物理的“楞次”攜手化學(xué)的“勒夏特列”

漳州第一中學(xué) 許美

物理的“楞次”攜手化學(xué)的“勒夏特列”

自然界是一個統(tǒng)一、不可分割的整體。人類是自然界中的一員，而各種各樣的科學(xué)規(guī)律則是自然界事物之間聯(lián)系的體現(xiàn)。所以，由人們總結(jié)出來的規(guī)律也應(yīng)該是緊密相連的。物理學(xué)上的楞次定律和化學(xué)上的勒夏特列原理便是其中的一個典例，通過兩者的類比教學(xué)，會讓學(xué)生更加熟練地掌握它們各自的內(nèi)涵和用法，也能讓我們感受到各學(xué)科之間的學(xué)習并不是孤立的，而是具有一種統(tǒng)一的美。

楞次定律 勒夏特列原理 類比學(xué)習 平衡系統(tǒng)

自然界萬物有著一種統(tǒng)一的美，各個學(xué)科內(nèi)部之間本來就存在著緊密的聯(lián)系。比如：生物學(xué)上說，生態(tài)系統(tǒng)中有“牽一發(fā)而動全身”的特性，然而由于負反饋調(diào)節(jié)的作用，生態(tài)系統(tǒng)卻具有一定的穩(wěn)定性，能夠保持自身結(jié)構(gòu)和功能的相對穩(wěn)定；物理學(xué)上說，當通過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，由感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場會阻礙原磁通量的變化；化學(xué)上說，對于一個已達到平衡的反應(yīng)，當影響平衡的條件發(fā)生改變時，平衡將會朝著阻礙這種改變的方向移動。

上述各學(xué)科給予我們的啟示是：一個平衡系統(tǒng)對外界干擾的反應(yīng)總是會阻礙外界干擾的進行，當然這只是阻礙并不是阻止。這讓我們不禁想到，不同學(xué)科之間是否有什么相同的規(guī)律？我們在教學(xué)中又該如何來利用這種共同規(guī)律讓學(xué)生更快地理解、領(lǐng)會本學(xué)科的知識點？下面，讓我們通過幾個步驟來了解一下這兩條原理之間的聯(lián)系。

1　原理講解

勒夏特列原理（又稱平衡移動原理）：在一個已經(jīng)達到平衡的可逆反應(yīng)中，改變影響化學(xué)平衡的一個因素（如溫度、壓強，以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度），平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動［1］。

勒夏特列原理給了我們一種定性判斷化學(xué)平衡移動的方法。我們知道，影響化學(xué)平衡的條件主要有溫度、壓強和濃度。由于任何化學(xué)反應(yīng)都存在能量的轉(zhuǎn)化，當系統(tǒng)溫度降低時，平衡將朝著放熱反應(yīng)的方向移動；當溫度升高時，平衡將朝著吸熱反應(yīng)的方向移動。同樣的道理，當某種反應(yīng)物的濃度發(fā)生改變時，若其增加，平衡將正向移動，若其減少，平衡將逆向移動；生成物的濃度發(fā)生改變的情況則相反。如果是系統(tǒng)的壓強發(fā)生改變呢？以氮氣和氫氣反應(yīng)生成氨氣為例，由于反應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)總和大于生成物的化學(xué)計量數(shù)總和，那么當壓強增大時，平衡就要向正反應(yīng)方向移動；壓強減小時，平衡就要逆向移動。特殊的是，如果反應(yīng)物和生成物的化學(xué)計量數(shù)總和相等，那么壓強的改變就不會引起平衡的移動。當然這種平衡的移動只會削弱或阻礙影響條件的改變，而不能完全地阻止這種改變。

物理學(xué)中的楞次定律的主要內(nèi)容是：閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化［2］。同樣的，這只是阻礙而不是阻止。

楞次定律是一條電磁學(xué)的定律，從電磁感應(yīng)得出感應(yīng)電動勢的方向，其可確定由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生之電動勢的方向，楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體體現(xiàn)。楞次定律還可表述為：感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。“楞次定律”是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在電磁運動中的體現(xiàn)，感應(yīng)電流的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的原磁場的磁通量的變化，因此，為了維持原磁場磁通量的變化，就必須有動力作用，這種動力克服感應(yīng)電流的磁場的阻礙作用做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電流的電能，所以“楞次定律”中的阻礙過程，實質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)化的過程。

2　跨科關(guān)聯(lián)

勒夏特列原理（又稱平衡移動原理）歸納的是化學(xué)學(xué)科中關(guān)于平衡系統(tǒng)的原理，在物理學(xué)科中也有相應(yīng)的平衡系統(tǒng)的定律——楞次定律。

