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2019-2020年高中物理 《氣體實驗定律的微觀解釋》教案 魯科版選修3-3 一、教學目標 1．在物理知識方面的要求： （1）能用氣體分子動理論解釋氣體壓強的微觀意義，并能知道氣體的壓強、溫度、體積與所對應的微觀物理量間的相關(guān)聯(lián)系。 （2）能用氣體分子動理論解釋三個氣體實驗定律。 2．通過讓學生用氣體分子動理論解釋有關(guān)的宏觀物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學生的微觀想像能力和邏輯推理能力，并滲透“統(tǒng)計物理”的思維方法。 3．通過對宏觀物理現(xiàn)象與微觀粒子運動規(guī)律的分析，對學生滲透“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學思維方法。 二、重點、難點分析 1．用氣體分子動理論來解釋氣體實驗定律是本節(jié)課的重點，它是本節(jié)課的核心內(nèi)容。 2．氣體壓強的微觀意義是本節(jié)課的難點，因為它需要學生對微觀粒子復雜的運動狀態(tài)有豐富的想像力。 三、教具 計算機控制的大屏幕顯示儀；自制的顯示氣體壓強微觀解釋的計算機軟件。 四、主要教學過程 （一）引入新課 先設問：氣體分子運動的特點有哪些？ 答案：特點是： （1）氣體間的距離較大，分子間的相互作用力十分微弱，可以認為氣體分子除相互碰撞及與器壁碰撞外不受力作用，每個分子都可以在空間自由移動，一定質(zhì)量的氣體的分子可以充滿整個容器空間。 （2）分子間的碰撞頻繁，這些碰撞及氣體分子與器壁的碰撞都可看成是完全彈性碰撞。氣體通過這種碰撞可傳遞能量，其中任何一個分子運動方向和速率大小都是不斷變化的，這就是雜亂無章的氣體分子熱運動。 （3）從總體上看氣體分子沿各個方向運動的機會均等，因此對大量分子而言，在任一時刻向容器各個方向運動的分子數(shù)是均等的。 （4）大量氣體分子的速率是按一定規(guī)律分布，呈“中間多，兩頭少”的分布規(guī)律，且這個分布狀態(tài)與溫度有關(guān)，溫度升高時，平均速率會增大。 今天我們就是要從氣體分子運動的這些特點和規(guī)律來解釋氣體實驗定律。 （二）教學過程設計 1．關(guān)于氣體壓強微觀解釋的教學 首先通過設問和討論建立反映氣體宏觀物理狀態(tài)的溫度（T）、體積（V）與反映氣體分子運動的微觀狀態(tài)物理量間的聯(lián)系： 溫度是分子熱運動平均動能的標志，對確定的氣體而言，溫度與分子運動的平均速率有關(guān)，溫度越高，反映氣體分子熱運動的平均速率  體積影響到分子密度（即單位體積內(nèi)的分子數(shù)），對確定的一定質(zhì)量的理想氣體而言，分子總數(shù)N是一定的，當體積為V時，單位體積內(nèi)  n越小。 然后再設問：氣體壓強大小反映了氣體分子運動的哪些特征呢？ 這應從氣體對容器器壁壓強產(chǎn)生的機制來分析。 先讓學生看用計算機模擬氣體分子運動撞擊器壁產(chǎn)生壓強的機制： 首先用計算機軟件在大屏幕上顯示出如圖1所示的圖形：  向同學介紹：如圖所示是一個一端用活塞（此時表示活塞部分的線條閃爍3～5次）封閉的氣缸，活塞用一彈簧與一固定物相連，活塞與氣缸壁摩擦不計，當氣缸內(nèi)為真空時，彈簧長為原長。如果在氣缸內(nèi)密封了一定質(zhì)量的理想氣體。由于在任一時刻氣體分子向各方向上運動的分子數(shù)相等，為簡化問題，我們僅討論向活塞方向運動的分子。大屏幕上顯示圖2，即圖中顯示的僅為總分子數(shù)的合，（圖中顯示的“分子”暫呈靜態(tài)）先看其中一個（圖2中涂黑的“分子”閃爍2～3次）分子與活塞碰撞情況，（圖2中涂黑的“分子”與活塞碰撞且以原速率反彈回來，活塞也隨之顫抖一下，這樣反復演示3～5次）再看大量分子運動時與活塞的碰撞情況：  大屏幕上顯示“分子”都向活塞方向運動，對活塞連續(xù)不斷地碰撞，碰后的“分子”反彈回來，有的返回途中與別的“分子”相撞后改變方向，有的與活塞對面器壁相碰改變方向，但都只顯示垂直于活塞表面的運動狀態(tài)，而活塞被擠后有一個小的位移，且相對穩(wěn)定，如圖3所示的一個動態(tài)畫面。時間上要顯示15～30秒定格一次，再動態(tài)顯示15～30秒，再定格。  得出結(jié)論：由此可見氣體對容器壁的壓強是大量分子對器壁連續(xù)不斷地碰撞所產(chǎn)生的。 進一步分析：若每個分子的質(zhì)量為m，平均速率為v，分子與活塞的碰撞是完全彈性碰撞，則在這一分子與活塞碰撞中，該分子的動量變化為2mv，即受的沖量為2mv，根據(jù)牛頓第三定律，該分子對活塞的沖量也是2mv，那么在一段時間內(nèi)大量分子與活塞碰撞多少次，活塞受到的總沖量就是2mv的多少倍，單位時間內(nèi)受到的總沖量就是壓力，而單位面積上受到的壓力就是壓強。