氣體分子動理論

教學目標

知識目標
1、知道氣體分子運動的特點.
2、知道分子沿各個方向運動的機會均等，分子速率按一定規律分布，這種規律是一種統計規律.
3、知道氣體壓強的微觀解釋以及氣體實驗定律的微觀解釋.

能力目標
通過用微觀解釋宏觀，提出統計規律，滲透統計觀點，以提高學生分析、綜合、歸納能力.

情感目標
通過對氣體分子定律以及氣體實驗定律的微觀解釋，尤其是統計規律的滲透，讓學生體會其在科學研究中的作用.培養學生樹立科學的探究精神.

教學建議
用微觀的方法解釋宏觀現象，對學生來說，這是第一次接觸，應從實際出發，通過模擬和舉例來幫助學生理解統計規律的意義.理解氣體壓強的產生并解釋氣體的實驗定律是本節的重要內容，也是提高學生分析、綜合、歸納能力的有效途徑.

教學設計示例

（一）教學總體設計

1、教師應借助物理規律和課件展示，準確講解，注意啟發點撥，以學生自己討論歸納.

2、學生應積極思考、認真觀察、參與討論、總結規律、解釋現象.

教師通過動畫模擬引入微觀對宏觀的解釋、滲透統計思維，指導學生觀察動畫、分析特點，總結統計規律，解釋有關現象.

（二）重點·難點·疑點及解決辦法

1、重點：氣體壓強的產生和氣體實驗定律的微觀解釋.

2、難點：用統計的方法分析氣體分子運動的特點.

3、疑點

（1）氣體分子運動與固體、液體分子運動有什么區別.

（2）氣體的壓強是怎樣產生的？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，聯系實際，從實例出發理解氣體壓強的產生機理，并分析影響氣體壓強的因素.

（三）教學過程

1、氣體分子運動特點（條件允許，可以播放動畫進行模擬演示）

在教師引導下得出結論：

①氣體分子間距較大

②氣體分子充滿整個容器空間

③氣體分子運動頻繁碰撞

④氣體分子向各個方向運動的機會均等

分析氣體分子運動特點及聯系實驗得出：

①氣體分子間距大，作用力小（可認為沒有），所以氣體沒有一定的形態和體積（由容器決定）.

②分子沿各個方向運動的機會均等.

③速率分布是中間大兩頭小的規律.其速率分布與分子數的關系如圖所示.

2、氣體壓強的微觀解釋

大量氣體分子對器壁頻繁碰撞，就對器壁產生一個持續的均勻的壓強.器壁單位面積上受到的壓力，就是氣體的壓強.

例如：雨滴撞擊雨傘的例子.

再比如：用一小把針刺手心，當針刺的頻率很高時，手心的感覺就不是痛一下，而是成為一種連續的均勻的痛感了.

氣體的壓強與氣體的密度和氣體分子的平均功能有關.經過實驗和理論計算得出：

為氣體單位體積內的分子數，E為氣體分子的平均動能.

3、對氣體實驗定律的微觀解釋

（1）玻意耳定律

（2）查理定律

（3）蓋·呂薩克定律

4、總結、擴展

（1）氣體分子運動有什么特點？

（2）氣體的壓強是怎樣產生的？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驗定律？

5、板書設計

五、

1、氣體分子運動特點

①

②

③

2、對氣體壓強的微觀解釋

3、對氣體實驗定律的微觀解釋

教學設計示例參考

氣體實驗定律的微觀解釋

一、教學目標

1、知識目標：

（1）能用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聯系.

（2）能用解釋三個氣體實驗定律.

2、能力目標：通過讓學生用解釋有關的宏觀物理現象，培養學生的微觀想象能力和邏輯推理能力，并滲透“統計物理”的思維方法.

3、情感目標：通過對宏觀物理現象與微觀粒子運動規律的分析，對學生滲透“透過現象看本質”的哲學思維方法.

二、重點、難點分析

1、用來解釋氣體實驗定律是本節課的重點，它是本節課的核心內容.

2、氣體壓強的微觀意義是本節課的難點，因為它需要學生對微觀粒子復雜的運動狀態有豐富的想象力.

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是均等的.（4）大量氣體分子的速率是按一定規律分布，呈“中間多，兩頭少”的分布規律，且這個分布狀態與溫度有關，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律來解釋氣體實驗定律.

（二）教學過程設計

1、關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的溫度（T）、體積（V）與反映氣體分子運動的微觀狀態物理量間的聯系：
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，溫度越高，反映氣體分子熱運動的平均速率（ ）越大.

體積影響到分子密度（即單位體積內的分子數），對確定的一定質量的理想氣體而言，分子總數N是一定的，當體積為V時，單位體積內的分子數 與體積V成反比，即體積越大時，反映氣體分子的密度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，當氣缸內為真空時，彈簧長為原長.如果在氣缸內密封了一定質量的理想氣體.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的 ，（圖中顯示的“分子”暫呈靜態）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，而活塞被擠后有一個小的位移，且相對穩定，如圖3所示的一個動態畫面.時間上要顯示15～30秒定格一次，再動態顯示15～30秒，再定格.

得出結論：由此可見氣體對容器壁的壓強是大量分子對器壁連續不斷地碰撞所產生的.

進一步分析：若每個分子的質量為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，另一方面與單位時間內單位面積受到的碰撞次數有關.對確定的一定質量的理想氣體而言，每次碰撞的平均沖量，2mv由平均速率v有關，v越大則平均沖量就越大，而單位時間內單位面積上碰撞的次數既與分子密度n有關，又與分子的平均速率有關，分子密度n越大，v也越大，則碰撞次數就越多，因此從的觀點看，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：用解釋玻意耳定律.

一定質量（m）的理想氣體，其分子總數（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，則單位體積內的分子數（n）變為原來的幾分之一，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：基本思維方法（詳細文字表述格式）是：依據描述氣體狀態的宏觀物理量（m、p、V、T）與表示氣體分子運動狀態的微觀物理量（N、n、v）間的相關關系，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）推出相關不變的微觀物理量（如N一定和v不變），再根據宏觀自變量（如V）的變化推出有關的微觀量（如n）的變化，再依據推出的有關微觀量（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，結論是否與實驗定律的結論相吻合.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：一定質量（m）的氣體的總分子數（N）是一定的，體積（V）保持不變時，其單位體積內的分子數（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.這與查理定律的結論一致.

用符號簡易表示為：

（3）讓學生再次練習，用解釋蓋·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，然后讓物理成績為中等的或較差的學生口述自己的練習，與下面標準答案核對.

一定質量（m）的理想氣體的總分子數（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，那么單位體積內的分子數（n）一定要減小（否則壓強不可能不變），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·呂薩克定律的結論是一致的.

用符號簡易表示為：

（三）課堂小結

1、本節課我們首先明確了氣體狀態參量與相關的氣體分子運動的微觀物理量間的關系著重從的觀點認識到氣體對容器壁的壓強是大量分子連續不斷地對器壁碰撞產生的，且由分子的平均速率和分子密度共同決定其大小.

2、本節課我們重點學習了用的觀點來解釋氣體三個實驗定律的方法.

五、說明

1、本節課設計用計算機模擬氣體分子對器壁碰撞而產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、本節課用解釋實驗定律的側重點在于教會學生“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關系，中學階段無法得到定量的相關關系，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系.