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资源类别: 教案库 > 物理教案 > 高二物理教案
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  资源简介
    高中物理选修3-3精品教案全集高中物理选修3-3精品教案全集



    第七章1、物质是由大量分子组成的
    一、教学目标
     1.在物理知识方面的要求:
    (1)知道一般分子直径和质量的数量级;
    (2)知道阿伏伽德罗常数的含义,记住这个常数的数值和单位;
    (3)知道用单分子油膜方法估算分子的直径。
      二、重点、难点分析
     1.使学生理解和学会用单分子油膜法估算分子大小(直径)的方法;
     2.运用阿伏伽德罗常数估算微观量(分子的体积、直径、分子数等)的方法。
    三、教具
     1.教学挂图或幻灯投影片:水面上单分子油膜的示意图;离子显微镜下看到钨原子分布的图样。
    2.演示实验:演示单分子油膜:油酸酒精溶液(1:20O),滴管,直径约20cm圆形水槽,烧杯,画有方格线的透明塑料板。
      四、主要教学过程
      (一)热学内容简介
    1.热现象:与温度有关的物理现象。如热胀冷缩、摩擦生热、水结冰、湿衣服晾干等都是热现象。
    2.热学的主要内容:热传递、热膨胀、物态变化、固体、液体、气体的性质等。
    3.热学的基本理论:由于热现象的本质是大量分子的无规则运动,因此研究热学的基本理论是分子动理论、量守恒规律。
    (二)新课教学过程
    1.分子的大小。分子是看不见的,怎样能知道分子的大小呢?
    (1)单分子油膜法是最粗略地说明分子大小的一种方法。
    介绍并定性地演示:如果油在水面上尽可能地散开,可认为在水面上形成单分子油膜,可以通过幻灯观察到,并且利用已制好的方格透明胶片盖在水面上,用于测定油膜面积。如图1所示。
    提问:已知一滴油的体积V和水面上油膜面积S,那么这种油分子的直径是多少?
    在学生回答的基础上,还要指出:
    如果分子直径为d,油滴体积是V,油膜面积为S,则d=V/S,根据估算得出分子直径的数量级为10-10m。
    (2)利用离子显微镜测定分子的直径。
    看物理课本上彩色插图,钨针的尖端原子分布的图样:插图的中心部分亮点直接反映钨原子排列情况。经过计算得出钨原子之间的距离是2×10-10m。如果设想钨原子是一个挨着一个排列的话,那么钨原子之间的距离L就等于钨原子的直径d,如图2所示。
    (3)用不同方法测量出分子的大小并不完全相同,但是数量级是相同的。测量结果表明,一般分子直径的数量级是10-10m。例如水分子直径是4×10-10m,氢分子直径是2.3×10-10m。
    (4)指出认为分子是小球形是一种近似模型,是简化地处理问题,实际分子结构很复杂,但通过估算分子大小的数量级,对分子的大小有了较深入的认识。
    2.阿伏伽德罗常数
    向学生提问:在化学课上学过的阿伏伽德罗常数是什么意义?数值是多少?明确1mol物质中含有的微粒数(包括原子数、分子数、离子数……)都相同。此数叫阿伏伽德罗常数,可用符号NA表示此常数, NA=6.02×1023个/mol,粗略计算可用NA=6×1023个/mol。(阿伏伽德罗常数是一个基本常数,科学工作者不断用各种方法测量它,以期得到它精确的数值。)
    再问学生,摩尔质量、摩尔体积的意义。
    如果已经知道分子的大小,不难粗略算出阿伏伽德罗常数。例如,1mol水的质量是0.018kg,体积是1.8×10-5m3。每个水分子的直径是4×10-10m,它的体积是(4×10-10)m3=3×10-29m3。如果设想水分子是一个挨着一个排列的。
    提问学生:如何算出1mol水中所含的水分子数?
    3.微观物理量的估算
    若已知阿伏伽德罗常数,可对液体、固体的分子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液体和固体的分子是一个挨一个排列的(气体不能这样假设)。
    提问学生:1mol水的质量是M=18g,那么每个水分子质量如何求?
    提问学生:若已知铁的相对原子质量是56,铁的密度是7.8×103kg/m3,试求质量是1g的铁块中铁原子的数目(取1位有效数字)。又问:是否可以计算出铁原子的直径是多少来?
    归纳总结:以上计算分子的数量、分子的直径,都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说,阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积(直径)等这些微观量联系起来。
    (三)课堂练习
    1.体积是10-4cm3的油滴滴于水中,若展开成一单分子油膜,则油膜面积的数量级是
    A.102cm2 B.104cm2 C.106cm2 D. 108cm2
    答案:B
    2.已知铜的密度是8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量是63.5×10-3kg/mol。体积是4.5cm3的铜块中,含有多少原子?并估算铜分子的大小。
    答案:3.8×1023, 3×10-10m
    (四)课堂小结
    1.物体是由体积很小的分子组成的。这一结论有坚实的实验基础。单分子油膜实验等实验是上述结论的有力依据。分子直径大约有10-10m的数量级。
    2.阿伏伽德罗常数是物理学中的一个重要常数,它的意义和常数数值应该记住。
    3.学会计算微观世界的物理量(如分子数目、分子质量、分子直径等)的一般方法。由于微观量是不能直接测量的,人们可以测定宏观物理量,用阿伏伽德罗常数作为桥梁,间接计算出微观量来。如分子质量m,可通过物质摩尔质量M和阿伏伽德罗常数NA,得到m=M/NA。通过物质摩尔质量 M、密度ρ、阿伏伽德罗常数NA,计算出分子直径
     
     
    2、分子的热运动
    一、教学目标
     1.物理知识方面的要求:
    (1)知道并记住什么是布朗运动,知道影响布朗运动激烈程度的因素,知道布朗运动产生的原因。
    (2)知道布朗运动是分子无规则运动的反映。
    (3)知道什么是分子的热运动,知道分子热运动的激烈程度与温度的关系。
    2.通过对布朗运动的观察,发现其特征,分析概括出布朗运动的原因;培养学生概括、分析能力和推理判断能力。
    从对悬浮颗粒无规则运动的原因分析,使学生初步接触到用概率统计的观点分析大量偶然事件的必然结果。
     二、重点、难点分析
     1.通过学生对布朗运动的观察,引导学生思考、分析出布朗运动不是外界影响产生的,是液体分子撞击微粒不平衡性产生的。布朗运动是永不停息的无规则运动,反映了液体分子的永不停息的无规则运动。这一连串结论的得出是这堂课的教学重点。
    2.学生观察到的布朗运动不是分子运动,但它又间接反映液体分子无规则运动的特点。这是课堂上的难点。这个难点要从开始分析显微镜下看不到分子运动这个问题逐渐分散解疑。
      三、教  具
     1.气体和液体的扩散实验:分别装有二氧化氮和空气的玻璃储气瓶、玻璃片;250mL水杯内盛有净水、红墨水。
    四、主要教学过程
      (一)引入新课
    让学生观察两个演示实验:
    1.把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个玻璃瓶竖直方向对口相接触,看到二氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。
    2.在一烧杯的净水中,滴入一二滴红墨水后,红墨水在水中逐渐扩展开来。
    提问:上述两个实验属于什么物理现象?这现象说明什么问题?
    在学生回答的基础上总结:上述实验是气体、液体的扩散现象,扩散现象是一种热现象。它说明分子在做永不停息的无规则运动。而且扩散现象的快慢直接与温度有关,温度高,扩散现象加快。这些内容在初中物理中已经学习过了。
    (二)新课教学过程
    1.介绍布朗运动现象
    1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉,发现花粉颗粒在水中不停地做无规则运动,后来把颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动。不只是花粉,其他的物质如藤黄、墨汁中的炭粒,这些小微粒悬浮在水中都有布朗运动存在。
    让学生看教科书上图,图上画的几个布朗颗粒运动的路线,指出这不是布朗微粒运动的轨迹,它只是每隔30s观察到的位置的一些连线。实际上在这短短的30s内微粒运动也极不规则,绝不是直线运动。
    2.介绍布朗运动的几个特点
    (1)连续观察布朗运动,发现在多天甚至几个月时间内,只要液体不干涸,就看不到这种运动停下来。这种布朗运动不分白天和黑夜,不分夏天和冬天(只要悬浮液不冰冻),永远在运动着。所以说,这种布朗运动是永不停息的。
    (2)换不同种类悬浮颗粒,如花粉、藤黄、墨汁中的炭粒等都存在布朗运动,说明布朗运动不取决于颗粒本身。更换不同种类液体,都不存在布朗运动。
    (3)悬浮的颗粒越小,布朗运动越明显。颗粒大了,布朗运动不明显,甚至观察不到运动。
    (4)布朗运动随着温度的升高而愈加激烈。
    3.分析、解释布朗运动的原因
    (1)布朗运动不是由外界因素影响产生的,所谓外界因素的影响,是指存在温度差、压强差、液体振动等等。
    分层次地提问学生:若液体两端有温度差,液体是怎样传递热量的?液体中的悬浮颗粒将做定向移动,还是无规则运动?温度差这样的外界因素能产生布朗运动吗?
    归纳总结学生回答,液体存在着温度差时,液体依靠对流传递热量,这样悬浮颗粒将随液体有定向移动。但布朗运动对不同颗粒运动情况不相同,因此液体的温度差不可能产生布朗运动。又如液体的压强差或振动等都只能使液体具有定向运动,悬浮在液体中的小颗粒的定向移动不是布朗运动。因此,推理得出外界因素的影响不是产生布朗运动的原因,只能是液体内部造成的。
    (2)布朗运动是悬浮在液体中的微小颗粒受到液体各个方向液体分子撞击作用不平衡造成的。
    显微镜下看到的是固体的微小悬浮颗粒,液体分子是看不到的,因为液体分子太小。但液体中许许多多做无规则运动的分子不断地撞击微小悬浮颗粒,当微小颗粒足够小时,它受到来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。如教科书上的插图所示。
    在某一瞬间,微小颗粒在某个方向受到撞击作用强,它就沿着这个方向运动。在下一瞬间,微小颗粒在另一方向受到的撞击作用强,它又向着另一个方向运动。任一时刻微小颗粒所受的撞击在某一方向上占优势只能是偶然的,这样就引起了微粒的无规则的布朗运动。
    悬浮在液体中的颗粒越小,在某一瞬间跟它相撞击的分子数越少。布朗运动微粒大小在10-6m数量级,液体分子大小在10-10m数量级,撞击作用的不平衡性就表现得越明显,因此,布朗运动越明显。悬浮在液体中的微粒越大,在某一瞬间跟它相撞击的分子越多,撞击作用的不平衡性就表现得越不明显,以至可以认为撞击作用互相平衡,因此布朗运动不明显,甚至观察不到。
    液体温度越高,分子做无规则运动越激烈,撞击微小颗粒的作用就越激烈,而且撞击次数也加大,造成布朗运动越激烈。
    5.布朗运动的发现及原因分析的重要意义
    (1)结合上面的讲解分析提问学生:布朗运动是悬浮在液体中的固体微粒分子的运动吗?是液体分子无规则运动吗?布朗微粒是被谁无规则撞击而造成的?布朗运动间接地反映了谁的无规则运动?
    综合学生回答归纳总结:
    (1)固体颗粒是由大量分子组成的,仍然是宏观物体;显微镜下看到的只是固体微小颗粒,光学显微镜是看不到分子的;布朗运动不是固体颗粒中分子的运动,也不是液体分子的无规则运动,而是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动。无规则运动的原因是液体分子对它无规则撞击的不平衡性。因此,布朗运动间接地证实了液体分子的无规则运动。
    (2)布朗运动随温度升高而愈加激烈,在扩散现象中,也是温度越高,扩散进行的越快,而这两种现象都是分子无规则运动的反映。这说明分子的无规则运动与温度有关,温度越高,分子无规则运动越激烈。所以通常把分子的这种无规则运动叫做热运动。
    (三)课堂小结
    1.要知道什么是布朗运动。它是悬浮在液体中的固体微粒的无规则运动,是在显微镜下观察到的。
    2.知道布朗运动的三个主要特点:永不停息地无规则运动;颗粒越小,布朗运动越明显;温度越高,布朗运动越明显。
    3.产生布朗运动的原因:它是由于液体分子无规则运动对固体微小颗粒各个方向撞击的不均匀性造成的。
    4.布朗运动间接地反映了液体分子的无规则运动,布朗运动、扩散现象都有力地说明物体内大量的分子都在永不停息地做无规则运动。
    (四)课堂练习
    1.关于布朗运动的下列说法中,正确的是 [    ]。
    A.布朗运动就是液体分子的热运动
    B.布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒内的分子的无规则热运动
    C.温度越高,布朗运动越激烈
    D.悬浮颗粒越小,布朗运动越激烈
    答案:C、D。
    2.如图是观察记录做布朗运动的一个微粒的运动路线。从微粒在A点开始记录,每隔30s记录下微粒的一个位置,得到B、C、D、E、F、G等点,则微粒在75s末时的位置        [    ]。
    A.一定在CD连线的中点
    B.一定不在CD连线的中点
    C.可能在CD连线上,但不一定在CD连线的中点
    D.可能在CD连线以外的某点
    答案:C、D。
    3、分子间的相互作用力
     