由此可推出：氣體壓強一方面與每次碰撞的平均沖量2mv有關(guān)，另一方面與單位時間內(nèi)單位面積受到的碰撞次數(shù)有關(guān)。對確定的一定質(zhì)量的理想氣體而言，每次碰撞的平均沖量，2mv由平均速率v有關(guān)，v越大則平均沖量就越大，而單位時間內(nèi)單位面積上碰撞的次數(shù)既與分子密度n有關(guān)，又與分子的平均速率有關(guān)，分子密度n越大，v也越大，則碰撞次數(shù)就越多，因此從氣體分子動理論的觀點看，氣體壓強的大小由分子的平均速率v和分子密度n共同決定，n越大，v也越大，則壓強就越大。 2．用氣體分子動理論解釋實驗三定律 （1）教師引導、示范，以解釋玻意耳定律為例教會學生用氣體分子動理論解釋實驗定律的基本思維方法和簡易符號表述形式。 范例：用氣體分子動理論解釋玻意耳定律。 一定質(zhì)量（m）的理想氣體，其分子總數(shù)（N）是一個定值，當溫度（T）保持不變時，則分子的平均速率（v）也保持不變，當其體積（V）增大幾倍時，則單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）變?yōu)樵瓉淼膸追种?，因此氣體的壓強也減為原來的幾分之一；反之若體積減小為原來的幾分之一，則壓強增大幾倍，即壓強與體積成反比。這就是玻意耳定律。 書面符號簡易表述方式：  小結(jié)：基本思維方法（詳細文字表述格式）是：依據(jù)描述氣體狀態(tài)的宏觀物理量（m、p、V、T）與表示氣體分子運動狀態(tài)的微觀物理量（N、n、v）間的相關(guān)關(guān)系，從氣體實驗定律成立的條件所述的宏觀物理量（如m一定和T不變）推出相關(guān)不變的微觀物理量（如N一定和v不變），再根據(jù)宏觀自變量（如V）的變化推出有關(guān)的微觀量（如n）的變化，再依據(jù)推出的有關(guān)微觀量（如v和n）的變與不變的情況推出宏觀因變量（如p）的變化情況，結(jié)論是否與實驗定律的結(jié)論相吻合。若吻合則實驗定律得到了微觀解釋。 （2）讓學生體驗上述思維方法：每個人都獨立地用書面詳細文字敘述和用符號簡易表述的方法來對查理定律進行微觀解釋，然后由平時物理成績較好的學生口述，與下面正確答案核對。 書面或口頭敘述為：一定質(zhì)量（m）的氣體的總分子數(shù)（N）是一定的，體積（V）保持不變時，其單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）也保持不變，當溫度（T）升高時，其分子運動的平均速率（v）也增大，則氣體壓強（p）也增大；反之當溫度（T）降低時，氣體壓強（p）也減小。這與查理定律的結(jié)論一致。 用符號簡易表示為：  （3）讓學生再次練習，用氣體分子動理論解釋蓋呂薩克定律。再用更短的時間讓學生練習詳細表述和符號表示，然后讓物理成績?yōu)橹械鹊幕蜉^差的學生口述自己的練習，與下面標準答案核對。 一定質(zhì)量（m）的理想氣體的總分子數(shù)（N）是一定的，要保持壓強（p）不變，當溫度（T）升高時，全體分子運動的平均速率v會增加，那么單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）一定要減?。ǚ駝t壓強不可能不變），因此氣體體積（V）一定增大；反之當溫度降低時，同理可推出氣體體積一定減小。這與蓋呂薩克定律的結(jié)論是一致的。 用符號簡易表示為：  （三）課堂小結(jié) 1．本節(jié)課我們首先明確了氣體狀態(tài)參量與相關(guān)的氣體分子運動的微觀物理量間的關(guān)系著重從氣體分子動理論的觀點認識到氣體對容器壁的壓強是大量分子連續(xù)不斷地對器壁碰撞產(chǎn)生的，且由分子的平均速率和分子密度共同決定其大小。 2．本節(jié)課我們重點學習了用氣體分子動理論的觀點來解釋氣體三個實驗定律的方法。 五、說明 1．本節(jié)課設計用計算機模擬氣體分子對器壁碰撞而產(chǎn)生壓強是為了使學生有一點感性認識，幫助學生想象，其中有兩點需要說明，一是彈簧的形變（活塞的位移）說明活塞受到了壓力，二是圖中所示的“分子”數(shù)只是示意圖，其“大量”的含義是無法（也沒必要）用具體圖形表示。 2．本節(jié)課用氣體分子動理論解釋實驗定律的側(cè)重點在于教會學生“解釋”的方法，它是一種從宏觀到微觀，又由微觀到宏觀的有序而又嚴密的推理。因此對三個定律解釋方式是先教師示范，講清方法，再讓學生獨立思考，自行體驗，最后反復練習，熟練掌握。既采用詳細表述又用符號簡易表示，其目的也是為了訓練學生既嚴密又簡練的邏輯思維。 3．由于溫度只是氣體分子平均動能的標志，它與分子平均速率v只能推出定性的相關(guān)關(guān)系，中學階段無法得到定量的相關(guān)關(guān)系，因此對查理定律和蓋呂薩克定律也只能進行定性解釋，不能定量的推出正比關(guān)系。 