龐遠(yuǎn)舒 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

隨著教育部頒布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”)，高中物理課程目標(biāo)由三維目標(biāo)走向了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面[1]．課堂教學(xué)模式也隨著教學(xué)理念和目標(biāo)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，但傳統(tǒng)物理教學(xué)課堂中物理學(xué)史的缺失，難以體現(xiàn)物理學(xué)史與學(xué)科核心素養(yǎng)緊密聯(lián)系的育人價(jià)值，與高中物理課程目標(biāo)的要求相悖．因此，本文以高中物理“熱力學(xué)第一定律”相關(guān)物理學(xué)史的引入為例進(jìn)行探討．

1 現(xiàn)行教材的呈現(xiàn)方式及其局限性

現(xiàn)行高中物理人教版教材選擇性必修3第3章第2節(jié)是“熱力學(xué)第一定律”，以“問題”欄目中的內(nèi)能變化量的不同作為問題引入，引導(dǎo)做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面具有等價(jià)性，接著通過呈現(xiàn)上節(jié)課已學(xué)內(nèi)容，總結(jié)得出熱力學(xué)第一定律．

課標(biāo)對(duì)該內(nèi)容的要求為：“通過有關(guān)史實(shí)，了解熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義．”由此可見，教材的局限性在于熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容沒有呈現(xiàn)出完整的發(fā)展歷史和歷史情境．邁耶、亥姆霍茲、克勞修斯等物理學(xué)家在熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)過程中出現(xiàn)了“缺席”的情況，雙重強(qiáng)化了焦耳的歷史角色．這讓學(xué)生難以通過物理學(xué)史了解熱力學(xué)第一定律發(fā)現(xiàn)過程，這與課標(biāo)的要求相悖．再者，科學(xué)探索中的挫折與失敗內(nèi)容的缺失，難以讓學(xué)生感受到科學(xué)發(fā)現(xiàn)與進(jìn)步的意義，不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的形成．另一方面，課文內(nèi)容的呈現(xiàn)必然讓學(xué)生產(chǎn)生這樣的疑問：焦耳貢獻(xiàn)那么大，為什么不叫焦耳第一定律？因此，有必要完整清晰地論述熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)歷史和歷史情境．

2 熱力學(xué)第一定律的故事

熱力學(xué)第一定律建立的故事充滿著跌宕起伏的情節(jié)，也深刻蘊(yùn)含了科學(xué)家們對(duì)探索真理的哲學(xué)追求，在闡明邁耶、焦耳和亥姆霍茲為這一定律的建立的工作之前，我們先來了解一下歷史上對(duì)熱的本質(zhì)的爭(zhēng)論．

2.1 熱的本質(zhì)

關(guān)于熱的本質(zhì)，在物理學(xué)歷史上存在兩種對(duì)立的觀點(diǎn)．一種是熱質(zhì)說，另一種是熱動(dòng)說．

布萊克、拉瓦錫等人從傳熱現(xiàn)象出發(fā)，認(rèn)為熱是一種看不見、沒有重量的物質(zhì)，即稱為熱質(zhì)說．熱質(zhì)可以滲透到一切物體之中，可以像液體那樣由一個(gè)物體流向其他物體，得到熱素的物質(zhì)會(huì)變熱．熱質(zhì)說因成功地解釋量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)而受到大多數(shù)物理學(xué)家的追捧，焦耳在早期的研究中也始終堅(jiān)信“熱質(zhì)說”．而培根、牛頓、羅蒙諾索夫等人根據(jù)摩擦生熱等現(xiàn)象，認(rèn)為熱是微粒運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，即稱為熱動(dòng)說．但由于當(dāng)時(shí)微粒運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)水平的限制，熱動(dòng)說只能定性地說明少數(shù)熱學(xué)現(xiàn)象．

隨著研究的深入，致力于推翻熱質(zhì)說的物理學(xué)家倫福德根據(jù)其在兵工廠監(jiān)制大炮鏜孔時(shí)觀察到的現(xiàn)象，做了一系列實(shí)驗(yàn)，于1789年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀他的論文《論摩擦激起的熱源》，文章中寫道：“我發(fā)現(xiàn)，銅炮在鉆了很短的一段時(shí)間后，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱；而被鉆頭從大炮上鉆下來的銅屑更熱．……由摩擦所產(chǎn)生熱的來源似乎是無窮無盡的．” 倫福德由此推出熱的來源不是別的，而是來自運(yùn)動(dòng)的結(jié)論．倫福德的論文得到了化學(xué)家戴維的響應(yīng)，戴維在1799年發(fā)表了《論熱、光及光的復(fù)合》的論文，介紹他所做的冰摩擦實(shí)驗(yàn)：真空中兩塊為-2 ℃的冰經(jīng)過幾分鐘的劇烈摩擦，都化成了水，且溫度達(dá)到了+2 ℃．戴維由此說：“熱質(zhì)是不存在的，摩擦和碰撞引起的物體內(nèi)部微粒的特殊運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)就是熱的本質(zhì)．”[2-4]

倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)為熱質(zhì)說的最終被推翻提供了最早的論據(jù)，成為建立能量守恒定律的前奏．

2.2 充滿哲學(xué)修養(yǎng)的邁耶

邁耶是德國(guó)的一位醫(yī)生，在1940年隨船經(jīng)過熱帶地區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)船員的靜脈血的顏色要比在歐洲時(shí)紅一些．邁耶認(rèn)為熱帶地區(qū)的高溫，使得不需要太多的氧氣在人體內(nèi)燃燒生成熱，因而靜脈血中含有較多的氧氣，顏色要紅一些．邁耶展開聯(lián)想，認(rèn)為身上的熱來源于全身的血肉，血肉靠每天的食物維持，食物又是靠太陽的光熱而成長(zhǎng)……邁耶最終得出機(jī)械能、熱、化學(xué)能是可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論．邁耶由血液顏色的不同這一孤立事件，一下子“跳躍”被稱為偉大的守恒定律上去，與邁耶所信奉謝林、康德的自然哲學(xué)觀有密切的聯(lián)系．這種哲學(xué)認(rèn)為：整個(gè)自然界，以及自然界的每一個(gè)細(xì)部，都要服從一個(gè)原理——簡(jiǎn)單性原理[5].

邁耶在1842年發(fā)表的題為《熱的力學(xué)的幾點(diǎn)說明》的論文，論述了熱和機(jī)械能的相當(dāng)性和可轉(zhuǎn)化性．他的結(jié)論是“因此力(即能量)是不滅的、可轉(zhuǎn)化的、不可稱量的客體”．這是能量守恒定律的最早完整表達(dá)．

克勞修斯曾稱贊：“(邁耶的)文章中所包含的大量美麗悅?cè)撕驼_的思想，令我感到震驚．”但由于邁耶的觀點(diǎn)缺少嚴(yán)密的科學(xué)論證和精密的實(shí)驗(yàn)證明，以及當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)新思想的強(qiáng)烈抵觸，邁耶的貢獻(xiàn)長(zhǎng)期未得到科學(xué)界的承認(rèn)，反而被一些著名物理學(xué)家斥為“膚淺的局外人”．

2.3 苦測(cè)熱功當(dāng)量的焦耳

對(duì)物理學(xué)家來說，只有大量美麗悅?cè)撕驼_的思想是不夠的，物理學(xué)還要求實(shí)驗(yàn)的證明．邁耶根據(jù)氣體的定體熱容和定壓熱容推算出誤差較大的熱功當(dāng)量[6]，但他所追求的哲學(xué)概括和審美的判斷讓他沒有進(jìn)一步精確計(jì)算這個(gè)當(dāng)量的值．這項(xiàng)精密的工作，最終被40年艱苦測(cè)量熱功當(dāng)量的焦耳所完成．

焦耳出生于英國(guó)一個(gè)富有的釀酒商家庭，從16歲起到著名化學(xué)家道爾頓那里學(xué)習(xí)，使其對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣．在焦耳20歲時(shí)，一股電氣的熱潮席卷了歐洲，使其對(duì)磁電機(jī)這樣的新動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生了興趣．1840年，22歲的焦耳通過測(cè)定電流通過電阻線所放出的熱量，總結(jié)出了以他名字命名的、對(duì)確立熱功當(dāng)量起著基礎(chǔ)性作用的著名實(shí)驗(yàn)定律 ——焦耳定律，又稱i2R定律．

此后，焦耳從1843年以磁電機(jī)為對(duì)象開始測(cè)量熱功當(dāng)量，直到1878年最后一次發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果，先后采用了原理不同的各種方法，做實(shí)驗(yàn)400余次．在這400余次實(shí)驗(yàn)中，尤以1843年設(shè)計(jì)的“磁電式機(jī)器通過感應(yīng)而產(chǎn)生的電流，應(yīng)該與其他電源的電流一樣的產(chǎn)生熱效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)最為著名，該實(shí)驗(yàn)不僅得出了熱功當(dāng)量值為4.6焦耳/卡，而且否定了熱質(zhì)說，因?yàn)檫@里的電路是完全封閉的，水溫升高完全是由于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電，而電又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果．