    一、教学目标
    1、知道分子同时存在着相互作用的引力和斥力,表现出的分子力是引力和斥力的合力。
    2、知道分子力随分子间距离变化而变化的定性规律,知道分子间距离是时分子力为零,知道的数量级。
    3、了解在固体、液体、气体三种不同物质状态下,分子运动的特点。
    4、通过一些基本物理事实和实验推理得出分子之间有引力,同时有斥力。这种以事实和实验为依据求出新的结论的思维过程,就是逻辑推理。通过学习这部分知识,培养学生的推理能力。
    二、    重点、难点的分析
    1.   重点内容有两个,一是通过分子之间存在间隙和分子之间有引力和斥力的一些演示实验和事实,推理论证出分子之间存在着引力和斥力;二是分子间的引力和斥力都随分子间距离的变化而变化,而分子力是引力和斥力的合力,能正确理解分子间作用力与距离关系的曲线的物理意义。
    2.   难点是形象化理解分子间作用力跟分子间距离关系的曲线的物理意义。
    三、教具
      1.演示分子间有间隙的实验。
      ①约lm长的,外径约lcm的玻璃管,各约20~30ml的酒精和有红色颜料的水、橡皮塞。
      ②长15cm的U形玻璃管、架台、橡皮塞、红墨水。
      2.演示分子间存在引力的实验。
      两个圆柱形铅块(端面刮光、平滑)、支架、钩码若干。用细线捆住的平板玻璃、直径20cm的盛水玻璃槽、弹簧秤。
      3.图片:分子力随分子间距离变化的曲线和两个分子距离在r= ,r> ,r< 时分子力的示意图。
      四、教学过程
      (一)引入新课
      分子动理论是在坚实的实验基础上建立起来的。我们通过单分子油膜实验、离子显微镜观察钨原子的分布等实验,知道物质是由很小的分子组成的,分子大小在 m数量级。我们又通过扩散现象和布朗运动等实验知道了分子是永不停息地做无规则运动的。分子动理论还告诉我们分子之间有相互作用力,这结论的实验依据是什么?分子间相互作用力有什么特点?这是今天要学习的问题。
      (二)教学过程设计
      1.已知的实验事实分析、推理得出分子之间存在着引力,
      (1)演示实验:
      ①长玻璃管内,分别注入水和酒精,混合后总体积减小。
      ②U形管两臂内盛有一定量的水(不注满水),将右管端橡皮塞堵住,左管继续注入水,右管水面上的空气被压缩。
      提问学生:这两个实验说明了什么问题?
      总结归纳学生的回答:上述实验可以说明气体、液体的内部分子之间是有空隙的。钢铁这样坚固的固体的分子之间也有空隙,有人用两万标准大气压的压强压缩钢筒内的油,发现油可以透过筒壁溢出。
      布朗运动和扩散现象不但说明分子不停地做无规则运动,同时也说明分子间有空隙,否则分子便不能运动了。
      前面第一节讨论分子的大小时,认为固体和液体分子是一个挨一个排列的,那只是估算分子直径的数量级而做的设想,实际上分子大小比估算值要小,中间存在着空隙,但数量级还是正确的。
      (2)一方面分子间有空隙,另一方面,固体、液体内大量分子却能聚集在一起形成固定的形状或固定的体积,这两方面的事实,使我们推理出分子之间一定存在着相互吸引力。
      (3)演示实验:两个圆柱体形铅块,当把端面刮平后,让它们端面紧压在一起,合起来后,它们不分开,而且悬挂起来后,下面还可以吊起一定量的重物。
      还有平时人们用力拉伸物体时,为什么不易拉断物体。
      (4)以上所有实验事实都说明分子之间存在着相互吸引力。
      2.根据已知的实验事实,推理得出分子之间还存在着斥力。
      提问学生:由哪些实验事实,判断得出分子之间有斥力?
      综合学生的回答,总结出:固体和液体很难被压缩,即使气体压缩到了一定程度后再压缩也是很困难的;用力压缩固体(或液体、气体)时,物体内会产生反抗压缩的弹力。这些事实都是分子之间存在斥力的表现。
      运用反证法推理,如果分子之间只存在着引力,
    分子之间又存在着空隙,那么物体内部分子都吸引到一起,造成所有物体都是很紧密的物质。但事实不是这样的,说明必然还有斥力存在着。
      3.分子间引力和斥力的大小跟分子间距离的关系。
      (1)经过研究发现分子之间的引力和斥力都随分子间距离增大而减小。但是分子间斥力随分子间距离加大而减小得更快些,如图1中两条虚线所示。
      (2)由于分子间同时存在引力和斥力,两种力的合力又叫做分子力。在图1图象中实线曲线表示引力和斥力的合力(即分子力)随距离变化的情况。当两个分子间距在图象横坐标 距离时,分子间的引力与斥力平衡,分子间作用力为零, 的数量级为 m,相当于 位置叫做平衡位置。
      分子间距离当r< 时,分子间引力和斥力都随距离减小而增大,但斥力增加得更快,因此分子间作用力表现为斥力。展示幻灯片图2。当r> 时,引力和斥力都随距离的增大而减小,但是斥力减小的更快,因而分子间的作用力表现为引力,但它也随距离增大而迅速减小,当分子距离的数量级大于 m时,分子间的作用力变得十分微弱,可以忽略不计了。在图2中表示分子间距离r不同的三种情况下,分子间引力斥力大小的情况。
      4.固体、液体和气体的分子运动情况。
      分子动理论告诉我们物体中的分子永不停息地做无规则运动,它们之间又存在着相互作用力。分子力的作用要使分子聚集起来,而分子的无规则运动又要使它们分散开来。由于这两种相反因素的作用结果,有固体、液体和气体三种不同的物质状态。
      (1)提问学生:固体与液体、气体比较有什么特征?
      总结学生回答的结果,说明固体为什么有一定的形状和体积呢?因为在固体中,分子间距离较近,数量级在 m,分子之间作用很大,绝大部分分子只能在各自平衡位置附近做无规则的振动。
      (2)液体分子运动情况。
      固体受热温度升高,最终熔化为液体,对大多数物质来说,其体积增加10%,也就是说分子之间距离大约增加3%。因此,液体分子之间作用力很接近固体情况,分子间有较强的作用力,分子无规则运动主要表现为在平衡位置附近振动。但由于分子间距离有所增加,使分子也存在移动性,所以液体在宏观上有一定的体积,而又有流动性,没有固定的形状。
      (3)液体汽化时体积扩大为原来的1000倍,说明分子间距离约增加为原来 ,即10倍。因此气体分子间距离数量级在 m,分子间除碰撞时有相互作用力外,彼此之间一般几乎没有分子作用力,分子在两次碰撞之间是自由移动的。所以气体在宏观上表现出没有一定的体积形状,可以充满任何一种容器。
     五、课堂小结
      1.前面三课时内学习的内容是对初中物理已学过的分子动理论的加深和扩展。总结起来,分子动理论内容是:物体是由大量分子组成的,分子做永不停息的无规则热运动,分子之间存在着引力和斥力。分子动理论是建立在大量实验事实基础上的,这理论是解释、分析热现象的基本理论。
      2.通过实验知道分子之间存在着引力和斥力,而且知道分子间的引力和斥力都随分子间距离增大而减少,尤其斥力随距离增大减小得更快。由于分子间的斥力和引力同时存在,每个分子受到引力和斥力的合力大小及方向随分子间距离大小而改变。其中分子间距离在 m的数量级有一个平衡位置( ),此位置下,斥力与引力的合力为零。当分子间距离大于 引力显著,当分子间距离小于 斥力显著。分子间距离接近 m时,分子间作用力将微小到可忽略的程度。
      3.固体、液体、气体三种状态的分子之间距离不同,分子之间作用力的变化也由大到小至几乎不计。造成固、液、气三种物质状态的特性不同。
      课堂练习:
      1.用分子动理论的知识解释下列现象:
      (1)洒在屋里的一点香水,很快就会在屋里的其他地方被闻到。
      (2)水和酒精混合后,总体积减小。
      (3)高压下的油会透过钢壁渗出。
      (4)温度升高,布朗运动及扩散现象加剧。
      (5)固体不容易被压缩和拉伸。
     2.把一块洗净的玻璃板吊在橡皮筋的下端,使玻璃板水平地接触水面(如图3)。如果你想使玻璃板离开水面,用手向上拉橡皮筋,拉动玻璃板的力是否大于玻璃板受的重力?动手试一试,并解释为什么?
      课堂上,表演后让学生回答。
      正确答案是:拉力会大于玻璃板的重力。玻璃板离开水面时水会发生分裂,由于水分子之间有引力存在,外力要克服这些分子引力造成外界拉力大于玻璃板的重力。玻璃板离开水面后,可以看到玻璃板下表面上仍有水,说明玻璃板离开水时,水层发生断裂。
      
