已經(jīng)實現(xiàn)了一次從具體的現(xiàn)象到抽象物理本質(zhì)的一次飛躍，學生如果不能體會到這樣的飛躍，《大學物理》中的熱學教育應該說是比較失敗的。如果后續(xù)專業(yè)課中學生還有機會繼續(xù)學習材料熱力學、氣動熱力學、化學熱力學或傳熱學等課程，學生應該會體會到第二次飛躍，即從物理學一般原理到具體應用技術(shù)（實際問題不再是理想系統(tǒng)）的轉(zhuǎn)變，這是一個把理論知識轉(zhuǎn)化為具體問題的過程，能否創(chuàng)造性的完成這個轉(zhuǎn)變，則可以看作是理工科本科教育是否成功的一個標志。

參考文獻

[1]課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書《物理》八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：46-67.

[2]課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書《物理》九年級全一冊[M].北京：人民教育出版社，2013：01-30.

作者簡介

權(quán)偉龍（1978—），男，籍貫：陜西乾縣，玉林師范學院副教授，博士，主要從事物理類教學和材料物性計算研究工作。