人教版《物理》選擇性必修第三冊“第三章熱力學定律”編寫說明

摘 要：對“第三章 熱力學定律”的編寫意圖進行梳理，明確說明章結構的設計特點，展現教科書編寫的邏輯線索，深入挖掘教科書中關于學科核心素養目標的落實.在具體說明中，圍繞本章的具體內容逐節細致說明并給出教學建議.

關鍵詞：熱力學定律;物理核心素養;編寫說明

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0014-04

作者簡介：曹寶龍（1960-），男，浙江富陽人，博士，博士生導師，教授，中學正高級教師，中學特級教師，研究方向：學科教育（物理學、科學）與心理發展，教學管理與研究.

1 全章概述

本冊第一章、第二章學習了分子動理論和氣體、固體和液體，學生已經掌握了分子動理論的基本規律和氣體、固體和液體的基本性質和規律，本章學習熱力學定律.熱力學定律建立在對熱現象的研究基礎上，體現熱力學現象本質和規律的物理學原理.本章以兩個熱力學定律為核心，定律一主要總結了系統內能變化與做功、傳熱的關系，能量的轉化和守恒問題;定律二主要研究與熱現象有關的宏觀過程的方向性問題.熱力學的宏觀研究路徑是觀察、實驗以及對觀察、實驗獲得的信息進行分析、歸納和概括.因此，實驗和觀察對于熱力學具有更加突出的意義.本章可以有效地培養學生模型建構能力、歸納思維能力、宏觀現象的微觀解釋能力、運用理論解決實際問題的能力.

本章共4節課文，其知識線索可分為四部分：第一是功、熱和內能的改變（第1節），從熱力學的角度認識功與能的關系，改變內能的方式;第二是熱力學第一定律（第2節），介紹改變系統內能與做功、傳熱之間的關系，并且對系統改變內能進行必要的計算與解釋;第三是能量守恒定律（第3節），介紹人類在長期的生產實踐與科學研究中對運動本質的認識，對能量觀念、能量守恒觀念的形成和發展過程，能量守恒定律的表達和永動機問題也進行了重點闡述;第四是熱力學第二定律（第4節），介紹了熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述，同時介紹了能源的本質.

在初中物理（科學）中，學生已經學過內能概念和改變內能的兩種方式等知識，但高中物理在初中內能概念的基礎上，對熱力學做了更深入的研究和探討.首先用更嚴謹的方式介紹了內能的概念、功能的關系、改變內能的方式等，并且用定量的方式探討了內能的改變與做功、內能的改變與傳熱之間的關系;然后從大量熱現象用歸納思維的方式概括出了熱力學第一定律，并且用熱力學第一定律計算與解釋有關系統的能量、功和熱的問題;第三部分重點介紹了人類認識運動與能量、用能量觀念認識各種運動的基本思想的研究與發展過程;本章的最后一部分用實驗觀察與實驗分析與歸納等方法總結歸納熱力學第二定律，這是解釋自然界中運動變化過程的方向性問題的基本規律.

本章教材在編寫上做了一些改進.

第一，因為課時調整的關系，從熱力學的知識結構考慮，要突出主干知識，刪除了一些非主干知識.本章簡化和刪除了熱力學第二定律的微觀解釋的內容.熱力學第二定律的微觀解釋體現統計力學的思想，思想方法很好但有一定難度，所以調整到了拓展性學習的內容.這樣安排既可以讓有能力的學生繼續學習，而不對所有選修物理的學生做統一要求.

第二，把功與內能的關系和熱傳遞與內能的關系這兩部分內容合在一節中呈現，原因之一是這些內容在初中物理（科學）中已經比較熟悉，原因之二是合在一起可以讓學生對內能改變與功與熱之間的關系更有整體性的理解，同時與熱力學第一定律有更好的思維銜接.

第三，刪除了可持續發展的內容.課程標準把可持續發展內容調整到了必修課程，因此本章不再安排可持續發展這一節內容了.

編者在編寫教材時，注意在學習概念、歸納和運用規律的同時，培養學生的核心素養，教師也應注意從核心素養的角度去進行教學.

1.1 物理觀念

物理觀念是人們對物理現象和規律的基本認識.本章的物理觀念認識主要體現在：（1）改變系統的內能可以通過做功和傳熱兩種方式，且這兩種方式效果相同、本質不同;（2）可以用系統的概念來分析系統內能改變，且可以定量計算;（3）能量是各種不同的運動的共同特征量，因此能量是描述運動的普適物理量;（4）自然界發生的所有變化過程都遵守能量守恒定律，但不是所有遵守能量守恒的過程都可能發生的;（5）熱力學第一定律主要研究能量的守恒問題，第二定律則研究自然過程的方向性問題;（6）因為能量存在品質差異，所以能源是有限的.

