关于物理课本的标题“功能和内能”的商榷

李明++李振伟��

摘要：在人教版教材选修3-3第50页，课本正文标题为“功能和内能”；但在目录中显示第十章，第一节标题为“功和内能”。同一本教材的相同部分内容，两个不一样标题，谁更合适，值得商榷。

关键词：功；能；功能和内能；物理教材

普通高中课程标准实验教科书高中物理课本选修3-3（人民教育出版社，2012版）第50页，课本正文标题为“功能和内能”；但在目录中显示第十章，第一节标题为“功和内能”。同一本教材的相同部分内容，两个不一样标题，谁更合适，值得商榷。

首先，分析本节所涉及的基本概念。功是力学相互作用下的能量转化。在系统的外力作用下，物体的平衡将被破坏，在物体状态发生变化时，将伴随能量的转化，这个转化的能量就是功。在热力学系统绝热过程中，只有在系统状态变化过程中，才有能量转化，而功是不同能量的传递形式。功是不同形式能量间转化的量度，并都与状态变化的过程有关，因而功不是系统状态的函数，即功不是系统状态的属性，所以不能说物体或系统具有多少功，只能说物体或系统在变化过程中对外界做了多少功，注意功有正负之分。

内能：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，并不依赖于做功的具体过程和方式。因而任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，该物理量在两个状态之间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。鉴于功是能量转化的量度，这个量必定是系统的一种能量，我们称之为系统的内能。这只是从热力学系统和外界之间能量转化的角度来理解内能，这是宏观热力学的观点，它并未追究内能微观本质。从微观角度来看：内能是系统内部所有微观粒子（如分子，原子）的永不停息的无规则热运动动能以及它们之间相互作用的势能之和。一切物体都是由做无规则热运动并且相互作用着的分子组成，因此任何物体都有内能。

由于分子热运动的平均动能与温度有关系，分子势能与物体的体積体积有关系，因此当体积和温度这些状态参量变化时系统的内能也会变化。因而内能是状态参量，内能与系统状态间有一一对应关系。

其次，讨论一下本节所讲的具体实例热功当量实验，从1840年到1879年间，焦耳做了多种多样的实验，致力于精确测定功与热相互转化的数量关系。在焦耳做的实验中，有两个最具有代表性。一个是让重物下落，带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升，如下图1所示，用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。多次实验测量结果表明尽管每次悬挂重物的质量不同，下落高度也不同，但只要重力所做的功相同，容器内水上升的温度都是相同的，即重力所做的功是水内能变化的量度，所以此处应理解为功和内能的关系而非“功能”和内能的关系。

焦耳另一个代表性的实验是通过电流的热效应给水加热，如上图2所示，电流通过浸在液体中的电阻丝给水加热，使水温度上升。多次测量结果表明，对于同一个绝热系统，不管通过电阻丝的电流或大或小，通电时间或长或短，只要电流所做的功相等，则水上升的温度都是相同的，即系统状态的变化相同，在焦耳采用了原理不同的各种方法，做了四百余次的实验后，于1849年6月作了题为《热功当量》的总结报告，全面整理实验数据给出如下结果。（数据来源：The Scientific Papers of J.P.Joule，vol.2 .Taylor，1884.328单位均以磅·英尺/英热单位表示）

焦耳对实验结果处理的相当严密，对上述结果焦耳分析：在这三种材料中，以水的比热最大，所以比较起来，应该是用水做实验最准确。因此他取1卡=4.2焦耳作为最后结果。他先后采用磁电机实验、桨叶搅拌实验、水通过多孔塞实验、空气压缩实验、空气稀释实验等，测得大量热功当量的数据。尽管所用方法，设备和材料各异，但结果相差不大，并随着实验精度提高而趋于同一数值，无可置疑的证明了在绝热系统中“功是内能改变的量度”，而非“功能是内能改变的量度”。

关于“功能”在高中物理具体内容中根本没有找到，只是在标题中有“功能”的说法。作为一个整体词汇的概念。“功能”在字典中的解释是指事物或方法所发挥的有利作用或效能，显然不是高中物理学中的概念。结合功和内能的含义，再结合教材里的具体内容，可知该章节教材所讲述的内容是通过焦耳的热功当量实验，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。并通过焦耳的实验表明：功是内能改变的途径之一。即：Δu=w功是内能改变的量度。所以结合功，内能的含义以及本节主要内容，笔者认为：目录中标题“功和内能”比正文中标题“功能和内能”更合适。endprint