中學物理與大學物理的熱力學比較分析

權偉龍 韋艷芳 朱留華

摘 要：學生初二、初三對熱學都有接觸，高三的熱學已經基本自成體系，大學物理中的熱學目錄又與高三熱學比較接近，新鮮感不足，缺少學習動力、輕視心理明顯，是導致大學物理熱學部分學習效果不好的重要原因。本文對學生四次熱學學習的知識體系進行對比，指出了大學物理熱學與中學物理熱學的本質區別，有助于學生清楚認識自身知識架構的不足，明確學習目標。

關鍵詞：大學物理 熱學 知識結構

本文對初中物理、高中物理和大學物理教材中的熱學內容進行了梳理和對比。對于初中物理教材，我們以人民教育出版社義務教育教科書《物理》為參考[1-2];對于高中物理教材，我們以人民教育出版社2005版普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3—3為參考;對于《大學物理》教材，我們以北京郵電大學出版社出版、湘潭大學趙近芳教授、王登龍教授主編的“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材《大學物理學》第五版為參考。選取的初中、高中物理教材在我省目前使用最為廣泛;而大學物理教材則是我校非物理專業理工科學生正在使用的教材。當然，教材并不是學生熱學知識的全部，但對絕大多數學生而言，教材內容是其知識結構的主體，具有普遍的代表性。

一、中學與大學物理熱學知識結構

熱學是研究熱現象和熱運動的一門科學，從廣義上講，任何物質系統（場）都可以是熱學的研究對象，但是對于本科階段的非物理專業學生而言，熱學最重要的研究對象是理想氣體。從初二、初三、高中和《大學物理》中的主要熱學知識點可以看出，熱學內容廣泛、概念繁多，但仔細梳理后容易發現，熱學知識體系可以分為物質結構、狀態與過程、能量轉化三個方面。

（一）物質結構

熱學中的物質結構，中學涉及較多，核心要點有3個：第一，物質由大量分子原子構成;第二，分子熱運動永不停息;第三，分子排列可以有序、也可以無序。這些都是觀念、圖像上的認識，重在想象和理解，定量的計算很少，僅在高中階段有關于分子大小測定的簡單實驗和計算（如油膜法及其有關計算）。初二從是否具有固定熔點的角度接觸了晶體與非晶體;高三則指出晶體中的原子是周期性排列的，從而導致各向異性、規則外形等，而非晶中的原子排列則沒有周期性，比較混亂和無序，高三還指出了單晶、多晶、液晶等概念，指出了溫度和分子運動劇烈程度有關，甚至給出了 的比例關系。可以看出從初中到高中，學生對物質結構的認識前進了一步，但還是停留在定性認識和圖像理解層面。到了大學，物質結構是專業課固體物理的內容，大學物理幾乎不涉及物質結構，氣體動理學和熱力學都是圍繞理想氣體展開的;

（二）狀態與過程

關于熱學中的狀態與過程的學習，可以分為四個階段：第一階段在初二，接觸了溫度和溫度計，認識了固體、液體、氣體三種物態以及熔化、凝固、液化、汽化、升華、凝華六種轉變行為，但都停留在現象層面，即能分清楚三種物態、六種轉變以及誰吸熱、誰放熱就可以，不涉及定量計算;第二階段在初三，學生接觸了熱機和熱機效率的概念，了解了內燃機四沖程過程，定量計算僅限于簡單的熱機效率和電流的焦耳熱問題;第三階段在高三，這里突破就比較大，首先，學生了解了飽和蒸氣壓、熔化熱、汽化熱等概念，還要會簡單計算和判斷，問題開始變得比較抽象;另外接觸了表面張力、毛細現象、浸潤不浸潤現象及其原因。在觀念上，引入了平衡態與非平衡態、宏觀態與微觀態、熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熵等概念和原理。這意味著高三之后，學生描述簡單熱力學系統的概念和基本框架初步形成，但是這些都限于觀念上的理解;高三熱學的重點是玻意耳定律、查理定律和蓋呂薩克定律，最后歸結為氣體狀態方程。有關代數計算開始成為學習熱學的重點、分析推理計算能力要求迅速提高。這些推理計算的前提是對壓強、溫度、體積、初始狀態、末狀態、等溫、等壓、等體過程要有準確的理解。

（三）能量轉化

熱力學過程中的能量轉化，第一次是在初二，學生了解到物態變化需要吸收或放出能量，第二次是初三，學習了電能轉化熱能（焦耳熱）的計算，知道電功率并不全都是熱功率，知道了能量轉化守恒定律、熱機效率、能源品質及其相關的環境問題，到了高三，則引入了內能、做功、熱傳遞，明確提出了熱力學第一定律（能量守恒）、熱力學第二定律（過程進行方向，也可以說是能量轉化的方向）、還提到了20世紀50年代才逐漸成熟的熱力學第三定律。但是直到高三結束，熱學中關于能量轉化的定量計算都很少，更多的是在思想上認識到熱力學過程中伴隨著能量轉化以及這些能量轉化是有條件的即可（如溫度相同，不能傳熱;如熱量不能全部轉化為有用功而不產生其他影響）。熱力學過程中有關能量轉化的定量計算幾乎都是在大學階段才開始學習的。

