然而, 不管是称作 “阳”, 抑或是叫做 “火”, 通常来讲都是光这般的现象跟热这种现象合二为一的情况, 并且还同人的另外一种感官, 也就是视觉相互交织于一块, 故而人类对于热的早期认知大体上是模模糊糊且含含糊糊的。在16世纪快要结束以及17世纪才刚刚开始的时候, 科学家伽利略弄出了首个能够直接去观测冷热的装置；一直到百年之后的1714年, 华伦海特是在把水银温度观测装置加以改进的基础之上构建起了华氏温标, 人类对于热的认识这才终于踏上了实验科学的道路, 并且是在蒸汽动力应用技术不断发展的进程之中日益完备的。1850年代, 热力学第一及第二定律得以建立, 此将热学的发展推至高潮, 到19世纪末时, 热学已然与经典力学、经典电磁学一道成为物理学大厦的三大核心支柱, 因在此期间, 20世纪最重大的物理学成果之一“量子力学”, 也是于对热辐射问题的研究进程中被“催生”的。
现今, 热学所研究的内容, 已然远远超越了“冷热”的界限, 摇身一变, 成为一门探究物质性质、状态, 甚至深入到微观结构与规律的“大学问”。然而, 与此同时, 由于它正稳步从直观的“冷热感知”领域, 不断深入至愈发抽象的层级, 所以其学习门槛与理解难度也在逐步攀升, 进而给基础教育阶段的学习者带来了一定程度的困难。
02
热的流体图像
初学者觉得热学难, 是由于太过抽象。然而, 抽象的概念绝对不是毫无根据创造而来, 并且, 它们常常是在一些直观、具象的事物基础之上, 借助类比方式营造而成, 就像本专栏前面文章曾讲述过的, 法拉第依据磁铁周围铁屑图样构建的力线 , 还有麦克斯韦基于流管创立而起的旋度、散度等部分概念, 这些都是相关例子。
本系列名为“理解物理图像, 善用类比思想”的文章里, 曾有过比较系统地去阐述流体图像下边的热与能, 各位读者能够去回顾相关的介绍。要是我们着手处理宏观范畴内的热现象问题, 将热视作某种特定流体, 恰似一汪清澈的水, 如此一来, 研究对象能够看成是一个“水池”，其热容量等同于这个“水池”的容量, 比热容好比“水池”的底面积, 那温度就依照“水位”高低来对应, 物体相互之间传递的热量能够类比成“水池”之间的水流量……热与功的转换跟外界做功抽水或者放水对外做功的情景毫无二致。于是热容相关的计算问题变成了小学数学里那个连接进水管和出水管的水池, 清晰明了。
其一, 进一步而言, 能够将热力学第一定律类比成“水量”的守恒, 其二, 热力学第二定律的克劳修斯表述里头提到, “不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化”, 其三, 于此大致能够类比成“水”不能自动往高处流, 其四, 而开尔文表述为, “不可能制成一种循环动作的热机, 从单一热源取热, 使之完全变为功而不引起其他变化”, 其五, 这则大致可类比为, 没有水动力装置能够工作在没有“水位”高度差的一汪死水之中。
处于基础物理学习的这个阶段, 热学里边所涉及到的温度, 还有内能、功以及热量等这些内容, 差不多都能够在一汪清水中寻觅到恰当的类比对象, 进而建立起直观的物理图像。
03
热的粒子运动图像
固然, 选用流体图像并不表明热实实在在是一种流体, 它是一种起着辅助作用的手段。由培根、罗蒙诺索夫依据摩擦生热开展哲学思考, 到伦福德伯爵进行的切削炮筒试验, 以及往后焦耳对热功当量的测量, 证实了热是一种运动样式。近代科学又给出了充足的证据来支持物质由原子构成的观点, 而且确切知晓热的物理实质是微观粒子运动的宏观表现。故而自20世纪以来, 热学构建了另外一种物理图像——“粒子运动”图像(图2)。
图2 微观粒子无规则热运动的宏观表现——布朗运动
比方说, 粗略去阐释气体压强的形成情况, 能够将每一个空气分子视作一个小球, 借助冲量定理来计算它与器壁之间所产生的冲击力, 接着把单位时间内能够撞击容器壁的所有分子小球的个数清点出来, 一般是以单位面积作为底面, 分子平均速度乘以单位时间作为母线长度构建一个柱体, 随后用这个柱体的体积去乘里面的粒子数密度, 这样一来, 器壁上所产生的压强便是所有分子碰撞冲击力的总和。再比如说温度, 这个用于量度物体“冷热”性质的抽象函数, 通过借助粒子碰撞产生压强的计算, 并且与理想气体状态方程相结合, 就能够发现, 原来它是分子平均平动动能的宏观表现。
鉴于“粒子运动”图像与客观现实呈现出更为贴近的态势, 所以上述部分常常被教科书以宏观现象的“微观解释”的形式予以运用。可是存在一个要点我们应予以留意, 那就是以上此番乃是一种处于初级阶段的、具备理想化特质的“粒子运动”图像。
实际上, 构成宏观物体的微观粒子并非这样理想, 粒子存在着各异的动量、动能等参量, 并且数量众多的粒子在相互作用中持续变换运动状态, 我们大体上没办法如同研究宏观物体那般把控每一时刻每一个粒子的运动状态, 仅仅只能尝试运用统计的方法寻觅大量粒子的一些整体信息, 诸如速率分布、能量分布等, 从而构建起现今物理学的一个关键分支——统计物理学。真正的“粒子运动”图像是统计的。
