顏巖

引子：很多材料上都有這么一道很經(jīng)典的熱學(xué)題目：

題目：.下列敘述和熱力學(xué)定律相關(guān)，正確的是

A.第一類永動機不可能制成，是因為違背了熱力學(xué)第一定律

B.能量耗散過程中能量不守恒

C.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，違背了熱力學(xué)第二定律

D.能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性

本題正確答案AD;

但很多資料認為A不對，解釋第一類永動機不可能制成，是因為違背了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為：“不可能制造出第一類永動機”。故A對。熱力學(xué)第一定律就是涉及熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

造成錯誤的原因是：1、對第一類永動機概念、發(fā)展歷史不清楚。

2、對熱力學(xué)第一定律不理解。

3、對熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律的關(guān)系搞不清楚。

一、追根溯源，澄清事實

那么什么是第一類永動機呢？

1、理清概念是基礎(chǔ)

第一類永動機的定義：某物質(zhì)循環(huán)一周回復(fù)到初始狀態(tài)，不吸熱而向外放熱或做功，這叫“第一類永動機”。這種機器不消耗任何能量，卻可以源源不斷的對外做功。

2、注重發(fā)展歷史，清根溯源

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內(nèi)考在13世紀(jì)提出的“魔輪”。如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣等距地安裝著12根活動短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。亨內(nèi)考認為，魔輪通過安放在轉(zhuǎn)輪上一系列可動的懸臂實現(xiàn)永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，原理轉(zhuǎn)輪中心，使得下行方向力矩加大;而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉(zhuǎn)輪中心。力矩減小，力矩的不平衡驅(qū)動魔輪的轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。

仔細分析一下就會發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在右圖中所畫的位置上。

15世紀(jì)，意大利著名的科學(xué)家、藝術(shù)家達·芬奇也曾設(shè)計了一個相同原理的類似裝置，但試驗卻未獲得成功。由此，達·芬奇敏銳地認識到永動機是不可能制成地，他勸告永動機的設(shè)計者們：“永恒運動地幻想家們！你們的探索是何等徒勞無功，還是去作淘金者吧。”

17世紀(jì)，英國被關(guān)在倫敦塔下的犯人馬爾基斯的，也曾復(fù)制了一臺類似的轉(zhuǎn)動永動機。轉(zhuǎn)輪的直徑約4.3m，有40個質(zhì)量約為23kg的重球沿轉(zhuǎn)輪輻條向外運動，輪流驅(qū)使轉(zhuǎn)輪不斷運動。據(jù)說他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置，國王見了十分高興，就釋放了他，其實這臺機器由于有較大的自重，經(jīng)推動后能依靠慣性維持一段時間的轉(zhuǎn)動，但終究還是要停止的。

16世紀(jì)70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個流水落差永動機的設(shè)計方案。他在設(shè)計時認為，由上面水槽流出的水，沖擊水輪轉(zhuǎn)動，水輪在帶動水磨轉(zhuǎn)動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉(zhuǎn)下去，并有效地對外做功。后來有人還設(shè)計了一臺類似的永動機，但并沒有成功。

3、通過對永動機的反駁，弄清關(guān)系，理清思路

熱力學(xué)發(fā)展初期，熱和機械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動下，工業(yè)上和運輸上都相當(dāng)廣泛地使用蒸汽機。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機械能。甚至幻想制造一種機器，不需要外界提供能量，卻能不斷地對外做功，這就是所謂的第一類永動機。為了解決這個問題，促使人們都去研究熱和機械能之間的關(guān)系問題。邁爾（J.R.Mayer）第一個提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理學(xué)界的確認，卻是在焦耳（J.P.Joule）的實驗工作發(fā)表以后。

焦耳在1840～1848年間做了大量實驗，測定了熱與多種能量的相互轉(zhuǎn)化時的嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系。以往熱的單位是cal（卡），功以erg（爾格）為單位，焦耳的實驗結(jié)果為1cal=4.184×107erg，這就是著名的熱功當(dāng)量。此后，更準(zhǔn)確地測定為4.184×107erg，即4.184J（焦耳）。焦耳實驗表明，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總數(shù)量不變。能量守恒轉(zhuǎn)換定律的建立，對制造永動機的幻想作了最后的判決，因而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為：“不可能制造出第一類永動機”。由此可見，熱力學(xué)第一定律就是涉及熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。

由此可見，物理概念，規(guī)律認識不清，邏輯關(guān)系不明造成的，再者，照本宣科也是問題?？梢娢锢韺W(xué)史對物理教學(xué)的重要性。

二、物理教學(xué)中物理學(xué)史的重要意義

物理學(xué)史是研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史，它的基本任務(wù)就是描述物理概念、定律、理論和研究方法的脈絡(luò)，揭示物理學(xué)觀念、方法和內(nèi)容的發(fā)生、發(fā)展的原因和規(guī)律性。研究學(xué)習(xí)物理學(xué)史，不僅會為物理教學(xué)注入新的活力，還有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理、攀登科學(xué)高峰的積極熱情。

1、可以了解物理學(xué)的本來面目，消除對物理的神秘感

在物理教學(xué)中，我們主要是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)前人已經(jīng)獲得的理論知識。教學(xué)中的物理知識都是人們經(jīng)過多次整理而形成的嚴(yán)密的理論邏輯體系。因此，我們在教學(xué)中只重視對知識本身的講解，而對于一些概念、規(guī)律產(chǎn)生的歷史事實很少問津。

經(jīng)過對這些物理史的本來面目的了解和熟悉，學(xué)生們就會慢慢學(xué)著具體理解任何一個重要概念、定理和理論的獲得，都是經(jīng)過"試探-除錯"的多次選擇而得到一個動態(tài)的歷史過程。在物理教學(xué)中，我們可以通過必要的歷史回顧，促使學(xué)生們了解物理學(xué)的各種原理、定律的實驗基礎(chǔ)，了解各種模型所依據(jù)的客觀事實的原形，了解各種假說、觀點和物理思想的演變。雖然講述時用的時間不多，但可以使學(xué)生了解物理概念、規(guī)律、原理產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過程，這種做法不僅會消除學(xué)生對物理知識來源的神秘感和錯誤認識，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力?？梢姲盐锢韺W(xué)史和物理教學(xué)相結(jié)合是非常重要的，不僅起到開發(fā)學(xué)生智力，訓(xùn)練學(xué)生思維的重要作用，而且能使學(xué)生從物理學(xué)史中認識物理。

2、有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度

卡文迪許在測量引力常量時巧妙的使用反射放大的辦法將很小的引力常量準(zhǔn)確的測量出來，“秤”出了地球的質(zhì)量，為航天事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻奧斯特發(fā)現(xiàn)電的磁效應(yīng)，惠更斯用電橋測電阻，盧瑟福用金箔發(fā)現(xiàn)原子的核式結(jié)構(gòu)實驗，理想斜面實驗等都十分精妙，這些都可以開拓學(xué)生思路，提高實驗?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)的思想和方法。通過大量的物理學(xué)家的小故事，不剛可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以使它們受到啟發(fā)，在學(xué)習(xí)和實踐的過程中養(yǎng)成嚴(yán)密科學(xué)的思維方法和嚴(yán)謹治學(xué)的態(tài)度。

總之，在全面推進素質(zhì)教育，實施課程改革的今天，對發(fā)展中學(xué)生綜合素質(zhì)提出了更高的要求，物理學(xué)史的教育功能則更加明顯。在物理教學(xué)中，有目的地滲透物理學(xué)史，是完全必要的，也是切實可行的。