物理教学中的人文教育

 人民教师的根本任务是传授知识,培养人才,即人们通常所说的“教书育人”。杰出的无产阶级革命家徐特立曾深情地勉励广大教师:“教师工作不仅是一个光荣重要的岗位,而且还是一种崇高而愉快的事业,它对国家人才的培养、文化科学教育事业的发展,以及后一代的成长,起着重大的作用。教书不仅是传授知识,更重要的是教人,教育后一代成长为具有共产主义思想品质的人。”作为一名高校教师,在教学中必须在传授知识的同时注意学生综合素质的提高,完成教书育人的双重任务。如果我们稍微注意就会发现,物理中的许多知识都为育人提供了极好的素材。     

永动机与热力学定律

 关于永动机,已被热力学第二定律所否认。但是对于中学生,刚学完初、高中物理,又自己看了一些读物,略知热力学第二定律、熵等名词,仍有可能向热力学第二定律发起挑战。究其原因是由于高中物理教材在这一方面没有充分展开讨论,阅读材料也较少。本文在下述几个方面的回顾,有助于避免学生的错误理解。1.不可逆过程的概念什么叫“不可逆”?学生可能对这一概念产生疑惑:我们不是可以把自由膨胀了的气体压缩回去吗?冰箱不是可以把热量从低温抽回高温吗?在一定的条件下我们不是可使氧化反应逆向进行吗?但上述过程并不是可逆过程。     

熵定律的不可逆本质论

 熵定律,也就是热力学第二定律,是物理化学中的一个重要定律。无论从宏观的观点出发,还是从微观的角度分析,在热力学理论体系中,熵定律“占有至高无上的地位”。它与热力学第一定律一起,构成了复杂热力学系统能量转换、状态演化方向的度量和判据,且被广泛应用于科学和工程技术的许多领域。然而,如何引入熵定律,如何准确理解熵定律的物理内涵,并适度泛化熵定律,却一直是我们探讨的问题。1.熵定律的表述热力学第二定律,始于19世纪40年代人们对如何提高热机效率问题的研究。     

“热力学第二定律之争”及其教育功能

热力学第二定律是反应自然过程的方向性的定律,它广泛地应用于各个学科和生活领域.热力学第二定律两种说法提出的具体过程,教材中提到的很少.参考了相关文献,较为完整地展现了热力学第二定律的背景及两种说法的提出过程,为物理课堂教学提供相应的史料支撑,让学生体会物理观念和科学方法的重要性,有助于培养学生的哲学思想,特别是有助于对学生物质观、运动观以及世界观的培养.     

热力学第二定律的教学释疑

解释了热力学第二定律教学中遇到的相关疑难问题．     

熵与生命科学

 热力学第二定律指出,一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。而直接反映热力学第二定律的是态函数熵,其数学表达式是熵增加原理：ｄｓ≥０。其物理意义是：一个孤立系统的自发过程总是朝着搞增加的方向进行,即从有序走向无序。而生命的发生、演化及成长过程都是从低级到高级、从无序到有序的变化。表面看来,这似乎都与热力学第二定律相矛盾。普里高津的耗散结构理论澄清了这一切。打开了一个从物理科学通向生命科学的窗口。耗散结构理论突破了热力学第二定律只适用于孤立系统的限制,将其适用范围推广到开放系统,并将热力学第二定律的数学表达式改为ｄｓ＝ｄ１ｓ＋ｄｅｓ。     

从功能定理到热力学第一定律到普遍的能量守恒定律

着重阐明功和能的根本意义，在质点的功能定理和质心系的基础上说明摩擦生热及热力学第一定律的意义，最后说明普遍的能量守恒定律的建立过程及其意义。     

准静态颗粒流流动规律的热力学分析

本文分析了颗粒流的介观结构及其特征,提出了颗粒流的双颗粒温度概念Tkin和Tconf,表征颗粒无序运动和构型无序演化的程度;进而作为非平衡变量,与经典非平衡热力学(classical irreversible thermodynamics,CIT)变量共同构成颗粒流的热力学状态变量集,确定了颗粒流的能量转换规律和熵产生率等,发展了颗粒流双颗粒温度(two granular temperate,TGT)模型.以体积恒定的简单剪切准静态颗粒流为例,结合离散元模拟(discrete element method,DEM),确定了双颗粒温度模型所需的材料参数,分析了颗粒流发展段的规律和稳恒段的有效摩擦系数.     

