熱學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中的地位和作用

熱現(xiàn)象與人的生活關(guān)系密切,人類的文明大概就是從學(xué)會用火開始的。對熱現(xiàn)象的研究可以說開始很早,但真正成為一門科學(xué)還是近幾百年的事�？茖W(xué)的發(fā)展是與生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)的,18世紀(jì)初,第一部蒸汽機(jī)問世,為1760-1840年的工業(yè)革命準(zhǔn)備了條件。

由于蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用,熱現(xiàn)象的研究受到重視,到18世紀(jì)前半期,制造出了一些供實(shí)際應(yīng)用的溫度計(jì),相繼建立了華氏、攝氏等經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),系統(tǒng)的計(jì)溫學(xué)初步建立,在定量研究熱現(xiàn)象方面邁出了重要的一步。溫度計(jì)的發(fā)明和改進(jìn),又進(jìn)一步促進(jìn)了量熱學(xué)的發(fā)展,熱量、熱容、比熱、潛熱等概念初步形成,量熱器開始使用,熱平衡方程建立起來,量熱學(xué)形成系統(tǒng)的科學(xué)。

隨著計(jì)溫學(xué)和量熱學(xué)的建立,對熱現(xiàn)象的研究走上了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。18世紀(jì)后期,英國人瓦特對蒸汽機(jī)的改進(jìn)起了關(guān)鍵性的作用,這大大促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展,也促進(jìn)了對熱現(xiàn)象的更深人的研究。由于對熱本質(zhì)的研究不斷深人,熱是一種物質(zhì)的說法徹底破產(chǎn),能量守恒定律,即熱力學(xué)第一定律在19世紀(jì)得以建立。這期間,一大批科學(xué)工作者在各個(gè)不同的領(lǐng)域作出了自己的貢獻(xiàn),其中最著名的有邁爾、焦耳、亥姆霍茲三位。德國醫(yī)生邁爾思維敏捷、視野開闊、善于總結(jié),最先提出能量守恒思想,認(rèn)為熱是能量的一種形式,可與對機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化。英國物理學(xué)家焦耳是一個(gè)孜孜不倦的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,他在長達(dá)40年的時(shí)間里,進(jìn)行了大量精確的實(shí)驗(yàn),令人信服地證明了,熱量和功之間存在著確定的數(shù)量關(guān)系,為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。而德國的亥姆霍茲在論述能量守恒的普遍性上起著重要的作用。

以上對熱現(xiàn)象的研究,都是根據(jù)對現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)所總結(jié)出來的宏觀熱現(xiàn)象的基本規(guī)律,用嚴(yán)密的、科學(xué)的邏輯推理方法,研究和討論熱學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì),稱為熱現(xiàn)象的宏觀理論。早在熱力學(xué)第一定律建立之前,法國工程師卡諾對熱機(jī)理論作了深入的研究,在此基礎(chǔ)上,德國物理學(xué)家克勞修斯和英國物理學(xué)家開爾文分別于1850年和1851年獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律,論述了熱學(xué)過程的不可逆性,找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù),這套理論發(fā)展到現(xiàn)在,稱為“熱力學(xué)”。

在熱力學(xué)理論發(fā)展的同時(shí),人們已注意到熱現(xiàn)象與組成物質(zhì)的大量微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動有著密切關(guān)系,從微觀的角度研究熱現(xiàn)象的工作也已開始,在19世紀(jì)中葉以后得到飛躍的發(fā)展。首先是氣體動理論(以前稱為氣體分子運(yùn)動論或氣體分子動理論)的提出和完善,概率統(tǒng)計(jì)方法的運(yùn)用,使氣體動理論從定性的論述發(fā)展成為定量的理論,這就是關(guān)于熱現(xiàn)象研究的微觀理論。氣體動理論發(fā)展為分子物理學(xué),再進(jìn)一步發(fā)展,就是“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)”。熱現(xiàn)象的各種宏觀性質(zhì)都與微觀粒子的運(yùn)動情況有關(guān),各宏觀物理量都是相應(yīng)微觀量的統(tǒng)計(jì)平均值,任何宏觀的平衡態(tài)都必然伴隨著永不停息的微小漲落,這就是關(guān)于熱現(xiàn)象的微觀理論的主要觀點(diǎn)。

