物理學中蘊含的生活哲理例談

摘 要: 眾多簡潔明了的物理學定律中都隱含有非常樸素的生活哲理，從中可以看到物理學奇妙有趣的一面。本文通過幾個實例和讀者進行探討，與讀者一起體會物理學的神奇。

關鍵詞: 物理學 理論 生活哲理

物理學對于學生來說并不總是意味著嚴謹的推理、眾多的公式、深奧難懂的理論，物理學還有其生動有趣，貼近生活的一面。透過反映物質世界本質的眾多簡潔明了的物理學定律及規律，我們可以看到物理學理論中所隱含的非常樸素的哲理，這樣的哲理在我們的日常生活中經常可見。下面我舉幾個例子和大家共同探討，讓我們去認識物理學的趣味性和奇妙性。

1.熱力學第一定律:Q=△U+A。

熱力學第一定律是能量守恒和轉化定律在熱力學中的具體表現。它表明:熱是物質運動的一種形式，外界傳給物質系統的能量(熱量)，等于系統內能的增加和系統對外所作功的總和。熱力學第一定律又叫第一類永動機不可能原理。熱力學發展初期，熱和機械能的相互轉化是人們研究的主題。在工業革命的推動下，工業上和運輸上都相當廣泛地使用蒸汽機，人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機械能。對此問題的研究使人們熱衷于研制一種機器，他們設想這種機器可以持續不斷地對外作功，而不需要外界提供任何能量、能源，這就是所謂的第一類永動機。

人們設計的永動機在實踐面前不可避免地宣告結束，這也預示第一類永動機是不可能制造成功的?，F在我們可以從理論上對這一問題加以解釋。讓一臺機器不從外界吸收能量，而又能源源不斷地對外做功，從熱力學第一定律的數學表述公式來看，即Q為0，而A永遠大于0，這就意味著必須犧牲系統的內能，系統通過降低內能從而對外作功。系統的內能與溫度有關，內能降低意味著系統的溫度降低，而任何系統的溫度降低總是有限度的，它不可能無限制地持續降低，因而系統持續不斷地對外作功就必然是不可能的了。熱力學第一定律實質上否認了能量的無中生有，所以不需要動力和燃料就能持續不斷作功的第一類永動機就成了天方夜譚式的設想。物理學中還有一句經典的說法用來描述第一類永動機不可能原理，即“既要馬兒好，又要馬兒不吃草”，這當然是不可能的了。無獨有偶，中國老百姓還有句俗語:“天上不會掉餡餅?！边@和物理學中第一類永動機不可能原理所隱含的哲理是一致的。在教學中講授熱力學第一定律時，我對學生說:如果把第一類永動機不可能原理運用到他們的身上，就是又想學習好，又想不付出努力，不看書、不做作業，這當然也是不可能的。學生聽了都會心地一笑。當然我們還知道一個人想做一點事情，取得一點成就，那么也必須付出努力。在這里物理學不折不扣地給我們展示出了生活的真諦。

2.熱力學第二定律。

熱力學第一定律指出，任何一個熱力學過程都必須遵從能量守恒，但是凡是滿足能量守恒的熱力學過程也不一定都能實現。自然界中存在著各種各樣的熱力學宏觀過程，每種熱力學宏觀自發過程都有確定的進行方向。熱力學第二定律給出了任何一個熱力學宏觀過程所能自發進行的方向界定。克勞修斯表述指出，熱量可以自發地由高溫物體傳向低溫物體，而相反的過程:熱量自發地由低溫物體傳遞給高溫物體，使高溫物體溫度更高，低溫物體溫度更低，而且不產生任何其它影響的過程是永遠不會發生的，這實質是指明了熱傳遞的不可逆性。開爾文表述指出，做功的能量可以自發地全部轉化為物體的熱量，而相反的過程:使物體的溫度自動降低，熱量自動減少，減少的熱量全部轉化為對外作功且不產生任何其它影響的過程是永遠不會發生的，這實質是指明了功熱轉化的不可逆性。還可以舉出更多的例子來說明，自然界中與熱現象有關的一切宏觀自發過程都是不可逆的。只要能指明一種熱力學宏觀自發過程進行的方向，就可以作為熱力學第二定律的一種表述，所以熱力學第二定律的表述就不僅僅只有克勞修斯表述和開爾文表述兩種形式。如果你愿意去做的話，熱力學第二定律的表述可以有幾百種、上千種甚至上萬種之多，這么多的表述其實質都是完全一樣的，是可以互相論證的。

