人教版《物理》选择性必修第三册“第三章热力学定律”编写说明

摘 要：对“第三章 热力学定律”的编写意图进行梳理，明确说明章结构的设计特点，展现教科书编写的逻辑线索，深入挖掘教科书中关于学科核心素养目标的落实.在具体说明中，围绕本章的具体内容逐节细致说明并给出教学建议.

关键词：热力学定律;物理核心素养;编写说明

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）05-0014-04

作者简介：曹宝龙（1960-），男，浙江富阳人，博士，博士生导师，教授，中学正高级教师，中学特级教师，研究方向：学科教育（物理学、科学）与心理发展，教学管理与研究.

1 全章概述

本册第一章、第二章学习了分子动理论和气体、固体和液体，学生已经掌握了分子动理论的基本规律和气体、固体和液体的基本性质和规律，本章学习热力学定律.热力学定律建立在对热现象的研究基础上，体现热力学现象本质和规律的物理学原理.本章以两个热力学定律为核心，定律一主要总结了系统内能变化与做功、传热的关系，能量的转化和守恒问题;定律二主要研究与热现象有关的宏观过程的方向性问题.热力学的宏观研究路径是观察、实验以及对观察、实验获得的信息进行分析、归纳和概括.因此，实验和观察对于热力学具有更加突出的意义.本章可以有效地培养学生模型建构能力、归纳思维能力、宏观现象的微观解释能力、运用理论解决实际问题的能力.

本章共4节课文，其知识线索可分为四部分：第一是功、热和内能的改变（第1节），从热力学的角度认识功与能的关系，改变内能的方式;第二是热力学第一定律（第2节），介绍改变系统内能与做功、传热之间的关系，并且对系统改变内能进行必要的计算与解释;第三是能量守恒定律（第3节），介绍人类在长期的生产实践与科学研究中对运动本质的认识，对能量观念、能量守恒观念的形成和发展过程，能量守恒定律的表达和永动机问题也进行了重点阐述;第四是热力学第二定律（第4节），介绍了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述，同时介绍了能源的本质.

在初中物理（科学）中，学生已经学过内能概念和改变内能的两种方式等知识，但高中物理在初中内能概念的基础上，对热力学做了更深入的研究和探讨.首先用更严谨的方式介绍了内能的概念、功能的关系、改变内能的方式等，并且用定量的方式探讨了内能的改变与做功、内能的改变与传热之间的关系;然后从大量热现象用归纳思维的方式概括出了热力学第一定律，并且用热力学第一定律计算与解释有关系统的能量、功和热的问题;第三部分重点介绍了人类认识运动与能量、用能量观念认识各种运动的基本思想的研究与发展过程;本章的最后一部分用实验观察与实验分析与归纳等方法总结归纳热力学第二定律，这是解释自然界中运动变化过程的方向性问题的基本规律.

本章教材在编写上做了一些改进.

第一，因为课时调整的关系，从热力学的知识结构考虑，要突出主干知识，删除了一些非主干知识.本章简化和删除了热力学第二定律的微观解释的内容.热力学第二定律的微观解释体现统计力学的思想，思想方法很好但有一定难度，所以调整到了拓展性学习的内容.这样安排既可以让有能力的学生继续学习，而不对所有选修物理的学生做统一要求.

第二，把功与内能的关系和热传递与内能的关系这两部分内容合在一节中呈现，原因之一是这些内容在初中物理（科学）中已经比较熟悉，原因之二是合在一起可以让学生对内能改变与功与热之间的关系更有整体性的理解，同时与热力学第一定律有更好的思维衔接.

第三，删除了可持续发展的内容.课程标准把可持续发展内容调整到了必修课程，因此本章不再安排可持续发展这一节内容了.

编者在编写教材时，注意在学习概念、归纳和运用规律的同时，培养学生的核心素养，教师也应注意从核心素养的角度去进行教学.

1.1 物理观念

物理观念是人们对物理现象和规律的基本认识.本章的物理观念认识主要体现在：（1）改变系统的内能可以通过做功和传热两种方式，且这两种方式效果相同、本质不同;（2）可以用系统的概念来分析系统内能改变，且可以定量计算;（3）能量是各种不同的运动的共同特征量，因此能量是描述运动的普适物理量;（4）自然界发生的所有变化过程都遵守能量守恒定律，但不是所有遵守能量守恒的过程都可能发生的;（5）热力学第一定律主要研究能量的守恒问题，第二定律则研究自然过程的方向性问题;（6）因为能量存在品质差异，所以能源是有限的.

