高中物理學2：熱學（簡體書）

本系列圖書是北京教育科學研究院組織高等學校資深教授、青年學者、中學特級教師等合作編寫的、以學有餘力的高中生為目標讀者的高中物理教材，被全國中學生物理競賽委員會指定為唯一參考教材。曾以《高中物理學》為名分別於1997年、20 00年、2006年出版3個版本。本冊內容包括熱學的基本概念、氣體、固體和液體、物態變化、熱力學定律。本書適合中學物理教師和參加中學物理競賽、自主招生考試的高中生閱讀。

沈克琦，物理學家、教育家。長期從事物理教學、物理教學研究工作和高等教育行政工作，為辦好北京大學物理系、推進理科高等教育改革、提高中學物理教學品質做出了重要貢獻，培養造就了一大批優秀物理學人才。曾任北京大學副校長、煙臺大學校長，晚年主編《中國科學技術專家傳略》物理學卷。

全國中學生物理競賽委員會指定參考書 中學物理課本和大學普通物理課本之間的橋樑 物理概念準確，物理圖像清晰，物理思想深刻 專為中學生編寫，中學生看得懂，能消化 圖片品質高，版式精美，注重閱讀體驗

這本教材是為學校裡學習基礎較好且學有餘力並對物理學科饒有興趣、願意深入鑽研的學生編寫的，其內容的深度和廣度均超出原來的教學大綱和現行課程標準的要求.其目的在於充分開發學生的智力，使學生在高中階段不僅能學到比較扎實的基礎知識，而且在科學思維和科學方法，理論結合實際地進行綜合分析的能力，熱愛科學、勇於探索創新的精神，嚴謹的科學態度和科學作風等方面都能得到培養和提高，從而具有較全面的科學文化素質，為今後進一步學習和工作打下良好的基礎.
現就編寫這本教材的一些考慮和如何使用本教材的建議敘述如下.
1. 教學重點放在基本概念和基本原理上.從伽利略、牛頓時代開始，經過300多年無數科學家的努力，物理學已經成為比較成熟、系統性很強的學科.物理學的成果對現代自然科學和工程技術的發展起著巨大的推動作用，每一門新技術的出現都是物理學研究取得突破的結果.說物理學成熟和系統指的是物理學的知識已形成一個內部結構嚴密的體系，廣泛的實踐已經證明物理學的基本原理和規律正確地反映了客觀世界的運動、發展和演化.只要能正確地理解和掌握這些概念、原理和規律及研究問題的科學方法，許多看來頭緒紛繁的問題都有可能迎刃而解，對不斷出現的新知識的理解也將比較容易.所以，高中物理課的首要任務應該是基本物理概念和原理的教與學，力求使學生對它們有比較清楚的理解.因此，在教材中不惜多費筆墨對一些概念和原理作了比較深入的闡述，在教學中也應當在這方面多花一些時間.要做到真正的理解，單靠講和聽是不行的，必須通過學生獨立思考，把教學過程從被動接受轉變為主動學習，才能使學習內容成為學生頭腦中印象深刻、具有有機聯繫的知識.這個過程需要多花一些時間.這樣，雖然表面上教學進度慢了，但實際上學生真正弄懂了所學內容，就能牢記不忘，而且學會了科學思維的方法，可以舉一反三，觸類旁通，把知識變活了，將來學習會越來越順利，總的效果會是快而不是慢，且能學得更好、更扎實.
2. 如前所述，本教材的內容與傳統和現行高中教材相比，在深度和廣度上均有所超出.對於這部分內容的要求應區別不同情況作不同處理，不要都與基本原理的要求一樣.這部分內容大體上可以分為四種情況.
（1） 與基本概念、基本原理密切相關的內容，學生應該掌握，才能達到“真正的理解”.如力學中的向量、近乎微積分的分析處理方法、簡諧振動運算式、振動的合成和波的疊加的推導等均屬這一類.這些概念和方法在物理學中使用較多，也有助於學生更好地理解有關內容，高中學生也是能夠掌握的.其中一些內容學生開始接觸時可能有些困難，不要因此而回避，也不要期望一步到位.經過多次接觸，反復運用，最後可以達到預期目的.
（2） 屬於物理學基本原理，但在高中階段只能達到初步理解的內容.如力學中的角動量、剛體定軸轉動、流體動力學等均屬此類.這些內容涉及的物理現象是生活中經常遇到的，它們又是進一步學習的基礎.因此在高中應該教一點初步知識，以拓寬學生的思路，並為進一步學習做點準備.對這部分內容要求要適當，不能要求學生有深入的理解.在課後作業方面只要求做一些有助於理解所講內容的習題.
（3） 適當增加了一些近代物理方面的內容.面向21世紀的中學生應該對20世紀初以來的近代物理學有一定的瞭解，跳出經典物理學的框框，獲得比較完整、準確的物理概念.但由於學生數學物理基礎的限制，這部分內容只能是初步的.對於書中增加的一些近代物理的基本概念、原理和結論，如相對論、量子論和粒子與宇宙等內容，有的採取滲透的方法，在講授經典物理知識時加入有關的內容；有的則比較系統地進行簡要介紹，講解中側重基本概念、發展脈絡和研究方法.近代物理學的發展過程充滿了新舊觀念的矛盾、理論與實驗的矛盾，也正是這些矛盾推動了物理學的發展.這對於啟發學生的科學思維和創新精神是十分有利的.這部分內容以及新增加的經典物理學中的統計概念、不可逆過程等，不可能要求學生完全理解，只要求學生知道一些最基本的概念，知道還有不少問題有待進一步學習就行了.這樣，學生學到的知識是開放型的，而不是封閉型的，學生的求知欲得到進一步的激發.學到的某些新知識就如一個嫩芽，遇到適宜的環境，它就能夠生長起來.每個人的條件不同，今後的發展也會有很大差別.這樣安排有利於學有餘力的學生通過學習較早地接觸到更深一些的內容從而達到更高的水準.
教師在講授這方面內容時可以相機行事，進行適當的增刪.學生則要改變老師教多少就學多少的被動學習習慣，採取主動學習、充分發揮自己潛力的學習方法.
（4） 閱讀材料.多數是介紹科學家的事蹟和擴大知識面的材料.這些材料有利於提高學生的科學素質.閱讀這些材料不費多少時間，希望每位學生都能認真閱讀、思考並有所體會.
3. 一定要通過各個教學環節加強能力培養，特別是科學思維能力的培養.要結合理論教學和具體事例講授科學家如何發現問題、如何探索解決問題的途徑，他們採用的科學方法，他們具有的嚴謹的科學作風、兢兢業業的敬業精神和勇於突破的創新精神.講授原理時要注意講清思路而不是只講結論.有的內容可以不講而要求學生自學，思考題要求學生認真思考並相互討論，把有關概念和原理真正搞清楚.做習題是教學過程的必要環節，要求學生在認真複習課堂講授內容基礎上獨立完成作業.希望學生在解題過程中弄清思路，務求做一題就有一題的收穫.
4. 實驗教學是物理教學的重要環節.實驗教學既與理論教學相聯繫，又有一定的相對獨立性.鑒於已有專門的中學物理實驗教材出版，本教材未編入具體的實驗內容.
在編寫這套教材時，曾組織大、中學校老師召開過多次座談會，他們提出了許多寶貴的意見和建議.這套教材的力學部分先後由張繼恒、張維善執筆；熱學部分由張維善執筆；電磁學部分由林婉執筆；光學和近代物理部分由張維善執筆.沈克琦主持編寫並對全書進行了審閱.
中國科學技術大學出版社為本書的編寫、出版做了大量工作，謹表誠摯的謝意.我們還由衷地希望看過和用過此教材的老師和同學提出寶貴的批評和意見，以幫助我們進一步改進，使之日臻完善.謹致謝忱.
沈克琦
2014年9月