根據(jù)高中教學(xué)的特點，楞次定律的教學(xué)先于勒夏特列原理，學(xué)生在學(xué)習完楞次定律的基礎(chǔ)上可以更好地理解勒夏特列原理。因此在了解了“楞次定律”和“勒夏特列”原理的基本內(nèi)容和用法之后，我們會發(fā)現(xiàn)兩者之間有著驚人的相似之處。

楞次定律中，由于磁通量的改變必然會有感應(yīng)出來的電流激發(fā)磁場來阻礙這種變化；同樣，在勒夏特列原理中，由于外界環(huán)境的改變，必會有系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)濃度的相應(yīng)改變來阻礙這種變化；楞次定律中由感應(yīng)出來的電流產(chǎn)生的磁場使物體受力，這個力必會阻礙原物體的運動；同樣，在勒夏特列原理中，在平衡時由于外界壓強、溫度等的改變時平衡出現(xiàn)了移動，這個移動必會阻礙原平衡的進行。下面舉兩個簡單的例子來揭示兩者的緊密聯(lián)系。

例1：如圖，在垂直于紙面向里的磁場中，在一U形的光滑導(dǎo)軌上放置一根與其接觸良好的金屬棒，施加恒力F是導(dǎo)體棒向右運動，則以下正確的是：

A：回路中有順時針方向的電流；

B：回路中有逆時針的電流；

C：導(dǎo)體棒一直向右運動；

D：導(dǎo)體棒先向右運動后停止。

很明顯答案是 BC。根據(jù)楞次定律可以知道，由于磁場的作用，產(chǎn)生的感應(yīng)電流必然會阻礙導(dǎo)體棒的向外運動，由右手定則可判斷電流方向為逆時針方向。另一方面由于感應(yīng)電流只會阻礙導(dǎo)體運動而不會阻止其運動，所以導(dǎo)體棒會一直向右運動。

例 2：在一個密閉的容器中，發(fā)生如下的反應(yīng)：N2+3H2?2NH3。當體系達到平衡時，向其中充入氮氣，則以下正確的是：

A：平衡正向移動；

B：平衡逆向移動；

C：新的平衡時氮氣濃度比原來的大；

D：新的平衡時氮氣濃度比原來的小。

答案是 AC。根據(jù)勒夏特列原理，反應(yīng)物的濃度發(fā)生增加時，則平衡正向移動，并且這種平衡的移動只會削弱或阻礙影響條件的改變，而不能完全阻止這種改變。因此新的平衡時氮氣濃度會比原來的大。

3　結(jié)論

通過以上兩例的對比，我們會發(fā)現(xiàn)，這兩條定律似乎在闡述同一個道理，一個達到穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)，總是會有想要維持原來狀態(tài)的趨勢，一旦有某種外來的力量想要破壞這種狀態(tài)，系統(tǒng)就會產(chǎn)生一種“反力量”來阻礙這種外來力量。在高中的學(xué)習階段中，學(xué)生對楞次定律的學(xué)習先于勒夏特列原理，當了解到兩者的密切關(guān)系后，我們就要學(xué)會遷移，把物理中的知識應(yīng)用到化學(xué)中來，解決平衡移動中的各種問題，做到舉一反三。同時，這樣的方法不僅會使學(xué)習事半功倍，而且讓我們更加感到學(xué)科間并不是相互獨立的，而是緊密相連、密不可分的一個整體。

在這樣的比較中，我們利用其他學(xué)科已完成的相應(yīng)原理或定律，啟發(fā)學(xué)生理解本學(xué)科的知識點，同時也能加深和鞏固學(xué)生對前一學(xué)科相應(yīng)知識的理解。通過各學(xué)科相關(guān)知識交叉的引用和相互印證，讓物理的“楞次”攜手化學(xué)的“勒夏特列”，提高學(xué)生的學(xué)習興趣，讓學(xué)生在快樂中學(xué)習，以此提高教與學(xué)的效率，做到事半功倍，進而使學(xué)生由單學(xué)科的理解、逐漸融會到多學(xué)科的貫通，對學(xué)生構(gòu)建完整的學(xué)科知識框架體系，拓展知識的橫向聯(lián)系有極大幫助。

終有一天，在科學(xué)上或者哲學(xué)上會有更一般化的規(guī)則被總結(jié)出來，這需要我們在平常的學(xué)習中不斷地思考。只有如此，才能發(fā)現(xiàn)楞次定律和勒夏特列原理背后更為壯觀的科學(xué)之美。

［1］ 王祖浩. 化學(xué)反應(yīng)原理［M］. 南京∶ 江蘇教育出版社， 2006.

［2］ 程守洙， 江之永. 普通物理學(xué)［M］. 北京∶ 高等教育出版社， 2006.