1.2 科学思维

本章的科学思维培养主要体现在：（1）绝热过程模型.绝热过程是为了研究内能改变与做功之间的关系创设的实验方法，是控制变量的要求，时间极短而来不及传热的过程可看成绝热过程.（2）系统模型.可以建立系统能量的“边界”模型，计算和解释系统内能问题，把做功和传热的量分成有助于增加系统内能和减少系统内能两类，以确定热力学第一定律中W和Q的正负.（3）第一类永动机的模型.第一类永动机的本质可以理解成：只做功而不消耗任何能量的机器.（4）热力学第二定律本质（模型）：机械能可以全部转化成内能，但内能不可能全部转化成机械能.

1.3 科学探究

本章的科学探究主要体现在：（1）用绝热过程模型来探究做功与系统内能改变之间的关系，体现了控制变量的实验思想;（2）描述各种运动的共同物理量——能量，初步体现了统一性理论的创建;（3）在热力学定律的研究过程，主要体现了实验归纳与推理的基本方法.

1.4 科学态度与责任

本章是实践性和应用性比较强的内容，因此要特别关注以下几个问题：（1）对能量观念和能量守恒的探索历程，体现了人类认识自然需要有实践的过程;（2）对永动机的探索过程体现了科学探索的艰辛与曲折性;（3）对自然现象的归纳、热机的研究是热力学定律建立的基礎，说明了科学与生产实践的紧密联系.

课时安排建议

第1节 功、热和内能的改变2课时

第2节 热力学第一定律1课时

第3节 能量守恒定律1课时

第4节 热力学第二定律1课时

2 具体说明

（1）第1节“功、热和内能的改变”涉及焦耳实验、功与内能的改变、热与内能的改变等三个部分内容，这些内容的核心是为热力学第一定律打下基础.本节涉及的物理概念比较多，例如，绝热过程、功、系统、内能等，准确理解这些概念对正确把握本节内容和后续学习内容尤其重要.

本节教学需要突出以下三个方面的内容：一是焦耳实验的控制变量的思想方法;二是根据焦耳实验结果和功能关系，采用类比方法构建内能的宏观定义;三是建立两个表达式.即在绝热条件下，ΔU=W; 以及在不做功的条件下，ΔU=Q.这两个结论是建立热力学第一定律的基础.

焦耳实验在物理学史上的独特地位是热力学定律的奠基性实验.本节从焦耳实验出发，介绍了焦耳在19世纪30年代所做的功与热的等效性实验.经过对实验结论深度归纳后引入系统内能的概念，最终得出做功与系统内能变化之间的关系.

内能的定义也是这节的重要学习内容.在第一章中我们知道，从微观的意义看内能是系统内所有分子的动能与势能的总和;本节从内能的宏观定义来看，内能表达了系统处于过程中某一状态的能量.这样对于内能的认识就经历了从第一章中微观揭示到本节中宏观定义的过程，完整且又缜密，意义重大.横向看，内能的宏观定义使它与“功是能量变化的量度”的普遍观点保持一致，使得我们对于能量与功的理解更加深化;纵向看，内能与温度、压强等其他热学物理量一样，都具有宏观意义和微观解释，使得学生在对热学量的认识方面具有了一致性、相关性和迁移性.

我们可以从焦耳实验得出做功与内能改变的关系：在Q=0（绝热）的实验条件下，系统内能的改变量就等于外界对系统做的功W，即ΔU=W.绝热过程可以分为两种情况：一种是用绝热材料将系统与外界隔离传热，使系统不能与外界发生热交换，焦耳的两个实验就属于这种情况;第二种情况是系统的做功非常快，经历时间极短，在这么短的时间内系统与外界“来不及”发生热交换.显然压缩引火实验就是第二种绝热过程.

传热与内能改变的关系控制条件是W=0，这时系统从状态1变化到状态2时，内能的改变量ΔU就等于外界对系统传递的热量Q，即ΔU=Q.

从本质上说，传热是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移，它只是内能的传递，不发生热运动与其它运动形式之间的转化，所发生的相互作用是通过热交换或物质交换进行的.热量就是为了量度传热过程中所传递的能量的多少而引入的概念.而做功过程总是伴随着其他形式的能与内能之间的转化，如机械能与内能、电能与内能之间的转化.同时，一定会伴随着其他运动形式与热运动之间的转化，如机械功伴随着机械运动与热运动之间的转化，电功伴随着电磁运动与热运动之间的转化.

（2）第2节“热力学第一定律”主要涉及两个方面：一是系统既有做功，又由于存在温度差而与外界交换热量的情况下，系统内能变化的定量表达式;二是热力学第一定律的应用.

