龐遠舒 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

隨著教育部頒布《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“課標”)，高中物理課程目標由三維目標走向了物理學科核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面[1]．課堂教學模式也隨著教學理念和目標的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變，但傳統(tǒng)物理教學課堂中物理學史的缺失，難以體現(xiàn)物理學史與學科核心素養(yǎng)緊密聯(lián)系的育人價值，與高中物理課程目標的要求相悖．因此，本文以高中物理“熱力學第一定律”相關(guān)物理學史的引入為例進行探討．

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，引導做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面具有等價性，接著通過呈現(xiàn)上節(jié)課已學內(nèi)容，總結(jié)得出熱力學第一定律．

課標對該內(nèi)容的要求為：“通過有關(guān)史實，了解熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會科學探索中的挫折和失敗對科學發(fā)現(xiàn)的意義．”由此可見，教材的局限性在于熱力學第一定律的內(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、克勞修斯等物理學家在熱力學第一定律的發(fā)現(xiàn)過程中出現(xiàn)了“缺席”的情況，雙重強化了焦耳的歷史角色．這讓學生難以通過物理學史了解熱力學第一定律發(fā)現(xiàn)過程，這與課標的要求相悖．再者，科學探索中的挫折與失敗內(nèi)容的缺失，難以讓學生感受到科學發(fā)現(xiàn)與進步的意義，不利于學生核心素養(yǎng)的形成．另一方面，課文內(nèi)容的呈現(xiàn)必然讓學生產(chǎn)生這樣的疑問：焦耳貢獻那么大，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第一定律的發(fā)現(xiàn)歷史和歷史情境．

2 熱力學第一定律的故事

熱力學第一定律建立的故事充滿著跌宕起伏的情節(jié)，也深刻蘊含了科學家們對探索真理的哲學追求，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熱的本質(zhì)的爭論．

2.1 熱的本質(zhì)

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

布萊克、拉瓦錫等人從傳熱現(xiàn)象出發(fā)，認為熱是一種看不見、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物體流向其他物體，得到熱素的物質(zhì)會變熱．熱質(zhì)說因成功地解釋量熱學實驗而受到大多數(shù)物理學家的追捧，焦耳在早期的研究中也始終堅信“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，認為熱是微粒運動的表現(xiàn)，即稱為熱動說．但由于當時微粒運動認識水平的限制，熱動說只能定性地說明少數(shù)熱學現(xiàn)象．

隨著研究的深入，致力于推翻熱質(zhì)說的物理學家倫福德根據(jù)其在兵工廠監(jiān)制大炮鏜孔時觀察到的現(xiàn)象，做了一系列實驗，于1789年在英國皇家學會宣讀他的論文《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間后，就會產(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，而是來自運動的結(jié)論．倫福德的論文得到了化學家戴維的響應，戴維在1799年發(fā)表了《論熱、光及光的復合》的論文，介紹他所做的冰摩擦實驗：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)部微粒的特殊運動或振動就是熱的本質(zhì)．”[2-4]

倫福德和戴維的實驗為熱質(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 充滿哲學修養(yǎng)的邁耶

邁耶是德國的一位醫(yī)生，在1940年隨船經(jīng)過熱帶地區(qū)時，發(fā)現(xiàn)船員的靜脈血的顏色要比在歐洲時紅一些．邁耶認為熱帶地區(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……邁耶最終得出機械能、熱、化學能是可以相互轉(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、康德的自然哲學觀有密切的聯(lián)系．這種哲學認為：整個自然界，以及自然界的每一個細部，都要服從一個原理——簡單性原理[5].

邁耶在1842年發(fā)表的題為《熱的力學的幾點說明》的論文，論述了熱和機械能的相當性和可轉(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．

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．”但由于邁耶的觀點缺少嚴密的科學論證和精密的實驗證明，以及當時的科學界對新思想的強烈抵觸，邁耶的貢獻長期未得到科學界的承認，反而被一些著名物理學家斥為“膚淺的局外人”．

2.3 苦測熱功當量的焦耳

對物理學家來說，只有大量美麗悅?cè)撕驼_的思想是不夠的，物理學還要求實驗的證明．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量[6]，但他所追求的哲學概括和審美的判斷讓他沒有進一步精確計算這個當量的值．這項精密的工作，最終被40年艱苦測量熱功當量的焦耳所完成．

焦耳出生于英國一個富有的釀酒商家庭，從16歲起到著名化學家道爾頓那里學習，使其對科學產(chǎn)生了濃厚的興趣．在焦耳20歲時，一股電氣的熱潮席卷了歐洲，使其對磁電機這樣的新動力設(shè)備產(chǎn)生了興趣．1840年，22歲的焦耳通過測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、對確立熱功當量起著基礎(chǔ)性作用的著名實驗定律 ——焦耳定律，又稱i2R定律．

此后，焦耳從1843年以磁電機為對象開始測量熱功當量，直到1878年最后一次發(fā)表實驗結(jié)果，先后采用了原理不同的各種方法，做實驗400余次．在這400余次實驗中，尤以1843年設(shè)計的“磁電式機器通過感應而產(chǎn)生的電流，應該與其他電源的電流一樣的產(chǎn)生熱效應”的實驗最為著名，該實驗不僅得出了熱功當量值為4.6焦耳/卡，而且否定了熱質(zhì)說，因為這里的電路是完全封閉的，水溫升高完全是由于機械能轉(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《熱功當量》的總結(jié)報告，給出的熱功當量數(shù)值為4.154 焦耳/卡，與現(xiàn)代公認的數(shù)值4.187 焦耳/卡極為接近．焦耳的工作為熱和功的相當性提供了可靠的實驗證據(jù)，使能量守恒定律確立在牢固的實驗基礎(chǔ)上．

