中学物理与大学物理的热力学比较分析

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　　摘 要：学生初二、初三对热学都有接触，高三的热学已经基本自成体系，大学物理中的热学目录又与高三热学比较接近，新鲜感不足，缺少学习动力、轻视心理明显，是导致大学物理热学部分学习效果不好的重要原因。本文对学生四次热学学习的知识体系进行对比，指出了大学物理热学与中学物理热学的本质区别，有助于学生清楚认识自身知识架构的不足，明确学习目标。
　　关键词：大学物理 热学 知识结构
　　本文对初中物理、高中物理和大学物理教材中的热学内容进行了梳理和对比。对于初中物理教材，我们以人民教育出版社义务教育教科书《物理》为参考[1-2];对于高中物理教材，我们以人民教育出版社2005版普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3—3为参考;对于《大学物理》教材，我们以北京邮电大学出版社出版、湘潭大学赵近芳教授、王登龙教授主编的“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《大学物理学》第五版为参考。选取的初中、高中物理教材在我省目前使用最为广泛;而大学物理教材则是我校非物理专业理工科学生正在使用的教材。当然，教材并不是学生热学知识的全部，但对绝大多数学生而言，教材内容是其知识结构的主体，具有普遍的代表性。
　　一、中学与大学物理热学知识结构
　　热学是研究热现象和热运动的一门科学，从广义上讲，任何物质系统（场）都可以是热学的研究对象，但是对于本科阶段的非物理专业学生而言，热学最重要的研究对象是理想气体。从初二、初三、高中和《大学物理》中的主要热学知识点可以看出，热学内容广泛、概念繁多，但仔细梳理后容易发现，热学知识体系可以分为物质结构、状态与过程、能量转化三个方面。
　　（一）物质结构
　　热学中的物质结构，中学涉及较多，核心要点有3个：第一，物质由大量分子原子构成;第二，分子热运动永不停息;第三，分子排列可以有序、也可以无序。这些都是观念、图像上的认识，重在想象和理解，定量的计算很少，仅在高中阶段有关于分子大小测定的简单实验和计算（如油膜法及其有关计算）。初二从是否具有固定熔点的角度接触了晶体与非晶体;高三则指出晶体中的原子是周期性排列的，从而导致各向异性、规则外形等，而非晶中的原子排列则没有周期性，比较混乱和无序，高三还指出了单晶、多晶、液晶等概念，指出了温度和分子运动剧烈程度有关，甚至给出了 的比例关系。可以看出从初中到高中，学生对物质结构的认识前进了一步，但还是停留在定性认识和图像理解层面。到了大学，物质结构是专业课固体物理的内容，大学物理几乎不涉及物质结构，气体动理学和热力学都是围绕理想气体展开的;
　　（二）状态与过程
　　关于热学中的状态与过程的学习，可以分为四个阶段：第一阶段在初二，接触了温度和温度计，认识了固体、液体、气体三种物态以及熔化、凝固、液化、汽化、升华、凝华六种转变行为，但都停留在现象层面，即能分清楚三种物态、六种转变以及谁吸热、谁放热就可以，不涉及定量计算;第二阶段在初三，学生接触了热机和热机效率的概念，了解了内燃机四冲程过程，定量计算仅限于简单的热机效率和电流的焦耳热问题;第三阶段在高三，这里突破就比较大，首先，学生了解了饱和蒸气压、熔化热、汽化热等概念，还要会简单计算和判断，问题开始变得比较抽象;另外接触了表面张力、毛细现象、浸润不浸润现象及其原因。在观念上，引入了平衡态与非平衡态、宏观态与微观态、热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律、熵等概念和原理。这意味着高三之后，学生描述简单热力学系统的概念和基本框架初步形成，但是这些都限于观念上的理解;高三热学的重点是玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律，最后归结为气体状态方程。有关代数计算开始成为学习热学的重点、分析推理计算能力要求迅速提高。这些推理计算的前提是对压强、温度、体积、初始状态、末状态、等温、等压、等体过程要有准确的理解。
　　（三）能量转化
　　热力学过程中的能量转化，第一次是在初二，学生了解到物态变化需要吸收或放出能量，第二次是初三，学习了电能转化热能（焦耳热）的计算，知道电功率并不全都是热功率，知道了能量转化守恒定律、热机效率、能源品质及其相关的环境问题，到了高三，则引入了内能、做功、热传递，明确提出了热力学第一定律（能量守恒）、热力学第二定律（过程进行方向，也可以说是能量转化的方向）、还提到了20世纪50年代才逐渐成熟的热力学第三定律。但是直到高三结束，热学中关于能量转化的定量计算都很少，更多的是在思想上认识到热力学过程中伴随着能量转化以及这些能量转化是有条件的即可（如温度相同，不能传热;如热量不能全部轉化为有用功而不产生其他影响）。热力学过程中有关能量转化的定量计算几乎都是在大学阶段才开始学习的。
