追根溯源 培養(yǎng)科學(xué)的思維和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度

顏巖

引子：很多材料上都有這么一道很經(jīng)典的熱學(xué)題目：

題目：.下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，正確的是

A.第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了熱力學(xué)第一定律

B.能量耗散過(guò)程中能量不守恒

C.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律

D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性

本題正確答案AD;

但很多資料認(rèn)為A不對(duì)，解釋第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成，是因?yàn)檫`背了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為：“不可能制造出第一類永動(dòng)機(jī)”。故A對(duì)。熱力學(xué)第一定律就是涉及熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

造成錯(cuò)誤的原因是：1、對(duì)第一類永動(dòng)機(jī)概念、發(fā)展歷史不清楚。

2、對(duì)熱力學(xué)第一定律不理解。

3、對(duì)熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律的關(guān)系搞不清楚。

一、追根溯源，澄清事實(shí)

那么什么是第一類永動(dòng)機(jī)呢？

1、理清概念是基礎(chǔ)

第一類永動(dòng)機(jī)的定義：某物質(zhì)循環(huán)一周回復(fù)到初始狀態(tài)，不吸熱而向外放熱或做功，這叫“第一類永動(dòng)機(jī)”。這種機(jī)器不消耗任何能量，卻可以源源不斷的對(duì)外做功。

2、注重發(fā)展歷史，清根溯源

歷史上最著名的第一類永動(dòng)機(jī)是法國(guó)人亨內(nèi)考在13世紀(jì)提出的“魔輪”。如圖所示：輪子中央有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，輪子邊緣等距地安裝著12根活動(dòng)短桿，每個(gè)短桿的一端裝有一個(gè)鐵球。亨內(nèi)考認(rèn)為，魔輪通過(guò)安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動(dòng)的懸臂實(shí)現(xiàn)永動(dòng)，向下行方向的懸臂在重力作用下會(huì)向下落下，原理轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大;而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心。力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動(dòng)魔輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)被不少人以不同的形式復(fù)制出來(lái)，但從未實(shí)現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動(dòng)。

仔細(xì)分析一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個(gè)數(shù)少，左邊每個(gè)球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個(gè)數(shù)多。于是，輪子不會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去而對(duì)外做功，只會(huì)擺動(dòng)幾下，便停在右圖中所畫的位置上。

15世紀(jì)，意大利著名的科學(xué)家、藝術(shù)家達(dá)·芬奇也曾設(shè)計(jì)了一個(gè)相同原理的類似裝置，但試驗(yàn)卻未獲得成功。由此，達(dá)·芬奇敏銳地認(rèn)識(shí)到永動(dòng)機(jī)是不可能制成地，他勸告永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者們：“永恒運(yùn)動(dòng)地幻想家們！你們的探索是何等徒勞無(wú)功，還是去作淘金者吧?！?/p>

17世紀(jì)，英國(guó)被關(guān)在倫敦塔下的犯人馬爾基斯的，也曾復(fù)制了一臺(tái)類似的轉(zhuǎn)動(dòng)永動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)輪的直徑約4.3m，有40個(gè)質(zhì)量約為23kg的重球沿轉(zhuǎn)輪輻條向外運(yùn)動(dòng)，輪流驅(qū)使轉(zhuǎn)輪不斷運(yùn)動(dòng)。據(jù)說(shuō)他曾向英國(guó)國(guó)王查理一世表演過(guò)這一裝置，國(guó)王見(jiàn)了十分高興，就釋放了他，其實(shí)這臺(tái)機(jī)器由于有較大的自重，經(jīng)推動(dòng)后能依靠慣性維持一段時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)，但終究還是要停止的。

16世紀(jì)70年代，意大利的一位機(jī)械師斯特爾又提出了一個(gè)流水落差永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。他在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪在帶動(dòng)水磨轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)一組齒輪帶動(dòng)螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個(gè)裝置可以這樣不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，并有效地對(duì)外做功。后來(lái)有人還設(shè)計(jì)了一臺(tái)類似的永動(dòng)機(jī)，但并沒(méi)有成功。

3、通過(guò)對(duì)永動(dòng)機(jī)的反駁，弄清關(guān)系，理清思路

熱力學(xué)發(fā)展初期，熱和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動(dòng)下，工業(yè)上和運(yùn)輸上都相當(dāng)廣泛地使用蒸汽機(jī)。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機(jī)械能。甚至幻想制造一種機(jī)器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對(duì)外做功，這就是所謂的第一類永動(dòng)機(jī)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，促使人們都去研究熱和機(jī)械能之間的關(guān)系問(wèn)題。邁爾（J.R.Mayer）第一個(gè)提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理學(xué)界的確認(rèn)，卻是在焦耳（J.P.Joule）的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表以后。

