談談過程量和狀態(tài)量

載談談過程量和狀態(tài)量上海師范大學附屬中學李樹祥剛剛結束的2018年上海物理學業(yè)水平等級考試，試題相比2017年發(fā)生了很大變化，也和同學們平常的訓練題差異性很大。命題者的意圖很清晰：即要求同學們摒棄傳統的題海戰(zhàn)術，從題海中跳出來；要注重物理概念和規(guī)律的理解，要促進自己物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。如題目中出現了如下一道選擇題：有些物理量是過程量,有的是狀態(tài)量，下面哪A．熱量B.內能C.壓強D.體積。雖然在平常的學習中，我們經常會接觸到過程量和狀態(tài)量，也刷了涉及過程量和狀態(tài)量的大量練習題，如涉及此題四個量中的壓強的求解、等溫變化過程中波義耳定律的應用，等容變化過程中的查理定律的應用、以及涉及熱量的熱力學第一定律的應用等等，但考完了解下來，竟然還有好多同學做錯，原因就在于平時做題時，只是忙于套用公式，卻對最基本的過程量和狀態(tài)量不求甚解，那么，什么是過程量和狀態(tài)量等都可概括為兩大類,一類是描述物理狀態(tài)的，另一類是描述物理過程的。物體在不同時刻、不同位置處于不同狀態(tài)，一載般要用不同的物理量或同一物理量的不同量值來描述，我們把這類描述物體在某一時刻或某一位置所處狀態(tài)的物理量叫做狀態(tài)量。如某一時刻物體所處的位置坐標、瞬時速度、體積等。描述一個狀態(tài)可以同時使用不止一個狀態(tài)量，狀態(tài)量既可以是矢量，如瞬時速度、瞬時加速度等，也可以是標對應,物體在從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程中，相關物理量也會發(fā)生變化，我們把這類描述物體在某段時間或空間某段位移所經歷的過程的物理量叫做過程量，如位移、功、能量的變化量等；描述一個過程也可以同時使用不止一個過程量。過程量同樣既可以是矢量、如位移、平均速度等，也狀態(tài)量與過程量是有區(qū)別的，這可以從它們的特點看出來。利用這些特點很容易判斷出一個物理量是狀態(tài)量還是過程量。狀態(tài)量的特點是與時刻或與空間位置有關，因此，與時間參考點的選取及參照系、坐標系的選取有關；它是相對量，這是因為對運動的描述是對一個個狀態(tài)的描述，而狀態(tài)是相對的；過程量的特點是與時間有關，或與空間位置變化有關，與參考點及參照系的選取無關，是絕對量，這是因為動(變化)是絕對的。狀態(tài)量與過程量之間又是有聯系的，當物體狀態(tài)發(fā)生變化時，其對應的狀態(tài)量通常也會變化，且狀態(tài)量的變化量是一個過程量，因為狀態(tài)的變化對應于一段時間(過程)。狀態(tài)量與過程量不是孤立的，它們之間存在著密切的聯系，某物理量從“狀態(tài)1"經過某一變化“過程”到達“狀態(tài)2”,那么狀態(tài)間的變化量就可以通過這一變化所經歷的過程量來表程中才能體現出同。如在機械運動能的變化多少在數值上等于機械能的變化量。這一定量關系已由動能定理或功能原理給出；再如在熱運動中,描述物體狀態(tài)的“內能”的變化則是通過做功與傳遞熱量”兩個過程量來實現的,做功與熱傳遞都可改變內能，它們之間的關系由熱力學第一定律△E=W+Q給出,此功、能與熱量應當具有相同的單位,國際單位制中均為焦耳,但是我們可以說物體具有多少能量,卻不能說物體具有多少功或包含多少卻不能說物體具有多少功或包含多少熱載載VV程性物理圖像、規(guī)律、定律等都描述了一定的物理狀態(tài)或物理過程所遵循的關系。