1849年6月，焦耳做了題為《熱功當(dāng)量》的總結(jié)報(bào)告，給出的熱功當(dāng)量數(shù)值為4.154 焦耳/卡，與現(xiàn)代公認(rèn)的數(shù)值4.187 焦耳/卡極為接近．焦耳的工作為熱和功的相當(dāng)性提供了可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使能量守恒定律確立在牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上．

2.4 亥姆霍茲最全面和最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C

亥姆霍茲出生于德國(guó)一個(gè)教師家庭，因家庭無力負(fù)擔(dān)大學(xué)教育的費(fèi)用，被迫放棄物理學(xué)專業(yè)而進(jìn)入由軍隊(duì)贊助的定向軍醫(yī)專業(yè)．在醫(yī)學(xué)之旅中，在柏林大學(xué)結(jié)識(shí)了著名的生理學(xué)家米勒．在米勒的幫助下，亥姆霍茲由醫(yī)學(xué)而走向生理學(xué)．

亥姆霍茲在研究動(dòng)物肌肉生熱的過程中，漸漸萌生了“能量守恒”的觀念．1847年，26歲的亥姆霍茲寫成了著名論文《論力的守恒》，向世人宣告了能量守恒定律．他的論文共分6節(jié)，內(nèi)容分別為“活力的守恒原理(即動(dòng)能守恒)”“力的守恒原理(即機(jī)械能守恒原理)”“原理在力學(xué)定理中的應(yīng)用”“熱的力當(dāng)量”“電過程的力當(dāng)量”“磁和電磁現(xiàn)象的力當(dāng)量”[7]．歷史證明，這篇論文在熱力學(xué)發(fā)展中占有不容忽視的重要地位，因?yàn)楹ツ坊羝澨岢隽四芰渴睾愣傻恼軐W(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)公式和實(shí)驗(yàn)根據(jù)，一舉把能量觀念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到了所有變化過程，證明了普遍的能量守恒原理．

亥姆霍茲是在力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用精確的數(shù)學(xué)方法概括能量守恒，并將其運(yùn)用到自然界中各種過程的第一人．他的工作完全以理論物理的模式展開，被認(rèn)為是能量守恒定律的第一個(gè)最嚴(yán)謹(jǐn)、最全面的論證．

2.5 熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的形成

在經(jīng)過許多人不懈的努力后，特別是焦耳對(duì)熱功當(dāng)量的測(cè)定和亥姆霍茲對(duì)能量守恒定律的論證，物理學(xué)界開始普遍接受能量守恒的觀點(diǎn)．

1850年德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯發(fā)表了著名論文《論熱的動(dòng)力及由此推出的關(guān)于熱學(xué)的諸定理》，在論文中，克勞修斯全面分析了消耗的熱量Q、功W和氣體狀態(tài)的某一特定函數(shù)u之間的聯(lián)系，考慮一無限小過程，列出全微分方程：dQ=du+dW，他寫道：“氣體在一個(gè)關(guān)于溫度和體積所發(fā)生的變化中所取得熱量Q，可以分為兩部分，一部分是u，它包括添加的自由熱和做內(nèi)功所耗去的熱(若有做內(nèi)功)；另一部分則包括做外功所消耗的熱W．”這就是首次以完整的數(shù)學(xué)形式表述出來的熱力學(xué)第一定律．

1851年，湯姆孫明確地把函數(shù)u稱為物體所需要的機(jī)械能，他把上式看成熱功相當(dāng)性的表示式，這樣就全面闡述了能、功和熱量之間的關(guān)系．1867年，湯姆孫和泰特又將u改為內(nèi)能，并一直沿用至今．

3 熱力學(xué)第一定律的價(jià)值體現(xiàn)

熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)從熱的本質(zhì)的萌芽到邁耶、焦耳的發(fā)展，到亥姆霍茲的論證，再到克勞修斯和湯姆孫的數(shù)學(xué)表述，無不體現(xiàn)了科學(xué)探索中漫長(zhǎng)、復(fù)雜和艱辛的邏輯特點(diǎn)．下文將結(jié)合課標(biāo)中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面及內(nèi)容要求，探討把相對(duì)完整的物理學(xué)史引入物理教學(xué)過程的教育價(jià)值，以體現(xiàn)出物理學(xué)史在達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的價(jià)值．

3.1 有助于在歷史的發(fā)展脈絡(luò)中感悟物理觀念

概念和規(guī)律的正確認(rèn)識(shí)是學(xué)生形成物理觀念的有機(jī)組成部分，讓學(xué)生體會(huì)歷史的發(fā)展脈絡(luò)，將促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律由淺入深、由抽象到具體的認(rèn)識(shí)．在教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)必要的歷史情境，讓學(xué)生重復(fù)、理解發(fā)生的歷史事件，獨(dú)自建構(gòu)知識(shí)，感悟物理觀念[8]．

