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        從學(xué)科核心素養(yǎng)看“分子動(dòng)理論” 一章的教學(xué)

        2018-03-05 05:48:02尹德利
        物理通報(bào) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:物理科學(xué)探究

        尹德利

        (北京市東方德才學(xué)校 北京 100025)

        王言偉

        (莒南縣板泉鎮(zhèn)第二中學(xué) 山東 臨沂 276622)

        《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2016征求意見稿)指出,物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力.物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面構(gòu)成.其中,物理觀念包括“物質(zhì)觀念”、“運(yùn)動(dòng)觀念”、“相互作用觀念”、“能量觀念及其應(yīng)用”.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素.“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素.

        新修訂的《課程標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)用核心素養(yǎng)替代原來的三維教學(xué)目標(biāo),是三維教學(xué)目標(biāo)的進(jìn)一步提煉和整合.課改實(shí)施這么多年,許多一線物理教師已經(jīng)熟悉三維教學(xué)目標(biāo)的制定,但如何從物理核心素養(yǎng)的角度分析教材,制定體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo),對(duì)一些物理教師來說可能還不是很清楚.“分子動(dòng)理論”一章在物理高考中往往被視為非主干知識(shí)而不加重視,許多一線教師只關(guān)注知識(shí)內(nèi)容,而對(duì)隱藏在知識(shí)背后的物理思想觀念、過程方法、德育教育往往不加重視.為此,本文以“分子動(dòng)理論”為例,分析說明物理核心素養(yǎng)在本章知識(shí)中的具體體現(xiàn).

        1 物理觀念

        “分子動(dòng)理論”一章主要是從運(yùn)動(dòng)的角度闡述物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),不涉及到物質(zhì)分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和不同物質(zhì)分子的形態(tài)變化,雖然也涉及到分子的大小,但主要是為了說明物質(zhì)是由大量分子組成的.

        由于分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),從邏輯上可以推出分子之間存在著空隙,這一推論由酒精和水混合后總體積變小的實(shí)驗(yàn)證實(shí).由于物體很難被壓縮,可知分子之間存在著相互作用的斥力,鉛塊引力實(shí)驗(yàn)、液體表面張力實(shí)驗(yàn)則說明分子之間除了存在斥力外,還存在著引力.從分子力的本質(zhì)看,分子間的引力和斥力屬于電磁力范疇.

        由于任何分子都是由原子構(gòu)成的,原子又是由帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子組成的.同號(hào)電荷相斥、異號(hào)電荷相吸,按照庫侖定律,電荷之間的靜電力隨著電荷間距離的增大而按平方反比減?。虼耍瑑蓚€(gè)分子之間,引力和斥力同時(shí)存在,二者都隨分子間的距離增大而減?。?dāng)分子間距離大于10倍的平衡距離時(shí),分子間作用力近似為零.

        由于分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),因此每個(gè)分子都有動(dòng)能——分子動(dòng)能.物體溫度越高,分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈,從微觀的角度看,溫度是大量分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志.

        由于分子力做功與分子的位置有關(guān)而與分子運(yùn)動(dòng)的路徑無關(guān),因此分子之間還存在著分子勢(shì)能.物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和構(gòu)成了物體的內(nèi)能.

        由于氣體分子間的距離遠(yuǎn)大于分子間的平衡距離,因此氣體分子間除了碰撞以外,分子間作用力可以忽略不計(jì),與分子力有關(guān)的分子勢(shì)能當(dāng)然也不存在,這就構(gòu)建出了理想氣體模型.熱力學(xué)第一定律指出,改變物體內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞,能量守恒定律告訴我們,無論采用哪種方式改變物體的內(nèi)能,系統(tǒng)總的能量是不變的.熱力學(xué)第二定律指出,涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的.

