中美着名大学热力学与统计物理主流教材的比较与思考.docx
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中美着名大学热力学与统计物理主流教材的比较与思考
中外著名大学《热力学与统计物理》主流教材的比较与思考
齐继伟（南开大学物理科学学院博士、讲师）
[内容摘要]热力学与统计物理是物理相关专业的一门重要基础课程。
其主要阐述了与热现象相关的宏观经验理论以及微观统计理论。
是人们认识热现象的基础理论，也是人们处理热问题的主要依据。
热力学与统计物理教材的编写与使用一直是国内外各高校非常关注的问题。
中美高校在热力学与统计物理教学中有着非常明显的区别，教学效果也相差较大。
我们这里通过对中美著名大学《热力学与统计物理》主流教材的总结与比较，简单归纳了这些主流教材各自的特点以及中美《热力学与统计物理》主流教材之间的差异，从而引申出了一些值得我们思考的问题，也提出了一些个人的看法和观点，希望能够对国内《热力学与统计物理》教材的编写、使用乃至教学给予一定的帮助和借鉴。
[关键词]中外著名大学；热力学；统计物理；教材对比
热力学与统计物理是人们称为“四大力学”的物理基础课程之一。
是国内外物理相关专业不可缺少的必修专业课之一。
热力学与统计物理涉及到宏观物理规律与微观粒子运动两个对立统一的物理问题。
在热力学与统计物理中，微观粒子运动与宏观物理规律之间的关系得到了很好的诠释，是我们认识微观物理和宏观物理联系的关键性课程。
所以，国内外各个高校都对热力学与统计物理课程十分重视，对热力学与统计物理教材的编写和使用也非常地关注。
这里我们统计了中美著名大学《热力学与统计物理》主流教材的使用情况，并从中选取了使用最广泛的中美高校主流教材各三本进行了比较深入的研究分析，进行了简单的比较，总结出了一些个人的观点，以期能够对国内高校的《热力学与统计物理》教材的编写、使用以及研究提供一定的借鉴。
1.英美著名大学《热力学与统计物理》主流教材的内容与特色
1.1外国热力学主流教材《Equilibriumthermodynamics》（平衡态热力学）内容与特色
（1）前言
《Equilibriumthermodynamics》（平衡态热力学）第三版是C.J.Adkins编著的关于平衡态热力学的经典教材，第一版和第二版由McGraw-Hill图书公司分别于1968年和1975年出版，第三版由剑桥大学出版社（CambridgeUniversityPress）于1983年出版，此后虽没有再版，但却被国内外院校广为采用。
该书适合高年级本科生和研究生使用，是学习热学，热力学，物理化学的参考教材。
作为一门经典的理论学科，在国内外都有很多关于热力学的教材和参考书目。
在国外，由CharlesKittel和HerbertKroemer合著的《ThermalPhysics》（secondedition）主要介绍了有关热物理学的基础知识；由H.C.VanNess著的《UnderstandingThermodynamics》着重于热力学一些比较抽象的物理概念的理解。
在具备一定的热力学基础知识，对热力学基本概念有了深刻的理解之后，C.J.Adkins著的《Equilibriumthermodynamics》通过对热力学系统的深入浅出的论述分析，可以帮助读者从更深的层次学习和理解热力学。
在国内，也有很多热力学的教材和参考书目，主要有：
2008年高等教育出版社出版的汪志诚编著的《热力学·统计物理》（第四版），从热力学基本定律出发来研究热力学好统计物理学的关系；2008年科学出版社出版的梁希侠，班士良编著的《统计热力学》（第二版），则在微观理论“统计物理”的框架下，以“系综理论”为主导，系统、完整地构建微观与宏观理论交融的统计热力学。
这两本教材也在国内广大高校中广泛使用。
（2）作者简介
C.J.Adkins，除本书之外，编著并出版了另外两本有关热学与热力学的书籍：