“熵”概念的拓展及应用

 １８６７年,德国物理学家克劳修斯在法兰克福举行的第４１届德国自然科学家和医生代表大会上,提出熵的概念和宇宙的热寂说,引起科学界乃至欧洲社会各阶层人士的极大关注,从此一场旷日持久的争论便展开了。随着研究的深入,熵概念逐渐走出物理学的范围而获得了新的生命力。１．熵概念的拓展－熵与信息的关系无序和有序是人们在日常生活中建立起来的两个涉及面很广的对立概念。如何把这两个概念纳入科学的范畴加以研究和应用,却是物理学完成的。熵的统计意义告诉我们,热力学系统从一个平衡态自发过渡到另一个平衡态,从分子运动来看,总是从无序走向更加无序。     

生命科学中的物理问题讲座第四讲关于自组织现象的某些热力学问题──兼谈生物自组织的物理化学基础

讨论自组织现象和它与热力学第二定律以及熵概念之间的联系。强调了开放条件（负熵流）和非平衡条件对维持自组织的重要性,同时指出了在孤立条件下和近平衡条件下发生自组织现象的可能性,讨论了宏观有序的产生与熵的减少之间的联系和与之有关的某些问题．最后强调了生物工作者和物理、化学工作者的合作对推动自组织研究的重要性。     

热力学第二定律的新表述

 在热力学中,热力学第二定律处于核心地位,是热力学的重要理论基础.这个定律有很多系统的表述,其中最常用的形式是开尔文表述和克劳修斯表述,作为状态函数的熵就是根据这一定律确定出来的.引入熵概念以后,可以得出热力学第二定律的数学表示dS≥δQ/T和熵增加原理△S≥0.本文给出了热力学第二定律的一种新的表述,由它可以很容易得到绝对熵和温度的定义,以及dS≥δQ/T和△S≥0.     

热力学第三定律创立的过程及其发展

 热力学第三定律的建立已近１００年。一个世纪以来,它同热力学第一定律、第二定律一道为热力学统计物理学的发展和完善起到了支柱的作用,是热力学统计物理学的基本理论基础之一。然而对于它的创立过程,物理学和化学都各自从自己的角度去阐述其发展。其实热力学第三定律是物理学家和化学家们长期共同努力探索,而特别是为了适应化学发展的需要而建立起来的物理规律。１９０６年德国物理化学家能斯特（Ｎｅｒｎｓｔ）就是从化学平衡常数的确定出发,导致了热力学第三定律的建立,即著名的能斯特定理和ＯＫ不能达到原理。接着,许多其他科学家在此基础上进一步对该定律作了大量的研究,并提出了他们相应的说法。     

"热力学第二定律"教学中的两个问题

“热力学第二定律”是热学教学中的难点，学生在听过这节课后经常有一些含糊不清的疑难问题．笔者在此列举较为典型的两个，谈谈自己的看法．     

热力学第一定律的建立及其伟大历史作用

 一、历史渊源与科学背景人类使用热能为自己服务有着悠久的历史,火的发明和利用是人类支配自然力的伟大开端,是人类文明进步的里程碑。中国古代就对火（热）的本性进行了探讨,殷商时期形成的“五行说”-金、木、水、火、土,就把火（热）看成是构成宇宙万物的五种元素之一。北宋时刘昼更明确指出：“金性苞水,木性藏火,故炼金则水出,钻木而生火。”古希腊米利都学派的那拉克西曼德（Ａｎａｘｉｍａｎｄｅｒ,约公元前６１１-５４７）把火看成是与土、水、气并列的一种原素,它们都是由某种原始物质形成的世界四大主要元素。     

