楊雅歆 吳立東 鄒斌

摘要：初中物理溫度從定性感知的角度進(jìn)行概念的闡述，而在高中教學(xué)中溫度概念的闡述是以熱力學(xué)第零定律和統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的并解釋了氣體溫度的統(tǒng)計(jì)意義.分析了初高中溫度概念教學(xué)中的物理問(wèn)題研究對(duì)象、溫度計(jì)制作原理、攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)中存在的內(nèi)容差異著手，探討了初高中溫度概念教學(xué)的銜接，并提出采用問(wèn)題串的教學(xué)設(shè)計(jì)讓學(xué)生親歷概念的形成過(guò)程.

關(guān)鍵詞：溫度；初中物理；高中物理；教學(xué)銜接

基金項(xiàng)目：北京物理學(xué)會(huì)2018-2019年度教育科研立項(xiàng)重點(diǎn)課題“微課在中學(xué)物理課堂實(shí)施效果研究”，課題編號(hào)：WLXH1807.

作者簡(jiǎn)介：楊雅歆（1996-），女，山西太原人，研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué)；

吳立東（1970-），女，北京市人，本科，中學(xué)物理高級(jí)教師，研究方向：初中物理學(xué)科教學(xué)；

鄒斌（1980-），男，山東威海人，博士，副教授，研究方向：物理教育研究.

通訊作者：鄒斌（1980-），副教授，研究方向：物理教育，zoubin@muc.edu.cn.

1引言

核心素養(yǎng)下要求重視概念的形成過(guò)程，而非結(jié)果.溫度是一個(gè)很抽象的物理概念，究竟什么是溫度？初中物理將溫度描述為物體冷熱程度的物理量，這顯然是一個(gè)人為定性的感知，而人的感知往往不夠準(zhǔn)確，甚至于可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤.所以為了更準(zhǔn)確地描述物體的冷熱程度，利用熱力學(xué)第零定律和液體熱脹冷縮的規(guī)律制成溫度計(jì)來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的溫度值，從而定量描述物體系統(tǒng)的冷熱程度.除此之外，高中從熱平衡定律和統(tǒng)計(jì)理論出發(fā)重新對(duì)溫度的概念進(jìn)行更準(zhǔn)確地闡述.初中到高中溫度概念的學(xué)習(xí)即是一個(gè)從定性到定量，從宏觀到微觀，從單一物體到研究系統(tǒng)的過(guò)程.如何在這一過(guò)程中探討初高中溫度概念的教學(xué)銜接方式，如何在概念建立過(guò)程中持續(xù)地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，即是本文需要探究的問(wèn)題.

2初中物理對(duì)溫度概念的闡述

人教版初中課本八年級(jí)上冊(cè)將表示物體冷熱程度的物理量定義為溫度[1].這里只簡(jiǎn)單定性描述了物體的冷熱程度.但是，人的感知往往不準(zhǔn)確，比如在冬天用左右手分別觸摸室外的木塊和鐵塊，感覺(jué)鐵塊更冷，而實(shí)際上長(zhǎng)時(shí)間放在戶外的鐵塊和木塊，他們的溫度與外界溫度是相同的.這里冷熱的感覺(jué)，是我們主觀的感受，因?yàn)槟緣K和鐵塊的熱導(dǎo)率不同，而造成人有這一感受的，這是因?yàn)樵谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)鐵塊從人體表吸收的熱量比木塊更多，也就是說(shuō)鐵塊的比熱容比木塊的比熱容更小，當(dāng)吸收或放出的熱量相同時(shí)，鐵塊的溫度變化要比木塊的溫度變化大得多.其實(shí)這就是傳導(dǎo)造成的冷熱感覺(jué)干擾了學(xué)生對(duì)溫度概念的理解，是典型的負(fù)遷移造成的倒攝抑制的思維障礙[2].

由此發(fā)現(xiàn)，單靠人體定性地感知物體的溫度是不可靠的，要想更準(zhǔn)確地判斷溫度高低，就要從定性感知向定量判斷過(guò)渡.根據(jù)液體熱脹冷縮的規(guī)律，利用溫度計(jì)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行定量地測(cè)量.八年級(jí)上冊(cè)第三章第一節(jié)就進(jìn)一步講解了如何正確地使用溫度計(jì)以及日常生活中有哪些溫度計(jì)等.

