谈物理与化学的联系

作者: 来源: 发布时间:2017年11月13日 点击数:

一、物理学与化学客观上的联系

物理学是最基本的、包罗万象的一门学科,它对整个科学的发展有深远的影响。事实上,物理学是与过去所谓的“自然哲学”相当的现代名称,现代科学大多数就是从自然哲学中产生的。许多领域内的学生都发现自己正在学习物理学,这是因为它在所有的现象中起着基本的作用。化学就是在物理学的影响下发展起来的学科,也是受物理学影响最深的学科,比如,理论化学最深刻的部分必定会归结于量子力学。任何事物的作用是相互的,物理与化学间的影响也是相互作用的,在化学的发展壮大的同时,她又促进了物理学的发展,比如,化学中对物质结构的研究,提出原子理论等的理论,这些化学上的成就促进了物理学中材料的研究与进展,有利于对导体、绝缘体、半导体等的导电的微观原理的研究等。所以说,物理与化学有着密切的联系。

物理学分为基础物理学和理论物理学,化学同样分基础化学和理论化学,虽然它们研究的内容不尽相同,但它们二者密切联系,优势互补,在它们的基础上建起了许多融合学科,比容《物理化学》、《热化学》、《电化学》、《光化学》、《化学动力学》等学科。在二者相互联系,相互借鉴的基础上,它们共同取的了巨大成就。

在19世纪前期,化学与物理学、数学的发展严重的脱离,阻碍了化学研究的前进步伐。这种局面持续到19世纪的中叶,终于被扭转了。气体分子运动论、热力学以及电化学做为物理化学初建时期的支柱,进步很快。其他分支,如光化学、胶体化学和化学动力学也已开始形成。

物理化学与生产密切相关,在短短的十几年中,就获得了令人惊喜的成效,从而打开了化学家的视野,看到了化学同物理学相结合的重大意义和光辉前景。

早在1661年,波义耳就发现一定量的气体在温度不变的情况下,体积与压力成反比。17年后,法国物理学家马里奥特也独立地发现了这个规律。1737年左右,法国物理学家查理又提出了气体体积随温度变化的规律。1820年,盖吕萨克曾计算出查理定律表达式中常数项的近似值。

根据波义耳定律和盖吕萨克定律,很容易得到气态方程PV=RT,式中的T为绝对温度。当气体为1摩尔时,R=PV/T,这个方程是由法国工程师兼物理学家克拉佩隆首先提出来的,所以通常称之为克拉佩隆方程。

这些气体定律只能根据原子—分子学说和分子运动学说来加以解释。到了1738年荷兰机械与物理学家伯努力提出了气体压力与分子运动之间关系的数学表达式。

19世纪下半期法国物理学家阿马加,发现所有气体都不严格遵守波义耳定律,特别是在高压情况下更是如此,他又进行了更周密的实验。

到了1871年,荷兰人范德华考虑到气体分子间相互吸引力和分子本身体积这两个因素提出了非理想气体的状态方程,完成了理论与实验非常一致的公式。

在此基础上,1865年左右,奥地利物理学家洛施米特根据阿佛加德罗假说和分子运动学说,计算出了在标准状态下每立方厘米中气体分子的数目,这一数目是:26870×1019(这是后来进一步测定的精确数字,叫做洛施米特数)。

同气体分子运动紧密相关的问题之一是气体的液化。德莫沃和孚克劳曾以冷却与加压相结合的方法液化了二氧化硫和氨。之后,法拉第又为进一步研究气体液化的方法,做出了重要的贡献:他在1823年,将氯气变为液体。

科学家们尝试了多种方法,都没有实现氢气、氧气和氟气的液化。因此把这种气体称之为“永久性气体”,这种名称一直沿用了近1/4个世纪。

1869年,英国物理学家、贝尔洁斯特学院教授安德鲁斯在研究CO2的液化时发现,它有一个温度界限。推而广之,他认为每一种气体都存在一种温度界限,高于这一温度的气体,即使在很高的压力下也不能被液化。这一温度叫做临界温度。

在安德鲁斯提出上述观点后不久,两位法国年轻的科学工作者,铁皮匠皮克泰特和制冰匠凯耶特,根据安德鲁斯的启发,终于制得了少量的液态氧和液态氮。

气体液化技术的进一步发展,是根据焦耳—汤姆逊效应,即在低于一定温度的条件下,使气体膨胀以进行冷却。

根据这一原理,德国工程学家林德研究出了气体液化的方法(林德机器)。与此同时,伦敦皇家科学院的科学家杜瓦,用差不多相同的装置,第一次制造出了液态氢。杜瓦还发明了一处低温液体容器——杜瓦瓶,这种容器于1892年开始被推广使用。