從邁耶的“跳躍”、焦耳的精確、亥姆霍茲的嚴(yán)謹(jǐn)和克勞修斯的表述中，讓學(xué)生感知從早期人們認(rèn)為“跳躍”“異想天開”的學(xué)說到能量守恒定律實(shí)現(xiàn)自然界的統(tǒng)一的過程，在歷史的發(fā)展脈絡(luò)中學(xué)生感悟物理觀念，以動(dòng)態(tài)的而非靜態(tài)的、開放的而非封閉的、歷史的而非局限的眼界去看待科學(xué)研究．

3.2 有助于在科學(xué)爭(zhēng)論中培養(yǎng)科學(xué)思維

物理學(xué)理論被人們接受之前，往往要經(jīng)歷一個(gè)與錯(cuò)誤觀念和片面觀念的斗爭(zhēng)過程．科學(xué)家對(duì)熱的本質(zhì)的爭(zhēng)論，是熱質(zhì)說與熱動(dòng)說之爭(zhēng)，通過批判與繼承，才最終形成熱動(dòng)說的正確觀點(diǎn)．在物理教學(xué)中如果能夠展現(xiàn)這個(gè)完整的物理學(xué)史，會(huì)讓學(xué)生在對(duì)比、批判中會(huì)更容易理解科學(xué)研究的思想方法，形成批判性思維的意識(shí)和能力．如教學(xué)中教師可提問學(xué)生：“為什么百年來熱質(zhì)說的觀點(diǎn)一直被人們接受，而倫福德和戴維卻提出了質(zhì)疑？”這其中所蘊(yùn)含的批判與質(zhì)疑創(chuàng)新意識(shí)，摒棄了我們擁有“終極真理”的狹隘思維，正是我們要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維．

3.3 有助于在問題解決中理解科學(xué)探究

施瓦布認(rèn)為在科學(xué)探究教學(xué)中應(yīng)提倡科學(xué)史，作為探究的科學(xué)教學(xué)的本質(zhì)是讓學(xué)生理解在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中，問題是怎樣提出的，如何得到驗(yàn)證的，最后又是怎樣得出結(jié)論的[9]．如焦耳的實(shí)驗(yàn)工作圍繞著熱功當(dāng)量的測(cè)量展開，融入物理學(xué)史進(jìn)行教學(xué)可以讓學(xué)生感受焦耳如何從電流熱效應(yīng)現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)磁電熱的不確定性提出自己的問題，利用漿葉攪拌法等方法進(jìn)行科學(xué)探究，得到理論的整個(gè)過程．這一系列的猜想、實(shí)驗(yàn)、解釋、得出結(jié)論以及反思的過程可使學(xué)生對(duì)熱功當(dāng)量的測(cè)量過程和研究思路理解得更加透徹，可以讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)探究素養(yǎng)各個(gè)要素的內(nèi)涵以及科學(xué)探究的步驟和方法．

3.4 有助于在科學(xué)家與社會(huì)發(fā)展聯(lián)系中形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的形成不是一蹴而就的，應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中融入物理學(xué)史中的科學(xué)家思想、精神人格和當(dāng)時(shí)的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，幫助學(xué)生從人文、社會(huì)、歷史和哲學(xué)的角度去理解物理學(xué)，讓學(xué)生感受物理學(xué)科學(xué)精神與人文精神的統(tǒng)一．如年輕的焦耳被電氣熱潮所吸引，抱著追求高效方便的新動(dòng)力美好愿景研究磁電機(jī)，以鍥而不舍的精神進(jìn)行40年的實(shí)驗(yàn)，得到偉大的實(shí)驗(yàn)成果．通過物理學(xué)史的呈現(xiàn)，可以讓學(xué)生感受到物理學(xué)家不是艱苦、苦難的代名詞，而是促進(jìn)人類生活和社會(huì)發(fā)展的偉大貢獻(xiàn)者，認(rèn)識(shí)到科學(xué)家與社會(huì)發(fā)展的密切聯(lián)系，形成正確的世界觀與價(jià)值觀，提高社會(huì)責(zé)任感．

4 結(jié)束語

在教學(xué)中呈現(xiàn)熱力學(xué)第一定律的發(fā)現(xiàn)歷史和歷史情境，不僅揭示了科學(xué)知識(shí)的形成過程，還蘊(yùn)含著科學(xué)家的思考方式和研究方法，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效手段，體現(xiàn)了物理學(xué)史的育人價(jià)值．