尹德利
(北京市东方德才学校 北京 100025)
王言伟
(莒南县板泉镇第二中学 山东 临沂 276622)
《普通高中物理课程标准》(2016征求意见稿)指出,物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力.物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面构成.其中,物理观念包括“物质观念”、“运动观念”、“相互作用观念”、“能量观念及其应用”.“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流与合作等要素.“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素.
新修订的《课程标准》(征求意见稿)用核心素养替代原来的三维教学目标,是三维教学目标的进一步提炼和整合.课改实施这么多年,许多一线物理教师已经熟悉三维教学目标的制定,但如何从物理核心素养的角度分析教材,制定体现物理学科核心素养的教学目标,对一些物理教师来说可能还不是很清楚.“分子动理论”一章在物理高考中往往被视为非主干知识而不加重视,许多一线教师只关注知识内容,而对隐藏在知识背后的物理思想观念、过程方法、德育教育往往不加重视.为此,本文以“分子动理论”为例,分析说明物理核心素养在本章知识中的具体体现.
“分子动理论”一章主要是从运动的角度阐述物质分子热运动的性质,不涉及到物质分子内部的结构和不同物质分子的形态变化,虽然也涉及到分子的大小,但主要是为了说明物质是由大量分子组成的.
由于分子永不停息地做无规则运动,从逻辑上可以推出分子之间存在着空隙,这一推论由酒精和水混合后总体积变小的实验证实.由于物体很难被压缩,可知分子之间存在着相互作用的斥力,铅块引力实验、液体表面张力实验则说明分子之间除了存在斥力外,还存在着引力.从分子力的本质看,分子间的引力和斥力属于电磁力范畴.
由于任何分子都是由原子构成的,原子又是由带正电的原子核和核外带负电的电子组成的.同号电荷相斥、异号电荷相吸,按照库仑定律,电荷之间的静电力随着电荷间距离的增大而按平方反比减小.因此,两个分子之间,引力和斥力同时存在,二者都随分子间的距离增大而减小.但当分子间距离大于10倍的平衡距离时,分子间作用力近似为零.
由于分子永不停息地做无规则运动,因此每个分子都有动能——分子动能.物体温度越高,分子无规则运动越剧烈,从微观的角度看,温度是大量分子做无规则运动的标志.
由于分子力做功与分子的位置有关而与分子运动的路径无关,因此分子之间还存在着分子势能.物体内所有分子的动能和分子势能的总和构成了物体的内能.
由于气体分子间的距离远大于分子间的平衡距离,因此气体分子间除了碰撞以外,分子间作用力可以忽略不计,与分子力有关的分子势能当然也不存在,这就构建出了理想气体模型.热力学第一定律指出,改变物体内能的方法有做功和热传递,能量守恒定律告诉我们,无论采用哪种方式改变物体的内能,系统总的能量是不变的.热力学第二定律指出,涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的.
经过上述分析,本章的物理观念如下:
(1)物质观念.物体是由大量分子组成的;
(2)运动观念.分子永不停息地做无规则运动,温度越高,分子运动越剧烈;涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的,或者说,第二类永动机不可能制成;
(3)相互作用观念.分子间既有引力也有斥力,引力和斥力同时存在,二者都随分子间距离的增大而减小;
(4)能量及其应用观念.做功和热传递都能改变物体的内能.在做功和热传递过程中,系统总能量保持不变.也就是说,第一类永动机不可能制成.
“分子动理论”一章提出了许多物理模型.例如,利用油膜法测量分子直径采用了分子球模型(图1).估算气体分子间的距离,建立了气体分子空间分布的立方体模型(图2).
图1 分子球模型
图2 立方体模型
为了说明分子间的作用力和分子势能,引入了分子力作用模型(图3).在研究气体的性质时,引入了理想气体模型等等.
图3 分子作用力模型
由于分子肉眼看不见,甚至在光学显微镜下也不可见.因此,人类无法通过直接观察分子得出科学结论,而必须通过观察宏观现象并借助逻辑的力量,揭示隐藏在宏观现象背后的微观本质.例如,为什么说分子间存在着空隙?为什么说分子间引力和斥力同时存在?为什么说布朗运动反映了液体(或气体)分子的无规则运动?这些结论的得出,无一不是科学推理的结果.课堂上,教师利用这些问题,能够很好地训练学生的科学推理能力.
从微观的角度看,气体对容器的压强是大量气体分子对容器器壁的频繁碰撞引起的.影响气体压强大小的因素有两个:一个是气体分子的平均动能,一个是分子的密集程度(单位体积内的分子数).如何分析论证这个结论呢?课堂上,教师可以2013年北京高考物理压轴题为例,引导学生通过建模并利用动量定理进行分析论证.
