物理选修讲义教学设计Word下载.docx

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8课时

教学手段：

以讲授为主的课堂专题讨论，全部采用多媒体教学。

引言

能量是物质运动的一种量度，是人们认识客观世界的主要对象之一。

19世纪中期发现的能量守恒定律表明能量是个守恒量，它可以由一种形式转化为另一种形式。

能量守恒定律深刻地揭示了各种形式能量的相互联系和自然界的统一性，被恩格斯称为伟大的运动基本定律，19世纪自然科学三大发现之一。

“能量守恒定律”在高二新教材中是作为B类要求出现，其内容虽变化不大，但因教材新增加“热力学第二定律”一节，而使整个能量单元教学大为改观。

为什么要在中学阶段引入热二律？

这样做对认识“能量守恒定律”有什么好处？

对改进现有物理教学理念有何现实意义？

此外，热二律在大学物理也属于教学难点，中学教师作为首次接触，相对比较陌生。

如何正确理解热二律实质与教材要求，怎样按新课程标准设计教案和实施教学？

为解决上述问题，本专题拟以热一律和热二律涉及的几个基本问题为主线，深入探讨能量单元教学的知识背景，并在这个基础上提出一些可供教学使用的探究性案例。

专题的最后附有两个笔者专门设计的详尽教案，希望能作为教师进一步研讨的素材。

一、围绕“能量守恒定律”的几个基本认识问题

能量守恒定律的发现以及能量概念的形成经历了漫长的历史过程，它是人类在生产实践和科学实验的基础上对自然界的运动转化长期认识的结果。

从研究机械能守恒到得出广义的能量守恒定律其间经历了大约一百五十年的孕育时期。

如此漫长的观念形成过程，一方面为我们认识能量守恒定律提供丰富而坚实的知识背景，另一方面也因沿袭历史上一些习惯性称谓而带来某些理解上的困惑。

下面我们力求以当代物理学的视角，全面审视与能量守恒定律教学相关的一些概念内涵。

（一）能量守恒定律与“热一律”的差异

一般物理教科书总是在给出“热一律”后，直接推广到能量守恒定律。

尽管后者在具体的定量表述中与热一律等价，有些教科书也常把两者直接等同。

一般而言，把热现象规律视为普适规律并无大错，但细究起来，两者之间还是有些微差异，这些差异更多地体现在相对论与量子力学有关能量内涵的揭示上。

1.热一律与能量守恒定律之所以具有等效性，在于：

（1）几乎所有真实的宏观物质运动或事件演化都涉及不可逆过程，因而它们都必然直接或间接与热现象有关，这与能量对一切物质运动的量的描述在普适上是一致的；

（2）两者都从能量传递与转换特定的可测量角度，表述系统内能变化与过程中被转移的能量的关系，即△U=Q+W，这就抹平了一般性系统与作为热学系统的固有能量表述的差异。

2.尽管“能量”概念是在力学和热学研究基础才逐步形成和完善，但“能量”概念对刻画物质存在和运动而言更为基本，在现代物理学中，“能量表象（表示方式）”优于“力学表象”及其它表象形式，因此可以这样概括两者的关系：

热一律是基于能量守恒定律实验所确认的与热现象有关的基本热学原理；

而能量守恒定律则是广义的热一律，其数学表达取热一律的推广形式：

△E=Q+W广义。

式中W广义为外界对系统作的广义功，△E为系统一切形式能量的增量，既包括系统内一切形式的内能，也包括系统整体的机械能。

3.热一律适用的热学系统是指“由大量无规则运动的微观粒子组成的宏观物质”，即“大量无规则运动的微粒实物”或“热辐射场（一种电磁场，其微粒为光子）”；

能量守恒定律则适合任何系统（无论是大量粒子还是少量粒子体系），任何过程（宏观过程与微观过程）。

即使以热形式出现的内能部分不存在，但能量守恒仍成立。

4.能量守恒定律是与物质及运动不灭原理相联系。

由于物质及运动不灭，才导致系统运动量的不变，反之亦然。

然而，一定的物质形态总是对应一定的结合能，因此系统的能量还应包括一切实物粒子所具有的结合能以及量子力学所确认的零点能。

在系统能量传递与转化过程中，系统中静止质量不为零的实物粒子可以被消灭，成为某种静止质量为零的场粒子，即质能互换，E=M0C2，但系统的总能量仍守恒，从这点意义上讲，能量守恒定律可更名为物质与能量的转换和守恒定律，因而，在概括物质及其运动的基本特征上，与热一律相比，能量守恒定律属于更高层次的认识。