前言
第7章熱學的基本概念
7.1熱現象的研究
7.1.1 熱現象與熱運動
7.1.2宏觀量與微觀量
7.1.3 熱力學和統計物理學
7.2分子動理論基礎
7.2.1物體由分子構成
7.2.2 分子在不停地無規則運動
7.2.3 分子之間有相互作用力
7.3溫度和溫標
7.3.1 平衡態和狀態參量
7.3.2熱平衡和溫度
7.3.3溫標和溫度計
7.4內能
7.4.1分子的動能
7.4.2分子勢能
7.4.3 內能
7.5熱量和熱傳遞
7.5.1 熱量
7.5.2 熱傳遞
7.5.3熱平衡方程
第7章習題
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第8章氣體
8.1氣體的實驗定律
8.1.1玻意耳定律
8.1.2查理定律和蓋•呂薩克定律
8.2理想氣體狀態方程
8.2.1 理想氣體及其狀態方程
8.2.2 克拉珀龍方程
8.3氣體分子運動的特點
8.3.1分子間的距離較大
8.3.2分子間的碰撞頻繁
8.3.3分子沿各個方向運動的機會均等
8.3.4分子速率按一定規律分佈
8.3.5統計規律和漲落現象
8.4理想氣體的壓強
8.4.1 單一理想氣體的壓強
8.4.2道爾頓分壓定律
8.5理想氣體的溫度和內能
8.5.1理想氣體的溫度
8.5.2理想氣體的內能
8.6真實氣體範德瓦耳斯方程
8.6.1分子體積所引起的修正
8.6.2 分子間引力所引起的修正
第8章習題
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第9章固體和液體
9.1 固體
9.1.1 晶體的宏觀特徵
9.1.2 晶體的微觀結構
9.1.3 晶體中粒子的熱運動
9.2液體
9.2.1液體的微觀結構
9.2.2 液體中分子的熱運動
9.3液體的表面現象
9.3.1 液體的表面張力
9.3.2潤濕（浸潤）現象
9.3.3 毛細現象
9.4固體和液體的熱膨脹
第9章習題
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第10章物態變化
10.1熔化和凝固
10.1.1熔點
10.1.2 熔點與壓強的關係
10.1.3熔化熱
10.2蒸發飽和氣與飽和蒸氣壓
10.2.1 蒸發現象
10.2.2 飽和氣與飽和蒸氣壓
10.3沸騰汽化熱
10.3.1 沸騰
10.3.2 汽化熱
10.4液化臨界溫度
10.4.1 液化與汽化曲線
10.4.2 臨界溫度
10.5昇華和凝華三相點和三相圖
10.5.1 昇華和凝華 昇華曲線
10.5.2 三相點和三相圖
10.6空氣的濕度露點
10.6.1 空氣的濕度
10.6.2露點
第10章習題
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第11章熱力學定律
11.1熱力學第一定律
11.1.1 焦耳實驗 功與內能
11.1.2熱量與內能
11.1.3熱力學第一定律
11.2理想氣體的幾種熱力學過程
11.2.1等容過程
11.2.2等壓過程
11.2.3等溫過程
11.2.4 絕熱過程
11.3 自然過程的“方向”和熱力學第二定律
11.3.1 自然過程的“方向”
11.3.2熱力學第二定律
11.4熱力學第二定律的微觀意義
11.4.1 宏觀狀態與微觀狀態
11.4.2 熱力學第二定律的統計意義
11.5熵與“熱寂”
第11章習題
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總複習題
部分習題答案
附錄
索引

