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2019-2020年高中物理 《氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋》教案 魯科版選修3-3 一、教學(xué)目標(biāo) 1．在物理知識(shí)方面的要求： （1）能用氣體分子動(dòng)理論解釋氣體壓強(qiáng)的微觀意義，并能知道氣體的壓強(qiáng)、溫度、體積與所對(duì)應(yīng)的微觀物理量間的相關(guān)聯(lián)系。 （2）能用氣體分子動(dòng)理論解釋三個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)定律。 2．通過(guò)讓學(xué)生用氣體分子動(dòng)理論解釋有關(guān)的宏觀物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的微觀想像能力和邏輯推理能力，并滲透“統(tǒng)計(jì)物理”的思維方法。 3．通過(guò)對(duì)宏觀物理現(xiàn)象與微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，對(duì)學(xué)生滲透“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學(xué)思維方法。 二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 1．用氣體分子動(dòng)理論來(lái)解釋氣體實(shí)驗(yàn)定律是本節(jié)課的重點(diǎn)，它是本節(jié)課的核心內(nèi)容。 2．氣體壓強(qiáng)的微觀意義是本節(jié)課的難點(diǎn)，因?yàn)樗枰獙W(xué)生對(duì)微觀粒子復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有豐富的想像力。 三、教具 計(jì)算機(jī)控制的大屏幕顯示儀；自制的顯示氣體壓強(qiáng)微觀解釋的計(jì)算機(jī)軟件。 四、主要教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 先設(shè)問(wèn)：氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)有哪些？ 答案：特點(diǎn)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(rèn)為氣體分子除相互碰撞及與器壁碰撞外不受力作用，每個(gè)分子都可以在空間自由移動(dòng)，一定質(zhì)量的氣體的分子可以充滿整個(gè)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(guò)這種碰撞可傳遞能量，其中任何一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)方向和速率大小都是不斷變化的，這就是雜亂無(wú)章的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)。 （3）從總體上看氣體分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)均等，因此對(duì)大量分子而言，在任一時(shí)刻向容器各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)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(gè)分布狀態(tài)與溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)，平均速率會(huì)增大。 今天我們就是要從氣體分子運(yùn)動(dòng)的這些特點(diǎn)和規(guī)律來(lái)解釋氣體實(shí)驗(yàn)定律。 （二）教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì) 1．關(guān)于氣體壓強(qiáng)微觀解釋的教學(xué) 首先通過(guò)設(shè)問(wèn)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(yùn)動(dòng)的微觀狀態(tài)物理量間的聯(lián)系： 溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志，對(duì)確定的氣體而言，溫度與分子運(yùn)動(dòng)的平均速率有關(guān)，溫度越高，反映氣體分子熱運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dāng)體積為V時(shí)，單位體積內(nèi)  n越小。 然后再設(shè)問(wèn)：氣體壓強(qiáng)大小反映了氣體分子運(yùn)動(dòng)的哪些特征呢？ 這應(yīng)從氣體對(duì)容器器壁壓強(qiáng)產(chǎn)生的機(jī)制來(lái)分析。 先讓學(xué)生看用計(jì)算機(jī)模擬氣體分子運(yùn)動(dòng)撞擊器壁產(chǎn)生壓強(qiáng)的機(jī)制： 首先用計(jì)算機(jī)軟件在大屏幕上顯示出如圖1所示的圖形：  向同學(xué)介紹：如圖所示是一個(gè)一端用活塞（此時(shí)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(jì)，當(dāng)氣缸內(nèi)為真空時(shí)，彈簧長(zhǎng)為原長(zhǎng)。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(shí)刻氣體分子向各方向上運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)相等，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們僅討論向活塞方向運(yùn)動(dòng)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(gè)（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(lái)，活塞也隨之顫抖一下，這樣反復(fù)演示3～5次）再看大量分子運(yùn)動(dòng)時(shí)與活塞的碰撞情況：  大屏幕上顯示“分子”都向活塞方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)活塞連續(xù)不斷地碰撞，碰后的“分子”反彈回來(lái)，有的返回途中與別的“分子”相撞后改變方向，有的與活塞對(duì)面器壁相碰改變方向，但都只顯示垂直于活塞表面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而活塞被擠后有一個(gè)小的位移，且相對(duì)穩(wěn)定，如圖3所示的一個(gè)動(dòng)態(tài)畫面。時(shí)間上要顯示15～30秒定格一次，再動(dòng)態(tài)顯示15～30秒，再定格。  得出結(jié)論：由此可見(jiàn)氣體對(duì)容器壁的壓強(qiáng)是大量分子對(duì)器壁連續(xù)不斷地碰撞所產(chǎn)生的。 