（二）能量守恒定律（热一律）涉及物理量的概念界定

1.能量

“能量”一词源于力学，最初被称为“活力”。

1801年，托马斯·

扬首先提出以“能”代替“活力”，但很长一段时间能量仍是借助力学或热学测量方法来定义的，这通常被称为“力的表象”（中学教材中也采用这一表象）。

在现代物理中，能量是作为最基本概念引入，对与热力学第一定律有关的几个重要概念逐一作出严格的定义，这样做在明确某些概念的意义以及指导教学上或有参考价值。

（1）能量的定性定义：

能量是各种形式运动强弱的普遍量度，是系统状态的单值函数。

能量不能创生也不能消灭，在各种运动形式间能量可以转化。

【评析】

①定义既反映了能量的本质——系统运动强弱的物理量，也反映了能量的主要特征——不能消灭，也不能创生，还反映了不同形式能量间有相互转化的能力。

②定义与“热一律”或“能量转化和守恒定律”一致，也不违反热二律，但并未揭示“热能（或内能）与其他形式能量相互转化能力上的不平等特征”。

（2）能量的定量表达：

对不同物质存在形态，规定不同的计算方法，并在国际单位制中沿用原“焦耳”单位。

①实物粒子（静止质量mo≠0）：

②对媒介粒子（场量子）：

其中

mo＝0，如光子、胶子、引力子等：

E=）以“冬天为什么要生火?

”为题，在《自然》杂志上发表一篇短文，论证了这一问题，至今仍有启发意义：

“冬天为什么要生火?

外行（没学过物理的人）将回答说：

‘冬季生火是为了使房间暖和’，而学过物理的人，尤其是学过热力学的人也许这样解释：

‘生火是为了取得所欠缺的能量’。

谁回答得正确呢？

”

为与实际情况对应，假设室内空气压强始终与室外的相等。

按通常符号表示，每单位质量的能量为u=CvT，于是每单位体积的能量为u=CvρT。

考虑到物态方程pρ=RT，可得u=CvpR。

由上式可见，室内能量与温度无关，完全取决于气压计的读数。

对于1个大气压下的空气，有u=0.2525Jcm3。

我们生火一方面使房间温度升高，熵增加；

另一方面又通过向环境放热，使房间熵减少。

事实上，生火装置（火炉）所供给的全部能量通过房间墙壁、门窗的缝隙散逸到室外空气中去了。

那么我们生火的目的是什么？

不是为了获取象炉子散热那样的热能，而是为了保持适宜身体向外合理排熵的环境温差，使我们在一定的生理活动同时，仍基本维持体内的熵不增加。

由此埃姆顿写到：

“与我们生火取暖一样，地球上的生命需要大阳辐射。

但生命并非靠入射能量维持，因为后者中除微不足道的一部分外都被辐射掉了，如同一个人尽管不断地汲取营养，却仍维持不变的体重。

我们的生存条件是需要恒定的温度，为了维持这个温度，需要的不是补充能量，而是降低熵。

……在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定整个企业的经营方式和方法，而能原理仅仅充当薄记，平衡贷方和借方。

埃姆顿上述分析给“能与熵何者更为重要?

”添注了新意。

然而，他的结论是否正确?

是否为人们所接受?

科学的发展支持这一见解吗?