1.2 科學思維

本章的科學思維培養主要體現在：（1）絕熱過程模型.絕熱過程是為了研究內能改變與做功之間的關系創設的實驗方法，是控制變量的要求，時間極短而來不及傳熱的過程可看成絕熱過程.（2）系統模型.可以建立系統能量的“邊界”模型，計算和解釋系統內能問題，把做功和傳熱的量分成有助于增加系統內能和減少系統內能兩類，以確定熱力學第一定律中W和Q的正負.（3）第一類永動機的模型.第一類永動機的本質可以理解成：只做功而不消耗任何能量的機器.（4）熱力學第二定律本質（模型）：機械能可以全部轉化成內能，但內能不可能全部轉化成機械能.

1.3 科學探究

本章的科學探究主要體現在：（1）用絕熱過程模型來探究做功與系統內能改變之間的關系，體現了控制變量的實驗思想;（2）描述各種運動的共同物理量——能量，初步體現了統一性理論的創建;（3）在熱力學定律的研究過程，主要體現了實驗歸納與推理的基本方法.

1.4 科學態度與責任

本章是實踐性和應用性比較強的內容，因此要特別關注以下幾個問題：（1）對能量觀念和能量守恒的探索歷程，體現了人類認識自然需要有實踐的過程;（2）對永動機的探索過程體現了科學探索的艱辛與曲折性;（3）對自然現象的歸納、熱機的研究是熱力學定律建立的基礎，說明了科學與生產實踐的緊密聯系.

課時安排建議

第1節 功、熱和內能的改變2課時

第2節 熱力學第一定律1課時

第3節 能量守恒定律1課時

第4節 熱力學第二定律1課時

2 具體說明

（1）第1節“功、熱和內能的改變”涉及焦耳實驗、功與內能的改變、熱與內能的改變等三個部分內容，這些內容的核心是為熱力學第一定律打下基礎.本節涉及的物理概念比較多，例如，絕熱過程、功、系統、內能等，準確理解這些概念對正確把握本節內容和后續學習內容尤其重要.

本節教學需要突出以下三個方面的內容：一是焦耳實驗的控制變量的思想方法;二是根據焦耳實驗結果和功能關系，采用類比方法構建內能的宏觀定義;三是建立兩個表達式.即在絕熱條件下，ΔU=W; 以及在不做功的條件下，ΔU=Q.這兩個結論是建立熱力學第一定律的基礎.

焦耳實驗在物理學史上的獨特地位是熱力學定律的奠基性實驗.本節從焦耳實驗出發，介紹了焦耳在19世紀30年代所做的功與熱的等效性實驗.經過對實驗結論深度歸納后引入系統內能的概念，最終得出做功與系統內能變化之間的關系.

內能的定義也是這節的重要學習內容.在第一章中我們知道，從微觀的意義看內能是系統內所有分子的動能與勢能的總和;本節從內能的宏觀定義來看，內能表達了系統處于過程中某一狀態的能量.這樣對于內能的認識就經歷了從第一章中微觀揭示到本節中宏觀定義的過程，完整且又縝密，意義重大.橫向看，內能的宏觀定義使它與“功是能量變化的量度”的普遍觀點保持一致，使得我們對于能量與功的理解更加深化;縱向看，內能與溫度、壓強等其他熱學物理量一樣，都具有宏觀意義和微觀解釋，使得學生在對熱學量的認識方面具有了一致性、相關性和遷移性.

我們可以從焦耳實驗得出做功與內能改變的關系：在Q=0（絕熱）的實驗條件下，系統內能的改變量就等于外界對系統做的功W，即ΔU=W.絕熱過程可以分為兩種情況：一種是用絕熱材料將系統與外界隔離傳熱，使系統不能與外界發生熱交換，焦耳的兩個實驗就屬于這種情況;第二種情況是系統的做功非常快，經歷時間極短，在這么短的時間內系統與外界“來不及”發生熱交換.顯然壓縮引火實驗就是第二種絕熱過程.

傳熱與內能改變的關系控制條件是W=0，這時系統從狀態1變化到狀態2時，內能的改變量ΔU就等于外界對系統傳遞的熱量Q，即ΔU=Q.

從本質上說，傳熱是不同物體（或一個物體的不同部分）之間內能的轉移，它只是內能的傳遞，不發生熱運動與其它運動形式之間的轉化，所發生的相互作用是通過熱交換或物質交換進行的.熱量就是為了量度傳熱過程中所傳遞的能量的多少而引入的概念.而做功過程總是伴隨著其他形式的能與內能之間的轉化，如機械能與內能、電能與內能之間的轉化.同時，一定會伴隨著其他運動形式與熱運動之間的轉化，如機械功伴隨著機械運動與熱運動之間的轉化，電功伴隨著電磁運動與熱運動之間的轉化.

（2）第2節“熱力學第一定律”主要涉及兩個方面：一是系統既有做功，又由于存在溫度差而與外界交換熱量的情況下，系統內能變化的定量表達式;二是熱力學第一定律的應用.

使系統的熱運動狀態發生變化，既可以通過做功的方式，也可以通過傳熱的方式.自然界實際發生的熱力學過程往往是上述兩種基本過程的綜合，即系統既有做功的過程發生，又由于存在溫度差而與外界交換熱量，所以我們有必要將單純絕熱過程和單純傳熱過程中系統內能變化的定量表達式推廣到一般情況，也就是得出普遍適用的熱力學第一定律.一般情況下既有熱傳遞又有做功的情況下，ΔU=W+Q.從ΔU=W和ΔU=Q推導出ΔU=W+Q的過程是一種典型的歸納推理過程，這在牛頓第二定律的歸納推理中也應用過.

