物理学中蕴含的生活哲理例谈
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作者: 林春艳
摘 要: 众多简洁明了的物理学定律中都隐含有非常朴素的生活哲理,从中可以看到物理学奇妙有趣的一面。本文通过几个实例和读者进行探讨,与读者一起体会物理学的神奇。
关键词: 物理学 理论 生活哲理
物理学对于学生来说并不总是意味着严谨的推理、众多的公式、深奥难懂的理论,物理学还有其生动有趣,贴近生活的一面。透过反映物质世界本质的众多简洁明了的物理学定律及规律,我们可以看到物理学理论中所隐含的非常朴素的哲理,这样的哲理在我们的日常生活中经常可见。下面我举几个例子和大家共同探讨,让我们去认识物理学的趣味性和奇妙性。
1.热力学第一定律:Q=△U+A。
热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学中的具体表现。它表明:热是物质运动的一种形式,外界传给物质系统的能量(热量),等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。热力学第一定律又叫第一类永动机不可能原理。热力学发展初期,热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下,工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机,人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。对此问题的研究使人们热衷于研制一种机器,他们设想这种机器可以持续不断地对外作功,而不需要外界提供任何能量、能源,这就是所谓的第一类永动机。
人们设计的永动机在实践面前不可避免地宣告结束,这也预示第一类永动机是不可能制造成功的。现在我们可以从理论上对这一问题加以解释。让一台机器不从外界吸收能量,而又能源源不断地对外做功,从热力学第一定律的数学表述公式来看,即Q为0,而A永远大于0,这就意味着必须牺牲系统的内能,系统通过降低内能从而对外作功。系统的内能与温度有关,内能降低意味着系统的温度降低,而任何系统的温度降低总是有限度的,它不可能无限制地持续降低,因而系统持续不断地对外作功就必然是不可能的了。热力学第一定律实质上否认了能量的无中生有,所以不需要动力和燃料就能持续不断作功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。物理学中还有一句经典的说法用来描述第一类永动机不可能原理,即“既要马儿好,又要马儿不吃草”,这当然是不可能的了。无独有偶,中国老百姓还有句俗语:“天上不会掉馅饼。”这和物理学中第一类永动机不可能原理所隐含的哲理是一致的。在教学中讲授热力学第一定律时,我对学生说:如果把第一类永动机不可能原理运用到他们的身上,就是又想学习好,又想不付出努力,不看书、不做作业,这当然也是不可能的。学生听了都会心地一笑。当然我们还知道一个人想做一点事情,取得一点成就,那么也必须付出努力。在这里物理学不折不扣地给我们展示出了生活的真谛。
2.热力学第二定律。
热力学第一定律指出,任何一个热力学过程都必须遵从能量守恒,但是凡是满足能量守恒的热力学过程也不一定都能实现。自然界中存在着各种各样的热力学宏观过程,每种热力学宏观自发过程都有确定的进行方向。热力学第二定律给出了任何一个热力学宏观过程所能自发进行的方向界定。克劳修斯表述指出,热量可以自发地由高温物体传向低温物体,而相反的过程:热量自发地由低温物体传递给高温物体,使高温物体温度更高,低温物体温度更低,而且不产生任何其它影响的过程是永远不会发生的,这实质是指明了热传递的不可逆性。开尔文表述指出,做功的能量可以自发地全部转化为物体的热量,而相反的过程:使物体的温度自动降低,热量自动减少,减少的热量全部转化为对外作功且不产生任何其它影响的过程是永远不会发生的,这实质是指明了功热转化的不可逆性。还可以举出更多的例子来说明,自然界中与热现象有关的一切宏观自发过程都是不可逆的。只要能指明一种热力学宏观自发过程进行的方向,就可以作为热力学第二定律的一种表述,所以热力学第二定律的表述就不仅仅只有克劳修斯表述和开尔文表述两种形式。如果你愿意去做的话,热力学第二定律的表述可以有几百种、上千种甚至上万种之多,这么多的表述其实质都是完全一样的,是可以互相论证的。