后来，索末菲重提这一话题，在他1952年出版的遗著《理论物理教程》中，有一节赫然以“能与熵地位高下之争”冠名。

文中，他支持埃姆顿的观点，将传统的看法（即以能是宇宙的主宰，而熵是其影子）颠倒过来，地位倒置，熵相当于企业的经理，而能则降为簿记员的地位。

其根据无非是熵（而非能）指挥了自然过程演变的方向，换言之，熵决定了时间之矢。

1961年，久保亮五的《热力学与统计力学》一书，再次引用了埃姆顿的全文，以示支持。

在熵概念日益拓展，其内涵进一步深化的今天，埃姆顿的结论已愈来愈为人们所赞同：

一个系统从外界得到负熵使自身的熵减少，似乎比获取能量来得重要。

从另外一个角度来看，能与熵的地位高低之争已经超出了纯科学的范畴，在人类历史的不同时期可能有不同的答案。

以热机发展为主导的第一次工业革命，关键的问题是用机器将人从繁重的体力劳动中解放出来，能显然处于更为重要的地位。

而在人类社会进入以信息技术为主导的第二次工业革命，关键问题在于充分发挥信息技术的功能，对各式各样的过程进行计算、控制和操纵。

另外，以基因工程为代表的生物技术的革命也正在人类社会生活中扮演愈来愈重要的角色。

这样，熵（或更确切地说负熵）的重要性被突出出来，可以毫不夸张地说，当代的工业革命是一场熵（或负熵）的革命。

信息与信息熵

“信息就是我们适应外部世界和控制外部世界过程中，同外部世界进行交换的内容的名称”（维纳）。

“信息就是能消除事件不确定度的消息或情报”。

信息、物质和能量被称为构成系统的三大要素。

信息量内涵：

信息的获得是与情况的不确定度的减少相联系的。

例如，假定我们最初面对一个可能存在P0个解答的问题，只要获得某些信息，就可使可能解答的数目减少，若我们能获得足够的信息，则就得到单一的解答。

这说明信息获得愈多，不确定度愈少，信息获得足够，不确定度为零。

故香农定义信息量

信息熵的引入：

香农对信息量的定义与熵的微观表达式S=klnW式十分类似。

实际上信息就是熵的对立面。

因为熵是体系的混乱度或无序度的数量，但获得信息却使不确定度减少，即减少系统的熵。

为此．可定义信息熵

对等概率事件，有S=KlnN，其中K=1ln2=1.443。

【案例】设有五个人手中各持一枚钱币，并排成一行掷钱币，看落地时所形成的国徽面向上的分布图形。

因每一国徽面向上概率为12，由独立事件概率相乘法则知，总共可能出现（12）5种图形，其不确定度为25。

但是只要分别对五个人问五个相同的问题：

“你这枚钱币的国徽面是向上的吗?

”并得到正确的答案，则图案就完全确定了，说明在提问之前掷钱币这一事件的信息熵为

S1=Kln32=log232=5bit

提问后事件已完全确定，故信息熵S2为零，ΔS=S2一S1=－5bit。

又ΔI=log2N－log2M，由此可见。

信息的利用（信息量的减少．即信息量的欠缺）等于信息熵的减少．因而

信息量欠缺=负熵（熵的减少）

热力学指出，孤立体系的熵绝不会减少，相应地，信息量也不会自发增加。

在通讯过程中不可避免会受到外来因素干扰，使接收到的信息中存在噪声，信息变得模糊不清，信息量减小。

若信号被噪声淹没，信息就全部丢失。

【案例】信息处理消耗能量的下限分析过程从略

4.生物基因组中蕴含的遗传信息

生物是从低等向高等进化，也就是从无序向有序自发地转化的。

若将玻尔兹曼关系同样应用于生命过程。

可发现这样的自发过程中的熵是减少的，说明生物熵与信息熵很类似，而这正是理解和解决生物遗传密码问题的一把重要的钥匙。

例如，一个分子质量为106个碳单位的DNA分子，若它由4000个核酸组成，因而可能有44000的种不同的排列方式，则这一DNA的遗传密码的信息熵为

SDNA=4000log24=8000bit。

我们知道，DNA的遗传功能是它能在后代的个体发育中，使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质分子结构上，从而使后代表现出与亲代相似的性状。

那么蛋白质分子的信息熵又是多少呢?

典型的蛋白质分子质量为120000个碳单位，一个蛋白质分子约含有1000种氨基酸基，每个氨基酸基均是由20种氨基酸所组成，若按16种氨基酸作估算，则该蛋白质