     
     
     
    4、物体的内能
    一、教学目标
    1.在物理知识方面要求:
    (1)知道分子的动能,分子的平均动能,知道物体的温度是分子平均动能大小的标志。
    (2)知道分子的势能跟物体的体积有关,知道分子势能随分子间距离变化而变化的定性规律。
    (3)知道什么是物体的内能,物体的内能与哪个宏观量有关,能区别物体的内能和机械能。
    2.在培养学生能力方面,这节课中要让学生建立:分子动能、分子平均动能、分子势能、物体内能、热量等五个以上物理概念,又要让学生初步知道三个物理规律:温度与分子平均动能关系,分子势能与分子间距离关系,做功与热传递在改变物体内能上的关系。因此,教学中着重培养学生对物理概念和规律的理解能力。
    3.渗透物理学方法的教育:在分子平均动能与温度关系的讲授中,渗透统计的方法。在分子间势能与分子间距离的关系上和做功与热传递关系上都要渗透归纳推理方法。
    二、重点、难点分析
    1.教学重点是使学生掌握三个概念(分子平均动能、分子势能、物体内能),掌握三个物理规律(温度与分子平均动能关系、分子势能与分子之间距离关系、热传递与功的关系)。
    2.区分温度、内能、热量三个物理量是教学上的一个难点;分子势能随分子间距离变化的势能曲线是教学上的另一难点。
    三、教具
    1.图片,展示分子间势能随分子间距离变化而变化的曲线。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    我们知道做机械运动的物体具有机械能,那么热现象发生过程中,也有相应的能量变化。另一方面,我们又知道热现象是大量分子做无规律热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规律运动有什么关系呢?这是今天学习的问题。
    (二)教学过程的设计
    1.分子的动能、温度
    物体内大量分子不停息地做无规则热运动,对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同,因此,各个分子的动能大小不同。由于热现象是大量分子无规则运动的结果,所以研究个别分子运动的动能是没有意义的。而研究大量分子热运动的动能,需要将所有分子热运动动能的平均值求出来,这个平均值叫做分子热运动的平均动能。
    学习布朗运动和扩散现象时,我们知道布朗运动和扩散现象都与温度有关系,温度越高,布朗运动越激烈,扩散也加快。依照分子动理论,这说明温度升高后分子无规则运动加剧。用上述分子热运动的平均动能来说明,就是温度升高,分子热运动的平均动能增大。如果温度降低,说明分子热运动的平均动能减小。因此从分子动理论观点来看,温度是物体分子热运动的平均动能的标志。“标志”的含义是指物体温度升高或降低,表示了物体内部大量分子热运动的平均动能增大或减小。温度不变,就表示了分子热运动的平均动能不变。其他宏观物理量如时间、质量、物质种类都不是分子热运动平均动能的标志。但是,温度不是直接等于分子的平均动能。
    另一方面,温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应,对于个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。
    我们知道,温度这个物理量在宏观上的意义是表示物体冷热程度,而它又是大量分子热运动平均动能大小的标志,这是温度的微观含义。
    2.分子势能
    分子间存在着相互作用力,因此分子间具有由它们的相对位置决定的势能,这就是分子势能。
    如果分子间距离约为10-10m数量级时,分子的作用力的合力为零,此距离为r0。
    当分子距离小于r0时,分子间的作用力表现为斥力,要减小分子间的距离必须克服斥力做功,因此,分子势能随分子间距离的减小而增大。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧压缩,弹性势能Ep增大。
    如果分子间距离大于r0时,分子间的相互作用表现为引力,要增大分子间的距离必须克服引力做功,因此,分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧拉伸,Ep增大。
    从以上两种情况综合分析,分子间距离以r0为数值基准,r不论减小或增大,分子势能都增大。所以说,分子在平衡位置处是分子势能最低点。如果分子间距离是无限远时,取分子势能为零值,分子间距离从无限远逐渐减少至r0以前过程,分子间的作用力表现为引力,而且距离减少,分子引力做正功,分子势能不断减小,其数值将比零还小为负值。当分子间距离到达r0以后再减小,分子作用力表现为斥力,在分子间距离减小过程中,克服斥力做功,使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零,甚至为正值。分子势能随分子间距离r的变化情况可以在图的图象中表现出来。从图中看到分子间距离在r0处,分子势能最小。
    既然分子势能的大小与分子间距离有关,那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢?如果对于确定的物体,它的体积变化,直接反映了分子间的距离,也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。
    3.物体的内能
    (1)物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和,叫做物体的内能。一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成,因此任何物体都是有内能的。
    提问学生:宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志?
    根据学生的回答,引导到一个确定的物体,分子总数是固定的,那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体,那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。
    课堂讨论题:下列各个实例中,比较物体的内能大小,并说明理由。
    ①一块铁由15℃升高到55℃,比较内能。
    ②质量是1kg50℃的铁块与质量是0.1kg50℃的铁块,比较内能。
    ③质量是1kg100℃的水与质量是1kg100℃的水蒸气,比较内能。
    (2)物体机械运动对应着机械能,热运动对应着内能。任何物体都具有内能,同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹,除了具有内能,还具有机械能——动能和重力势能。
    提问学生:一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气,当汽车以 60km/h行驶起来后,气瓶内氧气的内能是否增加?
    通过此问题,让学生认识内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和,而不是分子定向移动的动能。另一方面,物体机械能增加,内能不一定增加。
    
    课上练习:
    1.判断下面各结论是否正确?
    (1)温度高的物体,内能不一定大。
    (2)同样质量的水在100℃时的内能比60℃时的内能大。
    (3)内能大的物体,温度一定高。
    (4)内能相同的物体,温度一定相同。
    答案:(1)、(2)是对的。
    2.在标准大气压下,100℃的水吸收热量变成同温度的水蒸气的过程,下面的说法是否正确?
    (1)分子热运动的平均动能不变,因而物体的内能不变。
    (2)分子的平均动能增加,因而物体的内能增加。
       答案:以上结论都不对。
    (三)课堂小结
    (1)这节课上新建立了三个物理概念:分子热运动的平均动能、分子势能、内能。要知道这三个概念的确切含义,更为重要的是能够区分温度、内能、热量,知道内能与机械能的区别和联系。
    (2)要掌握三个物理规律:分子热运动的平均动能与温度的关系、分子间的相互作用力与分子间距离的关系、做功与热传递在使物体内能改变上的关系。
    (四)说明
    这节课是概念性很强的课,又不是从物理实验或物理现象直接得出结论的课。对于概念要知道引入的目的、确切含义、与其他概念的区别和联系。所以课上要讲分子热运动平均动能、内能、热量等概念的意义,并且要通过实际例题,让学生通过判断、推理来加深对这些概念的认识。
     
     
    第八章1、气体的等温变化玻意耳定律
    
    一、教学目标
    1.在物理知识方面要求:
    (1)知道什么是等温变化;
    (2)知道玻意耳定律是实验定律;掌握玻意耳定律的内容和公式;知道定律的适用条件。
    (3)理解气体等温变化的 p-V 图象的物理意义;
    (4)知道用分子动理论对玻意耳定律的定性解释;
    (5)会用玻意耳定律计算有关的问题。
    2.通过对演示实验的研究,培养学生的观察、分析能力和从实验得出物理规律的能力。
    3.渗透物理学研究方法的教育:当需要研究两个以上物理量间的关系时,先保持某个或某几个物理量不变,从最简单的情况开始研究,得出某些规律,然后再进一步研究所涉及的各个物理量间的关系。
    二、重点、难点分析
    1.重点是通过实验使学生知道并掌握一定质量的气体在等温变化时压强与体积的关系,理解 p-V 图象的物理意义,知道玻意耳定律的适用条件。
    2.学生往往由于“状态”和“过程”分不清,造成抓不住头绪,不同过程间混淆不清的毛病,这是难点。在目前这个阶段,有相当多学生尚不能正确确定密闭气体的压强。
    三、教具
    1.定性演示一定质量的气体在温度保持不变时压强与体积的关系
    橡皮膜(或气球皮)、直径为5cm左右两端开口的透明塑料筒(长约25cm左右)、与筒径匹配的自制活塞、20cm×6cm薄木板一块。
    2.较精确地演示一定质量的气体在温度保持不变时压强与体积的关系实验仪器。
     四、主要教学过程
    (一)引入新课
    对照牛顿第二定律的研究过程先m一定,a∝F;再F一定,a∝
    现在我们利用这种控制条件的研究方法,研究气体状态参量之间的关系。
    (二)教学过程设计
    1.一定质量的气体保持温度不变,压强与体积的关系
    实验前,请同学们思考以下问题:
    ①怎样保证气体的质量是一定的?
    ②怎样保证气体的温度是一定的?
    (密封好;缓慢移活塞,筒不与手接触。)
    2.较精确的研究一定质量的气体温度保持不变,压强与体积的关系
    (1)介绍实验装置
    观察实验装置,并回答:
    ①研究哪部分气体?
    ② A管中气体体积怎样表示?(l·S)
    ③阀门a打开时,A管中气体压强多大?阀门a闭合时A管中气体压强多大?(p0)
    ④欲使A管中气体体积减小,压强增大,B管应怎样操作?写出A管中气体压强的表达式(p=p0+h)。
    ⑤欲使A管中气体体积增大,压强减小,B管应怎样操作?写出A管中气体压强的表达式(p=p0-h)。
    ⑥实验过程中的恒温是什么温度?为保证A管中气体的温度恒定,在操作B管时应注意什么?(缓慢)
    (2)实验数据采集
    压强单位:mmHg;体积表示:倍率法     环境温度:室温       大气压强:p0=             mmHg
    ① A管中气体体积减小时(基准体积为V)
    顺序 1 2 3 4 5
    体积 V     … …
    压强          
     
     
    ② A管中气体体积增大时(基准体积为V′)
    顺序 1 2 3 4 5
    体积 V′ 2V′ 3V′ … …
    压强          
     
    (3)实验结论
    实验数据表明:
    一定质量的气体,在温度不变的条件下,体积缩小到原来的几分之一,它的压强就增大到原来的几倍;
    一定质量的气体,在温度不变的条件下,体积增大到原来的几倍,它的压强就减小为原来的几分之一。
    改用其他气体做这个实验,结果相同。
    3.玻意耳定律
    (1)定律内容表述之一
    一定质量的气体,在温度不变的情况下,它的压强跟体积成反比。
    数学表达式
    设初态体积为V1,压强为p1;末态体积为V2,压强为p2。有
    