熱力學第二定律指出自然界中的宏觀自發過程能夠進行下去是有規律可循的，是有一定的規則和方向限制的，一切宏觀自發過程均為不可逆過程。自然界中任何生物成長的過程也是有方向限制的，一切生物的成長都遵守從生到死的自然法則，生命過程不可逆。老人經常教誨:“說出去的話如同潑出去的水，收也收不回來?！币源藖砀嬲]人們做事生活要嚴謹，事情一旦發生都是不可逆轉的。這些樸素的生活哲理和熱力學第二定律的內涵是相通的，熱力學第二定律也可看成是人們樸素生活哲理的一種體現。

3.麥克斯韋速率分布律。

麥克斯韋速率分布律指出，處于平衡態下的氣體內部，所有分子都以不同的速率運動著，考慮氣體分子的速率分布在0—∞之間，則速率很大和速率很小的分子數占總分子數的比率都比較小，而具有中等速率的分子數占總分子數的比率較大。氣體分子速率分布的這種特點表明氣體分子數目按速率分布類似于紡錘型，以較慢速率運動的分子數少，以較大速率運動的分子數也少，而以中等速率運動的分子數最多，即氣體分子速率分布具有中間大，兩頭小的結構。處于平衡態下氣體分子按速率分布的紡錘結構讓我們想到一個班級中學生成績的分布正常情況下也應成紡錘形，成績很好、分數很高的學生和成績很差、分數極低的學生都占少數，大多數的學生成績處于中等水平。再如社會的收入分配結構，經濟學家所推崇的也是紡錘形收入分配結構，即低收入和高收入相對較少，中等收入占絕大多數的收入分配結構，這種以中等收入者為主要成分的社會結構，也是現代最穩定的社會結構。經濟學家所推崇的現代社會最穩定的一種社會結構和物理學中討論的處于平衡態下的氣體分子的速率分布結構具有相似性，看似毫不相關的兩個領域，它們遵守的規律卻具有相似性，物理學定律在此向我們展示出了它的奇妙之處。

4.表面張力的存在。

處于液體內部的分子受到其它分子對它的作用力為零，而處于液體表面層內的分子總會受到一個指向液體內部的微觀力的作用，就是因為這個微觀力的存在，使處于液體表面層內的分子比處于液體內部的分子具有更多的勢能，而任何系統要處于穩定狀態，系統的能量都應該取最小值，所以處于表面層內的分子一有機會就會往液體的內部跑，從宏觀上就表現為液體表面層有收縮的趨勢，即液體表面層存在表面張力。表面張力的存在意味著液體分子具有“惰性”，它總會使自身保持一種能量最低的狀態。能量最低，也是系統能夠處于穩定平衡狀態的原因。人也是具有惰性的，在沒有動力驅動的情況下，總想保持最舒適、最輕松的狀態，所以要想改變現狀或者驅動去做成某一件事情的時候，需要有動力、有激勵措施，要增加“能量”，克服自身“惰性”而“做功”。不僅僅是我們的生命體具有惰性，在微觀世界中的小小分子也同樣具有惰性。當我們在探索這個宏觀世界的時候，生命體和微觀世界中的小小分子居然遵守相似的規則，你看我們生活在一個多么神奇的世界。

當然物理學中還有許許多多這樣的定律和規律，當我們在深入的理解和思考這些定律及規律時，我們可能在其中發現隱含著的最樸素的生活哲理。物理教師在教給學生物理學理論的同時，也可以對物理學理論作適當引申，讓學生理解物理學理論中透露出的生活哲理，讓學生領悟物理學和我們的生活“息息相關”。這不僅能體現在物理學技術在生活中的應用，而且能體現在物理學中的思想哲理和文化信息和我們的生活緊密相關?？傊?，物理學并非總是嚴密的邏輯推理、大量的公式定律，物理學也有它生動有趣、奇妙、神奇的一面。