使系统的热运动状态发生变化，既可以通过做功的方式，也可以通过传热的方式.自然界实际发生的热力学过程往往是上述两种基本过程的综合，即系统既有做功的过程发生，又由于存在温度差而与外界交换热量，所以我们有必要将单纯绝热过程和单纯传热过程中系统内能变化的定量表达式推广到一般情况，也就是得出普遍适用的热力学第一定律.一般情况下既有热传递又有做功的情况下，ΔU=W+Q.从ΔU=W和ΔU=Q推导出ΔU=W+Q的过程是一种典型的归纳推理过程，这在牛顿第二定律的归纳推理中也应用过.

在热力学第一定律ΔU=W+Q中，ΔU是内能的增量，W表示外界对系统所做的功，Q表示系统从外界吸收的热量.对气体来说，要求学生明确，压缩气体时外界对气体做功，气体膨胀时气体对外界做功.对于正、负符号，教学时应结合实例引导学生自主认识、归纳总结.W和Q符号规则可以用非常简单清晰的方法：因为外界对系统做功或外界对系统传热都有助于系统的内能增加，因此此时W和Q符号都取正;反之都取负.热力学第一定律的应用关键在于从问题背景信息的分析中判断ΔU、W和Q这三个量的正负.例如，气体膨胀的过程，可以想像成气缸的活塞向外推动，因此是气体对外界做功;液體的汽化也相当于气体膨胀，因此是系统对外界做功的过程.

（3）第3节“能量守恒定律”主要内容是三个部分：一是能量守恒定律的探索历史;二是能量守恒定律;三是永动机不可能制成.人类对能量的认识并不是某一时间发现的过程，而是在生产实践和科学探索中逐步形成能量的概念，并且逐步探索和发现能量守恒的规律的.因此本节的主要任务是认识能量和能量守恒观念的发展历史，理解能量守恒定律，并且根据能量守恒定律这一规律知道永动机不可能制成的原因.

能量守恒定律的探索历史内容非常丰富，因此教材对这些探索历史的内容进行了归类.一方面是人类对能量概念的认识过程;另一方面是对能量守恒思想的认识过程.我们可以利用能量守恒的研究历史来促进学生对科学史的深度研究.表1中的内容可以作为课堂教学设计问题的素材.

能量守恒定律与热力学第一定律既有联系又有区别.能量守恒定律是自然界普遍遵守的规律，而热力学第一定律是能量守恒定律在热力学现象中的体现;能量守恒定律对宏观运动和微观现象均适用，而热力学第一定律只是在热现象中运用;能量守恒定律在热运动中可以表现为热力学第一定律，在机械运动中可以表现为机械能守恒定律.

能量守恒定律的确立，具有重大的理论意义.一方面找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象与定量规律联系了起来.这是人类科学探索过程中一次重要的统一性理论的探索，充分体现了科学的统一性理论的探索方法或探索方向.另一方面，这个定律的确立，突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种物质运动形式

之间相互转化的可能性.

永动机不可能制成对于学生来说是一个很好的教育材料.一方面科学家们对永动机的探索历史体现了人类科学探索的艰辛历程，这些科学家的精神值得我们崇尚;另一方面体现了人类在探索过程中要善于及时地反思与总结.

（4）第4节“热力学第二定律”主要讨论了与热现象有关的自然过程的方向性问题，包括三个方面：一是从自然界中与热现象有关的过程是不可逆的事实出发，归纳出热力学第二定律的克劳修斯表述;二是从热机的效率分析概括出热力学第二定律的开尔文表述;三是介绍了能源有限的基本道理.

与热现象有关的自然过程的方向性分析主要通过实例分析进行归纳总结.例如，（1）红墨水在水中的扩散现象;（2）将热鸡蛋置于冷水中，热量可以自发地从鸡蛋转移到冷水中，鸡蛋降温而使水温升高;（3）轮胎里的压缩气体向外泄漏;（4）一个运动小球在有摩擦的水平面上逐渐停下来.

我们还可以用另外的案例来说明可逆性问题.如图1所示，一个滑块在光滑固定的曲面上无初速释放，你认为这个过程可逆吗？如果曲面与滑块之间有摩擦，则这个过程可逆吗？

分析这个案例我们可以发现，如果没有热现象发生，这个过程可能是可逆的，但一旦发生热现象滑块就不可能产生可逆现象了，不能回到原来的位置.

热力学第二定律的开尔文表述是建立在对热机的做功效率的分析之上的，因此关键是对热机的工作原理的理解，并对热机的热能转化成机械能的效率进行分析.热机工作的过程中，必定会产生对周围环境散热、机器的器件运动时产生的摩擦散热、工作循环中的排气散热等，因此热机不可能把产生的热能全部转化成机械能.我们可以这样说：任何热机都不可能把热能全部转化成机械能.从这样的理解我们可以将其转化成开尔文的表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.其实，对“不产生其它影响”可以从另外一个角度来理解：它必定产生其它影响，例如向另外的低温热库散热，向周围环境散热等.

（收稿日期：2021-01-15）