                            p1V1=p2V2
    (2)定律内容表述之二
    一定质量的气体,在温度不变的情况下,它的压强跟体积的乘积是不变的。
    数学表达式
    pV=恒量
    (3)用图象表述玻意耳定律
    纵轴代表气体的压强;
    横轴代表气体的体积;
    选取恰当的分度和单位。
    请学生讨论一下图线该是什么形状,并尝试把它画出来。(等温线)
    (4)关于玻意耳定律的讨论
    ①图象平面上的一个点代表什么?曲线AB代表什么?线段AB代表什么?
    ② pV=恒量一式中的恒量是普适恒量吗?
    引导学生作出一定质量的气体,在不同温度下的几条等温线,比较后由学生得出结论:恒量随温度升高而增大。
    ③下面的数据说明什么?
    一定质量的氦气
     
    压强 1atm 500atm 1000 atm
    实测体积 1m3 1.36/500m3 2.068 5/1 000m3
    计算体积   1/500m3 1/1 000m3
     
    玻意耳定律的适用条件:压强不太大(和大气压比较)、温度不太低(和室温比较)的任何气体。
    ④你能推导出用密度形式表达的玻意耳定律吗?
    ⑤你能用分子动理论对玻意耳定律作出解释吗?
    例题 某个容器的容积是10L,所装气体的压强是20×105Pa。如果温度保持不变,把容器的开关打开以后,容器里剩下的气体是原来的百分之几?设大气压是1.0×105Pa。
    
    解 设容器原装气体为研究对象。
    初态  p1=20×105Pa
    V1=10L
    T1=T
    末态  p2=1.0×105Pa
    V2=?L
    T2=T
    由玻意耳定律  p1V1=p2V2得
    
    即剩下的气体为原来的5%。
    题后话:就容器而言,里面气体质量变了,似乎是变质量问题了,但若视容器中气体出而不走,就又是质量不变了。
    (三)课堂小结
    1.一定质量的气体,在温度不变的情况下,它的压强跟体积成反比。
    2.玻意耳定律可以用p-V图线表示。
    3.玻意耳定律是实验定律,不论什么气体,只要符合压强不太大(和大气压比较)、温度不太低(和室温比较)的条件,都近似地符合这个定律。

    2、气体的等容变化和等压变化
    一、教学目标
    1.物理知识要求:
    (1)知道什么是气体的等容变化过程;
    (2)掌握查理定律的内容、数学表达式;理解p-t图象的物理意义;
    (3)知道查理定律的适用条件;
    (4)会用分子动理论解释查理定律。
    2.通过演示实验,培养学生的观察能力、分析能力和实验研究能力。
    3.培养学生运用数学方法解决物理问题的能力——由图象总结出查理定律。
    二、重点、难点分析
    1.查理定律的内容、数学表达式、图象及适用条件是重点。
    2.气体压强和摄氏温度不成正比,压强增量和摄氏温度成正比;气体原来的压强、气体在零摄氏度的压强,这些内容易混淆。
    三、教具
    1.引入新课的演示实验
    带有橡皮塞的滴液瓶、加热装置。
    2.演示一定质量的气体保持体积不变时,压强与温度的关系
    查理定律演示器、水银气压计、搅棒、食盐和适量碎冰、温度计、保温套、容器。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    我们先来看一个演示实验:
    滴液瓶中装有干燥的空气,用涂有少量润滑油的橡皮塞盖住瓶口,把瓶子放入热水中,会看到塞子飞出;把瓶子放在冰水混合物中,拔掉塞子时会比平时费力。
    这个实验告诉我们:一定质量的气体,保持体积不变,当温度升高时,气体的压强增大;当温度降低时,气体的压强减小。
    请学生举一些生活中的实例。
    下面我们进一步研究一定质量的气体保持体积不变,气体的压强随温度变化的规律。
    (二)教学过程设计
    1.气体的等容变化
    结合演示实验的分析,引导学生得出:
    气体在体积不变的情况下所发生的状态变化叫做等体积变化,也叫做等容变化。
    2.一定质量的气体在等容变化过程中,压强随温度变化的实验研究
    (1)实验装置——查理定律演示器
    请学生观察实物。
    请学生结合实物演示,弄明白如下问题:
    ①研究对象在哪儿?
    ②当A管向上运动时,B管中的水银面怎样变化?
    ③当A管向下运动时,B管中的水银面怎样变化?
    ④怎样保证瓶中气体的体积不变?
    ⑤瓶中气体的压强怎样表示?(当B管中水银面比A管中水银面低时;当B管中水银面比A管中水银面高时)
    
    (2)用气压计测量大气压强
    p0=               mmHg
    (注意水银气压计的读数方法。)
    请两位学生读出当时的大气压强值。
    (3)实验条件:一定质量的气体、一定的气体体积
    请学生讨论:怎样保证实验条件?
    ①烧瓶用胶塞塞好,与水银压强计B管连接处密封好。
    ②使水银压强计的A管水银面与B管水银面一样高,并将B管水银面的位置记下来。(室温)
    (4)实验过程
    ①将烧瓶置于食盐加碎冰溶化的混合物中,烧瓶要完全没入。(请学生估测发生的现象)
    现象:烧瓶中气体体积减小,B管中水银面上升,A管中水银面下降。气体压强减小。
    措施:请学生讨论此时怎样移动A管才能使B管中水银面恢复到初始的标记位置。
    记下此时A、B管中水银面的高度差。
    ②将烧瓶完全置于冰水混合物中。(请学生估测发生的现象)
    现象:烧瓶中气体体积仍小于室温时的标记体积,B管中水银面仍高于A管中水银面,但A、B两管中水银面高度差减少。
    措施:仍请学生回答此时怎样移动A管才能使B管中水银面恢复到初始的标记位置。
    记下此时A、B管中水银面的高度差。
    ③将烧瓶完全置于30 ℃的温水中。(请学生估测发生的现象)
    现象:B管中水银面低于标记位置,A管中水银面高于标记位置。
    措施:请学生讨论应怎样移动A管,才能使B管中的水银面恢复到初始标记位置。
    记下此时A、B管中水银面的高度差。
    ④将烧瓶再分别完全置于45℃的温水中,60℃、75℃的热水中,重复上述过程。
    (5)实验数据表格
     
    实验次数 1 2 3 4 5 6
    气体温度(℃) -20 0 30 45 60 75
    气体压强mmHg            
     
    p0=           mmHg           室温            ℃
    请学生计算:
    (1)以0℃气体压强为参照,气体温度每升高1℃,增加的压强值是0℃时气体压强值的多少分之一。
    (2)以0℃气体压强为参照,气体温度每降低1℃,减少的压强值是0℃时气体压强值的多少分之一。
    (6)图象(以实际实验数据为准,此处仅为示意图)
    
    由此图象,可写出如下方程:
    p=p0+kt
    其中k为斜率
    
    精确的实验指出t外推=-273℃
    3.实验结论——查理定律
    1787年法国科学家查理通过实验研究,发现所有气体都遵从定律查理。
    适用条件:
    ①温度不太低;②压强不太大。
    微观解释:请学生自学课本。
    4.查理定律的应用
    例1  一定质量的气体,保持体积不变,温度从1℃升高到5℃,压强的增量为 2.0×103 Pa,则 [    ]
    A.它从5℃升高到10℃,压强增量为2.0×103Pa
    B.它从15℃升高到20℃,压强增量为2.0×103Pa
    C.它在0℃时,压强约为1.4×105Pa
    答案:C。(解题过程略)
    例2  密闭容器内装有一定质量的气体,当温度升高5℃时,气体
    
    答案:227℃(解题过程略)
    (三)课堂小结
    1.一定质量的气体,在体积保持不变的情况下,温度每升高(或降
    2.查理定律可以用 p-t 图线来表示。
    3.查理定律是个实验定律。不论什么气体,只要符合压强不太大(和大气压比较)、温度不太低(和室温比较)的条件,都近似地符合这个定律。

    3、 气体·理想气体的状态方程
     
    一、教学目标
    1.在物理知识方面的要求:
    (1)初步理解“理想气体”的概念。
    (2)掌握运用玻意耳定律和查理定律推导理想气体状态方程的过程,熟记理想气体状态方程的数学表达式,并能正确运用理想气体状态方程解答有关简单问题。
    (3)熟记盖·吕萨克定律及数学表达式,并能正确用它来解答气体等压变化的有关问题。
    2.通过推导理想气体状态方程及由理想气体状态方程推导盖·吕萨克定律的过程,培养学生严密的逻辑思维能力。
    3.通过用实验验证盖·吕萨克定律的教学过程,使学生学会用实验来验证成正比关系的物理定律的一种方法,并对学生进行“实践是检验真理唯一的标准”的教育。
    二、重点、难点分析
    1.理想气体的状态方程是本节课的重点,因为它不仅是本节课的核心内容,还是中学阶段解答气体问题所遵循的最重要的规律之一。
    2.对“理想气体”这一概念的理解是本节课的一个难点,因为这一概念对中学生来讲十分抽象,而且在本节只能从宏观现象对“理想气体”给出初步概念定义,只有到后两节从微观的气体分子动理论方面才能对“理想气体”给予进一步的论述。另外在推导气体状态方程的过程中用状态参量来表示气体状态的变化也很抽象,学生理解上也有一定难度。
    三、教具
    1.气体定律实验器、烧杯、温度计等。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    前面我们学习的玻意耳定律是一定质量的气体在温度不变时,压强与体积变化所遵循的规律,而查理定律是一定质量的气体在体积不变时,压强与温度变化时所遵循的规律,即这两个定律都是一定质量的气体的体积、压强、温度三个状态参量中都有一个参量不变,而另外两个参量变化所遵循的规律,若三个状态参量都发生变化时,应遵循什么样的规律呢?这就是我们今天这节课要学习的主要问题。
    (二)教学过程设计
    1.关于“理想气体”概念的教学
    设问:
    (1)玻意耳定律和查理定律是如何得出的?即它们是物理理论推导出来的还是由实验总结归纳得出来的?答案是:由实验总结归纳得出的。
    (2)这两个定律是在什么条件下通过实验得到的?老师引导学生知道是在温度不太低(与常温比较)和压强不太大(与大气压强相比)的条件得出的。
    老师讲解:在初中我们就学过使常温常压下呈气态的物质(如氧气、氢气等)液化的方法是降低温度和增大压强。这就是说,当温度足够低或压强足够大时,任何气体都被液化了,当然也不遵循反映气体状态变化的玻意耳定律和查理定律了。而且实验事实也证明:在较低温度或较大压强下,气体即使未被液化,它们的实验数据也与玻意耳定律或查理定律计算出的数据有较大的误差。
    出示表格(1):
    P
    (×1.013×105Pa) pV值(×1.013×105PaL)
    H2 N2 O2 空气
    1 1.000 1.000 1.000 1.000
    100 1.0690 0.9941 0.9265 0.9730
    200 1.1380 1.0483 0.9140 1.0100
    500 1.3565 1.3900 1.1560 1.3400
    1000 1.7200 2.0685 1.7355 1.9920
     