焦耳在1840～1848年間做了大量實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了熱與多種能量的相互轉(zhuǎn)化時(shí)的嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系。以往熱的單位是cal（卡），功以erg（爾格）為單位，焦耳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1cal=4.184×107erg，這就是著名的熱功當(dāng)量。此后，更準(zhǔn)確地測(cè)定為4.184×107erg，即4.184J（焦耳）。焦耳實(shí)驗(yàn)表明，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總數(shù)量不變。能量守恒轉(zhuǎn)換定律的建立，對(duì)制造永動(dòng)機(jī)的幻想作了最后的判決，因而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為：“不可能制造出第一類永動(dòng)機(jī)”。由此可見(jiàn)，熱力學(xué)第一定律就是涉及熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

由此可見(jiàn)，物理概念，規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，邏輯關(guān)系不明造成的，再者，照本宣科也是問(wèn)題?？梢?jiàn)物理學(xué)史對(duì)物理教學(xué)的重要性。

二、物理教學(xué)中物理學(xué)史的重要意義

物理學(xué)史是研究人類對(duì)自然界各種物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)史，它的基本任務(wù)就是描述物理概念、定律、理論和研究方法的脈絡(luò)，揭示物理學(xué)觀念、方法和內(nèi)容的發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性。研究學(xué)習(xí)物理學(xué)史，不僅會(huì)為物理教學(xué)注入新的活力，還有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理、攀登科學(xué)高峰的積極熱情。

1、可以了解物理學(xué)的本來(lái)面目，消除對(duì)物理的神秘感

在物理教學(xué)中，我們主要是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前人已經(jīng)獲得的理論知識(shí)。教學(xué)中的物理知識(shí)都是人們經(jīng)過(guò)多次整理而形成的嚴(yán)密的理論邏輯體系。因此，我們?cè)诮虒W(xué)中只重視對(duì)知識(shí)本身的講解，而對(duì)于一些概念、規(guī)律產(chǎn)生的歷史事實(shí)很少問(wèn)津。

經(jīng)過(guò)對(duì)這些物理史的本來(lái)面目的了解和熟悉，學(xué)生們就會(huì)慢慢學(xué)著具體理解任何一個(gè)重要概念、定理和理論的獲得，都是經(jīng)過(guò)"試探-除錯(cuò)"的多次選擇而得到一個(gè)動(dòng)態(tài)的歷史過(guò)程。在物理教學(xué)中，我們可以通過(guò)必要的歷史回顧，促使學(xué)生們了解物理學(xué)的各種原理、定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，了解各種模型所依據(jù)的客觀事實(shí)的原形，了解各種假說(shuō)、觀點(diǎn)和物理思想的演變。雖然講述時(shí)用的時(shí)間不多，但可以使學(xué)生了解物理概念、規(guī)律、原理產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過(guò)程，這種做法不僅會(huì)消除學(xué)生對(duì)物理知識(shí)來(lái)源的神秘感和錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力?？梢?jiàn)把物理學(xué)史和物理教學(xué)相結(jié)合是非常重要的，不僅起到開發(fā)學(xué)生智力，訓(xùn)練學(xué)生思維的重要作用，而且能使學(xué)生從物理學(xué)史中認(rèn)識(shí)物理。

2、有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度

卡文迪許在測(cè)量引力常量時(shí)巧妙的使用反射放大的辦法將很小的引力常量準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)，“秤”出了地球的質(zhì)量，為航天事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)奧斯特發(fā)現(xiàn)電的磁效應(yīng)，惠更斯用電橋測(cè)電阻，盧瑟福用金箔發(fā)現(xiàn)原子的核式結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，理想斜面實(shí)驗(yàn)等都十分精妙，這些都可以開拓學(xué)生思路，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ囵B(yǎng)學(xué)生的科學(xué)的思想和方法。通過(guò)大量的物理學(xué)家的小故事，不剛可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以使它們受到啟發(fā)，在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過(guò)程中養(yǎng)成嚴(yán)密科學(xué)的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度。

總之，在全面推進(jìn)素質(zhì)教育，實(shí)施課程改革的今天，對(duì)發(fā)展中學(xué)生綜合素質(zhì)提出了更高的要求，物理學(xué)史的教育功能則更加明顯。在物理教學(xué)中，有目的地滲透物理學(xué)史，是完全必要的，也是切實(shí)可行的。