二、大學物理熱學的六個特征

客觀地講，《大學物理》課程中的熱學，相對于物理專業的《熱力學與統計物理》而言是簡單的，但是相對于中學階段的熱學而言，則是有質的飛躍。第一，《大學物理》課程明確了理想氣體模型的五個基本假設（質點、彈性碰撞、相互作用可忽略、均勻性、各向同性），指出了平衡態不僅是熱平衡態、還必須是力學平衡態、化學平衡態和相平衡態，還引入了準靜態過程、可逆過程、微觀狀態數目、最概然分布等重要概念，從而基本框架更加系統和完整;第二，《大學物理》課程對壓強和溫度的微觀本質進行推導，引入了麥克斯韋速率分布律，學生對溫度和狀態方程的本質認知從定性走向更加明確的定量，從宏觀走向微觀，并第一次把微觀平均性質和宏觀狀態參量聯系起來，理論基礎更加堅實。第三，《大學物理》課程中熱學對等溫、等壓、等容、絕熱等四個熱力學過程中的熱量、功和內能變化（熱力學第一定律的運用）進行了完整系統的計算，而高中關于這些過程的計算只是圍繞氣體狀態方程中的壓強溫度體積變化進行，到了大學階段，狀態方程已退居輔助條件的地位，而且此時的計算都以高等數學的微積分和概率論為基礎，這是高中物理根本無法比擬的;第四，《大學物理》課程中的循環部分，把中學的具體的熱機上升到更為一般和抽象的循環和循環效率，并在理想氣體情況下對熱機和制冷機效率進行嚴格計算;第五，《大學物理》課程中的熱學引入卡諾定理、克勞修斯不等式、玻爾茲曼熵等概念，從而使得對熱力學第二定律的理解從定性上升到定量，進入深刻的物理本質及其數學表示階段。第六，《大學物理》課程在學時充分時（如128學時），還會就熱力學第三定律、真實氣體、相變和非平衡過程中的粘滯、熱導進行介紹，這些在中學階段只是簡單地列出了熱力學第三定律的內容。

通過以上比較可以看出：第一，在觀念上，《大學物理》中的熱力學比中學物理中的熱學更加完整、更加理性、也更加抽象，物理思想更為深邃。如溫度，中學只是理解溫度表示物體冷熱程度，是物體內部分子運動劇烈程度的反映，但并沒有具體的數量關系，更沒有嚴格的推導證明，而大學物理則推導了溫度的微觀本質，并給出了能量按自由度均分定理;第二，在基本原理上，中學階段除了氣體狀態方程外，很多認識都只作定性要求，定量計算很少，但《大學物理》對溫度的微觀本質、壓強的微觀意義、麥克斯韋速率分布律、熱力學第一定律、第二定律、微觀態數目等核心問題都進行了定量演繹和說明，從定性到定量這本身就是飛躍;第三，在計算上，中學階段以理想氣體狀態方程為主，對等溫、等壓、等容過程中狀態參量壓強、體積、溫度三者之間的數量關系進行研究，而《大學物理》中主要是研究這些過程中的熱量、功和內能之間的定量關系，狀態方程只是輔助條件，并以此為基礎對理想氣體熱容進行了詳細討論，指出了梅耶公式和絕熱系數等概念，這也是和中學物理的重要區別。

結語

相較于物理專業的《熱力學與統計物理》，《大學物理》的熱學部分還是比較淺顯的，但是通過大學物理熱學的學習，學生對熱現象的認識已經實現了一次從具體的現象到抽象物理本質的一次飛躍，學生如果不能體會到這樣的飛躍，《大學物理》中的熱學教育應該說是比較失敗的。如果后續專業課中學生還有機會繼續學習材料熱力學、氣動熱力學、化學熱力學或傳熱學等課程，學生應該會體會到第二次飛躍，即從物理學一般原理到具體應用技術（實際問題不再是理想系統）的轉變，這是一個把理論知識轉化為具體問題的過程，能否創造性的完成這個轉變，則可以看作是理工科本科教育是否成功的一個標志。

參考文獻

[1]課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書《物理》八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：46-67.

[2]課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書《物理》九年級全一冊[M].北京：人民教育出版社，2013：01-30.

作者簡介

權偉龍（1978—），男，籍貫：陜西乾縣，玉林師范學院副教授，博士，主要從事物理類教學和材料物性計算研究工作。