【例1】(2013年高考北京卷第24题)正方体密闭容器中有大量运动粒子,每个粒子质量为m,单位体积内粒子数量n为恒量.为简化问题,我们假定:粒子大小可以忽略;其速率均为v,且与器壁各面碰撞的机会均等;与器壁碰撞前后瞬间,粒子速度方向都与器壁垂直,且速率不变.利用所学力学知识,导出器壁单位面积所受粒子压力f与m,n和v的关系.(注意:解题过程中需要用到、但题目中没有给出的物理量,要在解题时做必要的说明)
实践表明,学生分析论证的难点往往在于,如何求分子对容器壁某一面碰撞的总分子数.破解的方法是:由于分子向各个方向运动的几率相等,因此对某一正方形容器壁碰撞的分子数占容器内分子总数的六分之一,这里渗透了概率统计的思想方法.分析论证完以后,教师还可以补充条件p=nkT,引导学生继续分析论证:为什么说温度是大量分子平均动能的标志(严格说是分子平均平动能的标志).
布朗运动是大量分子永不停息地做无规则运动的最有说服力的实验基础.对布朗运动的探究能够很好地说明“问题”、“证据”、“解释”“交流与合作”等探究要素.教学环节如下:
(1)回顾历史.1827年,英国植物学家布朗(R.Brown,1773-1858)在显微镜下观察到:悬浮在水中的花粉做无规则运动,无论是什么时候观看,花粉都在不知疲倦地做着无规则运动.
(2)提出问题.悬浮在水中的花粉为什么永不停息地做无规则运动?引导学生展开猜想.
猜想1:花粉仍具有一定的生命力?
(3)获取证据.用各种无机物的粉末撒在水中做实验,仍能观察到小颗粒的无规则运动.排除猜想1.
(4)提出猜想2.是外界气流的扰动造成的?
(5)获取证据.关闭门窗,仍能观察到这种实验现象.
(6)解释.悬浮颗粒做不停地无规则运动,其运动状态不断地改变,那么它一定受到某种力的作用.实验排除了悬浮颗粒本身的因素和外部空气的扰动.那么,只能是液体对悬浮颗粒施加的这种作用力.从微观看,应该是液体分子对悬浮颗粒施加的作用力.和悬浮颗粒相比,液体分子很小.或者说,悬浮微粒的周围被大量的液体分子包围着,由于液体分子不停地运动,于是频繁地和固体颗粒发生碰撞.固体颗粒越小,液体分子碰撞固体颗粒的不平衡性就越明显.这种不平衡作用导致了悬浮颗粒的无规则运动.
科学探究过程中,无论是提出问题,还是猜想假设、获取证据、尝试性解释,都不是单个学生所能完成的.其中需要同学间的交流与合作.课堂上,教师利用布朗运动这个经典实验,借助物理学史料创设问题情境,让学生模拟科学家开展探究活动,有助于学生深刻领会科学探究诸要素,提高学生的科学探究能力.
首先,学习分子动理论有助于学生正确认识科学与技术的辩证发展关系.没有显微镜的发明,英国科学家罗伯特·虎克不可能发现细胞,当然也就没有后来的细胞生物学;没有显微镜的发明,布朗也不可能发现以他的名字命名的布朗运动,也就不可能有后来的分子动理论.没有蒸汽机的发明,卡诺热机理论和热力学第二定律也不可能建立起来.这是技术促进科学理论发展的典型事例.
其次,科学发展不是一帆风顺的,科学发展的道路往往是漫长曲折的.从1827年布朗观察到布朗运动开始,到1877年德耳索用液体分子碰撞的不平衡性解释布朗运动产生的原因,前后整整过去了50年,到爱因斯坦用统计学方法对分子动理论进行定量研究并提出测定分子大小的方法,又过去了30年的时间.由此可见,科学理论的建立往往需要几代人的努力和付出.
从分子动理论的建立到热力学第一定律、能量守恒定律的发现,人类社会逐渐从手工劳动进入到机器大生产时代,大大提高了劳动生产率,促进了物质产品的极大丰富,但也不可避免地带来了能源危机和人类生存环境的恶化.通过分子动理论一章的学习,教师需要向学生渗透2个意识:科技造福人类的意识、节能减排和可持续发展的意识.树立这3个意识,才能保证科学发展不会偏离正确的轨道,人类的明天才能更美好.
1 普通高中课程标准修订组.《普通高中物理课程标准(征求意见稿》.2016
2 人民教育出版社编.普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-3.北京:人民教育出版社,2010