1976年由HodderandStoughton出版的《ThermalPhysics》用134页的篇幅讲述了热物理学的基本概念；1987年由剑桥大学出版社出版的《AnIntroductiontoThermalPhysics》，此书是一本非常适合初学者使用的入门书籍。
（3）教材总体架构与内容简介
《Equilibriumthermodynamics》共分为两大部分，热力学基本定律和热力学系统理论，在前言之后分为11个章节阐述。
书的最后部分除了参考文献，名词索引之外，还给出了一定量的习题，用于检验读者学习的效果。
第一部分热力学基本定律共七章。
首先对热力学做了宏观整体的概述，然后分别给出了热力学第零定律，热力学第一定律，热力学第二定律；接着由基本定律给出了熵的概念和热力学第二定律的Caratheodory表达式，以及热力学势的概念。
这一部分主要注重于基础理论知识的介绍，为以后的章节打下良好的基础。
第二部分侧重从热力学系统的角度研究热力学，共五章。
前两章先后解析了单一系统模型的热力学性质，不可逆变化的热力学性质；后用两章的篇幅，在单一系统模型的基础之上，研究了单一系统的相变问题和复杂系统模型；全书最后一章通过对全书内容的总结，巧妙而又更加深刻的引出了热力学第三定律及其本质。
（4）该书的主要特色
4.1概念突出，内容层次循序渐进
本书出版较早，出版后经过多次重版，在国外高校作为主流教材，得到广泛好评。
该书最大特色之一就在于对热力学基本概念突出鲜明的介绍以及循序渐进的内容层次，能让广大读者更好的学习热力学，理解热力学的基本概念。
还给出了一定量的习题，用于检验读者学习的效果。
4.2插图直观、形象、精美
本书的插图意在直观表达基本的纳米光子学结构、相关纳米结构观察图像及各种结构的光学图谱。
简洁、直观，各种线形分明，光路图清晰。
图中文字表达，直观、简洁。
4.3公式表达简洁、参数说明准确
本书的数学公式简洁，公式中涉及的各种物理参数说明详细准确。
（5）该书值得商榷之处或不足之处
该书成书于1983年，虽然该书至今仍然是一本热力学的经典教材，但在接近30年的时间里，对热力学的研究也有了很大的新进展，热力学的教学工作于教材编写水平也有了很大的进步。
相对论、量子力学普遍发展并应用到热力学的研究之中，并且被编入最新的热力学教材里面，这是老版教材不能和最新教材相比的。
尽管如此，本书仍不失热力学的经典著作，建议读者在深入学习理解本书之后，同时参考热力学的最新教材的新理论新研究成果，才能更好的学习热力学。
1.2外国热力学主流教材《ThermalPhysics》的内容与特色
（1）前言
本书是有关热物理学的基础知识。
本书主题简洁，方法简单易懂，所涉及物理问题具有重要、广泛的应用。
是科学和工程中应用最为广泛的物理理论之一。
本书主要面向物理学、天文学和电子工程学的本科生。
我们所写这些领域有着密切的联系，绝大部分都和费米气体有关无论是半导体、金属、星体或原子核。
我们所用的方法（虽不是原创但易接受）很适合这些领域。
我们将本书放于重要位置是因为我们想阐述本书的新方法和我们学习时的不同。
第二版我们几乎是对第一版的重写和修订，第一版出版的时候就收到了热切的欢迎。
在自由能的新结构下，配分函数和普朗克分布在化学势之前就已经建立。
真正的难题现在可以更容易的解决了。
我们增加了半导体应用、两元混合物、传输理论、低温学、传播等章节。
对热与功的处理是非常先进的，也对能量传输过程有较好的理解。
给出了很多的例子和习题，但是我们没有给出一些现代前沿难题。
对于本版，我们采纳了出版社的一些指导意见被。
本版本已经在过去几年里在大学课堂里被广泛测试过了。
我们并没有集中于一些传统的主题，有些是因为它们现在用处不大有些是因为它们依赖于经典统计力学这将使得课程比我们想象中的要复杂的多。
而且，我们也避免了一些不必要的结合性方法。
对于物理专业的大学生的四分之一课程，我们建议要一到十章及十四章的绝大部分内容。
可以略去第四章的德拜理论和第十四章的玻尔兹曼传输方程等内容。
