李富恩 王曉梅 何彥雨

氣體的等溫變化是人教版新課標(biāo)《高中物理(選修3-3)》第八章《氣體》的第一節(jié)內(nèi)容，也是這一章的重點(diǎn)知識(shí)，它是在氣體質(zhì)量一定、溫度不變的情況下研究氣體的壓強(qiáng)和體積之間的關(guān)系。為后面查理定律和蓋呂薩克定律的研究做鋪墊。學(xué)生通過必修和選修的學(xué)習(xí)，基本掌握了研究多個(gè)物理量間的關(guān)系時(shí)應(yīng)用控制變量法的研究思路。并且具備一定的分析探究能力，能概括總結(jié)一定的物理規(guī)律，根據(jù)圖像法分析、處理最基本的物理規(guī)律。

課堂教學(xué)先讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，在處理數(shù)據(jù)時(shí)遇到很大阻力，但在用DIS系統(tǒng)借助技術(shù)手段輕松解決了圖線問題，通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)到了在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，通過觀察和實(shí)驗(yàn)來研究物理問題的思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的探究能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)過程

1.提出問題 引入新課

問題1：滿足什么條件就能把氣體充入車胎內(nèi)，如圖1所示。

問題2：隨著不斷充入氣體，車胎內(nèi)壓強(qiáng)有什么變化？

問題3：車胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)和什么因素有關(guān)？

結(jié)論：在體積一定的情況下，充入的氣體質(zhì)量越多，壓強(qiáng)越大。

問題4：給自行車打足氣后在烈日下暴曬，常常會(huì)爆胎，為什么呢？

問題5：壓癟的乒乓球，能否將它復(fù)原？演示實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖1

引導(dǎo)學(xué)生分析得出：在質(zhì)量相同情況下，溫度越高，氣體壓強(qiáng)越大。

教師：研究的是封閉在車胎內(nèi)或乒乓球內(nèi)氣體的物理學(xué)問題，研究物理學(xué)問題，要用—定的物理量來描述。問題不同，所用的物理量也不同，在力學(xué)中，用位移、速度等物理量描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，研究氣體的熱學(xué)性質(zhì)，則要用體積、壓強(qiáng)、溫度等物理量來描述氣體的狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參量。

描述氣體的3個(gè)狀態(tài)參量如下所示。

(1)溫度(T)：廣義定義表示物體的冷熱程度。

圖2

(2)體積(V)：氣體分子所能達(dá)到的空間。單位常用的有1 m3=103dm3(L)=106cm3(mL)

(3)壓強(qiáng)(P)：容器壁單位面積上受到的壓力。單位：Pa，1 Pa=1 N/m2，1 atm=1.01×105 Pa=76 cmHg。

2.實(shí)驗(yàn)猜想 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

對(duì)于給定的一部分氣體，首先氣體質(zhì)量不變，在研究P，V，T三者之間關(guān)系時(shí)，需要利用控制變量法：即溫度不變時(shí)，研究氣體的壓強(qiáng)和體積關(guān)系；體積不變時(shí)，研究壓強(qiáng)和溫度關(guān)系；當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，研究溫度和體積關(guān)系。

(1)實(shí)驗(yàn)猜想

課堂利用實(shí)驗(yàn)研究溫度不變時(shí)氣體的壓強(qiáng)和體積關(guān)系。當(dāng)研究兩個(gè)量之間關(guān)系時(shí)，首先猜測兩者之間的關(guān)系：P∝V，P∝V2，P∝V3或者P∝1/V，P∝1/V2，P∝1/V3……

(2)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：鐵架臺(tái)、帶有橡膠塞的注射器、壓力表等，實(shí)驗(yàn)安裝如圖3所示，設(shè)置表格見表1，將實(shí)驗(yàn)中氣體的壓強(qiáng)和體積填入相應(yīng)的位置，并求出體積的倒數(shù)和P，V的乘積。然后繪出P-V和圖像。

圖3

表1

在實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)過程難度不高，難在后面的計(jì)算和畫圖方面，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)大致體會(huì)到了體會(huì)到了P-V圖像并不是直線，也感受到了數(shù)據(jù)處理的困難，之后進(jìn)入下一環(huán)節(jié)利用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。

3.DIS演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：DisLab系統(tǒng)、注射器、壓強(qiáng)傳感器，實(shí)驗(yàn)安裝圖如圖4所示。

圖4

實(shí)驗(yàn)方案：

首先，驗(yàn)證P-V和，尋找圖線為直線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果得不到直線就繼續(xù)尋找P-V2和的關(guān)系圖，一直找到直線為止。學(xué)生配合教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打開DIS系統(tǒng)，進(jìn)入“氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)條目，氣體的壓強(qiáng)由壓強(qiáng)傳感器直接輸入電腦，體積由注射器刻度由學(xué)生讀出，手動(dòng)輸入表格中。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)計(jì)算”，計(jì)算出體系的倒數(shù)及體積與壓強(qiáng)的乘積兩組數(shù)據(jù)，觀察發(fā)現(xiàn)體積與壓強(qiáng)的乘積基本為一常數(shù)。點(diǎn)擊“P-V圖像”，在坐標(biāo)系中繪出“壓強(qiáng)-體積”關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊“曲線擬合”繪出基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的反比擬合圖線，如圖5所示，點(diǎn)擊“P-1/V圖像”，在坐標(biāo)系中繪出“壓強(qiáng)-體積倒數(shù)”關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)擊“曲線擬合”，繪出基于數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性擬合圖線，如圖6所示[1]。