    说明讲解:投影片
    (1)所示是在温度为0℃,压强为1.013×105Pa的条件下取1L几种常见实际气体保持温度不变时,在不同压强下用实验测出的pV乘积值。从表中可看出在压强为1.013×105Pa至1.013×107Pa之间时,实验结果与玻意耳定律计算值,近似相等,当压强为1.013×108Pa时,玻意耳定律就完全不适用了。
    这说明实际气体只有在一定温度和一定压强范围内才能近似地遵循玻意耳定律和查理定律。而且不同的实际气体适用的温度范围和压强范围也是各不相同的。为了研究方便,我们假设这样一种气体,它在任何温度和任何压强下都能严格地遵循玻意耳定律和查理定律。我们把这样的气体叫做“理想气体”。(板书“理想气体”概念意义。)
    2.推导理想气体状态方程
    前面已经学过,对于一定质量的理想气体的状态可用三个状态参量p、V、T来描述,且知道这三个状态参量中只有一个变而另外两个参量保持不变的情况是不会发生的。换句话说:若其中任意两个参量确定之后,第三个参量一定有唯一确定的值。它们共同表征一定质量理想气体的唯一确定的一个状态。根据这一思想,我们假定一定质量的理想气体在开始状态时各状态参量为(p1,V1,T1),经过某变化过程,到末状态时各状态参量变为(p2,V2,T2),这中间的变化过程可以是各种各样的,现假设有两种过程:
    第一种:从(p1,V1,T1)先等温并使其体积变为V2,压强随之变为pc,此中间状态为(pc,V2,T1)再等容并使其温度变为T2,则其压强一定变为p2,则末状态(p2,V2,T2)。
    第二种:从(p1;V1,T1)先等容并使其温度变为T2,则压强随之变为p′c,此中间状态为(p′c,V1,T2),再等温并使其体积变为V2,则压强也一定变为p2,也到末状态(p2,V2,T2)。
    将全班同学分为两大组,根据玻意耳定律和查理定律,分别按两种过程,自己推导理想气体状态过程。(即要求找出p1、V1、T1与p2、V2、T2间的等量关系。)
    理想气体状态方程。它说明:一定质量的理想气体的压强、体积的乘积与热力学温度的比值是一个常数。
    3.推导并验证盖·吕萨克定律
    设问:(1)若上述理想气体状态方程中,p1=p2,方程形式变化成怎样的形式?
     
     
     
     
    字串7

    (2)p1=p2 本身说明气体状态变化有什么特点?
    答案:说明等效地看作气体做等压变化。(即压强保持不变的变化)
    由此可得出结论:当压强不变时,一定质量的理想气体的体积与热力学温度成正比。
    这个结论最初是法国科学家盖·吕萨克在研究气体膨胀的实验中得到的,也叫盖·吕萨克定律。它也属于实验定律。当今可以设计多种实验方法来验证这一结论。今天我们利用在验证玻意耳定律中用过的气体定律实验器来验证这一定律。
    演示实验:实验装置如图所示,此实验保持压强不变,只是利用改变烧杯中的水温来确定三个温度状态t1、t2、t3,这可从温度计上读出,再分别换算成热力学温度T1、T2、T3,再利用气体实验器上的刻度值作为达热平衡时,被封闭气体的体积值,分别为V1、V2、V3,填入下表:
    出示投影幻灯片(3):
    t1 t2 t3
    T1 T2 T3
    V1 V2 V3
         
     
     
     
     
    字串8

    这几个值会近似相等,从而证明了盖·吕萨克定律。
    4.课堂练习
    显示例题(1):
    例题 一水银气压计中混进了空气,因而在27℃,外界大气压为758毫米汞柱时,这个水银气压计的读数为738毫米汞柱,此时管中水银面距管顶80毫米,当温度降至-3℃时,这个气压计的读数为743毫米汞柱,求此时的实际大气压值为多少毫米汞柱?
    教师引导学生按以下步骤解答此题:
    (1)该题研究对象是什么?
    答案:混入水银气压计中的空气。
    (2)画出该题两个状态的示意图:
    (3)分别写出两个状态的状态参量:
    p1=758-738=20mmHg  V1=80Smm3(S是管的横截面积)。T1=273+27=300 K
    p2=p-743mmHg V2=(738+80)S-743S=75Smm3
    T2=273+(-3)=270K
     
     
     
     
     
    字串4
    解得  p=762.2 mmHg
     
    (三)课堂小结
    1.在任何温度和任何压强下都能严格遵循气体实验定律的气体叫理想气体。
     
     
     
     
    字串2

    3.盖·吕萨克定律是指:一定质量的气体在压强不变的条件下,它的体积与热力学温度成正比。
     
    4、气体实验定律的微观解释
    
    一、教学目标
    1.在物理知识方面的要求:
    (1)能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义,并能知道气体的压强、温度、体积与所对应的微观物理量间的相关联系。
    (2)能用气体分子动理论解释三个气体实验定律。
    2.通过让学生用气体分子动理论解释有关的宏观物理现象,培养学生的微观想像能力和逻辑推理能力,并渗透“统计物理”的思维方法。
    3.通过对宏观物理现象与微观粒子运动规律的分析,对学生渗透“透过现象看本质”的哲学思维方法。
    二、重点、难点分析
    1.用气体分子动理论来解释气体实验定律是本节课的重点,它是本节课的核心内容。
    2.气体压强的微观意义是本节课的难点,因为它需要学生对微观粒子复杂的运动状态有丰富的想像力。
    三、教具
    计算机控制的大屏幕显示仪;自制的显示气体压强微观解释的计算机软件。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    先设问:气体分子运动的特点有哪些?
    答案:特点是:
    (1)气体间的距离较大,分子间的相互作用力十分微弱,可以认为气体分子除相互碰撞及与器壁碰撞外不受力作用,每个分子都可以在空间自由移动,一定质量的气体的分子可以充满整个容器空间。
    (2)分子间的碰撞频繁,这些碰撞及气体分子与器壁的碰撞都可看成是完全弹性碰撞。气体通过这种碰撞可传递能量,其中任何一个分子运动方向和速率大小都是不断变化的,这就是杂乱无章的气体分子热运动。
    (3)从总体上看气体分子沿各个方向运动的机会均等,因此对大量分子而言,在任一时刻向容器各个方向运动的分子数是均等的。
    (4)大量气体分子的速率是按一定规律分布,呈“中间多,两头少”的分布规律,且这个分布状态与温度有关,温度升高时,平均速率会增大。
    今天我们就是要从气体分子运动的这些特点和规律来解释气体实验定律。
    (二)教学过程设计
    1.关于气体压强微观解释的教学
    首先通过设问和讨论建立反映气体宏观物理状态的温度(T)、体积(V)与反映气体分子运动的微观状态物理量间的联系:
    温度是分子热运动平均动能的标志,对确定的气体而言,温度与分子运动的平均速率有关,温度越高,反映气体分子热运动的平均速率
     体积影响到分子密度(即单位体积内的分子数),对确定的一定质量的理想气体而言,分子总数N是一定的,当体积为V时,单位体积内
    
    
     
    n越小。
    然后再设问:气体压强大小反映了气体分子运动的哪些特征呢?
    这应从气体对容器器壁压强产生的机制来分析。
    先让学生看用计算机模拟气体分子运动撞击器壁产生压强的机制:
    显示出如图1所示的图形:
    
    
     
     
     
     
     
    向同学介绍:如图所示是一个一端用活塞(此时表示活塞部分的线条闪烁3~5次)封闭的气缸,活塞用一弹簧与一固定物相连,活塞与气缸壁摩擦不计,当气缸内为真空时,弹簧长为原长。如果在气缸内密封了一定质量的理想气体。由于在任一时刻气体分子向各方向上运动的分子数相等,为简化问题,我们仅讨论向活塞方向运动的分子。大屏幕上显示图2,即图中显示的仅为总分子数的合,(图中显示的“分子”暂呈静态)先看其中一个(图2中涂黑的“分子”闪烁2~3次)分子与活塞碰撞情况,(图2中涂黑的“分子”与活塞碰撞且以原速率反弹回来,活塞也随之颤抖一下,这样反复演示3~5次)再看大量分子运动时与活塞的碰撞情况:
    大屏幕上显示“分子”都向活塞方向运动,对活塞连续不断地碰撞,碰后的“分子”反弹回来,有的返回途中与别的“分子”相撞后改变方向,有的与活塞对面器壁相碰改变方向,但都只显示垂直于活塞表面的运动状态,而活塞被挤后有一个小的位移,且相对稳定,如图3所示的一个动态画面。时间上要显示15~30秒定格一次,再动态显示15~30秒,再定格。
    得出结论:由此可见气体对容器壁的压强是大量分子对器壁连续不断地碰撞所产生的。
    进一步分析:若每个分子的质量为m,平均速率为v,分子与活塞的碰撞是完全弹性碰撞,则在这一分子与活塞碰撞中,该分子的动量变化为2mv,即受的冲量为2mv,根据牛顿第三定律,该分子对活塞的冲量也是2mv,那么在一段时间内大量分子与活塞碰撞多少次,活塞受到的总冲量就是2mv的多少倍,单位时间内受到的总冲量就是压力,而单位面积上受到的压力就是压强。由此可推出:气体压强一方面与每次碰撞的平均冲量2mv有关,另一方面与单位时间内单位面积受到的碰撞次数有关。对确定的一定质量的理想气体而言,每次碰撞的平均冲量,2mv由平均速率v有关,v越大则平均冲量就越大,而单位时间内单位面积上碰撞的次数既与分子密度n有关,又与分子的平均速率有关,分子密度n越大,v也越大,则碰撞次数就越多,因此从气体分子动理论的观点看,气体压强的大小由分子的平均速率v和分子密度n共同决定,n越大,v也越大,则压强就越大。
    2.用气体分子动理论解释实验三定律
    (1)教师引导、示范,以解释玻意耳定律为例教会学生用气体分子动理论解释实验定律的基本思维方法和简易符号表述形式。
    范例:用气体分子动理论解释玻意耳定律。
    一定质量(m)的理想气体,其分子总数(N)是一个定值,当温度(T)保持不变时,则分子的平均速率(v)也保持不变,当其体积(V)增大几倍时,则单位体积内的分子数(n)变为原来的几分之一,因此气体的压强也减为原来的几分之一;反之若体积减小为原来的几分之一,则压强增大几倍,即压强与体积成反比。这就是玻意耳定律。
    书面符号简易表述方式:
    

     
     
     
     
