熱物理教與學(xué)隨筆集

前言

物理是物理觀點(diǎn)、思考和判斷的唯一參考系。教學(xué)參考書反映的是作者的物理修養(yǎng)，講臺(tái)上見證的主要是講授者的物理功底。對(duì)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(guān)學(xué)科的研究，才能深刻理解每個(gè)物理概念及其生命力，才能在書本和真實(shí)之間自由穿越，才能在教學(xué)中不斷另開生面，把物理學(xué)知識(shí)教活、教深、教實(shí)。教學(xué)的目的在于讓學(xué)生掌握初步的獨(dú)立思考、自我解惑、觸類旁通直至創(chuàng)造的本領(lǐng)。在物理教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性是物理教學(xué)的靈魂。沈抗存在學(xué)生時(shí)代就參與了熊吟濤先生主持下的武漢大學(xué)《熱力學(xué)》教材的編寫。1958年畢業(yè)到湖南大學(xué)任教，在葛旭初教授的指導(dǎo)和影響下對(duì)教學(xué)疑難問題研究產(chǎn)生了興趣。長(zhǎng)期講授熱學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和量子統(tǒng)計(jì)，也講授過許多其他課程。在從事教學(xué)的同時(shí)，不僅通過各種途徑和同仁共同探討，還利用各種機(jī)會(huì)向?qū)＜覀兦蠼?。例如，?dāng)面請(qǐng)教過嚴(yán)濟(jì)慈先生（物質(zhì)結(jié)構(gòu)）、周培源先生（湍流）和黃祖洽先生（HeII的傳熱機(jī)制）；就輻射場(chǎng)的能量公式書面請(qǐng)教過王竹溪先生（參見本書附錄A.1 和《關(guān)于輻射場(chǎng)能量公式推導(dǎo)的一個(gè)討論》一文）等。還就《熱力學(xué)·統(tǒng)計(jì)物理》一書中的幾個(gè)問題向編著者汪志誠(chéng)教授提供了若干書面意見。多次組織和參與了校內(nèi)外有關(guān)研討會(huì)和課題的研究，兩次獲得湖南省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。劉全慧從1990年進(jìn)入湖南大學(xué)起，就和沈抗存在一個(gè)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(xué)講授熱物理方面的課程，兩人就熱物理中的問題進(jìn)行了密集、廣泛和深入的探討。沈抗存很多難得的教學(xué)成果和經(jīng)驗(yàn)得以傳承。

內(nèi)容概要

本書是熱物理學(xué)教學(xué)研究著作，是劉全慧、沈抗存兩位教授在長(zhǎng)期教學(xué)過程中，學(xué)習(xí)、研究、講授熱物理學(xué)相關(guān)課程時(shí)不斷探究所獲結(jié)果的集中展現(xiàn)。主要內(nèi)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(yùn)動(dòng)論和理想氣體、熱力學(xué)過程和相變、物系及其熱力學(xué)函數(shù)、統(tǒng)計(jì)物理、漲落和漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論等。基本涵蓋了大學(xué)本科熱物理教學(xué)過程中可能會(huì)遇到的概念性問題。本書另有兩個(gè)附錄：附錄A為作者和王竹溪、de Gennes等討論熱物理學(xué)的一些文獻(xiàn)資料，附錄B列出了尚未徹底解決的兩個(gè)問題。    全書概念準(zhǔn)確、分析透徹、簡(jiǎn)明易讀、實(shí)用性強(qiáng)。對(duì)大學(xué)理工科各專業(yè)學(xué)生、物理類專業(yè)教師、相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者都有參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