20世紀(jì)50年代以后,關(guān)于非平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論得到迅速發(fā)展,已經(jīng)從平衡態(tài)和近平衡態(tài)向著遠(yuǎn)離平衡態(tài)的方向推進(jìn),這為尋找從無序到有序轉(zhuǎn)化的途徑提供了新的思想和新的概念,但相對于平衡態(tài)理論來講,非平衡態(tài)理論還顯得很不完善,這是今后繼續(xù)研究和發(fā)展的重點(diǎn)方向。

熱學(xué)是物理學(xué)的重要組成部分,熱運(yùn)動是物質(zhì)運(yùn)動的一種重要形式,熱運(yùn)動對應(yīng)的能量棗熱力學(xué)能(內(nèi)能)是一種重要的能量形式,因此,熱學(xué)部分的知識歷來是中學(xué)物理課程的重要組成部分。熱學(xué)與力學(xué)相比,研究對象、研究內(nèi)容和研究方法都大不相同,力學(xué)研究的是宏觀物體(其模型是質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)組或剛體等),以牛頓定律為基礎(chǔ),研究其機(jī)械運(yùn)動規(guī)律以及機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移等等。

而熱學(xué)的研究對象是由大量微觀粒子(分子、離子、原子等)組成的熱學(xué)系統(tǒng),研究與大量分子無規(guī)則運(yùn)動有關(guān)的熱學(xué)現(xiàn)象,包括溫度及溫度的測量、熱量的傳遞與量度、物體受熱后體積的膨脹、大量分子無規(guī)則運(yùn)動所對應(yīng)的能量(即內(nèi)能)、內(nèi)能與機(jī)械能等其他能量間的轉(zhuǎn)化與守恒、內(nèi)能的應(yīng)用、熱機(jī)及熱機(jī)效率的提高、固體、液體、氣體的性質(zhì)及物質(zhì)狀態(tài)的變化,等等。研究熱現(xiàn)象,與研究宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動的方法完全不同,要想去追尋每一個(gè)分子,用力學(xué)的方法研究它們的運(yùn)動狀態(tài),既不可能,也無必要。熱現(xiàn)象的宏觀性質(zhì),是這些大量分子集體的運(yùn)動的宏觀表現(xiàn),研究熱現(xiàn)象所采用的方法是統(tǒng)計(jì)方法。對于中學(xué)生來說,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有限,對于什么是統(tǒng)計(jì)平均尚不能真正理解,很多問題還不能進(jìn)人定量階段,只能進(jìn)行初步的定性討論。但對于一些基本的觀點(diǎn)和思想,必須向?qū)W生介紹,使他們在認(rèn)識能力上有所提高,在學(xué)習(xí)方法上有所適應(yīng)。

初中階段對熱現(xiàn)象的學(xué)習(xí),主要是了解一些與生活密切相關(guān)的、常見的熱現(xiàn)象,包括溫度和常用的液體溫度計(jì)、溫度測量的基本方法、熱量傳遞的初步知識、比熱容和燃料燃燒值的概念和簡單計(jì)算、內(nèi)能的初步概念和對熱機(jī)的簡單介紹,也介紹了氣體動理論(分子運(yùn)動論)的幾個(gè)基本觀點(diǎn)。對于固體、液體、氣體的性質(zhì)以及物質(zhì)狀態(tài)的變化,狀態(tài)變化過程中熱量的傳遞及內(nèi)能的變化等占用了較大的篇幅,并從分子熱運(yùn)動的角度定性解釋有關(guān)現(xiàn)象,促使學(xué)生初步建立分子熱運(yùn)動的圖像,初步領(lǐng)會分子無規(guī)則運(yùn)動與物質(zhì)宏觀性質(zhì)間有著密切的聯(lián)系。初中階段的熱現(xiàn)象教學(xué)以定性為主,雖然在比熱和熱量計(jì)算方面有一定的計(jì)算問題,但重點(diǎn)決不應(yīng)放在數(shù)學(xué)計(jì)算上。但也要注意另一種傾向,即不能因?yàn)闊釋W(xué)部分計(jì)算量少而輕視這部分的教學(xué)。

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