从上面的例子可以看出,化学与物理各自有着不同劣势,导致一些难题难以被攻克,然而二者有密切联系,若把他们的优势互补起来,可以克服许多难题,为自然科学、乃至社会做出巨大成就。

二、化学与物理学之间的规律与思维

物理学与化学不但在客观上客观上相互联系,而且在主观上也是亲如手足,同样有着密不可分的联系,它们之间有着许多规律和研究思维可以相互借鉴。

1.自然科学一般方法的系统应用

物理、化学都属自然学科范畴,这之间存在着许多共同的关键性概念,如质量、能量、运动、作用力、气体、电子、平衡、体系、环境等。在这些共同概念之间不仅有知识之间的互相渗透,也有方法上的互相融合。在共同知识的演绎下,出现了一些系统的公共思维摸式与基本方法,只不过是各门学科对这些结合点知识的研究方向不同。如守恒思想的应用在化学方面,主要表现有:质量守恒、物质的量守恒、原子守恒、电子守恒、电荷守恒;表现在物理方面有:质量守恒、能量守恒、机械能守恒、动能守恒、动量守恒、电量守恒等。平衡的动态性在化学上最突出的是化学平衡、电离平衡、溶解平衡、水解平衡;物理学上则有力及力矩的平衡、理想气体中的P、V、T变化的平衡等。另外,它们还共同应用数学中的归纳法、平均值法、等效法、整体法、极限法等。

2、专门方法的嫁接应用

⑴图象的处理方法

如速率是物理运动学中所讲的一个基本物理量,有关图象的表示方法、图象中点、线、面的含义等都可以完全转移到化学反应速率中得到应用。

⑵实验数据处理方法的嫁接

化学和物理不同,正如著名学者吴国庆在一篇文章中谈及物质的物理性质时指出:“化学和物理不同的是,物理关心的是各种性能的理论和正确测量物质性能的方法的原理和仪器,而化学却关心具体物质的具体性能(包括各种具体的数据)。”因此中学物理学实验大多都注重物质运动规律研究,在实验过程中为了减少误差,往往要培养学生处理实验数据的能力,包括数据的合理组合、数据的筛选评价、数据的迁移转换、数据的归纳统摄等。而日常的化学实验在这方面就存在不足,在平时的习题训练中,如果能将这些方法嫁接来处理一些综合性的化学应用实验习题,见到新型化学题将会游刃有余,得心应手。

3、学科规律的对比理解

⑴楞次定律与勒沙特列原理

表面看这两个定律之间毫无关系,仔细推敲定律的内涵,它们都是研究“补给”现象的规律。楞次定律作为判断电磁感应现象中的感应电流方向的规律,通俗的理解为“感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因”;勒沙特列原理作为判断平衡移动方向的基本原理也可理解为“平衡的移动方向总是反抗给定因素的原因”。它们之间都可简单的比喻为“来拒去留”,因此研究方法与思维形式都是一致的。如果在化学课上讲完勒沙特列原理后能引导学生类比物理上的楞次定律,在物理课上讲完楞次定律后能引导学生类比化学上勒沙特列原理,学生的整体思维肯定会产生一次飞跃。

⑵气体状态方程与阿佛加德罗定律

物理学是基础,化学是物理的发展,从史学角度看,气体状态方程、克拉珀龙方程与阿佛加德罗定律之间都是有联系的,随着学科分工的不同,容易让人将两者割裂,在化学课上巧妙地引入气体状态方程、克拉珀龙方程就有利于学生对阿佛加德罗定律及推论、气体摩尔体积更深刻地理解应用。

总之,化学与物理之间没有特别严格的区别,在不同的课堂从不同的角度对比讲授,既可结合共性中的系统方法,又可嫁接个性中的专门方法。这将对培养学生的综合应用能力是大有裨益,尤其在化学科中借用物理的方法往往能起到事半功倍的效果。

通过对物理与化学的客观和主观的分析,我们发现物理与化学确实密切相连,若二者相互借鉴,取长补短,则它们将会产生“1+1>2”的效果,它们将会共同为自然科学写下辉煌的华章,共同为社会做出贡献。

 

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