在熱力學第一定律ΔU=W+Q中，ΔU是內能的增量，W表示外界對系統所做的功，Q表示系統從外界吸收的熱量.對氣體來說，要求學生明確，壓縮氣體時外界對氣體做功，氣體膨脹時氣體對外界做功.對于正、負符號，教學時應結合實例引導學生自主認識、歸納總結.W和Q符號規則可以用非常簡單清晰的方法：因為外界對系統做功或外界對系統傳熱都有助于系統的內能增加，因此此時W和Q符號都取正;反之都取負.熱力學第一定律的應用關鍵在于從問題背景信息的分析中判斷ΔU、W和Q這三個量的正負.例如，氣體膨脹的過程，可以想像成氣缸的活塞向外推動，因此是氣體對外界做功;液體的汽化也相當于氣體膨脹，因此是系統對外界做功的過程.

（3）第3節“能量守恒定律”主要內容是三個部分：一是能量守恒定律的探索歷史;二是能量守恒定律;三是永動機不可能制成.人類對能量的認識并不是某一時間發現的過程，而是在生產實踐和科學探索中逐步形成能量的概念，并且逐步探索和發現能量守恒的規律的.因此本節的主要任務是認識能量和能量守恒觀念的發展歷史，理解能量守恒定律，并且根據能量守恒定律這一規律知道永動機不可能制成的原因.

能量守恒定律的探索歷史內容非常豐富，因此教材對這些探索歷史的內容進行了歸類.一方面是人類對能量概念的認識過程;另一方面是對能量守恒思想的認識過程.我們可以利用能量守恒的研究歷史來促進學生對科學史的深度研究.表1中的內容可以作為課堂教學設計問題的素材.

能量守恒定律與熱力學第一定律既有聯系又有區別.能量守恒定律是自然界普遍遵守的規律，而熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學現象中的體現;能量守恒定律對宏觀運動和微觀現象均適用，而熱力學第一定律只是在熱現象中運用;能量守恒定律在熱運動中可以表現為熱力學第一定律，在機械運動中可以表現為機械能守恒定律.

能量守恒定律的確立，具有重大的理論意義.一方面找到了各種自然現象的公共量度——能量，從而把各種自然現象與定量規律聯系了起來.這是人類科學探索過程中一次重要的統一性理論的探索，充分體現了科學的統一性理論的探索方法或探索方向.另一方面，這個定律的確立，突破了人們關于物質運動的機械觀念的范圍，從本質上表明了各種物質運動形式

之間相互轉化的可能性.

永動機不可能制成對于學生來說是一個很好的教育材料.一方面科學家們對永動機的探索歷史體現了人類科學探索的艱辛歷程，這些科學家的精神值得我們崇尚;另一方面體現了人類在探索過程中要善于及時地反思與總結.

（4）第4節“熱力學第二定律”主要討論了與熱現象有關的自然過程的方向性問題，包括三個方面：一是從自然界中與熱現象有關的過程是不可逆的事實出發，歸納出熱力學第二定律的克勞修斯表述;二是從熱機的效率分析概括出熱力學第二定律的開爾文表述;三是介紹了能源有限的基本道理.

與熱現象有關的自然過程的方向性分析主要通過實例分析進行歸納總結.例如，（1）紅墨水在水中的擴散現象;（2）將熱雞蛋置于冷水中，熱量可以自發地從雞蛋轉移到冷水中，雞蛋降溫而使水溫升高;（3）輪胎里的壓縮氣體向外泄漏;（4）一個運動小球在有摩擦的水平面上逐漸停下來.

我們還可以用另外的案例來說明可逆性問題.如圖1所示，一個滑塊在光滑固定的曲面上無初速釋放，你認為這個過程可逆嗎？如果曲面與滑塊之間有摩擦，則這個過程可逆嗎？

分析這個案例我們可以發現，如果沒有熱現象發生，這個過程可能是可逆的，但一旦發生熱現象滑塊就不可能產生可逆現象了，不能回到原來的位置.

熱力學第二定律的開爾文表述是建立在對熱機的做功效率的分析之上的，因此關鍵是對熱機的工作原理的理解，并對熱機的熱能轉化成機械能的效率進行分析.熱機工作的過程中，必定會產生對周圍環境散熱、機器的器件運動時產生的摩擦散熱、工作循環中的排氣散熱等，因此熱機不可能把產生的熱能全部轉化成機械能.我們可以這樣說：任何熱機都不可能把熱能全部轉化成機械能.從這樣的理解我們可以將其轉化成開爾文的表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響.其實，對“不產生其它影響”可以從另外一個角度來理解：它必定產生其它影響，例如向另外的低溫熱庫散熱，向周圍環境散熱等.

（收稿日期：2021-01-15）