对于电子工程专业的学生我们建议在第七章学完费米气体后任何时候都可学习第十四章。
第十三章的材料不是依据第四章中内容。
本书的内容是一个学期的课程，且时间将会非常充裕。
符号和单位：
我们一般是同时采用国际单位制和CGS单位制。
我们不采用卡路里。
开尔文温度通过kBT与基本温度相联系；传统熵S和基本熵通过S=kB相联系。
本书中符号log表示自然对数，因为ln在打印版本中较少见。
符号（18）代表本章节中的方程（18），而（3.18）表示第三章中的方程（18）。
本书是是加利福尼亚大学的课程笔记的发展和延续。
爱德华·珀塞尔对本书的第一版提供了许多想法；对于第二版，塞莫尔·盖勒、保罗·理查德森、尼克劳斯·惠勒都对本书做出了很大的贡献。
对本书还有贡献的有以下几人，现对他们表示敬意。
伊布拉姆·安德伟、伯纳德·布雷克、G达木克斯、玛格丽特·盖勒、卡梅隆·汉、KA杰克逊、S贾斯汀、皮特·基特尔、理查德·基特尔、马丁·J·凯伦、艾琳·里维斯、布鲁斯·H·J·麦克勒、F·E·奥米莉、诺曼·E·菲利普斯、B·罗斯维尔·拉塞尔、T·M·桑德斯、B斯托克林、约翰·菲尔霍根、约翰·惠特利、韦奇曼。
我们也对卡罗·唐对手写本的誊抄及萨利·维尔德对索引的贡献表示感谢。
伯克利和圣塔巴巴拉分校：
查尔斯·基特尔；赫伯特·克勒默.
（2）作者简介
查尔斯·基特尔（CharlesKittel）于1916年7月18出生于纽约，美国物理学家。
他早年就读于剑桥大学并于1938年获得艺术学术学位。
并于1941年在美国威斯康辛大学毕业后，在1945-1947年间加入MIT，并在二战期间参加了美国著名的“美国海军的反潜作战研究小组”。
在之后的1947到1951年间他在新泽西州的贝尔实验室专门研究铁磁性。
在这之后他加入加州大学伯克利分校，在那里教学、做科研直至退休。
查尔斯教授一生著作丰硕获奖众多，他分别于1945，1956,1963年三次获得古根海姆奖。
1957年获凝聚态物理巴克利奖；以及分别于1970和1972年获伯克利杰出教师奖和奥斯特奖章。
赫伯特·克勒默（HerbertKroemer，1928年8月25日－）德裔美国物理学家，2000年因将半导体异质结构发展应用于高速光电子元件中，而获得诺贝尔物理学奖。
赫伯特·克勒默1928年出生在德国（当时处于魏玛共和国时期，但国号依旧为德意志帝国）魏玛，父亲是公务员，母亲是家庭主妇，都来自技术工家庭，父母虽然没有受过高等教育，但是希望赫伯特·克勒默能获得最好的教育，他们并没有为儿子制订具体的学术方向，赫伯特·克勒默自己选择了数学、物理和化学。
1947年中学毕业后，他在耶拿大学学习物理学，曾听过德国物理学家弗里德里希·洪德（FriedrichHund）的课。
他在柏林实习时，利用“空中桥梁”逃往了西德，并在格丁根大学完成了关于晶体管中热电子效应的理论物理学研究和博士论文，导师是德国物理学家里夏德·贝克（RichardBecker），1952年获得博士学位。
此后他将职业定位在物理学和半导体技术研究上。
克勒默先是在德国联邦邮政中央通讯实验室的一个半导体研究小组工作，并自称为是一个“应用理论学者”。
1954年他前往美国，工作于普林斯顿大学和帕罗奥图的多家研究机构，1968年至1976年任博尔德科罗拉多大学（UniversityofColoradoatBoulder，科罗拉多州博尔德县）物理学教授。
1976年，克勒默说服圣塔芭芭拉加利福尼亚大学的电子和计算机工程系，将有限的项目资金用于刚刚形成的化合物半导体技术，而不是投资发展主流的硅技术，这一决定使得圣塔芭芭拉加利福尼亚大学占据了这一领域的领导地位。
1963年，他提出了半导体双异质结构激光的概念，是这一领域的先驱之一，他所提出的概念远远超出了当时在半导体领域的研究水平。
80年代时，这种理念和相应的技术才被大量应用开来。
在到美国加利福尼亚大学从事实验研究之后，他研究出多种实用半导体技术，涵盖了高性能设备、材料研究、固态物理等诸多新兴领域。
