热学在中学物理教学中的地位和作用

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热学在中学物理教学中的地位和作用

    热现象与人的生活关系密切,人类的文明大概就是从学会用火开始的。对热现象的研究可以说开始很早,但真正成为一门科学还是近几百年的事。科学的发展是与生产技术的进步、生产力的发展密切相关的,18世纪初,第一部蒸汽机问世,为1760-1840年的工业革命准备了条件。
    由于蒸汽机的出现和应用,热现象的研究受到重视,到18世纪前半期,制造出了一些供实际应用的温度计,相继建立了华氏、摄氏等经验温标,系统的计温学初步建立,在定量研究热现象方面迈出了重要的一步。温度计的发明和改进,又进一步促进了量热学的发展,热量、热容、比热、潜热等概念初步形成,量热器开始使用,热平衡方程建立起来,量热学形成系统的科学。
    随着计温学和量热学的建立,对热现象的研究走上了实验科学的道路。18世纪后期,英国人瓦特对蒸汽机的改进起了关键性的作用,这大大促进了生产力的发展,也促进了对热现象的更深人的研究。由于对热本质的研究不断深人,热是一种物质的说法彻底破产,能量守恒定律,即热力学第一定律在19世纪得以建立。这期间,一大批科学工作者在各个不同的领域作出了自己的贡献,其中最着名的有迈尔、焦耳、亥姆霍兹三位。德国医生迈尔思维敏捷、视野开阔、善于总结,最先提出能量守恒思想,认为热是能量的一种形式,可与对机械能相互转化。英国物理学家焦耳是一个孜孜不倦的实验物理学家,他在长达40年的时间里,进行了大量精确的实验,令人信服地证明了,热量和功之间存在着确定的数量关系,为能量转化与守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。而德国的亥姆霍兹在论述能量守恒的普遍性上起着重要的作用。
    以上对热现象的研究,都是根据对现象的观察和实验所总结出来的宏观热现象的基本规律,用严密的、科学的逻辑推理方法,研究和讨论热学系统的性质,称为热现象的宏观理论。早在热力学第一定律建立之前,法国工程师卡诺对热机理论作了深入的研究,在此基础上,德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文分别于1850年和1851年独立地发现了热力学第二定律,论述了热学过程的不可逆性,找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数,这套理论发展到现在,称为“热力学”。
    在热力学理论发展的同时,人们已注意到热现象与组成物质的大量微观粒子的无规则运动有着密切关系,从微观的角度研究热现象的工作也已开始,在19世纪中叶以后得到飞跃的发展。首先是气体动理论(以前称为气体分子运动论或气体分子动理论)的提出和完善,概率统计方法的运用,使气体动理论从定性的论述发展成为定量的理论,这就是关于热现象研究的微观理论。气体动理论发展为分子物理学,再进一步发展,就是“统计物理学”。热现象的各种宏观性质都与微观粒子的运动情况有关,各宏观物理量都是相应微观量的统计平均值,任何宏观的平衡态都必然伴随着永不停息的微小涨落,这就是关于热现象的微观理论的主要观点。
    20世纪50年代以后,关于非平衡态的热力学和统计物理学理论得到迅速发展,已经从平衡态和近平衡态向着远离平衡态的方向推进,这为寻找从无序到有序转化的途径提供了新的思想和新的概念,但相对于平衡态理论来讲,非平衡态理论还显得很不完善,这是今后继续研究和发展的重点方向。
    热学是物理学的重要组成部分,热运动是物质运动的一种重要形式,热运动对应的能量枣热力学能(内能)是一种重要的能量形式,因此,热学部分的知识历来是中学物理课程的重要组成部分。热学与力学相比,研究对象、研究内容和研究方法都大不相同,力学研究的是宏观物体(其模型是质点、质点组或刚体等),以牛顿定律为基础,研究其机械运动规律以及机械能的转化与转移等等。
    而热学的研究对象是由大量微观粒子(分子、离子、原子等)组成的热学系统,研究与大量分子无规则运动有关的热学现象,包括温度及温度的测量、热量的传递与量度、物体受热后体积的膨胀、大量分子无规则运动所对应的能量(即内能)、内能与机械能等其他能量间的转化与守恒、内能的应用、热机及热机效率的提高、固体、液体、气体的性质及物质状态的变化,等等。研究热现象,与研究宏观物体的机械运动的方法完全不同,要想去追寻每一个分子,用力学的方法研究它们的运动状态,既不可能,也无必要。热现象的宏观性质,是这些大量分子集体的运动的宏观表现,研究热现象所采用的方法是统计方法。对于中学生来说,数学基础有限,对于什么是统计平均尚不能真正理解,很多问题还不能进人定量阶段,只能进行初步的定性讨论。但对于一些基本的观点和思想,必须向学生介绍,使他们在认识能力上有所提高,在学习方法上有所适应。
    初中阶段对热现象的学习,主要是了解一些与生活密切相关的、常见的热现象,包括温度和常用的液体温度计、温度测量的基本方法、热量传递的初步知识、比热容和燃料燃烧值的概念和简单计算、内能的初步概念和对热机的简单介绍,也介绍了气体动理论(分子运动论)的几个基本观点。对于固体、液体、气体的性质以及物质状态的变化,状态变化过程中热量的传递及内能的变化等占用了较大的篇幅,并从分子热运动的角度定性解释有关现象,促使学生初步建立分子热运动的图像,初步领会分子无规则运动与物质宏观性质间有着密切的联系。初中阶段的热现象教学以定性为主,虽然在比热和热量计算方面有一定的计算问题,但重点决不应放在数学计算上。但也要注意另一种倾向,即不能因为热学部分计算量少而轻视这部分的教学。