劉全慧，湖南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1963年2月出生于湖南華容，1982年畢業(yè)于湘潭電機(jī)制造學(xué)校電器自動(dòng)化專業(yè)。1989年碩士研究生畢業(yè)于鄭州大學(xué)物理系，導(dǎo)師趙祖森教授，學(xué)位論文《Z2規(guī)范場(chǎng)的相結(jié)構(gòu)研究》，獲得同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位。1999年獲得中國(guó)科學(xué)院理論物理博士學(xué)位，導(dǎo)師彭桓武先生和歐陽(yáng)鐘燦院士，學(xué)位論文《1.一種均勻密度星在諧和坐標(biāo)F的嚴(yán)格解2.Helfrich模型一個(gè)解析解所給出的形狀族與兩個(gè)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)》。曾游學(xué)歐美，是教育部首批“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”入選者。長(zhǎng)期講授《普通物理》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》等課程，主要研究興趣在統(tǒng)計(jì)與凝聚態(tài)物理、量子力學(xué)等。沈抗存，湖南大學(xué)教授。1935年12月出生于湖南湘鄉(xiāng)，1958年畢業(yè)于武漢大.學(xué)物理系。曾任湖南大學(xué)校務(wù)委員、理論物理教研室主任、半導(dǎo)體物理教研室主任、基礎(chǔ)部（系）副主任、應(yīng)用物理系主任，校教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)副團(tuán)長(zhǎng)、校（系）教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)（組）成員等職。講授過《大學(xué)物理》、《力學(xué)》、《熱學(xué)》、《理論力學(xué)》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》、《固體物理》、《量子統(tǒng)計(jì)物理》、《基礎(chǔ)理論物理》、《半導(dǎo)體物理》、《晶體管電路》等課程。1997年（湖南大學(xué)退休）至2007在邵陽(yáng)學(xué)院和湖南理工學(xué)院講授《力學(xué)》、《理論力學(xué)》、《熱學(xué)》、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)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(xué)有關(guān)的一些日常現(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(guān)于表面張力的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)及其解釋  1.4 表面張力的幾個(gè)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(guān)于相的定義  2.3 新舊攝氏度的差別  2.4 焦耳實(shí)驗(yàn)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(guān)系  2.7 一個(gè)似是而非的卡諾循環(huán)  2.8 熱力學(xué)第一、二、三定律的獨(dú)立性  2.9 邏輯循環(huán)論證一例  2.10 對(duì)《物理教學(xué)問題薈萃》(力學(xué)、熱學(xué))一書中若干提法的商榷  2.11 對(duì)“關(guān)于施特恩一格拉赫實(shí)驗(yàn)”一文的補(bǔ)注  2.12 關(guān)于化學(xué)勢(shì)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(shù)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(yùn)動(dòng)論理想氣體  3.1 由玻意耳定律導(dǎo)出焦耳定律的一種嘗試  3.2 重力場(chǎng)中的理想氣體  3.3 重力場(chǎng)中地面處的分子數(shù)密度將隨溫度變化  3.4 一個(gè)關(guān)于大氣壓強(qiáng)的疑難問題及其解決  3.5 壓強(qiáng)和內(nèi)能密度之間的關(guān)系  3.6 關(guān)于分布函數(shù)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(duì)瀉流過程的分析  3.9 范德瓦耳斯系數(shù)6的一種近似估算方法  3.10 實(shí)在氣體壓強(qiáng)與器壁性質(zhì)無關(guān)的一個(gè)簡(jiǎn)易證明  3.1l 根據(jù)分子力求實(shí)在氣體的壓強(qiáng)和物態(tài)方程  3.12 液體的壓強(qiáng)是怎樣產(chǎn)生的  3.13 液體表面層中存在張力的一個(gè)證明  3.14 對(duì)穿過截面分子數(shù)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(yùn)過程的初級(jí)理論第4章 熱力學(xué)過程相變  4.1 理想氣體的直線過程  4.2 理想氣體在準(zhǔn)靜態(tài)過程中的吸放熱和升降溫  4.3 關(guān)于理想氣體等溫線和絕熱線交點(diǎn)的討論  4.4 對(duì)一道熱學(xué)習(xí)題的討論和解答  4.5 關(guān)于任意循環(huán)和實(shí)際熱機(jī)的效率  4.6 也談《熵的變化與熱力學(xué)過程方程之間的聯(lián)系》  4.7 焦耳系數(shù)和焦耳，湯姆孫系數(shù)以及焦耳實(shí)驗(yàn)和焦耳，湯姆孫實(shí)驗(yàn)中的溫度改變量  4.8 氣液間繞過臨界點(diǎn)的轉(zhuǎn)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(guān)的幾個(gè)問題  4.14 空氣對(duì)冰的飽和蒸汽壓的影響  4.15 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)因某組元耗盡而終止的問題第5章 物系及其熱力學(xué)函數(shù)  5.1 麥克斯韋關(guān)系記憶法  5.2 磁介質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)方程及其麥克斯韋關(guān)系  5.3 對(duì)理想氣體摩爾吉布斯函數(shù)的一個(gè)注記  5.4 單元二相系中的化學(xué)勢(shì)  5.5 關(guān)于多元系的偏摩爾吉布斯函數(shù)  5.6 化學(xué)平衡常量探微第6章 統(tǒng)計(jì)物理  6.1 最概然分布、微觀狀態(tài)數(shù)及其相關(guān)問題  6.2 論微正則系綜中從能量曲面上計(jì)算理想氣體的微觀狀態(tài)數(shù)  6.3 最概然分布與非孤立系  6.4 正則系綜分布函數(shù)與孤立系統(tǒng)  6.5 理想玻色氣體經(jīng)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(qiáng)  6.7 關(guān)于輻射場(chǎng)能量公式推導(dǎo)的一個(gè)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(xué)量的改變和各種佯謬  6.10 氫的轉(zhuǎn)動(dòng)配分函數(shù)及其熱力學(xué)性質(zhì)  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(xué)性質(zhì)  6.14 負(fù)比熱、相變以及粒子從勢(shì)阱中溢出  6.15 二維伊辛模型矩陣解法中一個(gè)自旋矩陣表示的證明第7章 漲落和漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論  7.1 低溫下熱力學(xué)平衡態(tài)的一個(gè)普適判據(jù)  7.2 簡(jiǎn)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(guān)于能量漲落的一個(gè)問題  7.5 有關(guān)漲落的一個(gè)問題  7.6 對(duì)一個(gè)漲落公式的訂正  7.7 漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論(一)  7.8 漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論(二)  7.9 對(duì)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(huì)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(huì)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(gè)表面，只要停止攪拌，它們又會(huì)向中央或邊緣聚集。上述現(xiàn)象是因表面張力系數(shù)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(duì)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(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓時(shí)，蒸汽就會(huì)在水泥面上凝結(jié)。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(huì)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(duì)應(yīng)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(nèi)玻璃窗的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。