04
热学的认知路径
有两条不一样的路径可用于学习物理学, 一条是关于知识体系的路径, 也就是把已然发展成熟的概念、规律等整理成特定的知识体系以此来展开学习；另一条是认知过程的路径, 就是遵照人类对相关问题的认知历程去开展学习。前者有着体系完整的优点, 内容也精炼, 然而在学科建立进程里, 好多知识都存有演化历程物理竞赛试题热学物理竞赛试题热学，致使学生直接面对曲折演化的结果时, 没法还原从具象自然现象到抽象物理概念的过程, 难以理解与掌握；后者的优势是脉络清晰, 便于理解, 可是任何一个学科的发展进程都不简单, 完全依照认知过程会致使内容繁杂, 在有限学时中难以完成。
受限于是刚性的学时, 所以物理教学一般运用知识体系的办法来开展。然而不管是教育者还是学习者都应当察觉到这种路径存在的局限性。就拿热学来说物业经理人，基础物理教学的进程通常起始于以理想气体三定律以及状态方程作为代表的气体分子动理论开始, 介绍宏观状态参量 , 接着是压强 、温度等物理量的微观解释 , 进而讲解统计物理的麦克斯韦速率分布 、能量分布等。之后, 进入热力学部分。从既为准静态过程又为热力学循环的内容起始, 按照先热力学第一定律, 后热力学第二定律这样的顺序, 逐个依次展开。最后, 针对热力学第三定律与第零定律, 做出简要的介绍有。
这么看, 从知识结构方面, 确实是简洁完备的, 然而, 咱们来考察一下关于这种教学顺序下, 呈现在学生脑海里的物理图像: 起始呢, 内容是从理想气体三部定律, 以及状态方程着手的, 这个时候, 物理图像是真实可感又直觉化的一种气体, 它属于流体模型范畴；此后, 进入微观解释的部分, 物理图像就切换成了理想化初级阶段的“粒子运动”图像；紧接着, 引入了麦克斯韦分布律, 其物理图像便升级成为统计版本样式的“粒子运动”图像；随后, 进入到热力学章节里的准静态过程以及热力学循环领域, 在此处, 又回转到了热的流体图像；热力学第一定律是在流体图像这个情形之下, 做了完整的介绍；热力学第二定律, 先是基于流体图像, 做出开尔文表述、克劳修斯表述, 之后, 又回转到统计的那种表示“粒子运动”图像下面的玻尔兹曼表述。这个过程里, 物理图像多次进行切换, 先是从具象的真实流体展开, 接着到初级版“粒子运动”, 随后升级到统计版“粒子运动”, 再跳到抽象的热的流体模型, 而后又跳到统计版“粒子运动”。在这一回回物理图像切换当中, 众多初学者被弄得稀里糊涂, 最终只能无奈放弃学习。
会有人持有这样的观点, 即对于热学、电磁学这类相对抽象一些的内容而言, 在开展教学的时候, 有必要做到还原相应的认识过程, 先在总体方面采用知识体系学习这条路径, 以此为基础, 在部分阶段采用认知过程的学习路径, 如此这般能够起到事半功倍的效果。
流体以及“粒子运动”图像, 就如同前面两节中所讲述的那样, 是人类依据“由表及里”的逻辑次序去认识热现象然后渐渐构建而成的。在18、19世纪的时候, 人们尚处于主要钻研宏观、表面问题的阶段, 像是热机里的物质怎样通过循环对外做功, 热与功之间的转化等等, 在这些问题当中, 流体这种宏观图像是极为直观且精准的, 所以被广泛接纳并运用。但自19世纪初起, 道尔顿于化学范畴构建原子论, 阿伏伽德罗给出分子的观念, 赫拉帕斯、瓦特斯顿、克勒尼希等推出热是分子运动的模型, 克劳修斯详尽阐述理想气体分子模型并导入平均自由程等统计概念, 直至范德瓦耳斯提出实际气体方程, 麦克斯韦、玻尔兹曼等人展开对统计物理的奠基性工作, 到20世纪时人类针对物质的认知迈步微观领域, 渐多的实验证据强化了人们对热现象的领会, “粒子运动”图景变为揭示本质、深入探究的新颖工具并且。
于教学里, 若依照历史脉络, 先自流体这较易同生活经验建成联系的图像起始, 将理想气体定律跟状态参量, 热力学第一与第二定律等的19世纪末之前的热力学主要内容做完整阐述；接着借助奥斯特瓦尔德唯能论与玻尔兹曼的原子论之争的历史故事, 恰当地引入粒子运动模型, 进而对宏观流体图像下构建的物理概念予以微观解释。温度、内能、焓、熵等核心概念, 可看作在流体图像基础上建立, 通过类比, 将它们与水位、水量等建立联系, 以利于同学理解。之后, 再探讨物理学发展至微观领域时, 从“粒子运动”图像的视角揭示其抽象本质。如此, 学生既能清晰构建两种基本物理图像, 又能从认知过程方面理解两种图像的先后顺序、优缺点及适用范围, 热学也就不再是让人疑惑模糊、难以理解的学科了。
05
结语
物理图像的演变进程, 实际上涵盖了人类针对相关现象, 从表面到内里、从具体至抽象的认识进程, 这与人类的认知习惯以及规律高度契合。所以, 把物理概念借助物理图像进行具象化处理, 接着依据图像的演变进程, 将相关知识点构建成符合认知习惯与规律的体系, 应该能让教与学均收到事半功倍的效果。