我为什么在题目中专门限定“中学物理”呢?
因为许多人有一种误解,以为物理学只有“高级”部分(黑洞啊,量子纠缠啊…)才有意思,才带劲、刺激,中学物理则不值一顾。我认为这种看法是错的。科学知识的性质都是一样的。
为什么许多人会产生这种误解呢?原因很简单:他们都学过初高中物理,甚至大学普通物理,而这些课让他们觉得枯燥。但这是因为,课本和老师把它们讲枯燥了,并非它们在本质上就是枯燥的。
不啰嗦了,一起来欣赏一下,高手如何讲解中学物理。我们都学过“蒸发引起物体降温”这个知识吧——看高手能把它讲得多么引人入胜。
这是兰斯别格主编的初等物理教科书第一卷中的一节,这节一共3段,大约一页。作者在第2段介绍了两个实验,非常精彩。我先介绍这两个实验。
第一个实验:试管底部是少量水,水上面是乙醚。通过一个弯曲的细玻璃管,向乙醚内吹进空气。会怎么样?试管底部的水会结成冰!
第二个实验:A和B是两个用玻璃管相连的玻璃球,A球内装着水,B球插在食盐与冰块的混合物中。过上一会,A球中的水会结冰。
神奇吧?如果把这两个实验拍成短视频,并用一两句话向大家解释现象背后的原理,想必可以收获一定的播放量。不过,说实话,那样没什么价值。因为,这两个实验显然是人为安排的。那么,为什么要这样安排实验条件呢?那些家伙是怎样想出这样的设计呢?为了说明什么?这些才是真正的问题所在。
好,我现在把这一节完整地翻译出来(根据英译本),然后进行简单点评。
第1段:
众所周知,人穿着湿衣服时比穿着干衣服时觉得冷,特别是在风中。人们还知道,用湿布把装满水的容器包裹起来,在有风的热天拿到户外,可以让容器中的水变得很凉。在热带国家,人们有时候使用容器壁可以透水的特殊容器达到这个目的。水从容器壁慢慢渗出,使容器壁保持湿润。众多观察表明,蒸发会让液体与其周围的物体一起变冷。在这种情况下,汽化所需的热量来自液体本身。
第2段:
如果蒸发进行得非常快,蒸发的液体来不及从周围物体获得热量,降温会特别厉害。对于挥发性强的液体,快速蒸发很容易实现。比如,乙醚或氯乙烷的蒸发很容易使温度降低到0℃以下(图490)。手术时,如果需要将病人的皮肤降温,使它感觉不到疼痛,常采用这种办法。蒸发引起的降温,还可以在下面的实验中观察到。两个玻璃球A和B,通过弯曲的玻璃管连在一起(冰凝器,图491)。球内是水和水蒸气,空气事先被抽走。B球位于具有冷却作用的混合物(冰与盐)中。这种情况下,A球内的水会结成冰。背后的原因如下。球的降温使它里面的水蒸气急剧凝结。结果,A球中的水蒸发从而温度降低。温度降低得如此之快,A球中的水变成冰。
第3段:
蒸发过程中的降温,与凝结过程中的放热,在大自然中起着极其重大的作用,使海边地区具有温和的气候。还应注意到,人与动物皮肤上排出的汗液的蒸发,是有机体控制体温的手段。在热天,汗珠蒸发,使皮肤的温度降低。
这就是“蒸发过程中的降温”这一节的内容。
注意到了吧,原文的篇幅并不大,但是讲了非常丰富的内容。作者的文笔很简练,没一句废话或空话,然而绝不粗疏,需要细致的地方交待得很细致,不会笼统带过。
比如,第1段第4句,“蒸发会让液体与其周围的物体一起变冷”。如果是差劲的物理课本,这里会写成“蒸发会使物体变冷。”,哪个物体?其实是蒸发首先使剩余液体本身变冷,然后,由于液体变冷,从周围物体吸热,从而又使周围物体变冷。如果不交待清楚,大部分学生是不会追问的,就一直笼统下去。
再比如,第2段第1句,“如果蒸发进行得非常快,蒸发的液体来不及从周围物体获得热量,降温会特别厉害。”这告诉我们,在液体蒸发过程中,剩余液体一边损失热量,一边从周围物体补充热量。同时存在两种过程。可是,如果是差劲的物理课本,这里会写成“如果蒸发进行得非常快,降温会特别厉害。”有多少学生会主动追究其中的缘故呢?恐怕很少吧。
别忘了,中学生是物理这门科学的初学者,他们还没建立起精密、细致与追根究底的思维习惯。物理课(以及别的科学课)的一个重要价值,就在于帮助学生逐渐建立这种习惯。如果物理课本本身就写得很粗糙,只能产生相反的作用。
现在让我们注意这一节内容的结构。
第一段用3个日常生活中的事例表明,蒸发会让液体与其周围物体的温度降低。这几个例子本身都够有趣了吧?(比如第2个例子,把水拿到热天的户外,水反而会变凉。)然而——
第二段进一步思考:降温与哪些因素有关?在什么条件下,降温效果能够表现得更厉害?然后设计出两个降温效果使人惊奇和惊喜的巧妙实验。
对了,实验分为不同的类型,这里的两个实验使学习者体验到一种“掌控力”,因为通过思考,再用上此前所学的知识,我们可以安排出一种条件,让大自然上我们的钩,乖乖听我们的安排,产生奇妙的结果。
最后一段则向我们指出,蒸发降温在大自然中起着重大作用。因为,第一段的那3个例子,虽然有趣,但太“渺小”了;第二段的两个实验,虽然美妙,但出于人为。第三段指出的两件事,都是“纯天然”,又都很宏大或重大,对吧?
我上面说过,作者文笔简练,但绝不粗疏,该交待到的事情都会交待到。我再举一个例子。
请注意第1段最后一句,“在这种情况下,汽化所需的热量来自液体本身。”这句话看似不起眼,其实特别重要。
作者是想到:这一节以前讲过,汽化(液体变成气体)有两种方式,即沸腾和蒸发。液体沸腾时,所需热量的来源是一眼就可看出的,即来自加热器(电热水器,酒精灯等)。蒸发也是液体变成气体,它需要的热量来自哪里呢?这里没有“加热器”,对吧?作者指出,蒸发所需的热量来自液体本身(液体要丧失热量,所以温度降低)。从这一句便可以看出,作者的心思是多么细密。
最后,我再对第2段中的两个实验做一点进一步的说明。
这两个实验,是用两种不同的方法加速蒸发的进行。而这两种方法,都要用到前面的章节讲过的知识。
第一个实验加速蒸发的方法,是使用挥发性强的液体(乙醚)+增加与空气的接触面积(用玻璃管吹进空气)。
第二个实验加速蒸发的方法,是快速转移走水面上方的水蒸气。
品尝了一点这本中学物理教科书的讲解后,你还觉得中学物理枯燥吗?