“氣體的等溫變化”課堂教學(xué)實(shí)錄

王志芳

（北京市十一學(xué)校 北京 1000 39 ）

1 巧設(shè)實(shí)驗(yàn)激趣引入

師：我們生活在空氣的懷抱中，然而在很長時(shí)期內(nèi)，人們對(duì)空氣的性質(zhì)卻幾乎沒有想過要進(jìn)行研究．直到17 世紀(jì)中葉，意大利的物理學(xué)家托里拆利和維維尼亞揭示了“托里拆利真空”，人們才發(fā)覺空氣有著豐富奇妙的性質(zhì)，從而產(chǎn)生了研究空氣的興趣，并逐漸形成了對(duì)氣體性質(zhì)的一些認(rèn)識(shí)．今天，我們就來學(xué)習(xí)第八章——?dú)怏w．

設(shè)計(jì)思想：讓學(xué)生做吹氣球的小實(shí)驗(yàn)，目的是通過實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生求知的欲望，提高學(xué)生探究的積極性和主動(dòng)性．

多媒體投影：請(qǐng)一位學(xué)生上講臺(tái)前吹氣球，先直接吹，再將氣球放到瓶子里吹，如圖1所示．比較兩次吹氣球的大小，并思考這是為什么？

圖1 用嘴吹放在瓶子里的氣球

學(xué)生活動(dòng)：有一位學(xué)生到講臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)，其他學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：直接吹氣球時(shí)，很輕松地就將氣球吹大；當(dāng)將氣球放到瓶子中時(shí)，不能將氣球吹大．

師：平時(shí)我們可以很輕松地將氣球吹大，但將氣球放到瓶子里的時(shí)候，卻不能將其吹大，這是為什么呢？要解釋這個(gè)現(xiàn)象，就需要學(xué)習(xí)今天的知識(shí)．

2 心懷懸念進(jìn)行新課

師：為了描述物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，物理學(xué)中引入了哪些物理量來描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢？

生：引入了位移、速度、加速度、動(dòng)能等物理量．

師：為了描述氣體的性質(zhì)，常用氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度3個(gè)物理量描述氣體的狀態(tài)．

師：要想研究氣體的這3個(gè)狀態(tài)參量之間的關(guān)系，在物理學(xué)中應(yīng)采用什么樣的研究方法？

生：控制變量法．

師：很好！怎樣運(yùn)用控制變量法研究這3個(gè)物理量之間的關(guān)系？

生：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系；一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系；一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)不變的情況下，體積與溫度的關(guān)系．

師：今天，我們只研究一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的條件下，其壓強(qiáng)與體積的變化關(guān)系，把這種變化稱為氣體的等溫變化．

提出問題：一定質(zhì)量的氣體，在溫度保持不變的條件下，它的壓強(qiáng)和體積會(huì)發(fā)生怎樣的變化呢？下面請(qǐng)大家親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)一下．

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：用一個(gè)注射器封閉一定質(zhì)量的空氣，緩慢推動(dòng)活塞，觀察管中封閉空氣體積的變化，并思考?jí)簭?qiáng)的變化．

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：可觀察到注射器內(nèi)被活塞封閉氣體的體積不斷減小，而封閉氣體的壓強(qiáng)卻不斷增大．

教師解釋“緩慢”的涵義：為了保持溫度不變，在體積變化過程中，要求緩慢，由于氣體在體積變化過程中溫度會(huì)發(fā)生改變，要有足夠的時(shí)間使活塞中的氣體與外界形成熱交換至平衡，這樣才能保持研究對(duì)象的恒溫．

3 運(yùn)用舊知合理猜想

師：通過上述的定性實(shí)驗(yàn)和日常生活經(jīng)驗(yàn)，大家猜想，一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)與體積之間有何關(guān)系？

生：體積減小，壓強(qiáng)增大．

提出問題：通過上述兩個(gè)情景，很明顯可以知道，一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)其體積減小時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)增大，體積增大時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)減小．但通過上述情景，我們得到的只是壓強(qiáng)和體積的定性關(guān)系，下面通過實(shí)驗(yàn)來研究這兩個(gè)量之間的定量關(guān)系．