        經(jīng)過上述分析,本章的物理觀念如下:

        (1)物質(zhì)觀念.物體是由大量分子組成的;

        (2)運(yùn)動(dòng)觀念.分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)越劇烈;涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的,或者說,第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成;

        (3)相互作用觀念.分子間既有引力也有斥力,引力和斥力同時(shí)存在,二者都隨分子間距離的增大而減??;

        (4)能量及其應(yīng)用觀念.做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能.在做功和熱傳遞過程中,系統(tǒng)總能量保持不變.也就是說,第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成.

        2 科學(xué)思維

        2.1 模型建構(gòu)

        “分子動(dòng)理論”一章提出了許多物理模型.例如,利用油膜法測(cè)量分子直徑采用了分子球模型(圖1).估算氣體分子間的距離,建立了氣體分子空間分布的立方體模型(圖2).

        圖1 分子球模型

        圖2 立方體模型

        為了說明分子間的作用力和分子勢(shì)能,引入了分子力作用模型(圖3).在研究氣體的性質(zhì)時(shí),引入了理想氣體模型等等.

        圖3 分子作用力模型

        2.2 科學(xué)推理

        由于分子肉眼看不見,甚至在光學(xué)顯微鏡下也不可見.因此,人類無法通過直接觀察分子得出科學(xué)結(jié)論,而必須通過觀察宏觀現(xiàn)象并借助邏輯的力量,揭示隱藏在宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì).例如,為什么說分子間存在著空隙?為什么說分子間引力和斥力同時(shí)存在?為什么說布朗運(yùn)動(dòng)反映了液體(或氣體)分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)?這些結(jié)論的得出,無一不是科學(xué)推理的結(jié)果.課堂上,教師利用這些問題,能夠很好地訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)推理能力.

        2.3 分析論證

        從微觀的角度看,氣體對(duì)容器的壓強(qiáng)是大量氣體分子對(duì)容器器壁的頻繁碰撞引起的.影響氣體壓強(qiáng)大小的因素有兩個(gè):一個(gè)是氣體分子的平均動(dòng)能,一個(gè)是分子的密集程度(單位體積內(nèi)的分子數(shù)).如何分析論證這個(gè)結(jié)論呢?課堂上,教師可以2013年北京高考物理壓軸題為例,引導(dǎo)學(xué)生通過建模并利用動(dòng)量定理進(jìn)行分析論證.

        【例1】(2013年高考北京卷第24題)正方體密閉容器中有大量運(yùn)動(dòng)粒子,每個(gè)粒子質(zhì)量為m,單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量.為簡(jiǎn)化問題,我們假定:粒子大小可以忽略;其速率均為v,且與器壁各面碰撞的機(jī)會(huì)均等;與器壁碰撞前后瞬間,粒子速度方向都與器壁垂直,且速率不變.利用所學(xué)力學(xué)知識(shí),導(dǎo)出器壁單位面積所受粒子壓力f與m,n和v的關(guān)系.(注意:解題過程中需要用到、但題目中沒有給出的物理量,要在解題時(shí)做必要的說明)

        實(shí)踐表明,學(xué)生分析論證的難點(diǎn)往往在于,如何求分子對(duì)容器壁某一面碰撞的總分子數(shù).破解的方法是:由于分子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率相等,因此對(duì)某一正方形容器壁碰撞的分子數(shù)占容器內(nèi)分子總數(shù)的六分之一,這里滲透了概率統(tǒng)計(jì)的思想方法.分析論證完以后,教師還可以補(bǔ)充條件p=nkT,引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)分析論證:為什么說溫度是大量分子平均動(dòng)能的標(biāo)志(嚴(yán)格說是分子平均平動(dòng)能的標(biāo)志).

        3 科學(xué)探究

        布朗運(yùn)動(dòng)是大量分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的最有說服力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的探究能夠很好地說明“問題”、“證據(jù)”、“解釋”“交流與合作”等探究要素.教學(xué)環(huán)節(jié)如下:

        (1)回顧歷史.1827年,英國(guó)植物學(xué)家布朗(R.Brown,1773-1858)在顯微鏡下觀察到:懸浮在水中的花粉做無規(guī)則運(yùn)動(dòng),無論是什么時(shí)候觀看,花粉都在不知疲倦地做著無規(guī)則運(yùn)動(dòng).