出色的研究成果曾为他赢得了多项国内外大奖。
2000年，克勒默与另外两位科学家因为对现代信息技术所做出的基础性贡献，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路（芯片），共同获得该年度诺贝尔物理学奖。
当有记者采访克勒默教授，问他取得丰硕的成果有什么秘籍时。
克勒默教授回答道：
“做科研没有捷径要脚踏实地；一是要有好奇心并去批判性的思考；二是不要轻易放弃，别人会告诉你‘你错了’，但不要机械地去接受。
或许这就是一个真正的物理学家做学问所应该有的科学素养和科学心态。
（3）教材总体架构与内容简介
本书被指定为美国高校（尤其是麻省理工这种蜚声海外的世界名校）的本科生教材，所以教材的编写质量和水平可见一斑。
有本书的前言部分我们可以看到：
本书的主题简洁，讲授方法独特、强大，所得结果有着广泛的应用。
本书为热物理学教材第二版，所以这也间接证明了本系列教材受到大家的认可和信赖。
相对于第一版，本书内容更加丰富，多处内容都有修订和完善且教材之后有关于理解本书所用知识的附录。
所有这些都突显出本书的完善和特色。
本书结构完整，知识体系完备。
就全书内容来说可分为三大个部分：
本书所有符号的基本定义和一些指定参考资料；主要章节内容；附录和索引。
当然本书的主要、核心内容是第二部分，全书共计15章主要分三个部分。
第一部分主要讲解有关热力学的一些基本知识和基本概念，第二部分主要将有关统计物理方面的知识，第三部分主要讲最近几十年在热力学方面所取得的一些重要的进展。
由此可见，本书内容紧凑、充实、新颖，结构安排合理，对学生能力的锻炼和科学素养的提高有着很大的作用。
（4）该书特色
该书是本系列书的第二版，本书既承接了热力学的基础知识，又联系了当时的最新发展，深入浅出的讲解了热力学的各个知识点。
而且本书中给出了许多用热力学处理问题中一些经典常用的例子,推导过程详细，这有助于学生更好的理解相应章节的内容和贯穿前后的知识体系。
本书的另一大特色是：
所有章节内容都配有大量、生动、形象的图形去解释或说明相应的知识内容，这对于学习者理解相应内容是非常有帮助的。
这也能间接增加学生对学习的兴趣和所学知识的深入理解。
这无疑是本书的一大特色和亮点所在。
（5）该书值得商榷之处或不足之处
本书的内容、讲授方法及细节处理等都是无可挑剔的，但是由于本书是1980年出版，所以相对于新世纪的学生来说知识内容等方面可能略显陈旧。
其理论体系也大多为上世纪六七十年代所建立起的经典理论。
缺乏现阶段相应的一些新颖之处。
这是本书的一大不足之处。
另外可能由于工作量庞大，知识涉及面较广，在本版教材中也出现了一些小的拼写错误。
再有就是本书的内容太过丰富，对于物理学专业的学生来说是一本详尽、优秀的教材，但对于其他理工科专业的学生来说可能显得有些内容太过繁多，希望对相应的专业学生能指定某部分的学习内容。
1.3KersonHuang著的《ItroductiontoStatisticalPhysics》教材的内容与特点
（1）前言
《ItroductiontoStatisticalPhysics》是国外较为广泛采用的统计物理教材.根据物理专业教学实际需要全面修订而成，修订时保持了原书简明、流畅的特色和便于教学的优点，增加了若干新的重要的内容（理论和应用），更新了部分习题、插图和数表，规范了物理量的名称、符号和单位，使教材的科学性、教学适用性和先进性有了进一步的增强，教材的整体质量有了新的提高。
（2）作者简介
黄克逊（KersonHuang）先生系美国麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology）荣誉退休教授。
美籍华裔理论物理学家。
1928年出生于中国南宁市，在菲律宾马尼拉长大。
先后于1950年和1953年获得麻省理工学院物理学学士和物理学博士学位，之后在普林斯顿大学（PrincetonUniversity）作短暂博士后研究，1957年回到麻省理工学院从事热力学和统计力学的教学和研究工作，并且很快成为统计物理方面的权威。