     
    小结:基本思维方法(详细文字表述格式)是:依据描述气体状态的宏观物理量(m、p、V、T)与表示气体分子运动状态的微观物理量(N、n、v)间的相关关系,从气体实验定律成立的条件所述的宏观物理量(如m一定和T不变)推出相关不变的微观物理量(如N一定和v不变),再根据宏观自变量(如V)的变化推出有关的微观量(如n)的变化,再依据推出的有关微观量(如v和n)的变与不变的情况推出宏观因变量(如p)的变化情况,结论是否与实验定律的结论相吻合。若吻合则实验定律得到了微观解释。
    (2)让学生体验上述思维方法:每个人都独立地用书面详细文字叙述和用符号简易表述的方法来对查理定律进行微观解释,然后由平时物理成绩较好的学生口述,与下面正确答案核对。
    书面或口头叙述为:一定质量(m)的气体的总分子数(N)是一定的,体积(V)保持不变时,其单位体积内的分子数(n)也保持不变,当温度(T)升高时,其分子运动的平均速率(v)也增大,则气体压强(p)也增大;反之当温度(T)降低时,气体压强(p)也减小。这与查理定律的结论一致。
    用符号简易表示为:
    (3)让学生再次练习,用气体分子动理论解释盖·吕萨克定律。再用更短的时间让学生练习详细表述和符号表示,然后让物理成绩为中等的或较差的学生口述自己的练习,与下面标准答案核对。
    一定质量(m)的理想气体的总分子数(N)是一定的,要保持压强(p)不变,当温度(T)升高时,全体分子运动的平均速率v会增加,那么单位体积内的分子数(n)一定要减小(否则压强不可能不变),因此气体体积(V)一定增大;反之当温度降低时,同理可推出气体体积一定减小。这与盖·吕萨克定律的结论是一致的。
    用符号简易表示为:
    
    (三)课堂小结
    1.本节课我们首先明确了气体状态参量与相关的气体分子运动的微观物理量间的关系着重从气体分子动理论的观点认识到气体对容器壁的压强是大量分子连续不断地对器壁碰撞产生的,且由分子的平均速率和分子密度共同决定其大小。
    2.本节课我们重点学习了用气体分子动理论的观点来解释气体三个实验定律的方法。

                               第九章1、固体
    一、教学要求
     
      1.知道固体可分为晶体和非晶体两类。了解它们在物理性质上的差别。
     
      2.知道晶体的空间点阵。知道晶体物理性质上的各向异性与晶体的空间点阵有关。知道晶体可分为单晶体和多晶体,了解它们物理性质上的不同。
     
      3.了解液体的微观结构。
     
      4.知道液晶是一种介于固态、液态之间的过渡状态,了解液晶的性质。
     
      5.知道液体的表面张力及其产生原因。
     
      6.了解浸润和不浸润现象和毛细现象。
     
    二、教学进度
     
      共讲二课时,其中第一节用0.5课时,第二节用1.5课时。
     
    1、固体
     
      一、知识点内容和要求
     
      1.知道固体可分为晶体和非晶体两大类,了解它们在物理性质上的差别。
     
      2.知道晶体分子或离子按一定的空间点阵排列。知道晶体可分为单晶体和多晶体,通常说的晶体及性质是指单晶体,多晶体的性质与非晶体类似。
     
      3.能用晶体的空间点阵说明其物理性质的各向异性。
     
    二、教学过程设计
     
      1.晶体和非晶体
     
      固体可分为晶体和非晶体两大类
     
      例如各种金属、食盐、明矾、云母、硫酸铜、雪花、方解石、石英等都是晶体;玻璃、松香、沥青、蜂蜡、橡胶、塑料等都是非晶体。晶体与非晶体的区别主要表现在:
     
      (1)晶体具有天然的规则的几何形状,而非晶体无此特点。
     
      例如:食盐粒都是正方体,硫酸铜也是正方体,雪花都是六角形的、明矾外形的八面体,水晶石为六面棱柱。
     
      (2)晶体在不同方向上物理性质不同,而非体各方向上物理性质相同。
     
      例如,将石蜡均匀涂在云母片上和玻璃板上,用烧红的钢针接触没有涂蜡的另一面。会看到云母上的石蜡熔化后的部分为椭圆形,玻璃板的导热性各方向相同,参看课本P56上的图15-1。
     
      又如,硫酸铜具有单向导电性,方解石发生双折射现象,也表明它们分别在电学性质、光学性质上各方向不同。
     
      又如,晶体溶化有溶点,而非晶体是缓慢变为液体的过程,无熔点。
     
      晶体又可分为单晶体和多晶体,上述的两条晶体的特点一般说是原晶体的特点,多晶体中小晶粒的排列无规则、杂乱无章,各向异性的物理性质无从显示出来。
     
     二、晶体的空间点阵
     
     单晶体和非晶体性质上的不同,可以从它们的微观结构不同做出说明。组成单晶体的微粒(分子、原子或离子)在空间是按照一定的规律排列的。彼此相隔一定的距离排列成整齐的行列。通常把这样的微观结构称为空间点阵。
     
      例如食盐的空间点阵如右图所示,这正是盐粒不管大小都是正方体的原因所在。
     
      方解石对光产生双折射现象的原因,是因为它在各个方向上的折射率不同所致。云母片各方向上导热性质不同,是由其空间点阵决定的。云母片中微粒排列情况与课本P57上图15-2类似。
     
    2、液体
    一、教学目标
    1.在物理知识方面的要求:
    (1)知道液体表面有收缩的趋势;了解液体表面张力的意义和方向;了解表面张力系数。
    (2)知道液体对固体有浸润和不浸润的特点。
    (3)了解毛细现象及其生活和生产中的应用。
    2.学习这部分知识时注意培养学生对自然现象的观察能力。要通过对这部分知识的学习和这部分知识在生活、生产中的应用,来培养和激发学生对物理的兴趣。
    二、重点、难点分析
    1.通过演示实验,让学生看到液体表面有收缩趋势,液体对固体有浸润和不浸润,细管中液面上升和下降等现象。
    2.液体表面收缩现象、浸润与不浸润现象和毛细现象的分子动理论解释是这节课的难点。表面张力的含义也是让学生不易接受的概念,只能作初级的介绍。
    三、教具
    1.油滴在水和酒精混合液里呈球形:长方形玻璃缸、酒精和水适当的比例兑成混合液、车用机油,滴入水中呈圆球形悬浮其中。
    2.带有绵线的铁丝环、有木把的钢针、烧杯、肥皂液、酒精灯。
    3.演示浸润和不浸润:水银、水、玻璃板、锌片、烧杯、实物投影幻灯。
    4.演示毛细现象:一组毛细管(内径大小不同)、两臂直径不等的U形玻璃管(两臂的直径比例差别大些)、水、水槽、水银、水银槽、支架、实物投影幻灯。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    液体与固体、液体相比较,它在宏观上突出的特性是没有一定形状,具有流动性。但它具有一定的体积,而且不易压缩,这方面特点比较接近固体。从微观上看,液体内部分子也是密集在一起的,分子间距较小,分子间相互作用力较大。液体分子运动主要表现为在平衡位置附近做微小振动,在很小区域内,液体分子是有规则排列的。但是液体分子区别于固体分子,液体分子没有长期固定的平衡位置,不断移动,造成液体具有流动性。
    液体有很多区别于固体和气体的性质,今天只研究液体与气体接触的表面层的性质和液体与固体的接触层的一些性质。
    (二)新课教学过程
    1.液体的表面现象
    (1)演示实验:长方形玻璃缸内,润滑机油在水和酒精混合液内,呈圆球形悬浮。
    我们知道相同体积的各种形状中,只有球形物体的表面积最小。润滑油在混合液内呈球形,说明液体表面有收缩到最小的趋势。
    演示实验:用肥皂水做实验来证明液面有收缩趋势。
    ①把一根棉线拴在铁丝上(棉线不要拉紧),铁丝环在肥皂水里浸过后,环上出现肥皂水的薄膜,用热针刺破铁丝环上、棉线两侧肥皂水薄膜的任意一部分,造成棉线被另一侧薄膜拉成弧形,棉线被拉紧。
    ②把一个棉线圈拴在铁丝环上,让环上布满肥皂水的薄膜。如果用热针刺破棉线圈内的那部分薄膜,外边的薄膜会把棉线拉紧呈圆形。
    以上实验说明液体表面好像紧张的橡皮膜一样,具有收缩的趋势。
    (2)液体表面具有收缩趋势的微观解释
    液体与气体接触的表面形成一薄层,叫表面层。由于表面层上方是气体,所以表面层内的液体分子受到周围分子作用力小于液体内部分子,表面层里的分子要比液体内部分子稀疏一些,这样表面层分子间引力比液体内部更大一些。在液体内部分子间引力和斥力处于平衡状态,而表面层内由于分子引力较大,因此表面层有收缩的趋势。
    (3)表面张力和表面张力系数
    液体表面各个部分之间的相互吸引力,叫表面张力。如同一根弹簧被拉伸后,其中的一圈与另一圈之间有收缩作用一样。
    说明表面张力的方向垂直液面分界线,又与液面相切。
    表面张力系数是液体表面上单位长度分界线上的表面张力。同一种液体温度升高,表面张力系数减小。不同液体表面张力系数不同,如水银的表面张力系数较大,而水又比酒精的表面张力系数大。
    2.浸润和不浸润
    (1)演示实验:用实物投影幻灯来观察浸润和不浸润现象。
    两块方形洁净的玻璃片上各滴一滴水和一滴水银,观察两种液滴在玻璃片上的状态。
    再用洁净的玻璃片分别浸入盛有水和水银的烧杯内,玻璃片从水中取出时其上附着一层水,而玻璃片从水银中取出时玻璃片上不附着水银。
    (2)说明浸润和不浸润的定义
    液体与固体接触时,液体与固体的接触面扩大而相互附着的现象叫做浸润。如果接触面趋于缩小而不附着,则叫做不浸润。
    (3)演示实验:用实物投影幻灯来观察烧杯内水面和另一烧杯内水银面。
    由于液体对固体有浸润或不浸润,造成液面在器壁附近上升或下降,液面弯曲,形成凹形或凸形的弯月面。
    (4)浸润和不浸润的微观解释
    液体与固体接触处形成一个液体薄层,叫做附着层。附着层里的分子既受固体分子的吸引,又受到液体内部分子的吸引。如果受到固体分子的吸引力较弱,附着层的分子就比液体内部稀疏,在附着层里分子间吸引力较大,造成跟固体接触的液体表面有缩小的趋势,形成不浸润。反之,如果附着层分子受固体分子吸引力相当强,附着层分子比液体内部更密集,附着层就出现液体相互推斥的力,造成跟固体接触的液体表面有扩展的趋势,形成浸润。
    与学生讨论课本中习题里讲到的缝衣针放在水面上不沉没、布雨伞不漏雨水等现象。
    3.毛细现象
    (1)演示实验:
    用实物投影幻灯来观察几根内径粗细不同的细玻璃管插入一浅水槽中,管内水面高出水槽里水面,而且越细的管,水面上升得越高。
    用两侧直径大小不等的U形玻璃管,放入水银后,细管内水银面低于粗管水银面。
    (2)毛细现象的定义:
    浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象,叫做毛细现象。
    (3)毛细现象的解释:
    解释浸润液体在毛细管里上升的现象。浸润液体与毛细管内壁接触的附着层有扩展的趋势,造成液体与空气接触面弯曲,呈凹形弯曲,液面与管壁接触的附近的表面张力是沿液面切线方向向上的。表面张力有使液面收缩趋势,造成管内液柱上升。直到表面张力向上的拉引作用与管内升高的液柱重力平衡,管内液体停止上升,液柱稳定在一定的高度,如图所示。细管越细,即管截面积小,那么液柱上升高度就越大。
    