3高中物理對(duì)溫度概念的闡述

我們知道，組成物質(zhì)的分子在作永不停歇的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)內(nèi)部的分子不停地碰撞，其中每個(gè)分子的動(dòng)能也在不停地變化.研究單個(gè)分子的動(dòng)能大小是無(wú)意義的，這就需要用到統(tǒng)計(jì)理論.分子動(dòng)能不是系統(tǒng)中某個(gè)分子的動(dòng)能大小，而是系統(tǒng)中全部分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的平均值，即分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能.人教版高中物理課本在引入平均動(dòng)能的概念后提出：物質(zhì)的溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志，其表征了分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度.

熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)三大定律的基礎(chǔ)，它也定義了溫度的概念：如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，那么它們也必處于熱平衡.也就是熱平衡是傳遞的.兩個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，他們必具有某個(gè)共同的熱學(xué)性質(zhì)，我們把表征這一“共同熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫做溫度[3].即在熱平衡狀態(tài)下，處于熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)，分子的平均動(dòng)能相等.

此外，人教版高中物理課本選修3 -3第八章第四節(jié)氣體熱現(xiàn)象的微觀意義中還進(jìn)行了更為詳細(xì)的介紹，對(duì)于理想氣體，熱力學(xué)溫度T與分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能Ek成正比，即T=aEk.這一公式也揭示了氣體溫度的統(tǒng)計(jì)意義，即溫度是大量氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的集體宏觀表現(xiàn)，對(duì)個(gè)別分子，談其溫度是無(wú)意義的，我們關(guān)注的是組成系統(tǒng)的大量分子表現(xiàn)出來(lái)的整體的熱學(xué)性質(zhì).

在講解T=aEk這一公式的比例系數(shù)a時(shí)需要注意，不能根據(jù)理想氣體溫度公式將a簡(jiǎn)單解釋為23k.這是因?yàn)槲覀冃枰紤]，在常溫下理想氣體平均動(dòng)能與氣體分子的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度有關(guān).比如，單原子氣體分子有3個(gè)自由度，每個(gè)分子的平均動(dòng)能則為k=32kT；常溫下不計(jì)振動(dòng)自由度，雙原子氣體分子和非共線的多原子分子分別有5個(gè)和6個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其分子的平均動(dòng)能分別為k=52kT和k=3kT.

4初高中物理如何在溫度概念學(xué)習(xí)中銜接

學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)和日常生活實(shí)踐中，對(duì)溫度已經(jīng)建立了初步的概念，高中的溫度概念的教學(xué)應(yīng)基于學(xué)生已有的概念基礎(chǔ)，破解迷思概念，逐步建構(gòu)更加科學(xué)完善的概念[4].初高中物理教學(xué)中最大的不同即是初中學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象和過(guò)程大多是學(xué)生可以定性感知到的，而高中所學(xué)習(xí)的一些物理規(guī)律和物理概念往往較為抽象，而對(duì)這些概念又需要定量地去描述它.如何找尋初高中教學(xué)中的銜接點(diǎn)，從而最大限度避免教學(xué)中的盲區(qū)？首先，初高中溫度教學(xué)中大致有以下三點(diǎn)不同.

41不同點(diǎn)一：研究對(duì)象的表述有差異

初中所講的溫度是指單一物體的冷熱程度，是一種更為貼近生活情景的表述.而高中所講的溫度指兩系統(tǒng)間的一種平衡狀態(tài)，研究的是系統(tǒng)整體宏觀表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，是一種較為具有物理專業(yè)色彩的科學(xué)表述.

42不同點(diǎn)二：溫度計(jì)的制作原理從定性描述到定量敘述

溫度計(jì)的使用也是這一節(jié)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，學(xué)會(huì)使用溫度計(jì)不僅是研究物態(tài)變化的需要，也是學(xué)生生活實(shí)際的需要[5].在初中，將溫度計(jì)制作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)成是由液體熱脹冷縮原理制成，而高中提到需要規(guī)定測(cè)溫物質(zhì)的某種特性與溫度間存在某種線性關(guān)系，來(lái)制造不同形式的溫度計(jì).這種線性關(guān)系即是一種定量描述溫度的方式，也表明了高中比初中更注重定量探究物體的性質(zhì).

