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分子動理論的教學(xué)設(shè)計

時間:2022-08-17 07:59:49 高一物理教案 我要投稿
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分子動理論的教學(xué)設(shè)計

  分子動理論的教學(xué)設(shè)計

分子動理論的教學(xué)設(shè)計

  一、教學(xué)目標

  1.在物理知識方面要求:

 。1)知道分子的動能,分子的平均動能,知道物體的溫度是分子平均動能大小的標志。

 。2)知道分子的勢能跟物體的體積有關(guān),知道分子勢能隨分子間距離變化而變化的定性規(guī)律。

  (3)知道什么是物體的內(nèi)能,物體的內(nèi)能與哪個宏觀量有關(guān),能區(qū)別物體的內(nèi)能和機械能。

  (4)知道做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,知道兩者的區(qū)別,了解熱功參量的意義。

  2.在培養(yǎng)學(xué)生能力方面,這節(jié)課中要讓學(xué)生建立:分子動能、分子平均動能、分子勢能、物體內(nèi)能、熱量等五個以上物理概念,又要讓學(xué)生初步知道三個物理規(guī)律:溫度與分子平均動能關(guān)系,分子勢能與分子間距離關(guān)系,做功與熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的關(guān)系。因此,教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解能力。

  3.滲透物理學(xué)方法的教育:在分子平均動能與溫度關(guān)系的講授中,滲透統(tǒng)計的方法。在分子間勢能與分子間距離的關(guān)系上和做功與熱傳遞關(guān)系上都要滲透歸納推理方法。

  二、重點、難點分析

  1.教學(xué)重點是使學(xué)生掌握三個概念(分子平均動能、分子勢能、物體內(nèi)能),掌握三個物理規(guī)律(溫度與分子平均動能關(guān)系、分子勢能與分子之間距離關(guān)系、熱傳遞與功的關(guān)系)。

  2.區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量三個物理量是教學(xué)上的一個難點;分子勢能隨分子間距離變化的勢能曲線是教學(xué)上的另一難點。

  三、教具

  1.壓縮氣體做功,氣體內(nèi)能增加的演示實驗:

  圓形玻璃筒、活塞、硝化棉。

  2.幻燈及幻燈片,展示分子間勢能隨分子間距離變化而變化的曲線。

  四、主要教學(xué)過程

  (一)引入新課

  我們知道做機械運動的物體具有機械能,那么熱現(xiàn)象發(fā)生過程中,也有相應(yīng)的能量變化。另一方面,我們又知道熱現(xiàn)象是大量分子做無規(guī)律熱運動產(chǎn)生的。那么熱運動的能量與大量的無規(guī)律運動有什么關(guān)系呢?這是今天學(xué)習(xí)的問題。

 。ǘ┙虒W(xué)過程 的設(shè)計

  1.分子的動能、溫度

  物體內(nèi)大量分子不停息地做無規(guī)則熱運動,對于每個分子來說都有無規(guī)則運動的動能。由于物體內(nèi)各個分子的速率大小不同,因此,各個分子的動能大小不同。由于熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運動的結(jié)果,所以研究個別分子運動的動能是沒有意義的。而研究大量分子熱運動的動能,需要將所有分子熱運動動能的平均值求出來,這個平均值叫做分子熱運動的平均動能。

  學(xué)習(xí)布朗運動和擴散現(xiàn)象時,我們知道布朗運動和擴散現(xiàn)象都與溫度有關(guān)系,溫度越高,布朗運動越激烈,擴散也加快。依照,這說明溫度升高后分子無規(guī)則運動加劇。用上述分子熱運動的平均動能來說明,就是溫度升高,分子熱運動的平均動能增大。如果溫度降低,說明分子熱運動的平均動能減小。因此從觀點來看,溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志!皹酥尽钡暮x是指物體溫度升高或降低,表示了物體內(nèi)部大量分子熱運動的平均動能增大或減小。溫度不變,就表示了分子熱運動的平均動能不變。其他宏觀物理量如時間、質(zhì)量、物質(zhì)種類都不是分子熱運動平均動能的標志。但是,溫度不是直接等于分子的平均動能。

