熱物理教與學隨筆集

前言

物理是物理觀點、思考和判斷的唯一參考系。教學參考書反映的是作者的物理修養(yǎng)，講臺上見證的主要是講授者的物理功底。對著作者和講授者而言，獲得物理“道行”的必由之路是研究。只有參與了相關學科的研究，才能深刻理解每個物理概念及其生命力，才能在書本和真實之間自由穿越，才能在教學中不斷另開生面，把物理學知識教活、教深、教實。教學的目的在于讓學生掌握初步的獨立思考、自我解惑、觸類旁通直至創(chuàng)造的本領。在物理教學的各環(huán)節(jié)中，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性是物理教學的靈魂。沈抗存在學生時代就參與了熊吟濤先生主持下的武漢大學《熱力學》教材的編寫。1958年畢業(yè)到湖南大學任教，在葛旭初教授的指導和影響下對教學疑難問題研究產生了興趣。長期講授熱學、熱力學、統(tǒng)計物理和量子統(tǒng)計，也講授過許多其他課程。在從事教學的同時，不僅通過各種途徑和同仁共同探討，還利用各種機會向專家們求教。例如，當面請教過嚴濟慈先生（物質結構）、周培源先生（湍流）和黃祖洽先生（HeII的傳熱機制）；就輻射場的能量公式書面請教過王竹溪先生（參見本書附錄A.1 和《關于輻射場能量公式推導的一個討論》一文）等。還就《熱力學·統(tǒng)計物理》一書中的幾個問題向編著者汪志誠教授提供了若干書面意見。多次組織和參與了校內外有關研討會和課題的研究，兩次獲得湖南省教學成果一等獎。劉全慧從1990年進入湖南大學起，就和沈抗存在一個教研室工作。20年來朝夕相處，所談不出物理。1999年起，劉全慧接替沈抗存在湖南大學講授熱物理方面的課程，兩人就熱物理中的問題進行了密集、廣泛和深入的探討。沈抗存很多難得的教學成果和經驗得以傳承。

內容概要

本書是熱物理學教學研究著作，是劉全慧、沈抗存兩位教授在長期教學過程中，學習、研究、講授熱物理學相關課程時不斷探究所獲結果的集中展現(xiàn)。主要內容包括若干常見熱物理現(xiàn)象及其解釋、熱物理中的一些基本概念、分子運動論和理想氣體、熱力學過程和相變、物系及其熱力學函數、統(tǒng)計物理、漲落和漲落的準熱力學理論等。基本涵蓋了大學本科熱物理教學過程中可能會遇到的概念性問題。本書另有兩個附錄：附錄A為作者和王竹溪、de Gennes等討論熱物理學的一些文獻資料，附錄B列出了尚未徹底解決的兩個問題。    全書概念準確、分析透徹、簡明易讀、實用性強。對大學理工科各專業(yè)學生、物理類專業(yè)教師、相關領域的科研工作者都有參考價值。

作者簡介

劉全慧，湖南大學教授、博士生導師。1963年2月出生于湖南華容，1982年畢業(yè)于湘潭電機制造學校電器自動化專業(yè)。1989年碩士研究生畢業(yè)于鄭州大學物理系，導師趙祖森教授，學位論文《Z2規(guī)范場的相結構研究》，獲得同濟大學碩士學位。1999年獲得中國科學院理論物理博士學位，導師彭桓武先生和歐陽鐘燦院士，學位論文《1.一種均勻密度星在諧和坐標F的嚴格解2.Helfrich模型一個解析解所給出的形狀族與兩個實驗效應》。曾游學歐美，是教育部首批“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”入選者。長期講授《普通物理》、《熱力學與統(tǒng)計物理》等課程，主要研究興趣在統(tǒng)計與凝聚態(tài)物理、量子力學等。沈抗存，湖南大學教授。1935年12月出生于湖南湘鄉(xiāng)，1958年畢業(yè)于武漢大.學物理系。曾任湖南大學校務委員、理論物理教研室主任、半導體物理教研室主任、基礎部（系）副主任、應用物理系主任，校教學督導團副團長、校（系）教學督導團（組）成員等職。講授過《大學物理》、《力學》、《熱學》、《理論力學》、《熱力學與統(tǒng)計物理》、《固體物理》、《量子統(tǒng)計物理》、《基礎理論物理》、《半導體物理》、《晶體管電路》等課程。1997年（湖南大學退休）至2007在邵陽學院和湖南理工學院講授《力學》、《理論力學》、《熱學》、《熱力學與統(tǒng)計物理》和《固體物理》等課程。