后記

我接手沈老師在湖南大學(xué)講授熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和量子統(tǒng)計(jì)已經(jīng)十一年了。十余年來，碰到許多和熱物理教學(xué)有關(guān)的問題。這些問題基本來自三方面。一是對(duì)日常生活的觀測(cè)。例如，春夏天南方室內(nèi)的玻璃板上為什么會(huì)起霧？瀑布落差為什么會(huì)造成水溫增加？大氣壓強(qiáng)是大氣重量造成的嗎？二是來自對(duì)教學(xué)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(qiáng)極限下會(huì)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(jì)算理想氣體的微觀狀態(tài)數(shù)？在量子統(tǒng)計(jì)中往往說某能級(jí)上有若干粒子，可是在單粒子量子力學(xué)中又說粒子一般總是處于能量的疊加態(tài)，如何協(xié)調(diào)這兩個(gè)觀點(diǎn)？三是來自一些前沿性的研究熱點(diǎn)。例如，如何理解某些少粒子體系具有負(fù)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(duì)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(xué)》）。沈老師在熱物理學(xué)教學(xué)及研究方面已達(dá)到人書俱老的通達(dá)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(duì)面、電話、留言等），我們持續(xù)不斷地展開討論甚至激烈的爭(zhēng)論，我們之間的這種切磋甚至延伸到了課堂，我不僅會(huì)請(qǐng)他到我的課堂進(jìn)行具體指導(dǎo)，還在學(xué)生研究性學(xué)習(xí)成果匯報(bào)的課堂上請(qǐng)他公開點(diǎn)評(píng)學(xué)生和我的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，也讓學(xué)生了解我們之間的共同及其分歧點(diǎn)。這也是岳麓書院會(huì)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(dú)學(xué)而無友，則孤陋而寡聞”（《禮記·學(xué)記》）的困境。我也由一個(gè)熱物理學(xué)講壇的生手，逐漸成長(zhǎng)為湖南大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)課程、湖南省研究生精品課程的豐持人，并被學(xué)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(xué)隨筆集》由科學(xué)出版社出版。

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