热力学第二定律指出自然界中的宏观自发过程能够进行下去是有规律可循的,是有一定的规则和方向限制的,一切宏观自发过程均为不可逆过程。自然界中任何生物成长的过程也是有方向限制的,一切生物的成长都遵守从生到死的自然法则,生命过程不可逆。老人经常教诲:“说出去的话如同泼出去的水,收也收不回来。”以此来告诫人们做事生活要严谨,事情一旦发生都是不可逆转的。这些朴素的生活哲理和热力学第二定律的内涵是相通的,热力学第二定律也可看成是人们朴素生活哲理的一种体现。
3.麦克斯韦速率分布律。
麦克斯韦速率分布律指出,处于平衡态下的气体内部,所有分子都以不同的速率运动着,考虑气体分子的速率分布在0―∞之间,则速率很大和速率很小的分子数占总分子数的比率都比较小,而具有中等速率的分子数占总分子数的比率较大。气体分子速率分布的这种特点表明气体分子数目按速率分布类似于纺锤型,以较慢速率运动的分子数少,以较大速率运动的分子数也少,而以中等速率运动的分子数最多,即气体分子速率分布具有中间大,两头小的结构。处于平衡态下气体分子按速率分布的纺锤结构让我们想到一个班级中学生成绩的分布正常情况下也应成纺锤形,成绩很好、分数很高的学生和成绩很差、分数极低的学生都占少数,大多数的学生成绩处于中等水平。再如社会的收入分配结构,经济学家所推崇的也是纺锤形收入分配结构,即低收入和高收入相对较少,中等收入占绝大多数的收入分配结构,这种以中等收入者为主要成分的社会结构,也是现代最稳定的社会结构。经济学家所推崇的现代社会最稳定的一种社会结构和物理学中讨论的处于平衡态下的气体分子的速率分布结构具有相似性,看似毫不相关的两个领域,它们遵守的规律却具有相似性,物理学定律在此向我们展示出了它的奇妙之处。
4.表面张力的存在。
处于液体内部的分子受到其它分子对它的作用力为零,而处于液体表面层内的分子总会受到一个指向液体内部的微观力的作用,就是因为这个微观力的存在,使处于液体表面层内的分子比处于液体内部的分子具有更多的势能,而任何系统要处于稳定状态,系统的能量都应该取最小值,所以处于表面层内的分子一有机会就会往液体的内部跑,从宏观上就表现为液体表面层有收缩的趋势,即液体表面层存在表面张力。表面张力的存在意味着液体分子具有“惰性”,它总会使自身保持一种能量最低的状态。能量最低,也是系统能够处于稳定平衡状态的原因。人也是具有惰性的,在没有动力驱动的情况下,总想保持最舒适、最轻松的状态,所以要想改变现状或者驱动去做成某一件事情的时候,需要有动力、有激励措施,要增加“能量”,克服自身“惰性”而“做功”。不仅仅是我们的生命体具有惰性,在微观世界中的小小分子也同样具有惰性。当我们在探索这个宏观世界的时候,生命体和微观世界中的小小分子居然遵守相似的规则,你看我们生活在一个多么神奇的世界。
当然物理学中还有许许多多这样的定律和规律,当我们在深入的理解和思考这些定律及规律时,我们可能在其中发现隐含着的最朴素的生活哲理。物理教师在教给学生物理学理论的同时,也可以对物理学理论作适当引申,让学生理解物理学理论中透露出的生活哲理,让学生领悟物理学和我们的生活“息息相关”。这不仅能体现在物理学技术在生活中的应用,而且能体现在物理学中的思想哲理和文化信息和我们的生活紧密相关。总之,物理学并非总是严密的逻辑推理、大量的公式定律,物理学也有它生动有趣、奇妙、神奇的一面。
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