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氣體分子動理論
教學(xué)目標(biāo)
知識目標(biāo)
1、知道氣體分子運(yùn)動的特點(diǎn)．
2、知道分子沿各個方向運(yùn)動的機(jī)會均等，分子速率按一定規(guī)律分布，這種規(guī)律是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律．
3、知道氣體壓強(qiáng)的微觀解釋以及氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋．
能力目標(biāo)
通過用微觀解釋宏觀，提出統(tǒng)計(jì)規(guī)律，滲透統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，以提高學(xué)生分析、綜合、歸納能力．
情感目標(biāo)
通過對氣體分子定律以及氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋，尤其是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的滲透，讓學(xué)生體會其在科學(xué)研究中的作用．培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的探究精神．
教學(xué)建議
用微觀的方法解釋宏觀現(xiàn)象，對學(xué)生來說，這是第一次接觸，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，通過模擬和舉例來幫助學(xué)生理解統(tǒng)計(jì)規(guī)律的意義．理解氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生并解釋氣體的實(shí)驗(yàn)定律是本節(jié)的重要內(nèi)容，也是提高學(xué)生分析、綜合、歸納能力的有效途徑．
教學(xué)設(shè)計(jì)示例
（一）教學(xué)總體設(shè)計(jì)
1、教師應(yīng)借助物理規(guī)律和課件展示，準(zhǔn)確講解，注意啟發(fā)點(diǎn)撥，以學(xué)生自己討論歸納．
2、學(xué)生應(yīng)積極思考、認(rèn)真觀察、參與討論、總結(jié)規(guī)律、解釋現(xiàn)象．
教師通過動畫模擬引入微觀對宏觀的解釋、滲透統(tǒng)計(jì)思維，指導(dǎo)學(xué)生觀察動畫、分析特點(diǎn)，總結(jié)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，解釋有關(guān)現(xiàn)象．
（二）重點(diǎn)·難點(diǎn)·疑點(diǎn)及解決辦法
1、重點(diǎn)：氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生和氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋．
2、難點(diǎn)：用統(tǒng)計(jì)的方法分析氣體分子運(yùn)動的特點(diǎn)．
3、疑點(diǎn)
（1）氣體分子運(yùn)動與固體、液體分子運(yùn)動有什么區(qū)別．
（2）氣體的壓強(qiáng)是怎樣產(chǎn)生的？它的大小由什么因素決定．
4、解決辦法
用小球模擬分子碰撞器壁，聯(lián)系實(shí)際，從實(shí)例出發(fā)理解氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)理，并分析影響氣體壓強(qiáng)的因素．
（三）教學(xué)過程
1、氣體分子運(yùn)動特點(diǎn)（條件允許，可以播放動畫進(jìn)行模擬演示）
在教師引導(dǎo)下得出結(jié)論：
①氣體分子間距較大
②氣體分子充滿整個容器空間
③氣體分子運(yùn)動頻繁碰撞
④氣體分子向各個方向運(yùn)動的機(jī)會均等
分析氣體分子運(yùn)動特點(diǎn)及聯(lián)系實(shí)驗(yàn)得出：
①氣體分子間距大，作用力�。ǹ烧J(rèn)為沒有），所以氣體沒有一定的形態(tài)和體積（由容器決定）．
②分子沿各個方向運(yùn)動的機(jī)會均等．
③速率分布是中間大兩頭小的規(guī)律．其速率分布與分子數(shù)的關(guān)系如圖所示．
2、氣體壓強(qiáng)的微觀解釋
大量氣體分子對器壁頻繁碰撞，就對器壁產(chǎn)生一個持續(xù)的均勻的壓強(qiáng)．器壁單位面積上受到的壓力，就是氣體的壓強(qiáng)．
例如：雨滴撞擊雨傘的例子．
再比如：用一小把針刺手心，當(dāng)針刺的頻率很高時(shí)，手心的感覺就不是痛一下，而是成為一種連續(xù)的均勻的痛感了．
氣體的壓強(qiáng)與氣體的密度和氣體分子的平均功能有關(guān)．經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算得出：
為氣體單位體積內(nèi)的分子數(shù)，E為氣體分子的平均動能．
3、對氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋
（1）玻意耳定律
（2）查理定律
（3）蓋·呂薩克定律
4、總結(jié)、擴(kuò)展
（1）氣體分子運(yùn)動有什么特點(diǎn)？
（2）氣體的壓強(qiáng)是怎樣產(chǎn)生的？它的大小由什么因素決定？
（3）怎樣從微觀的方法解釋氣體三實(shí)驗(yàn)定律？
5、板書設(shè)計(jì)
五、氣體分子動理論
1、氣體分子運(yùn)動特點(diǎn)
①
②
③
2、對氣體壓強(qiáng)的微觀解釋
3、對氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋
教學(xué)設(shè)計(jì)示例參考
氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋
一、教學(xué)目標(biāo)
1、知識目標(biāo)：
（1）能用氣體分子動理論解釋氣體壓強(qiáng)的微觀意義，并能知道氣體的壓強(qiáng)、溫度、體積與所對應(yīng)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(shí)驗(yàn)定律．
2、能力目標(biāo)：通過讓學(xué)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(xué)生的微觀想象能力和邏輯推理能力，并滲透“統(tǒng)計(jì)物理”的思維方法．
3、情感目標(biāo)：通過對宏觀物理現(xiàn)象與微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的分析，對學(xué)生滲透“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學(xué)思維方法．
