追根溯源 培养科学的思维和严谨治学态度

颜岩

引子：很多材料上都有这么一道很经典的热学题目：

题目：.下列叙述和热力学定律相关，正确的是

A.第一类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律

B.能量耗散过程中能量不守恒

C.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律

D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性

本题正确答案AD;

但很多资料认为A不对，解释第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒和转化定律。

而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”。故A对。热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。

造成错误的原因是：1、对第一类永动机概念、发展历史不清楚。

2、对热力学第一定律不理解。

3、对热力学第一定律与能量守恒定律的关系搞不清楚。

一、追根溯源，澄清事实

那么什么是第一类永动机呢？

1、理清概念是基础

第一类永动机的定义：某物质循环一周回复到初始状态，不吸热而向外放热或做功，这叫“第一类永动机”。这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断的对外做功。

2、注重发展历史，清根溯源

历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，向下行方向的悬臂在重力作用下会向下落下，原理转轮中心，使得下行方向力矩加大;而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心。力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮的转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。

仔细分析一下就会发现，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在右图中所画的位置上。

15世纪，意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成地，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动地幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去作淘金者吧。”

17世纪，英国被关在伦敦塔下的犯人马尔基斯的，也曾复制了一台类似的转动永动机。转轮的直径约4.3m，有40个质量约为23kg的重球沿转轮辐条向外运动，轮流驱使转轮不断运动。据说他曾向英国国王查理一世表演过这一装置，国王见了十分高兴，就释放了他，其实这台机器由于有较大的自重，经推动后能依靠惯性维持一段时间的转动，但终究还是要停止的。

16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔又提出了一个流水落差永动机的设计方案。他在设计时认为，由上面水槽流出的水，冲击水轮转动，水轮在带动水磨转动的同时，通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。他想，整个装置可以这样不停地运转下去，并有效地对外做功。后来有人还设计了一台类似的永动机，但并没有成功。

3、通过对永动机的反驳，弄清关系，理清思路

热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机。人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能。甚至幻想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功，这就是所谓的第一类永动机。为了解决这个问题，促使人们都去研究热和机械能之间的关系问题。迈尔（J.R.Mayer）第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理学界的确认，却是在焦耳（J.P.Joule）的实验工作发表以后。

焦耳在1840～1848年间做了大量实验，测定了热与多种能量的相互转化时的严格的数量关系。以往热的单位是cal（卡），功以erg（尔格）为单位，焦耳的实验结果为1cal=4.184×107erg，这就是著名的热功当量。此后，更准确地测定为4.184×107erg，即4.184J（焦耳）。焦耳实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总数量不变。能量守恒转换定律的建立，对制造永动机的幻想作了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”。由此可见，热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。

由此可见，物理概念，规律认识不清，逻辑关系不明造成的，再者，照本宣科也是问题。可见物理学史对物理教学的重要性。

二、物理教学中物理学史的重要意义

物理学史是研究人类对自然界各种物理现象的认识史，它的基本任务就是描述物理概念、定律、理论和研究方法的脉络，揭示物理学观念、方法和内容的发生、发展的原因和規律性。研究学习物理学史，不仅会为物理教学注入新的活力，还有利于激发学生学习物理、攀登科学高峰的积极热情。

1、可以了解物理学的本来面目，消除对物理的神秘感

在物理教学中，我们主要是引导学生学习前人已经获得的理论知识。教学中的物理知识都是人们经过多次整理而形成的严密的理论逻辑体系。因此，我们在教学中只重视对知识本身的讲解，而对于一些概念、规律产生的历史事实很少问津。

经过对这些物理史的本来面目的了解和熟悉，学生们就会慢慢学着具体理解任何一个重要概念、定理和理论的获得，都是经过"试探-除错"的多次选择而得到一个动态的历史过程。在物理教学中，我们可以通过必要的历史回顾，促使学生们了解物理学的各种原理、定律的实验基础，了解各种模型所依据的客观事实的原形，了解各种假说、观点和物理思想的演变。虽然讲述时用的时间不多，但可以使学生了解物理概念、规律、原理产生、形成和发展的过程，这种做法不仅会消除学生对物理知识来源的神秘感和错误认识，还可以培养学生的创造性思维能力。可见把物理学史和物理教学相结合是非常重要的，不仅起到开发学生智力，训练学生思维的重要作用，而且能使学生从物理学史中认识物理。

2、有助于培养学生科学的思维方法和严谨的治学态度

卡文迪许在测量引力常量时巧妙的使用反射放大的办法将很小的引力常量准确的测量出来，“秤”出了地球的质量，为航天事业的发展做出了巨大的贡献奥斯特发现电的磁效应，惠更斯用电桥测电阻，卢瑟福用金箔发现原子的核式结构实验，理想斜面实验等都十分精妙，这些都可以开拓学生思路，提高实验能力，培养学生的科学的思想和方法。通过大量的物理学家的小故事，不刚可以激发学生的学习兴趣，还可以使它们受到启发，在学习和实践的过程中养成严密科学的思维方法和严谨治学的态度。

总之，在全面推进素质教育，实施课程改革的今天，对发展中学生综合素质提出了更高的要求，物理学史的教育功能则更加明显。在物理教学中，有目的地渗透物理学史，是完全必要的，也是切实可行的。