圖5

圖6

引導(dǎo)學(xué)生分析：

第一，直線不過原點(diǎn)的原因是系統(tǒng)誤差還是偶然誤差？

第二，如何減小誤差：實(shí)驗(yàn)時(shí)推動(dòng)活塞要緩慢，手不要去握注射器，活塞圖上潤滑油，體積在讀數(shù)時(shí)眼睛要與刻度平齊。

結(jié)論：在質(zhì)量一定時(shí)，當(dāng)氣體的溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)與體積成反比。

4.玻意耳定律

英國的物理學(xué)家玻意耳和法國的科學(xué)家馬略特在17世紀(jì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)P與體積V成反比，即P∝1/V。

(1)一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)P與體積V成反比，即P∝1/V。

(2)PV=C，式中的C為常量；或者P1V1=P2V2。

其中，P1，V1，P2，V2分別表示氣體在1、2兩個(gè)不同狀態(tài)下的壓強(qiáng)和體積。這個(gè)規(guī)律稱作玻意耳定律。

例題：在A，B兩個(gè)注射器中分別封閉1×105Pa，300 mL與1×105Pa，400 mL，在相同環(huán)境下，將體積緩慢地壓縮一半，其壓強(qiáng)分別為多少？

需要注意以下三點(diǎn)。

一是，必須找準(zhǔn)兩個(gè)不同的狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的P值，V值。

二是，應(yīng)用玻意耳定律做題時(shí)P，V兩個(gè)物理量不一定都要轉(zhuǎn)化為國際單位，只要兩邊物理量單位對(duì)應(yīng)就可以。在上面例題中，進(jìn)一步分析：用玻意耳定律計(jì)算不同體積下氣體的壓強(qiáng)，并完成表2。

表2

三是，在溫度相同的情況下，封閉氣體質(zhì)量越大，圖線離原點(diǎn)越遠(yuǎn)。如圖7所示。

圖7

5.氣體等溫變化的P-V圖像

由上述實(shí)驗(yàn)可得，P-1/V圖像表示的線性關(guān)系，為了直觀描述壓強(qiáng)P與體積V的關(guān)系，通常還是用P-V坐標(biāo)系。一定質(zhì)量的P-V圖像如圖8所示，圖線的形狀為雙曲線。由于描述的是溫度不變時(shí)的P-V關(guān)系，因此稱其為等溫線。一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的等溫線是不同的[2]。

圖8

請(qǐng)學(xué)生分析圖8中T1，T2哪個(gè)高？

結(jié)論：在質(zhì)量相同的情況下，氣體溫度越高，離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)。

6.本節(jié)課主要內(nèi)容小結(jié)

(1)體積相同情況下，質(zhì)量越大，壓強(qiáng)越大。

(2)質(zhì)量相同情況下，溫度越高，壓強(qiáng)越大。

(3)玻意耳定律：在質(zhì)量一定，壓強(qiáng)不變的情況下，氣體的壓強(qiáng)與體積成反比。

(4)在溫度相同的情況下，封閉氣體質(zhì)量越大，P-V圖線離原點(diǎn)越遠(yuǎn)。

(5)在質(zhì)量相同的情況下，氣體溫度越高，P-V圖線離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)。

二、問題與思考

在教學(xué)中，由于目前沒有數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，只能進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與度不夠，大多數(shù)學(xué)生不能親自操作，并沒有很好地鍛煉學(xué)生的操作能力。而且由于課時(shí)限制，不能深入分析直線不過原點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)誤差?？梢苑旁谡n后讓學(xué)生進(jìn)行思考、分析。

本節(jié)課以問題開始，以問題結(jié)束，很好地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和探究能力，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理提高學(xué)生的概括能力和解決問題的能力。通過自行車打氣、乒乓球在熱水中的復(fù)原兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)來引入課題，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、生活中常見，很容易吸引學(xué)生的注意力，從而順利地引入課題。

在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生主動(dòng)積極參與。首先，學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中層層深入，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)的要求。其次，學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證猜想。在實(shí)驗(yàn)中感受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，體驗(yàn)借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)室的便捷、直觀、科學(xué)的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)的信心。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：利用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出玻意耳定律，并利用波意耳定律解決有關(guān)問題。教學(xué)內(nèi)容明確，很好地提高了教學(xué)效率，完成了教學(xué)任務(wù)。此課既充分聯(lián)系生活實(shí)際，又培養(yǎng)了學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力。