書籍目錄

前言第1章 若干常見熱物理現(xiàn)象及其解釋  1.1 與熱物理學有關的一些日?，F(xiàn)象  1.2 不能利用透鏡聚焦輻射使物體升溫到任意高溫度  1.3 關于表面張力的兩個演示實驗及其解釋  1.4 表面張力的幾個問題  1.5 彎曲液面上的飽和蒸汽壓第2章 熱物理中的一些基本概念  2.1 多原子分子與理想氣體的微觀模型  2.2 關于相的定義  2.3 新舊攝氏度的差別  2.4 焦耳實驗和焦耳定律  2.5 焦耳定律與理想氣體物態(tài)方程  2.6 范德瓦耳斯物態(tài)方程和理想氣體狀態(tài)方程的關系  2.7 一個似是而非的卡諾循環(huán)  2.8 熱力學第一、二、三定律的獨立性  2.9 邏輯循環(huán)論證一例  2.10 對《物理教學問題薈萃》(力學、熱學)一書中若干提法的商榷  2.11 對“關于施特恩一格拉赫實驗”一文的補注  2.12 關于化學勢是否等于零的問題  2.13 玻爾茲曼分布的微小偏離所引起的微觀狀態(tài)數的變化  2.14 理想氣體熵的正確表示式  2.15 八面體的各晶面的夾角不是直角第3章 分子運動論理想氣體  3.1 由玻意耳定律導出焦耳定律的一種嘗試  3.2 重力場中的理想氣體  3.3 重力場中地面處的分子數密度將隨溫度變化  3.4 一個關于大氣壓強的疑難問題及其解決  3.5 壓強和內能密度之間的關系  3.6 關于分布函數極大值位置的討論  3.7 瀉流出來的氣體分子不遵守麥克斯韋速率分布  3.8 對瀉流過程的分析  3.9 范德瓦耳斯系數6的一種近似估算方法  3.10 實在氣體壓強與器壁性質無關的一個簡易證明  3.1l 根據分子力求實在氣體的壓強和物態(tài)方程  3.12 液體的壓強是怎樣產生的  3.13 液體表面層中存在張力的一個證明  3.14 對穿過截面分子數的一種定性分析  3.15 穿過參考截面的分子自由程的平均值必定大于全體分子自由程的平均值  3.16 氣體分子的各種平均值  3.17 氣體輸運過程的初級理論第4章 熱力學過程相變  4.1 理想氣體的直線過程  4.2 理想氣體在準靜態(tài)過程中的吸放熱和升降溫  4.3 關于理想氣體等溫線和絕熱線交點的討論  4.4 對一道熱學習題的討論和解答  4.5 關于任意循環(huán)和實際熱機的效率  4.6 也談《熵的變化與熱力學過程方程之間的聯(lián)系》  4.7 焦耳系數和焦耳，湯姆孫系數以及焦耳實驗和焦耳，湯姆孫實驗中的溫度改變量  4.8 氣液間繞過臨界點的轉變  4.9 范德瓦耳斯氣體的等面積法則  4.10 以溫度和熵為參量的多方過程  4.11 利用溫—熵圖證明卡諾循環(huán)的效率最大  4.12 理想氣體的絕熱過程方程  4.13 多方過程及其相關的幾個問題  4.14 空氣對冰的飽和蒸汽壓的影響  4.15 關于化學反應因某組元耗盡而終止的問題第5章 物系及其熱力學函數  5.1 麥克斯韋關系記憶法  5.2 磁介質系統(tǒng)的熱力學方程及其麥克斯韋關系  5.3 對理想氣體摩爾吉布斯函數的一個注記  5.4 單元二相系中的化學勢  5.5 關于多元系的偏摩爾吉布斯函數  5.6 化學平衡常量探微第6章 統(tǒng)計物理  6.1 最概然分布、微觀狀態(tài)數及其相關問題  6.2 論微正則系綜中從能量曲面上計算理想氣體的微觀狀態(tài)數  6.3 最概然分布與非孤立系  6.4 正則系綜分布函數與孤立系統(tǒng)  6.5 理想玻色氣體經絕熱過程不可能發(fā)生相變  6.6 光子氣的能量、熱容量和壓強  6.7 關于輻射場能量公式推導的一個討論  6.8 電子氣比熱的近似估算  6.9 理想氣體混合前后熱力學量的改變和各種佯謬  6.10 氫的轉動配分函數及其熱力學性質  6.11 量子理想氣體吉布斯定理的證明  6.12 彈球的玻色—愛因斯坦凝聚  6.13 一維諧振腔中理想玻色氣體的熱力學性質  6.14 負比熱、相變以及粒子從勢阱中溢出  6.15 二維伊辛模型矩陣解法中一個自旋矩陣表示的證明第7章 漲落和漲落的準熱力學理論  7.1 低溫下熱力學平衡態(tài)的一個普適判據  7.2 簡單體系的溫度漲落的發(fā)散問題  7.3 系綜分布和它的小漲落近似  7.4 關于能量漲落的一個問題  7.5 有關漲落的一個問題  7.6 對一個漲落公式的訂正  7.7 漲落的準熱力學理論(一)  7.8 漲落的準熱力學理論(二)  7.9 對孤立系漲落的討論附錄  附錄A  附錄B索引后記