  另一方面,溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運動的統(tǒng)計意義上的平均動能相對應(yīng),對于個別分子或幾十個、幾百個分子熱運動的動能大小與溫度是沒有關(guān)系的。

  我們知道,溫度這個物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度,而它又是大量分子熱運動平均動能大小的標志,這是溫度的微觀含義。

  2.分子勢能

  分子間存在著相互作用力,因此分子間具有由它們的相對位置決定的勢能,這就是分子勢能。

  如果分子間距離約為10-10m數(shù)量級時,分子的作用力的合力為零,此距離為r0。

  當(dāng)分子距離小于r0時,分子間的作用力表現(xiàn)為斥力,要減小分子間的距離必須克服斥力做功,因此,分子勢能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮,彈性勢能Ep增大。

  如果分子間距離大于r0時,分子間的相互作用表現(xiàn)為引力,要增大分子間的距離必須克服引力做功,因此,分子勢能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸,Ep增大。

  從以上兩種情況綜合分析,分子間距離以r0為數(shù)值基準,r不論減小或增大,分子勢能都增大。所以說,分子在平衡位置處是分子勢能最低點。如果分子間距離是無限遠時,取分子勢能為零值,分子間距離從無限遠逐漸減少至r0以前過程,分子間的作用力表現(xiàn)為引力,而且距離減少,分子引力做正功,分子勢能不斷減小,其數(shù)值將比零還小為負值。當(dāng)分子間距離到達r0以后再減小,分子作用力表現(xiàn)為斥力,在分子間距離減小過程中,克服斥力做功,使分子勢能增大。其數(shù)值將從負值逐漸變大至零,甚至為正值。分子勢能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現(xiàn)出來。從圖中看到分子間距離在r0處,分子勢能最小。

  既然分子勢能的大小與分子間距離有關(guān),那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢能的大小變化情況呢?如果對于確定的物體,它的體積變化,直接反映了分子間的距離,也就反映了分子間的勢能變化。所以分子勢能的大小變化可通過宏觀量體積來反映。

  3.物體的內(nèi)能

  (1)物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和,叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運動并且相互作用著的分子組成,因此任何物體都是有內(nèi)能的。

  提問學(xué)生:宏觀量中哪些物理量是分子熱運動的平均動能和分子勢能的標志?

  根據(jù)學(xué)生的回答,引導(dǎo)到一個確定的物體,分子總數(shù)是固定的,那么這物體的內(nèi)能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體,那么物體的內(nèi)能大小是由質(zhì)量、溫度、體積和物態(tài)來決定。

  課堂討論題:下列各個實例中,比較物體的內(nèi)能大小,并說明理由。

 、僖粔K鐵由15℃升高到55℃,比較內(nèi)能。

  ②質(zhì)量是1kg50℃的鐵塊與質(zhì)量是0.1kg50℃的鐵塊,比較內(nèi)能。

 、圪|(zhì)量是1kg100℃的水與質(zhì)量是1kg100℃的水蒸氣,比較內(nèi)能。

 。2)物體機械運動對應(yīng)著機械能,熱運動對應(yīng)著內(nèi)能。任何物體都具有內(nèi)能,同時還可以具有機械能。例如在空中飛行的炮彈,除了具有內(nèi)能,還具有機械能——動能和重力勢能。

  提問學(xué)生:一輛汽車的車廂內(nèi)有一氣瓶氧氣,當(dāng)汽車以 60km/h行駛起來后,氣瓶內(nèi)氧氣的內(nèi)能是否增加?