焦耳（Joule，James Prescott，1818-1889）英国物理学家（Physicist，England）

焦耳确定了各种形式的能（机械能、电能和热能）基本上是同一的，可以由一种形式变换为另一种形式，从而为能量守恒定律，为热力学第一定律奠定基础。1835年在曼彻斯特大学英国著名化学家道耳顿指导下学习，在《论伏打电生热》（1840）论文中，描述了焦耳效应，说明电流在导线中所生的热，与导线电阻和电流平方的乘积成比例。1843年发表了产生一单位热所需功的量值（叫做热功当量）。     

Equilibrium state and non-equilibrium steady state in an isolated human system

The principle of increasing entropy （PIE） is commonly considered as a universal physical law tbr natural systems. It also means that a non-equilibrium steady state （NESS） must not appear in any isolated natural systems. Here we experimentally investigate an isolated human social system with a clustering effect. We report that the PIE cannot always hold, and that NESSs can come to appear. Our study highlights the role of human adaptability in the PIE, and makes it possible to study human social systems by using some laws originating from traditional physics.     

玻耳兹曼（Boltzmann，Ludwig Eduard，1844-1906）奥地利物理学家（Physicist，Austria）

玻耳兹曼1866年获得维也纳大学博士学位后，在维也纳、格拉茨、慕尼黑、莱比锡任数学和物理学教授。19世纪70年代发表了一系列论文，阐明了热力学第二定律的统计性质。一个系统接近热力学平衡态是因为平衡是物质系统压倒一切的最可能的状态；系统的各部分在一定温度下的能量分布引申出能量均分理谳麦克斯韦一玻耳兹曼定律）。说明了一个原子在每个不同方向的运动的平均能量是相同的。     

熵污染与绿色制造

 人类本来是自然进化的产物,许多天然的或人造的复杂系统都是由大量的单元构成的,如生命系统、生物群落、生态系统、人类社会、消费市场以及制造系统等。在如何组织、运行和优化这类由大量单元所构成的系统上,存在着自然造化与人工经营两种模式。当人类进化到工业经济时代以后,却用一个人造的“文明”将自己包围起来,使自己与大自然隔离,远离自然,甚至处在与自然为敌的地位。工业经济的行为模式是对于自然过程的人为的、强制性的干预。这种典型的“机械的模式”把企业组织得像一架机器,而每个工作人员都像一台机器中的零件,在那里机械地运转。     

从熵、信息熵到自组织

 为了在一定条件下确定一个热力学过程进行的方向,1864年法国物理学家克劳修斯在《热之唯动说》一书中,首次提出一个物理量和新的态函数---熵。他发现:如果一个物体的绝对温度为T,给该物体加热ΔQ,该物体增加的熵为ΔS=ΔQ/T。ΔS表示吸进热量之后,物体的熵S2与吸进热量之前的熵S1之差,或表示成ΔS=S2-S1。如用积分表示,则有S2-S1=∫xx0dQT。同样,如从该物体取出热量ΔQ,则该物体的熵就减少ΔS。     

如何让学生深刻理解熵的概念

 熵的概念,是热力学和统计物理学中非常重要而又较难理解的.克劳修斯(ClaUSiUS.R.J.E,1822-1888德国物理学家)于1850年提出热力学第二定律,1865年提出熵的概念,并将热力学第二定律表述为“宇宙的能量是不变的,而它的熵则总在增加.”现在,熵这个概念已经远远超出了热力学、统计物理学范畴,直接扩展到信息论、控制论、概率论、数论、天体物理、宇宙论、科学管理以及生命系统等各个不同领域.因此,如何在教学中让学生深入理解熵的概念,是一个重要的课题.