从此之后，黄克逊先生开始做玻色爱因斯坦凝聚（Bose-Einsteincondensation）和量子场论（quantumfieldtheory）方面的工作。
黄克逊先生1999年以荣誉教授的身份在麻省理工学院退休，开始写关于生物物理方面的书籍。
对于中国读者来说，黄克逊先生是作为鲁拜集奥马尔亚姆（RubaiyatofOmarKhayyám）一书的翻译而为人熟知的。
还是一名物理学研究生时，黄克逊先生就将爱德华菲茨杰拉德（EdwardFitzgerald）著名的古典诗集鲁拜集翻译成中文古诗。
黄克逊先生的StatisticalMechanics（Wiley，NewYork）一书多次重版，至今仍是美国大学物理专业研究生教材，对大学物理教学产生过广泛影响。
此外还有IntroductiontoStatisticalPhysics（Taylor&Francis，London）等著作出版。
黄克逊先生的主要著作：
2007.FundamentalForcesofNature:
TheStoryofGaugeFields.WorldScientific.Aimedateducatedlayreaders.
2005.LecturesonStatisticalPhysicsandProteinFolding.WorldScientific.ISBN981-256-143-92001.IntroductiontoStatisticalPhysics.Taylor&Francis.ISBN0-7484-0941-6
1998.QuantumFieldTheory:
FromOperatorstoPathIntegrals.JohnWiley&Sons.ISBN0-471-14120-8
1992.Quarks,LeptonsandGaugeFields,2nded.WorldScientific.ISBN981-02-0659-3
1987.StatisticalMechanics,2nded.JohnWiley&Sons.
1984.IChing,theOracle.WorldScientific.ISBN9971-966-25-5
（3）教材总体架构与内容简介
本书简明精炼，但它的确涵盖了统计物理的几乎全部内容。
热力学统计物理研究由大量微观粒子或准粒子组成的，具有大量随机变化自由度的宏观系统。
由于系统的自由度数目非常大和自由度的随机性，即使我们彻底地掌握了单个粒子的运动规律和粒子间相互作用的规律，也不可能写出全部运动方程，更无法准确知道并利用全部初始条件求解运动方程。
必须明确的是，不能用纯粹力学方法研究有大量随机自由度的宏观系统，不仅是由于技术上的困难，更重要的是，由于大量随机自由度的存在，导致性质上出现全新的规律。
因此研究这类系统的方法必须有本质上的改变，即由确定论的方法改变为概率论的方法。
全书共18章，全书内容包括：
热力学的基本规律，均匀物质的热力学性质，单元系的相变，多元系的复相平衡和化学平衡，不可逆过程热力学简介，近独立粒子的最概然分布，玻耳兹曼统计，玻色统计和费米统计，系综理论，涨落理论，非平衡态的统计理论．
（4）该书特色
这本书根据学科的发展以及当前的教学实际，修订时保持了原书简明、流畅和便于教学的优点，增删了部分内容，并对个别不足、不妥之处进行了补充和修改，使教材的科学性、教学适用性和先进性有了进一步的增强，教材的整体质量有了新的提高．.
这本书对现代物理概念和应用的数学工具的介绍比较透彻，如量子统计理论、近独立粒子的最概然分布，玻耳兹曼统计，玻色统计和费米统计，系综理论，涨落理论，非平衡态的统计理论等等，阐述的非常清晰。
这些理论方法几乎无所不在地出现在其他领域的物理学。
本书作者具有足够得执教经验,这使得这本书相对容易阅读。
每一章节后面都附有问题，可以很好的引导读者深入思考，或者做进一步阅读、自学研究.