43不同點(diǎn)三：初中主要講攝氏溫標(biāo)，高中更多使用熱力學(xué)溫標(biāo)

初中講的是攝氏溫標(biāo)，更準(zhǔn)確地講只提到了攝氏溫度的概念；而高中提到了熱學(xué)中更普遍適用的熱力學(xué)溫標(biāo).攝氏溫標(biāo)依賴具體的測(cè)溫物質(zhì)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度為0攝氏度，沸水是100攝氏度，可見(jiàn)當(dāng)使用不同的測(cè)溫物質(zhì)，所測(cè)量的溫度也可能會(huì)有所不同.而熱力學(xué)溫標(biāo)不依賴于測(cè)溫物質(zhì)，以絕對(duì)零度（0K）為最低溫度，而水的三相點(diǎn)溫度為273.16K.（另外，學(xué)生往往認(rèn)為水的三相點(diǎn)溫度是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測(cè)量的.這里需要補(bǔ)充的是，根據(jù)吉布斯相律，當(dāng)液態(tài)水、水蒸氣和冰三相平衡共存時(shí)，水的三相點(diǎn)壓強(qiáng)是確定的，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為610.9Pa，遠(yuǎn)比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓要小.）

由于有關(guān)溫度概念及其測(cè)量問(wèn)題比較繁雜，在初中教學(xué)時(shí)很難向?qū)W生精準(zhǔn)而嚴(yán)密地介紹清楚，采用通俗和模糊處理是初中教學(xué)中常采用的一種方式[6].所以初中物理只講攝氏溫度而不提熱力學(xué)溫標(biāo).

在這樣的基礎(chǔ)上我們應(yīng)該如何做好銜接教學(xué)并讓學(xué)生親身經(jīng)歷概念的形成過(guò)程？在高中溫度概念教學(xué)中，不妨采用問(wèn)題串的方式引入.具體設(shè)計(jì)問(wèn)題如下：

（1）為什么寒冷的冬天鐵塊摸起來(lái)比木塊要冷？

（2）為什么當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)不發(fā)生改變時(shí)，我們就說(shuō)此時(shí)溫度計(jì)的示數(shù)就是被測(cè)物體的溫度呢？

（3）宏觀表現(xiàn)出來(lái)系統(tǒng)的溫度大小與對(duì)應(yīng)著微觀狀態(tài)下組成系統(tǒng)物質(zhì)的分子有哪些關(guān)系？

第一個(gè)問(wèn)題意在讓學(xué)生體會(huì)到溫度的變化與熱量傳遞相關(guān)；第二個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生意識(shí)到系統(tǒng)內(nèi)存在著一種熱傳遞的平衡狀態(tài)，從初中的“單一物體”的概念自然過(guò)渡到系統(tǒng)整體，從而為建立溫度的概念打下基礎(chǔ)；第三個(gè)問(wèn)題從宏觀到微觀，物體系統(tǒng)的溫度顯然是這個(gè)系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)出來(lái)的一個(gè)概念，而從微觀本質(zhì)上講物質(zhì)是由大量分子組成的，為了研究組成系統(tǒng)的分子整體表現(xiàn)出的熱學(xué)性質(zhì)，從而引出分子平均動(dòng)能的概念，接下來(lái)再進(jìn)一步指出溫度的微觀意義：溫度是組成物質(zhì)的分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志.從溫度的宏觀概念到微觀意義，學(xué)生親身經(jīng)歷概念的形成過(guò)程，能更清楚地建立溫度的概念，也能更清楚地明白溫度的宏觀意義與微觀意義之間的聯(lián)系.

5結(jié)論

本文從初高中溫度概念教學(xué)出發(fā)，分析了初高中課本中如何對(duì)溫度概念進(jìn)行闡述，包括高中比初中知識(shí)所深入的地方.我們還分析了初高中溫度概念教學(xué)中三點(diǎn)不同，總結(jié)出了初高中溫度概念教學(xué)的銜接點(diǎn)，從定性到定量，從宏觀到微觀，從單一物體到研究系統(tǒng).并建議具體采用問(wèn)題串的方式開(kāi)展教學(xué)，力求學(xué)生親歷概念的形成過(guò)程，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

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[6]本刊資料室.國(guó)際單位制中的“攝氏度”[J].物理通報(bào)，2015（07）：124-125.