    可用相似的分析方法,解释不浸润液体在毛细管里下降的现象。
    (4)举例说明毛细现象的应用:
    纸张、棉花脱脂后能够吸水的原因在于其内部有许多细小的孔道,起到毛细管作用。
    田间农作物的重要管理措施是锄地松土,防止土地板结,其目的是破坏土壤里的毛细管,使地下水分不会快速引上而蒸发掉。
    (三)课堂小结
    1.液体与气体接触的表面有收缩的趋势,液面内相邻两部分之间的彼此相互吸引力叫表面张力。
    2.液体与固体接触的表面存在着附着层,由于附着层有收缩和扩展两种趋势,形成液体对固体有浸润和不浸润现象。
    3.毛细现象是液体对固体浸润和不浸润现象在细管中的体现。毛细现象在日常生活中经常出现。
     
     
    第十章、1功和内能 2、热和内能
    一、教学目标
    1.了解内能改变的两种方式:做功、热传递.
    2.理解内能的变化可以分别由功和热量来量度.
    3.知道做功和热传递对改变物体内能是等效的.
    二、重点、难点分析
    1、改变内能两种方式及内能改变量度.
    2、对做功和热传递对改变内能是等效的理解.
    三、教具
    细铁棒、铁锤、洒精灯、木块、厚壁玻璃筒(带活塞)、硝化棉、乙醚、学生每人准备一小段钢丝等.
    四、主要教学过程
    一、复习引入
        1.复习提问
    师:什么是物体的内能?  
    生:物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和,叫做物体的内能.
    师:什么叫分子的动能?它和哪些因素有关?
    生:由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的动能.它与物体的温度有关(温度是分子平均动能的标志).
    师:什么叫分子的势能?它和哪些因素有关?
    生:分子间存在相互作用力,分子间具有由它们的相对位置决定的势能,这就是分子势能.它和物体的体积有关.
    师:物体的内能和哪些因素有关呢?
    生:与物体的温度和体积有关.
     
    根据学生讨论结果,教师指导学生得出小结:通常情况下,对固体或液体,由于体积变化不明显,主要是通过温度的变化来判断内能是否改变.
     
    二、新课教学
    1.提出问题2.问题讨论,引入新课
    师:如何改变物体的内能呢?
        〖学生讨论……〗
    生:可以改变物体的温度或体积.
     
    师:物体内能的变化可以通过什么表现出来呢?或者说怎样判断一个物体(如一杯水、一块铁块)的内能是否改变呢?
    〖学生讨论……〗
     
    师:我们今天一起来探讨一下改变内能的方法.
    请同学们把准备好的钢丝拿出来(学生都拿出准备好的钢丝).现在,请大家想办法让你手中的钢丝的内能增加,可以边想边试,同学之间可以交流,尽可能想出更多的办法来.
        2.寻找解决问题的办法
    学生一边想办法,一边做实验,一边讨论.
    有的想到“摩擦”,有的想到“折”,有的想到“敲打”,有的想到用“钢锯锯”,有的想到“烧”,有的想到“晒”,有的想到“烤”,有的想到“烫”、“冰”等等.一边想办法,一边体验内能是不是已经增加了.
    师:大家把自己的办法与周围同学交流一下,看看能想出多少种办法.
    归纳一下,大体上能找出上面的几种办法.
    教师把学生得到的办法简要地写在黑板上,书写时最好能把“摩擦”、“折”、“敲打”、“锯”写在一起,把“烧”、“晒”、“烤”、“烫”、“冻”或者“冰”写在一起.
    3.知识的提练
    师:刚才同学们能想出许多的办法来,现在我们再把这些办法比较一下,看看它们之间本质上有什么相同或不同点.请大家带着这个问题阅读课本38~39页倒数第四段.
    教师巡回指导学生看书.
     
    约五、六分钟后,师:请大家现在回过头来,再看看刚才我们所想到的办法,它们之间有何不同?能不能把这些办法分分类?
    经过讨论,生:可以分为做功和热传递两类。其中,“摩擦”、“折”、“敲打”、“锯”是属于做功,“烧”、“晒”、“烤”、“烫”、“冰”属于热传递.
    师:现在我们一起再来体验一下,做功改变内能的例子.请一位同学来给大家演示一下,课本38页的实验.
    指导学生做好实验.若学生能做成功,为了增强效果,教师可以做一下对比实验,慢慢地压缩看能不能使棉花燃烧起来.
    如果学生没有一下子成功(多数失败原因是动作慢),请其他人和他一起分析原因,一定会有不少学生提出他的动作慢了!!再让其按照大家的建议重新做.
    师:刚才两次实验,为什么会出现结果的不同?
    启发学生讨论:动作快,时间短,气体没有来得及与外界进行热交换,其温度会突然升高,至乙醚的着火点,它便燃烧起来.而动作慢时,时间较长,气体与外界有较长的时间进行热交换,它的温度就不会升高太多,达不到乙醚的着火点,则不燃烧.
    师生共同阅读课本39页实验,分析气体对外做功的情况.
    2.问题讨论,引入新课
    师:如何改变物体的内能呢?
        〖学生讨论……〗
    生:可以改变物体的温度或体积.
     
    师:物体内能的变化可以通过什么表现出来呢?或者说怎样判断一个物体(如一杯水、一块铁块)的内能是否改变呢?
    〖学生讨论……〗
    根据学生讨论结果,教师指导学生得出小结:通常情况下,对固体或液体,由于体积变化不明显,主要是通过温度的变化来判断内能是否改变.
     
    二、新课教学
    1.提出问题
    师:我们今天一起来探讨一下改变内能的方法.
    请同学们把准备好的钢丝拿出来(学生都拿出准备好的钢丝).现在,请大家想办法让你手中的钢丝的内能增加,可以边想边试,同学之间可以交流,尽可能想出更多的办法来.
        2.寻找解决问题的办法
    学生一边想办法,一边做实验,一边讨论.
    有的想到“摩擦”,有的想到“折”,有的想到“敲打”,有的想到用“钢锯锯”,有的想到“烧”,有的想到“晒”,有的想到“烤”,有的想到“烫”、“冰”等等.一边想办法,一边体验内能是不是已经增加了.
    师:大家把自己的办法与周围同学交流一下,看看能想出多少种办法.
    归纳一下,大体上能找出上面的几种办法.
    教师把学生得到的办法简要地写在黑板上,书写时最好能把“摩擦”、“折”、“敲打”、“锯”写在一起,把“烧”、“晒”、“烤”、“烫”、“冻”或者“冰”写在一起.
    3.知识的提练
    师:刚才同学们能想出许多的办法来,现在我们再把这些办法比较一下,看看它们之间本质上有什么相同或不同点.请大家带着这个问题阅读课本38~39页倒数第四段.
    师:同学们还能不能从生活中找出一些通过做功改变物体内能的例子呢?
    多个学生:柴油机工作中的压缩冲程;给自行车打气时,气筒壁会发热;锯木头,锯条会很烫;冬天,手冷时,两手互相搓一搓;古人钻木取火等等.
     
    师:我们现在再来体验一下,热传递改变内能的情况.给大家一段细铁棒和酒精灯,请哪位同学来给大家做个演示.
    学生上台做实验.把用热传递改变内能的方法和体会告诉其他同学.
    引导学生从生活中再找出一些通过热传递改变内能的例子.
    归纳后,教师板书:改变物体内能的物理过程有两种:做功和热传递.
    4.新知识的深入探讨
    (1)内能改变的量度
    师:如何量度物体内能的改变多少呢?请大家带着问题阅读课本39页5、6两段,然后归纳出来.
     
     
    3、热力学第一定律 能量守恒定律
    教学方法    讲授
    教学目的  1.认识物质的运动形式有多种,对应不同运动形式的运动有不同形式的能,各种形式的能在一定条件下可以相互转化
    2. 进一步掌握能的转化和守恒定律,并了解能的转化和守恒定律的意义
    3.运用公式△U=W+Q分析有关问题并具体进行计算
    教学重点  热力第一定律
    教学难点  能量守恒
    教    具   多媒体课件
    教学过程
    一、复习提问
    问:物体做什么样的运动具有机械能?机械能转化和守恒定律的内容是什么?
    二、新课教学
    1.       热力学第一定律
    分析下列特殊情况:
    ①如果物体只与外有热交换,没有做功,外界传给物体4J热量物体的内能增加了多少?物体若向外界传出了4J热量,物体内能如何变化?
    结论:在没有做功情况下,物体与外界间传递热量Q,物体内能变化为  △U,则△U=Q,为了在此表达式中能反映物体对外界是吸热不是放热,作出规定:吸热Q取正值,放热Q取负值,由此可知:物体吸热,内能增加,放热,内能减少。
    ②如果物体和外界不发生热交换,当外界对物体做了10J功,物体内能增加了多少?当物体对外做了10J功,物体内能又如何变化?
    结论:在无热交换情况下,△U=W(对外做功时,W取负值)
    ③如果物体内能在改变的过程中,既有热传递又有做功,例如外界对物体做了10J的功,同时物体吸收4J热量,物体的内能如何变化?
    ④又如,外界对物体做10J功,物体放热4J物体内能又如何变化?又物体对外界做了10J功,物体吸热4J,物体放热4J物体内能又如何变化?
      综上所述:
    在能的转化转移过程中,一个物体,如果没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做多少功它的内能就增加多少;如果它既没有对外做功,外界也没有对其做功,则它从外界吸收多少热量,它的内能就增加多少。
    用△U表示物体内能的增量,用Q表示吸收的热量,用W表示外界对物体所做的功,那么:△U=Q+W
    上式就是热力学第一定律。
    [例]一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量,内能增加了4.2×105J,外界对物体做了多少功?
    解:根据热力学第一定律得,
    W=△U-Q=4.2×105J-2.6×105J=1.6×105J
    2.能的转化
    课件展示,举例说明物体的每一种运动形式都有一种对应的能
    机械运动――机械能    热运动――内能
    电荷运动――电能     化学运动――化学能  
    生物运动――生物能    原子核内部的运动――原子能
    各种形式的能可以相互转化:
    机械能中的动能和势能可互相转化(自由落体运动)
    机械能可以与内能相互转化(摩擦生热,消耗了机械能通过做功的形式转化为内能;热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能)
    其它形式有能也可以转化为内能,如电流通过导体时,把电能转化为内能;炽热的灯丝发光,又把内能转化成光能;燃烧时,把化学能转化成内能)
    3.能量守恒定律
    内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能众一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化和转移的过程中其总量不变。
    4.永动机不可能制成
    指导学生阅读课本P81第七自然段,讨论:第一类永动机是否真的能永远运动下去?
    分析课本图11-11提供的一种永动机的设计方案,指出它不可能持续运动的原因:虽然右边每个球的力矩大,但球的个数少,左边的每个球产生的力矩虽然小,但是球的个数多,于是轮子不会持续转动下去对外做功,只会摆动几下便停在图中所画的位置上。
    通过课件展示历史上几种永动机的设计图,指出:不消耗能量的机器从来没有制成功过。
    能量不能创生,工程技术的任务在于设法找出合理利用能源途径和减少能量损耗,而不是去研制永动机。
    三、布置作业  P83 2、3
     