　　二、大学物理热学的六个特征
　　客观地讲，《大学物理》课程中的热学，相对于物理专业的《热力学与统计物理》而言是简单的，但是相对于中学阶段的热学而言，则是有质的飞跃。第一，《大学物理》课程明确了理想气体模型的五个基本假设（质点、弹性碰撞、相互作用可忽略、均匀性、各向同性），指出了平衡态不仅是热平衡态、还必须是力学平衡态、化学平衡态和相平衡态，还引入了准静态过程、可逆过程、微观状态数目、最概然分布等重要概念，从而基本框架更加系统和完整;第二，《大学物理》课程对压强和温度的微观本质进行推导，引入了麦克斯韦速率分布律，学生对温度和状态方程的本质认知从定性走向更加明确的定量，从宏观走向微观，并第一次把微观平均性质和宏观状态参量联系起来，理论基础更加坚实。第三，《大学物理》课程中热学对等温、等压、等容、绝热等四个热力学过程中的热量、功和内能变化（热力学第一定律的运用）进行了完整系统的计算，而高中关于这些过程的计算只是围绕气体状态方程中的压强温度体积变化进行，到了大学阶段，状态方程已退居辅助条件的地位，而且此时的计算都以高等数学的微积分和概率论为基础，这是高中物理根本无法比拟的;第四，《大学物理》课程中的循环部分，把中学的具体的热机上升到更为一般和抽象的循环和循环效率，并在理想气体情况下对热机和制冷机效率进行严格计算;第五，《大学物理》课程中的热学引入卡诺定理、克劳修斯不等式、玻尔兹曼熵等概念，从而使得对热力学第二定律的理解从定性上升到定量，进入深刻的物理本质及其数学表示阶段。第六，《大学物理》课程在学时充分时（如128学时），还会就热力学第三定律、真实气体、相变和非平衡过程中的粘滞、热导进行介绍，这些在中学阶段只是简单地列出了热力学第三定律的内容。
　　通过以上比较可以看出：第一，在观念上，《大学物理》中的热力学比中学物理中的热学更加完整、更加理性、也更加抽象，物理思想更为深邃。如温度，中学只是理解温度表示物体冷热程度，是物体内部分子运动剧烈程度的反映，但并没有具体的数量关系，更没有严格的推导证明，而大学物理则推导了温度的微观本质，并给出了能量按自由度均分定理;第二，在基本原理上，中学阶段除了气体状态方程外，很多认识都只作定性要求，定量计算很少，但《大学物理》对温度的微观本质、压强的微观意义、麦克斯韦速率分布律、热力学第一定律、第二定律、微观态数目等核心问题都进行了定量演绎和说明，从定性到定量这本身就是飞跃;第三，在计算上，中学阶段以理想气体状态方程为主，对等温、等压、等容过程中状态参量压强、体积、温度三者之间的数量关系进行研究，而《大学物理》中主要是研究这些过程中的热量、功和内能之间的定量关系，状态方程只是辅助条件，并以此为基础对理想气体热容进行了详细讨论，指出了梅耶公式和绝热系数等概念，这也是和中学物理的重要区别。
　　结语
　　相较于物理专业的《热力学与统计物理》，《大学物理》的热学部分还是比较浅显的，但是通过大学物理热学的学习，学生对热现象的认识已经实现了一次从具体的现象到抽象物理本质的一次飞跃，学生如果不能体会到这样的飞跃，《大学物理》中的热学教育应该说是比较失败的。如果后续专业课中学生还有机会继续学习材料热力学、气动热力学、化学热力学或传热学等课程，学生应该会体会到第二次飞跃，即从物理学一般原理到具体应用技术（实际问题不再是理想系统）的转变，这是一个把理论知识转化为具体问题的过程，能否创造性的完成这个转变，则可以看作是理工科本科教育是否成功的一个标志。
　　参考文献
　　[1]课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书《物理》八年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：46-67.
　　[2]课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书《物理》九年级全一册[M].北京：人民教育出版社，2013：01-30.
　　作者简介
　　权伟龙（1978—），男，籍贯：陕西乾县，玉林师范学院副教授，博士，主要从事物理类教学和材料物性计算研究工作。
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