進(jìn)一步分析：若每個(gè)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(dòng)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(duì)活塞的沖量也是2mv，那么在一段時(shí)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(shí)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(qiáng)。由此可推出：氣體壓強(qiáng)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(shí)間內(nèi)單位面積受到的碰撞次數(shù)有關(guān)。對(duì)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(shí)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(dòng)理論的觀點(diǎn)看，氣體壓強(qiáng)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(qiáng)就越大。 2．用氣體分子動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)三定律 （1）教師引導(dǎo)、示范，以解釋玻意耳定律為例教會(huì)學(xué)生用氣體分子動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)定律的基本思維方法和簡(jiǎn)易符號(hào)表述形式。 范例：用氣體分子動(dòng)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(gè)定值，當(dāng)溫度（T）保持不變時(shí)，則分子的平均速率（v）也保持不變，當(dāng)其體積（V）增大幾倍時(shí)，則單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）變?yōu)樵瓉?lái)的幾分之一，因此氣體的壓強(qiáng)也減為原來(lái)的幾分之一；反之若體積減小為原來(lái)的幾分之一，則壓強(qiáng)增大幾倍，即壓強(qiáng)與體積成反比。這就是玻意耳定律。 書面符號(hào)簡(jiǎn)易表述方式：  小結(jié)：基本思維方法（詳細(xì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微觀物理量（N、n、v）間的相關(guān)關(guān)系，從氣體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)定律的結(jié)論相吻合。若吻合則實(shí)驗(yàn)定律得到了微觀解釋。 （2）讓學(xué)生體驗(yàn)上述思維方法：每個(gè)人都獨(dú)立地用書面詳細(xì)文字?jǐn)⑹龊陀梅?hào)簡(jiǎn)易表述的方法來(lái)對(duì)查理定律進(jìn)行微觀解釋，然后由平時(shí)物理成績(jī)較好的學(xué)生口述，與下面正確答案核對(duì)。 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(shí)，其單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）也保持不變，當(dāng)溫度（T）升高時(shí)，其分子運(yùn)動(dòng)的平均速率（v）也增大，則氣體壓強(qiáng)（p）也增大；反之當(dāng)溫度（T）降低時(shí)，氣體壓強(qiáng)（p）也減小。這與查理定律的結(jié)論一致。 用符號(hào)簡(jiǎn)易表示為：  （3）讓學(xué)生再次練習(xí)，用氣體分子動(dòng)理論解釋蓋呂薩克定律。再用更短的時(shí)間讓學(xué)生練習(xí)詳細(xì)表述和符號(hào)表示，然后讓物理成績(jī)?yōu)橹械鹊幕蜉^差的學(xué)生口述自己的練習(xí)，與下面標(biāo)準(zhǔn)答案核對(duì)。 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(qiáng)（p）不變，當(dāng)溫度（T）升高時(shí)，全體分子運(yùn)動(dòng)的平均速率v會(huì)增加，那么單位體積內(nèi)的分子數(shù)（n）一定要減小（否則壓強(qiáng)不可能不變），因此氣體體積（V）一定增大；反之當(dāng)溫度降低時(shí)，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(hào)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)的微觀物理量間的關(guān)系著重從氣體分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)到氣體對(duì)容器壁的壓強(qiáng)是大量分子連續(xù)不斷地對(duì)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(diǎn)學(xué)習(xí)了用氣體分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)解釋氣體三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律的方法。 五、說(shuō)明 1．本節(jié)課設(shè)計(jì)用計(jì)算機(jī)模擬氣體分子對(duì)器壁碰撞而產(chǎn)生壓強(qiáng)是為了使學(xué)生有一點(diǎn)感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生想象，其中有兩點(diǎn)需要說(shuō)明，一是彈簧的形變（活塞的位移）說(shuō)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(wú)法（也沒(méi)必要）用具體圖形表示。 2．本節(jié)課用氣體分子動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)定律的側(cè)重點(diǎn)在于教會(huì)學(xué)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(yán)密的推理。因此對(duì)三個(gè)定律解釋方式是先教師示范，講清方法，再讓學(xué)生獨(dú)立思考，自行體驗(yàn)，最后反復(fù)練習(xí)，熟練掌握。既采用詳細(xì)表述又用符號(hào)簡(jiǎn)易表示，其目的也是為了訓(xùn)練學(xué)生既嚴(yán)密又簡(jiǎn)練的邏輯思維。 3．由于溫度只是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)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(xué)階段無(wú)法得到定量的相關(guān)關(guān)系，因此對(duì)查理定律和蓋呂薩克定律也只能進(jìn)行定性解釋，不能定量的推出正比關(guān)系。 