8.4氣體熱現(xiàn)象的微觀意義_第1頁(yè)
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1、8.4 氣體熱現(xiàn)象的微觀意義一、教學(xué)目標(biāo)在物理知識(shí)方面的要求:( 1 )能用氣體分子動(dòng)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(duì)應(yīng)的微觀物理量間的相關(guān)聯(lián)系。( 2 )能用氣體分子動(dòng)理論解釋三個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)定律。通過(guò)讓學(xué)生用氣體分子動(dòng)理論解釋有關(guān)的宏觀物理現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)生的微觀想像能力和邏輯推理能力,并滲透“統(tǒng)計(jì)物理”的思維方法。通過(guò)對(duì)宏觀物理現(xiàn)象與微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析,對(duì)學(xué)生滲透“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學(xué)思維方法。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析用氣體分子動(dòng)理論來(lái)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。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(duì)微觀粒子復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有豐

2、富的想像力。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(guò)程(一)引入新課設(shè)問(wèn):氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)有哪些?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(gè)分子都可以在空間自由移動(dòng),一定質(zhì)量的氣體的分子可以充滿整個(gè)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(guò)這種碰撞可傳遞能量,其中任何一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)方向和速率大小都是不斷變化的,這就是雜亂無(wú)章的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)。3 )從總體上看氣體分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)均等,因此對(duì)大量分子而言,在任一時(shí)刻向容器各

3、個(gè)方向運(yùn)動(dòng)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(gè)分布狀態(tài)與溫度有關(guān),溫度升高時(shí),平均速率會(huì)增大。今天我們就是要從氣體分子運(yùn)動(dòng)的這些特點(diǎn)和規(guī)律來(lái)解釋氣體實(shí)驗(yàn)定律。2、關(guān)于氣體壓強(qiáng)微觀解釋的教學(xué)首先通過(guò)設(shè)問(wèn)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(dòng)的微觀狀態(tài)物理量間的聯(lián)系:溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志,對(duì)確定的氣體而言,溫度與分子運(yùn)動(dòng)的平均速率有關(guān),溫度越高,反映氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率體積影響到分子密度(即單位體積內(nèi)的分子數(shù)),對(duì)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

4、體積內(nèi)n 越小。然后再設(shè)問(wèn):氣體壓強(qiáng)大小反映了氣體分子運(yùn)動(dòng)的哪些特征呢?這應(yīng)從氣體對(duì)容器器壁壓強(qiáng)產(chǎn)生的機(jī)制來(lái)分析。先讓學(xué)生看用計(jì)算機(jī)模擬氣體分子運(yùn)動(dòng)撞擊器壁產(chǎn)生壓強(qiáng)的機(jī)制:顯示出如圖1 所示的圖形:向同學(xué)介紹:如圖所示是一個(gè)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(zhǎng)為原長(zhǎng)。 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(dòng)的分子數(shù)相等,為簡(jiǎn)化問(wèn)題, 我們僅討論向活塞方向運(yùn)動(dòng)的分子。大屏幕上顯示圖2 ,即圖中顯示的僅為總分子數(shù)的合,(圖中顯示的“分子”暫呈靜態(tài))先看其中一個(gè)(圖

5、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(lái),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(dòng)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(dòng),對(duì)活塞連續(xù)不斷地碰撞,碰后的“分子”反彈回來(lái),有的返回途中與別的“分子”相撞后改變方向,有的與活塞對(duì)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(dòng)狀態(tài),而活塞被擠后有一個(gè)小的位移,且相對(duì)穩(wěn)定,如圖3 所示的一個(gè)動(dòng)態(tài)畫面。時(shí)間上要顯示15 30 秒定格一次,再動(dòng)態(tài)顯示 15 30 秒,再定格。得出結(jié)論:由此可見氣體對(duì)容器壁的壓強(qiáng)是大量分子對(duì)器壁連續(xù)不斷地碰撞所產(chǎn)生

6、的。進(jìn)一步分析:若每個(gè)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(dòng)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(duì)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(duì)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

7、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(dòng)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。3用氣體分子動(dòng)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(huì)學(xué)生用氣體分子動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)定律的基本思維方法和簡(jiǎn)易符號(hào)表述形式。范例:用氣體分子動(dòng)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(gè)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?lái)的幾分之一

8、,因此氣體的壓強(qiáng)也減為原來(lái)的幾分之一;反之若體積減小為原來(lái)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(hào)簡(jiǎn)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(dòng)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

9、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(gè)人都獨(dú)立地用書面詳細(xì)文字?jǐn)⑹龊陀梅?hào)簡(jiǎn)易表述的方法來(lái)對(duì)查理定律進(jìn)行微觀解釋,然后由平時(shí)物理成績(jī)較好的學(xué)生口述,與下面正確答案核對(duì)。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(dòng)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(hào)簡(jiǎn)易表示為:( 3 )讓學(xué)生再次練習(xí),用氣體分子動(dòng)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(hào)表示, 然后讓物理成績(jī)?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(duì)。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(dòng)的平均速率 v 會(huì)增加,那么單位體積內(nèi)的分子數(shù)( n)一定要減?。ǚ駝t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

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