2.4 亥姆霍茲最全面和最嚴謹?shù)恼撟C

亥姆霍茲出生于德國一個教師家庭，因家庭無力負擔大學教育的費用，被迫放棄物理學專業(yè)而進入由軍隊贊助的定向軍醫(yī)專業(yè)．在醫(yī)學之旅中，在柏林大學結(jié)識了著名的生理學家米勒．在米勒的幫助下，亥姆霍茲由醫(yī)學而走向生理學．

亥姆霍茲在研究動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(即動能守恒)”“力的守恒原理(即機械能守恒原理)”“原理在力學定理中的應用”“熱的力當量”“電過程的力當量”“磁和電磁現(xiàn)象的力當量”[7]．歷史證明，這篇論文在熱力學發(fā)展中占有不容忽視的重要地位，因為亥姆霍茲提出了能量守恒定律的哲學基礎(chǔ)、數(shù)學公式和實驗根據(jù)，一舉把能量觀念從機械運動推廣到了所有變化過程，證明了普遍的能量守恒原理．

亥姆霍茲是在力學的基礎(chǔ)上，運用精確的數(shù)學方法概括能量守恒，并將其運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，被認為是能量守恒定律的第一個最嚴謹、最全面的論證．

2.5 熱力學第一定律數(shù)學表達式的形成

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

1850年德國物理學家克勞修斯發(fā)表了著名論文《論熱的動力及由此推出的關(guān)于熱學的諸定理》，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)學形式表述出來的熱力學第一定律．

1851年，湯姆孫明確地把函數(shù)u稱為物體所需要的機械能，他把上式看成熱功相當性的表示式，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 熱力學第一定律的價值體現(xiàn)

熱力學第一定律的發(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)學表述，無不體現(xiàn)了科學探索中漫長、復雜和艱辛的邏輯特點．下文將結(jié)合課標中物理學科核心素養(yǎng)的4個方面及內(nèi)容要求，探討把相對完整的物理學史引入物理教學過程的教育價值，以體現(xiàn)出物理學史在達成物理學科核心素養(yǎng)目標的價值．

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)律的正確認識是學生形成物理觀念的有機組成部分，讓學生體會歷史的發(fā)展脈絡(luò)，將促進學生對物理概念和規(guī)律由淺入深、由抽象到具體的認識．在教學中，通過創(chuàng)設(shè)必要的歷史情境，讓學生重復、理解發(fā)生的歷史事件，獨自建構(gòu)知識，感悟物理觀念[8]．

從邁耶的“跳躍”、焦耳的精確、亥姆霍茲的嚴謹和克勞修斯的表述中，讓學生感知從早期人們認為“跳躍”“異想天開”的學說到能量守恒定律實現(xiàn)自然界的統(tǒng)一的過程，在歷史的發(fā)展脈絡(luò)中學生感悟物理觀念，以動態(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研究．

3.2 有助于在科學爭論中培養(yǎng)科學思維

物理學理論被人們接受之前，往往要經(jīng)歷一個與錯誤觀念和片面觀念的斗爭過程．科學家對熱的本質(zhì)的爭論，是熱質(zhì)說與熱動說之爭，通過批判與繼承，才最終形成熱動說的正確觀點．在物理教學中如果能夠展現(xiàn)這個完整的物理學史，會讓學生在對比、批判中會更容易理解科學研究的思想方法，形成批判性思維的意識和能力．如教學中教師可提問學生：“為什么百年來熱質(zhì)說的觀點一直被人們接受，而倫福德和戴維卻提出了質(zhì)疑？”這其中所蘊含的批判與質(zhì)疑創(chuàng)新意識，摒棄了我們擁有“終極真理”的狹隘思維，正是我們要培養(yǎng)學生的科學思維．

3.3 有助于在問題解決中理解科學探究

施瓦布認為在科學探究教學中應提倡科學史，作為探究的科學教學的本質(zhì)是讓學生理解在科學發(fā)現(xiàn)過程中，問題是怎樣提出的，如何得到驗證的，最后又是怎樣得出結(jié)論的[9]．如焦耳的實驗工作圍繞著熱功當量的測量展開，融入物理學史進行教學可以讓學生感受焦耳如何從電流熱效應現(xiàn)象出發(fā)，對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行科學探究，得到理論的整個過程．這一系列的猜想、實驗、解釋、得出結(jié)論以及反思的過程可使學生對熱功當量的測量過程和研究思路理解得更加透徹，可以讓學生深刻體會科學探究素養(yǎng)各個要素的內(nèi)涵以及科學探究的步驟和方法．

3.4 有助于在科學家與社會發(fā)展聯(lián)系中形成科學態(tài)度與責任

科學態(tài)度與責任的形成不是一蹴而就的，應當在教學中融入物理學史中的科學家思想、精神人格和當時的社會發(fā)展趨勢，幫助學生從人文、社會、歷史和哲學的角度去理解物理學，讓學生感受物理學科學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力美好愿景研究磁電機，以鍥而不舍的精神進行40年的實驗，得到偉大的實驗成果．通過物理學史的呈現(xiàn)，可以讓學生感受到物理學家不是艱苦、苦難的代名詞，而是促進人類生活和社會發(fā)展的偉大貢獻者，認識到科學家與社會發(fā)展的密切聯(lián)系，形成正確的世界觀與價值觀，提高社會責任感．

4 結(jié)束語

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