    四、热力学第二定律
     
    教学目标
    ①、了解热力学第二定律的发展简史,
    ②、了解什么是第二类永动机,为什么第二类永动机不可以制成。
    ③、了解热传导的方向性,
    ④、了解热力学第二定律的两种表述方法,以及这两种表述的物理实质,
    ⑤、了解什么是能量耗散
    教学重点
    热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。
    教学难点
    热力学第二定律中所描述的 "不发生其他变化"
    教学方法
    多媒体辅助教学,分析讨论讲解相结合
    教学器材
    多媒体演示系统、自制电脑教学软件
    教学过程
    一、引入新课
    1、复习提问
    ①热力学第一定律的内容是什么?
    ②第一类永动机为什么没有制成?
    ③能量守恒定律是怎样表述的?
    2、引入新课
    教师说明:在能量守恒定律中,存在着能量的 "转移"和 "转化",具体到热力学第二定律,内能和内能之间存在着"转移"以及内能和机械能之间也存在着"转化"的过程,引入课题:热力学第二定律。
    二、新课教学
    (一)内能的转移
    内能转移实质就是热传递。
    举例:1 冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程,引导学生分析融化的原因。
    (热量可以从高温物体传递给低温物体)
          2 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。
    进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。
    如果不妥当应该怎样说。
    从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程,热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。
    (以模拟动画说明内能转移过程的方向性)
    得出热力学第二定律克劳修斯表述:
    不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。
    内能转移过程的方向性
    说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与
    (二)内能和机械能之间的转化
    瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究,("热机"就是一种把内能转化为机械能的机械)
    1824年,卡诺在《论火的动力》中指出 "凡是有温度差的地方就能够发生动力"
    1834年,克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为"卡诺循环"
    热机从高温热源吸收热量Q,其中一部分对外做功W,另一部分被释放给低温热源,根据能量守恒定律
     Q1 = Q2 + W
    η=W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1
    可以知道Q2 越少,η越高
    于是人们就考虑能否让Q2不存在,这样就可以产生一个η=100%的热机,就可以产生另一种永动机,可以看到这种机械并不违反能量守恒定律,这一类永动机叫第二类永动机。
    第二类永动机:能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。
    如果这一类永动机能够制成,它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量,而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的,这样的话飞机不用带油箱,轮船不用带燃料。人们为此做出了许多努力,做了大量的尝试,但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着一次次的失败,终于认识到第二类永动机是不可能制成的。
    这个结论是开尔文首先提出来的。
    开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不产生其他变化。即:第二类永动机是不可能制成的。
    说明热力学第二定律两种表述形式实质是一样的,只是侧重角度不同:
    1、克劳修斯表述体现热传导的方向性
    2、开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性
    能量耗散
    引导学生阅读46页能量耗散的内容并归纳出自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用,内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。
    举例:电能转化为光能再转化为内能:烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能
    都是无法将散失的内能重新再利用
    能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不是能量损失,只是可便于利用的能量减少了。
    第四环节:强调"方向性"进行小结,使课堂难点、重点突出。
    总结扩展:热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性,使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。
    说明:不仅仅在物理上存在这种"方向性",在其他领域也都存在。比如:化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。
    第五环节:思考练习:以简答的形式来巩固"方向性"和对热力学第二定律内容的理解。
     
     
    五、能源 环境和可持续发展
    教学目的:
    1、了解什么是能源,了解什么是常规能源,了解常规能源的储备与人类需求间的矛盾
    2、了解常规能源的使用与环境污染的关系
      3、了解哪些能源是清洁能源,哪些能源可再生。
    4、要求就能源与环境问题开展研究性学习。
    教学重点与难点:
    常规能源与新能源,能源与环境。研究性学习的课题选择及材料的收集
    教学方法:学生课堂自学结合讨论归纳
    教学过程:
    一、能源
    1、常规能源与新能源;
      常规能源有:煤、石油、天然气等
    新能源有:风能、潮汐能、太阳能、原子能、沼气等。
      2、常规能源的储备与利用间的关系:
      3、常规能源的利用与环境污染
      环境污染的种类:大气污染、水污染、噪声污染具体有:温室效应、酸雨、光化学污染
      4、环境污染的防止
      二、研究性学习课题
       总课题:能源与环境
    子课题:
    1、研究“温室效应”的形成(起因、结果)与防止。
       2、简易太阳灶的制作。
       3、家用太阳能热水器的工作原理。
    4、煤和石油中的化学能从何而来?
      三、能源与环境保护教育
    能源与环境
    人类的生活离不开能源。如果没有能源,人就得吃生米、生菜、生肉,这对原始人来说,可以,对现代人来说,那不可想像。要把饭菜烧熟,就得能源。照明需要能源,坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能源,炼钢炼铁、开动机器都得有能源。
    字串5
      人类能源的总来源是太阳。这就是说,不仅风能、水力能、海浪能、生物质能、太阳能等自然能源来自太阳,就是矿物燃料煤、石油、天然气也来自太阳。以上这些属于一次能源,由一次能源生产的电力属于二次能源。  目前在人类能源当中挑大梁的一次能源是煤、石油、天然气这些矿物燃料。矿物燃料的大量使用,给环境带来十分广泛的影响:   矿物燃料的开采要毁掉一些土地,有时不可避免地要占用一部分农田。矿物燃料的运输也会带来环境问题,如海上石油运输,经常发生事故,泄漏的原油污染大片海域;就是不发生事故,压舱水的排放也常常在小范围内使海域受到污染。矿物燃料的燃烧,对环境产生的影响最大。其中硫氧化物、氮氧化物等各种有害气体污染空气,已经使人们难以忍受,因为矿物燃料的燃烧总是要排放出非常多的二氧化碳,甚至达到改变空气成分的比例的程度,使地球的气温升高,这已经成了全世界格外关注、十分头疼的一个环境问题。  怎样才能减少因能源使用而带来的环境影响呢? 字串8   首先,要节约能源。减少全人类的能源消耗,才能减少二氧化碳的排放。这是从环境保护的角度说,节约能源势在必行。另一方面,能源本身也存在着危机。据勘察,地球上可供开采的石油有816亿吨,天然气495亿吨,煤10万亿吨。现在全世界每年的能源总消耗量大体上是95亿吨标准煤,其中主要的是石油、天然气和煤,分别占45%、19%、25%,此外,还有7%的水电,3%的核能。按照目前的消费状况,石油将在三四十年内采完,煤炭虽多,也只能开采250年左右。以后,随着科技水平的提高,这些矿物能源的储量也可能提高,但是,不管怎么说,地壳运动给我们预备下的矿物燃料总是有数的,我们用一点就少一点,不悠着点儿用,恐怕是要被动的。
    字串6
      其次,要利用高科技,开发新能源。目前原子能发电已进入实用阶段,受控热核聚变的探索也在步步前进,有望加入人类能源的行列。  再次,要积极利用自然能。其中包括,直接利用太阳能,太阳能发电、风力发电、海浪,潮汐发电、水力发电等。这些能源的使用,基本上对环境没有污染,因此被人们称作“清洁能源”。  还有,还必须治理矿物能源燃烧产生的污染物。  最后一点必须说明的是,要注意解决广大农村的能源问题。全世界的广大农村,能源相当缺乏。全球大约有15亿农村人口用不上煤、石油、天然气这些矿物燃料,他们只能砍柴烧,或烧牛羊粪或烧作物秸秆。有的农民要花费很大精力去剥树皮、砍灌木、铲草根、拣牛粪。这样做的结果,毁掉了很多树木,破坏了绿色植被,对生态环境也是一种巨大的破坏。由于全世界每年要烧掉4亿吨以上的牛粪和秸秆,使越来越贫瘠的土壤丧失了很多有机物还田的机会。不解决这些农民的能源问题,他们的生存环境就会更加恶化,他们也难以摆脱贫困的境地。
    人类优先开发的五种新能源
    在即将过去的20世纪中,人类使用的能源主要有三种,就是原油、天然气和煤炭。而根据国际能源机构的统计,假使按目前的势头发展下去,不加节制,那么,地球上这三种能源能供人类开采的年限,分别只有40年、50年和240年了。四五十年。从人类历史的角度来看,实在是非常非常的短促;试想一下,对于今于20来岁的年轻人来说,到他们六七十岁的时候,如果地球上已经没有原油和天然气可用,我们能不为此感到惊愕吗?所以,开发新能源,替代上述三种传统能源,迅速地逐年降低它们的消耗量,已经成为人类发展中的紧迫课题,核能在今后一段时期内还将有所发展,但是核电站的最大使用期只有25-30年,核电站的建造、拆除和安全防护费用也相对不低,过多地建设核电站是否明智可取,还有待今后实践和历史来检验。那么,人类将向何处寻找新能源呢?先进国家的能源专家认为,太阳能、风能、地热能、波浪能和氢能这五种新能源,在今后将肯定会优先获得开发利用。
    太阳能 太阳能利用的形式很多,例如太阳能集热为建筑供暖、供热水,用太阳能电池驱动交通工具和其它动力装置,等等,这些都属于太阳能小型、分散的利用形式。太阳能大型、集中和利用形式,则是太空发电。在距地面三万多公里高空的同步卫星上,太阳能电池每天24小时均可发电,而且效率高达地面的10倍。太空电能可以通知过对人体无害的微波向地面输送。
    风能 风能利用技术的不断革新,使这种丰富的无污染能源正重放异彩。据估计,二三十年内,风力发电量将要占欧共体电占全国总电力的30%左右。
    地热能 目前世界上已有近二百座地热发电站投入了运行,装机容量数百万千瓦。研究表明,地热能的蕴藏量相当于地球煤炭储量热能的1.7亿倍,可供人类消耗几百亿年,真可谓取之不尽、用之不竭,今后将优先利用开发。
    波浪能 主要的开发形式是海洋潮汐发电。80年代中期挪威成功地建成一座小型潮汐发电站,让涨潮的海小冲进有一定高度的贮水池,池水下溢即可发电。已经在设计的单座潮汐电站,其它发电量可供一个30万人口的城市使用。
    氢能 氢是宇宙中含量最丰富的元素之一,就可经提取出无穷无尽的氢。氢运输方便,用作燃料不会污染环境,重量又轻,优点很多。前苏联试用氢为“图-155”型飞机的燃料已经初步得成功,各国正积极试验用氢作为汽车的燃料。氢无疑也是人类未来要优先利用的能源之一。
     
     
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