（5）该书值得商榷之处或不足之处
值得商榷之处在于知识内容须丰富化、知识点的编排顺序的科学逻辑性须增强化、插图形式可多样化、插图文字说明详尽化、教材应增设章末设置。
教材编写须把握学生的学习心理特点,以学生为中心,以课程理念为准绳,体现教材的参考和应用价值。
内容应尽量丰富多彩,教材语言应以通俗易懂为主,尽量避免抽象术语的频繁使用,以免增加学生阅读和理解的难度。
教材栏目和插图设计应精心处理,发挥辅助阅读和补充教材内容、提高学生阅读兴趣的作用。
章末设置体现教材编写的完整性原则,可提高教材的利用率,教材中不宜缺少此类设置。
2.美国著名大学《统计物理学》主流教材的整体评价
美国的教育处于一个不断的改革浪潮中，自20世纪后半叶以来，美国的物理教育作为科学教育的重要组成部分，也同样经历了相同的改革浪潮，每次改革浪潮都对世界物理教育的发展产生了重要的影响。
20世纪80年代后期，美国在科学教育方面出现危机，根据1973、1977年全国理科成绩做的评价，发现美国17岁的理科学生成绩连续下降，很多青年没有掌握希望他们掌握的较高层次的智能，理科教育的重视程度非常低。
为了解决美国的科学教育危机，1983年由美国全国教育优异委员会出版的《国家处在危机中》，揭开了20世纪末美国教育改革的序幕。
在此期间，大量高水平的大学课程教材和参考书完成了编写或再版。
通过上面对美国高校三本主流教材的分析我们可以看到，美国的教材一般都有明确的针对性。
对于适用教材者需要具备的知识基础，教材所适合的专业方向都有比较明确的说明，同时国外教材一般在内容上都会为更深层次的知识做一定的铺垫。
国外的教材非常丰富，有的教材系统性很强，有些教材涉及非常广泛，有些教材更乐于偏重某些方面。
很多国外教材个性很强，使用的方法或者观点非常新颖，也更加简洁易懂，所以国外的教材具有非常强的耐读性，更能激发读者的兴趣与求知欲。
但是，正因为如此，国外的教材也更容易出现偏颇或者内容的缺失。
另外，国外的很多教材更多的倾向于实际应用，读者能够在其中找到很多书本理论应用于实际生活的范例，这就使得抽象的物理更加贴近形象，贴近读者。
3．中国著名大学《热力学与统计物理》主流教材的内容与特点
3.1梁希侠，班士良所著《统计热力学》（第二版）教材的内容与特点
（1）前言
《统计热力学》（第二版）是梁希侠，班士良编著的关于热力学和统计物理学的教材，第一版和第二版由科学出版社分别于2000年和2008年出版。
本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是作者在多年教学经验的基础上编写而成。
目前，从中学到大学，物理教学改革不断深化，为了避免“热物理”各层次教学内容出现较多重复和不必要的交叉，作者创造性地建立以统计物理为主线、融宏观与微观理论于一体的教学体系。
全书内容包括预备知识、孤立系、封闭系、均匀物质的热力学性质、气体的性质、开放系、量子统计法、涨落理论、非平衡态统计物理简介以及相变与临界现象。
适合普通高等院校物理及应用物理专业的学生学习热力学与统计物理课程使用，也可作为教师参考用书。
（2）作者简介
梁希侠，1944年7月出生，内蒙古大学教授、博士生讲师。
先后为物理专业、应用物理专业本科和研究生以及非物理专业学生讲授“热力学与统计物理”、“量子统计与多体论”、“固体物理”、“元激发理论”、“固体量子场论”、“普通物理”、“高等数学”等十余门课程，指导多名硕士、博士研究生获得相应的学位。
编著教材两部（本科生、研究生教材各一部），发表过教学研究论文，多次参加全国性教学研究学术会议，主持国家教育部立项的面向21世纪
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