8.3.3 分子沿各個方向運動的機會均等
氣體分子做雜亂無章的熱運動，就某一個分子來說，它在某一時刻的速度具有怎樣的大小和方向，完全是偶然的，但是，對大量分子的整體而言，分子的運動是否會表現出一定規律性呢？
我們首先討論分子運動的方向，正因為大量分子的運動十分混亂，在某一時刻向任一方向運動的分子都有，我們可以想見，在任一時刻分子沿各方向運動的機會是均等的，沒有任何理由說一個方向會比其他方向特殊一些，既然在任一時刻分子沿各方向運動的機會是均等的，這就意味著沿各個方向運動的氣體分子數都是一樣的。
當然，這裡所說的數目相等並不是絕對的，例如，在某一時刻，沿某一方向運動的分子數是10000個，沿另一方向運動的分子數可能是10001個，沿第三個方向運動的分子數可能是9999個，它們並不絕對相等，而是有一些微小的差別，在另一時刻，各個方向的分子數目又會有微小的改變，但是若取它們的平均值，則可以說沿每個方向運動的分子數都是10000個，如果我們所研究得到氣體系統中的分子數越多，這種平均值與實際情況的偏差的百分數就越小，也就是與實際情況越接近，我們把這種平均值稱為統計平均值。
從以上的分析可以看出，雖然在某一時刻某個分子向哪個方向運動是有偶然性的，但對大量氣體分子所組成的系統卻表現出一種規律性——氣體分子沿各個方向運動的數目相等。
8.3.4 分子速率按一定規律分佈
氣體中即使是沿同一方向運動的分子，它們的速率一般也不相等，而是有的大，有的小，甚至可有很大的差別，而且由於頻繁的碰撞，就某一分子而言它的速率將是不斷變化的，那麼，對大量分子組成的系統整體而言，分子速率是否就毫無規律了呢？
為了回答這個問題，自然應該通過實驗測定出具有各種不同速率的分子數目，至少應該測定出分子速率在每個速率區間中的分子數，表8.3給出了氧氣分子在0℃和100℃時的速率分佈的實驗資料，從表中可以看出，在0℃時，速率在300～400m•s—1區間的分子數最多，速率大於400 m•s—1的各區間和小於300 m•s—1的各區間中的分子數依次遞減，速率很大和很小的分子數則很少，這種情況也可以粗略地用圖8.10中的鋸齒形曲線來表示，可以想見，如果實驗測定時把速率間隔取得小一些、再小一些……在極限情況下鋸齒形曲線將變成圖8.10中的平滑曲線，根據同樣的做法和道理，採用表8.3中100℃時的資料，我們可以得到圖8.11.兩個圖線都明顯地具有“氣體的大多數分子的速率都在某個數值附近。
……