  通過此問題,讓學(xué)生認識內(nèi)能是所有分子熱運動動能和分子勢能之總和,而不是分子定向移動的動能。另一方面,物體機械能增加,內(nèi)能不一定增加。

  4.物體的內(nèi)能改變的兩種方式

 。1)列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具,鋸條、木頭和刀具溫度升高,說明克服摩擦力做功,可以使物體的內(nèi)能增加。如果外力對物體做功全部用于物體內(nèi)能改變的情況下,外力做多少功,物體的內(nèi)能就改變多少。如果用W表示外界對物體做的功,用ΔE表示物體內(nèi)能的變化,那么有W=ΔE。功的單位是焦耳,內(nèi)能的單位也是焦耳。

  演示壓縮空氣,硝化棉燃燒。說明外力壓縮空氣過程,對氣體做功,使氣體的內(nèi)能增加,溫度升高到棉花的燃點而使其燃燒。

  以上實例說明做功可以改變物體的內(nèi)能。

 。2)在爐灶上燒熱水,火爐烤熱周圍物體,這些物體溫度升高內(nèi)能增加。這些實例說明依靠熱傳遞方式也可以使物體的內(nèi)能改變。物體吸收熱量,內(nèi)能增加。物體放出熱量,物體的內(nèi)能減少。如果傳遞給物體的熱量用Q表示,物體內(nèi)能的變化量是ΔE,那么,Q=ΔE。

  熱量的計算公式有:Q=mcΔt,Q=ML,Q=mλ(后面的兩個公式分別是物質(zhì)熔解和汽化時熱量的計算式)。熱量的單位是焦耳,過去的單位是卡。

  所以做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式。

  (3)做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。

  一杯水可以用加熱的方法(即熱傳遞方式)傳遞給它一定的熱量,使它從某一溫度升高到另一溫度。這過程中這杯水的內(nèi)能有一定量的變化。也可以采取做功的方式,比如用攪拌器在水中不斷攪拌,也可以使這杯水從相同的初溫度升高到同一高溫度,這樣,水的內(nèi)能會有相同的變化量。兩種方式不同,得到的結(jié)果是相同的。除非事先知道,否則我們無法區(qū)別是哪種方式使這杯水的內(nèi)能增加的。

  因此,做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。

 。4)雖然做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的,但是這兩種方式的物理過程有本質(zhì)的區(qū)別。做功使物體內(nèi)能改變的過程是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。而熱傳遞的過程只是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。

  課上練習(xí):

  1.判斷下面各結(jié)論是否正確?

  (1)溫度高的物體,內(nèi)能不一定大。

  (2)同樣質(zhì)量的水在100℃時的內(nèi)能比60℃時的內(nèi)能大。

  (3)內(nèi)能大的物體,溫度一定高。

 。4)內(nèi)能相同的物體,溫度一定相同。

  (5)熱傳遞過程一定是從內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量。

 。6)溫度高的物體,含有的熱量多,或者說內(nèi)能大的物體含有的熱量多。

 。7)摩擦鐵絲發(fā)熱,說明功可以轉(zhuǎn)化為熱量。

  答案:(1)、(2)是對的。

  2.在標準大氣壓下,100℃的水吸收熱量變成同溫度的水蒸氣的過程,下面的說法是否正確?

 。1)分子熱運動的平均動能不變,因而物體的內(nèi)能不變。

 。2)分子的平均動能增加,因而物體的內(nèi)能增加。

 。3)所吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。

 。4)分子的內(nèi)能不變。

  答案:以上四個結(jié)論都不對。

 。ㄈ┱n堂小結(jié)

  (1)這節(jié)課上新建立了三個物理概念:分子熱運動的平均動能、分子勢能、內(nèi)能。要知道這三個概念的確切含義,更為重要的是能夠區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量,知道內(nèi)能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系。

  (2)要掌握三個物理規(guī)律:分子熱運動的平均動能與溫度的關(guān)系、分子間的相互作用力與分子間距離的關(guān)系、做功與熱傳遞在使物體內(nèi)能改變上的關(guān)系。

  (四)說明

  這節(jié)課是概念性很強的課,又不是從物理實驗或物理現(xiàn)象直接得出結(jié)論的課。對于概念要知道引入的目的、確切含義、與其他概念的區(qū)別和聯(lián)系。所以課上要講分子熱運動平均動能、內(nèi)能、熱量等概念的意義,并且要通過實際例題,讓學(xué)生通過判斷、推理來加深對這些概念的認識。

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