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析
1、用氣體分子動理論來解釋氣體實(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)生對微觀粒子復(fù)雜的運(yùn)動狀態(tài)有豐富的想象力．
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)過程
（一）引入新課
先設(shè)問：氣體分子運(yùn)動的特點(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(yùn)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(yùn)動．（3）從總體上看氣體分子沿各個方向運(yùn)動的機(jī)會均等，因此對大量分子而言，在任一時(shí)刻向容器各個方向運(yùn)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(shí)，平均速率會增大．
今天我們就是要從氣體分子運(yùn)動的這些特點(diǎn)和規(guī)律來解釋氣體實(shí)驗(yàn)定律．
（二）教學(xué)過程設(shè)計(jì)
1、關(guān)于氣體壓強(qiáng)微觀解釋的教學(xué)
首先通過設(shè)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(yùn)動的微觀狀態(tài)物理量間的聯(lián)系：
溫度是分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志，對確定的氣體而言，溫度與分子運(yùn)動的平均速率有關(guān)，溫度越高，反映氣體分子熱運(yùn)動的平均速率（ ）越大．
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(dāng)體積為V時(shí)，單位體積內(nèi)的分子數(shù) 與體積V成反比，即體積越大時(shí)，反映氣體分子的密度n越�。�
然后再設(shè)問：氣體壓強(qiáng)大小反映了氣體分子運(yùn)動的哪些特征呢？
這應(yīng)從氣體對容器器壁壓強(qiáng)產(chǎn)生的機(jī)制來分析．
先讓學(xué)生看用計(jì)算機(jī)模擬氣體分子運(yùn)動撞擊器壁產(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(shí)刻氣體分子向各方向上運(yùn)動的分子數(shù)相等，為簡化問題，我們僅討論向活塞方向運(yùn)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 ，（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(fù)演示3～5次）再看大量分子運(yùn)動時(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，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(yùn)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(shí)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(qiáng)是大量分子對器壁連續(xù)不斷地碰撞所產(chǎn)生的．
進(jìn)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(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學(xué)生用氣體分子動理論解釋實(shí)驗(yàn)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(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)樵瓉淼膸追种�，因此氣體的壓強(qiáng)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(qiáng)增大幾倍，即壓強(qiáng)與體積成反比．這就是玻意耳定律．
書面符號簡易表述方式：
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：每個人都獨(dú)立地用書面詳細(xì)文字?jǐn)⑹龊陀梅柡喴妆硎龅姆椒▉韺Σ槔矶蛇M(jìn)行微觀解釋，然后由平時(shí)物理成績較好的學(xué)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(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．
用符號簡易表示為：
（3）讓學(xué)生再次練習(xí)，用氣體分子動理論解釋蓋·呂薩克定律．再用更短的時(shí)間讓學(xué)生練習(xí)詳細(xì)表述和符號表示，然后讓物理成績?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．
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(yùn)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(diǎn)認(rèn)識到氣體對容器壁的壓強(qiáng)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�。�
2、本節(jié)課我們重點(diǎn)學(xué)習(xí)了用氣體分子動理論的觀點(diǎn)來解釋氣體三個實(shí)驗(yàn)定律的方法．
五、說明
1、本節(jié)課設(shè)計(jì)用計(jì)算機(jī)模擬氣體分子對器壁碰撞而產(chǎn)生壓強(qiáng)是為了使學(xué)生有一點(diǎn)感性認(rèn)識，幫助學(xué)生想象，其中有兩點(diǎn)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(shí)驗(yàn)定律的側(cè)重點(diǎn)在于教會學(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．因此對三個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)表述又用符號簡易表示，其目的也是為了訓(xùn)練學(xué)生既嚴(yán)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(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(jìn)行定性解釋，不能定量的推出正比關(guān)系．
氣體分子動理論
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