章節(jié)摘錄

插圖：1.1.1 泡沫聚集將雜糧粉和水在器皿中攪拌后加熱，隨著溫度的升高，表面上將會出現(xiàn)一層泡沫，接著這層泡沫將向器皿中央聚集。若器皿偏置于火上，就會發(fā)現(xiàn)泡沫將向溫度較低的一邊聚集。若將已聚攏的泡沫重新攪拌到整個表面，只要停止攪拌，它們又會向中央或邊緣聚集。上述現(xiàn)象是因表面張力系數隨溫度升高而減小所致。1.1.2 南方春天水泥地板回潮春季，南方空氣潮濕，地表層溫度不高，水泥塊（相對于木材、泥土等）傳熱較快，致使水泥地面溫度較低。一旦地面溫度等于或低于空氣中水蒸氣分壓所對應的飽和蒸汽壓時，蒸汽就會在水泥面上凝結。即使白天，甚至午后，只要上述條件成立，水泥地面上的回潮現(xiàn)象就不會消失。夏季，雖然空氣也潮濕，但地表層溫度較高，即使在夜晚，地面溫度也低不到水蒸氣分壓所對應的飽和蒸汽壓，故地板不再回潮。同樣的道理可以分析室（小車）內玻璃窗的水汽凝結現(xiàn)象。

后記

我接手沈老師在湖南大學講授熱力學、統(tǒng)計物理和量子統(tǒng)計已經十一年了。十余年來，碰到許多和熱物理教學有關的問題。這些問題基本來自三方面。一是對日常生活的觀測。例如，春夏天南方室內的玻璃板上為什么會起霧？瀑布落差為什么會造成水溫增加？大氣壓強是大氣重量造成的嗎？二是來自對教學參考書中一些基本問題的推敲。例如，由范德瓦耳斯氣體狀態(tài)方程描述的氣體在零壓強極限下會徹底回到理想氣體嗎？在微正則系綜中如何直接在能量曲面上計算理想氣體的微觀狀態(tài)數？在量子統(tǒng)計中往往說某能級上有若干粒子，可是在單粒子量子力學中又說粒子一般總是處于能量的疊加態(tài)，如何協(xié)調這兩個觀點？三是來自一些前沿性的研究熱點。例如，如何理解某些少粒子體系具有負熱容？低溫下少量玻色氣體的凝聚體就不是玻色一愛因斯坦凝聚體？諧振腔中玻色氣體的熵一定廣延嗎？等等。對這些問題的研究，岳麓書院的傳統(tǒng)是“親師而問之，取友而磨之”（宋·胡宏《五峰集·題大學》）。沈老師在熱物理學教學及研究方面已達到人書俱老的通達境界。每遇問題，我必求教之；他有所獲，也常與我分享。十余年來，通過各種方式（面對面、電話、留言等），我們持續(xù)不斷地展開討論甚至激烈的爭論，我們之間的這種切磋甚至延伸到了課堂，我不僅會請他到我的課堂進行具體指導，還在學生研究性學習成果匯報的課堂上請他公開點評學生和我的學術觀點，也讓學生了解我們之間的共同及其分歧點。這也是岳麓書院會講傳統(tǒng)的一種延續(xù)。有了沈老師這位良師益友，避免了我“獨學而無友，則孤陋而寡聞”（《禮記·學記》）的困境。我也由一個熱物理學講壇的生手，逐漸成長為湖南大學校級重點課程、湖南省研究生精品課程的豐持人，并被學生海選為“我心目中最敬愛的老師”等。

編輯推薦

《熱物理教與學隨筆集》由科學出版社出版。

圖書封面

圖書標簽Tags

無

評論、評分、閱讀與下載

---

    熱物理教與學隨筆集 PDF格式下載

---