        (2)提出問題.懸浮在水中的花粉為什么永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)?引導(dǎo)學(xué)生展開猜想.

        猜想1:花粉仍具有一定的生命力?

        (3)獲取證據(jù).用各種無機(jī)物的粉末撒在水中做實(shí)驗(yàn),仍能觀察到小顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng).排除猜想1.

        (4)提出猜想2.是外界氣流的擾動(dòng)造成的?

        (5)獲取證據(jù).關(guān)閉門窗,仍能觀察到這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

        (6)解釋.懸浮顆粒做不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷地改變,那么它一定受到某種力的作用.實(shí)驗(yàn)排除了懸浮顆粒本身的因素和外部空氣的擾動(dòng).那么,只能是液體對(duì)懸浮顆粒施加的這種作用力.從微觀看,應(yīng)該是液體分子對(duì)懸浮顆粒施加的作用力.和懸浮顆粒相比,液體分子很?。蛘哒f,懸浮微粒的周圍被大量的液體分子包圍著,由于液體分子不停地運(yùn)動(dòng),于是頻繁地和固體顆粒發(fā)生碰撞.固體顆粒越小,液體分子碰撞固體顆粒的不平衡性就越明顯.這種不平衡作用導(dǎo)致了懸浮顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng).

        科學(xué)探究過程中,無論是提出問題,還是猜想假設(shè)、獲取證據(jù)、嘗試性解釋,都不是單個(gè)學(xué)生所能完成的.其中需要同學(xué)間的交流與合作.課堂上,教師利用布朗運(yùn)動(dòng)這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),借助物理學(xué)史料創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生模擬科學(xué)家開展探究活動(dòng),有助于學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究諸要素,提高學(xué)生的科學(xué)探究能力.

        4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

        4.1 形成正確的科學(xué)發(fā)展觀

        首先,學(xué)習(xí)分子動(dòng)理論有助于學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)與技術(shù)的辯證發(fā)展關(guān)系.沒有顯微鏡的發(fā)明,英國(guó)科學(xué)家羅伯特·虎克不可能發(fā)現(xiàn)細(xì)胞,當(dāng)然也就沒有后來的細(xì)胞生物學(xué);沒有顯微鏡的發(fā)明,布朗也不可能發(fā)現(xiàn)以他的名字命名的布朗運(yùn)動(dòng),也就不可能有后來的分子動(dòng)理論.沒有蒸汽機(jī)的發(fā)明,卡諾熱機(jī)理論和熱力學(xué)第二定律也不可能建立起來.這是技術(shù)促進(jìn)科學(xué)理論發(fā)展的典型事例.

        其次,科學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順的,科學(xué)發(fā)展的道路往往是漫長(zhǎng)曲折的.從1827年布朗觀察到布朗運(yùn)動(dòng)開始,到1877年德耳索用液體分子碰撞的不平衡性解釋布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因,前后整整過去了50年,到愛因斯坦用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)分子動(dòng)理論進(jìn)行定量研究并提出測(cè)定分子大小的方法,又過去了30年的時(shí)間.由此可見,科學(xué)理論的建立往往需要幾代人的努力和付出.

        4.2 培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任

        從分子動(dòng)理論的建立到熱力學(xué)第一定律、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn),人類社會(huì)逐漸從手工勞動(dòng)進(jìn)入到機(jī)器大生產(chǎn)時(shí)代,大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,促進(jìn)了物質(zhì)產(chǎn)品的極大豐富,但也不可避免地帶來了能源危機(jī)和人類生存環(huán)境的惡化.通過分子動(dòng)理論一章的學(xué)習(xí),教師需要向?qū)W生滲透2個(gè)意識(shí):科技造福人類的意識(shí)、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的意識(shí).樹立這3個(gè)意識(shí),才能保證科學(xué)發(fā)展不會(huì)偏離正確的軌道,人類的明天才能更美好.

        1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿》.2016

        2 人民教育出版社編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.物理選修3-3.北京:人民教育出版社,2010

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