例如,圖1(a)的波動圖線描述了不同質點在同一時刻所處的狀態(tài),而圖1(b)的振動圖線描述的則是同質點在不同時刻所處的狀態(tài),因此前者反映了一個物理狀態(tài),而后者反映了一個變化過程;如圖2是一定質量氣體的P-V圖線,圖線中的每一個點對應氣體所處的一個特定的狀態(tài),而曲線本身對應氣體的一個變化過程；P又如,牛頓第二定律揭示的是物體的加速度與所受外力的關系,具有瞬時性,而動能定理研究的則是在一個而描述過程的規(guī)律稱為過程關系。常見的狀態(tài)關系有:∑F=0(力的平衡方程),F=ma(牛頓第二定律),E=I(R+r)(全電路歐姆定律),R=U/I(電阻定律),F=BIL(安培力PVCPTC查理定律)，F=GMm/r2(萬有引力定律),E=F/q(電場強度定義式)等等。常見的過程關系式)，s=υ0t+at2/2(勻變速直線運動位移公式)，m載能定理)，T=2πL/g(單擺周期公式)，W=UIt(電功公式)等等一個物理問題的求解，最重要的是過程量和狀態(tài)量的應用與求解。這其中很重要的一個環(huán)節(jié)即是對題目中所包含的物理過程和物理狀態(tài)的分析，只有對物理過程的本質作深刻的透析，才能發(fā)現其遵循的規(guī)律，才能選擇相應的物理公式、規(guī)律去求解某狀態(tài)下的未知狀態(tài)參量或某過程中未知過程量，達到對問題的求解目的。對物理狀態(tài)和過程作出清晰明了的認識和分析是重點問題，也是一個難點問題。一般說，一個具體的物理問題可能只討論某一確定狀態(tài)下各參量間的關系，但有些相對復雜的問題往往包含幾個或多個連續(xù)復雜的過程，這就要求學生樹立將復雜過程分為若干個相對簡單的過程來處理的意識，對每個階段初末狀態(tài)及每個過程遵循的物理規(guī)律作深入的分析，同時要注意兩相鄰過程的中間狀態(tài)，或某過程中的臨界狀態(tài)的分析。所有這些如果都分析清楚了，一般來說問題的解決思路也就明確了。首先，審題是解題的關鍵。審清題目中的隱含條件。任何物理問題，都在特定的物理條件和范圍內根據物理現象的變化規(guī)律擬定的。一部分題設定的條件可直接給出，也有一部分條件隱含在一個或幾個明顯條件的背后，如果找不出和利用這些隱含這些條件，就會導致解題錯誤甚至無法求解。載而所謂的難題就是題目中還有隱含狀態(tài)、隱含過程，要把隱含狀態(tài)、隱含過程也“翻譯”成物理方程。其次，注意審清物理過程的臨界狀態(tài)，形成正確的物理過程圖景。有很多物理問題都涉及到臨界狀態(tài)，由于臨界狀態(tài)是“問題”發(fā)生突變的關鍵所在，在物理問題中又帶有隱蔽性，稍有不留心就會導致錯解。因此解決這類問題時，要審清題意，弄清物理過程，特別是要注意承前啟后的物理量，確定臨界值，抓住了這一關鍵，問題就會迎刃而解。例1(2017年上海等級考試題)如圖，與水平面夾角B且固定于豎直平面內。滑塊從斜面上的A點由靜止釋放，經B點后沿圓軌道運動，通過最高點C時軌道對滑塊的彈力為sin37°=0.6，cos37°=0.8)求： (1)滑塊在C點的速度大小vC； (2)滑塊在B點的速度大小vB； 析解：(1)由題意，在C處滑塊僅在重AChRBcR 載滑塊由B到C的運動過程中僅重力做功，機械能守恒。設B為勢能零點12B2cBc代入vv=4.29m/sB (3)解法一：滑塊由A到B過程受力如圖4BfNN=mgcos370f=N解得代入已知數據可得a=4m/s2v2=2aLB及幾何關系得2解法二：滑塊由A到B過程受力如圖42Bf=N幾何關系L=h/sin370，得v2vh=Bsin370=1.38m最后再來讓我們看看2018年的這道等級考試題，由于在物理學中，要用體積、溫度、壓強等物理量來描述氣體的狀態(tài)，所以這幾個量被稱為氣體的狀態(tài)參量，自然這三個量是狀態(tài)量了。物體內能指的是物體內部所有分子做無規(guī)則運載動的動能和分子勢能的總和，而溫度升高時，物體的無規(guī)則運動會