教師提示：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，一定要先明確實(shí)驗(yàn)的目的．

4 學(xué)生分組設(shè)計(jì)方案

教師巡回指導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案可能有一定的困難．教師進(jìn)一步提出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)注意的問題：

（1）實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象是什么？

（2）如何改變壓強(qiáng)p和體積V？

（3）如何測(cè)量壓強(qiáng)p和體積V？

（4）如何控制氣體的質(zhì)量m和溫度T 保持不變？

學(xué)生互相討論，設(shè)計(jì)方案．教師巡回指導(dǎo)，進(jìn)行指導(dǎo)、點(diǎn)撥．

教師：請(qǐng)同學(xué)們說出自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案．

5 發(fā)散思維展示方案

學(xué)生設(shè)計(jì)的方案可能不全，也可能與教師準(zhǔn)備的課件不相吻合，這時(shí)，教師應(yīng)該隨學(xué)生的回答適時(shí)控制幻燈片，最后可能設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案，最終確定出比較常見的有3種，分別出示3種方案．

學(xué)生方案1：此方案的原理來源于玻意耳當(dāng)年做過的實(shí)驗(yàn)，3種情況下的研究對(duì)象均為封閉在A管內(nèi)的氣體．在圖2（a）中，左、右兩管內(nèi)的液面相平，故被封閉氣體的壓強(qiáng)為p1＝p0，而第二種情況下，如圖2（b），封閉氣體的壓強(qiáng)為p1＝p0＋h，第三種情況下，如圖2（c），封閉氣體的壓強(qiáng)為p1＝p0－h(huán)．氣體的體積可由刻度盤上的刻度讀出來，氣柱的長度與管子橫截面積的乘積等于氣體的體積，因?yàn)槊總€(gè)狀態(tài)下的體積都與橫截面積有關(guān)，所以氣柱的長度可以代替氣體的體積．

師：為了保證在實(shí)驗(yàn)的過程中，保持氣體的溫度不變，應(yīng)該怎樣做？

生：不能用手去摸封閉氣體，做實(shí)驗(yàn)的過程中改變氣體的體積大小時(shí)，一定要緩慢，不能過快．

教師播放此方案的視頻錄像，學(xué)生觀看，掌握實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，熟悉實(shí)驗(yàn)操作過程．

圖2

圖3

學(xué)生方案2：如圖3所示，此方案的研究對(duì)象是封閉在注射器管內(nèi)的一定質(zhì)量的氣體，氣體的體積可由管壁上的刻度讀出，氣體的壓強(qiáng)則由上端的壓強(qiáng)計(jì)直接讀出．

學(xué)生方案3：如圖4所示，對(duì)壓強(qiáng)的測(cè)量也可以采取比較先進(jìn)的壓強(qiáng)傳感器，只需讀出氣體的體積，而氣體的壓強(qiáng)則由傳感器直接讀出．

圖4

師：關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的方案可能設(shè)計(jì)出很多種，在這里就不再一一列舉，今天僅用第三種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究．

6 實(shí)驗(yàn)探究教師點(diǎn)撥

如圖4所示，用DIS研究壓強(qiáng)與體積關(guān)系的實(shí)驗(yàn)操作，由一位學(xué)生做，另一位學(xué)生記錄數(shù)據(jù)．

師：大家注意分析記錄的數(shù)據(jù)，猜想實(shí)驗(yàn)過程中記錄的一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)p與體積V有什么定量關(guān)系？

7 數(shù)據(jù)處理合理猜想

設(shè)計(jì)思想：?jiǎn)l(fā)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，尋找關(guān)系時(shí)可以先猜想，再進(jìn)行驗(yàn)證的方法．

生：壓強(qiáng)p和體積V可能成反比．

師：我們可以采取什么方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理？

生甲：可以做出p－V圖像．

生乙：也可以計(jì)算p和V的乘積，看每一組數(shù)據(jù)的p V是否相等．

師：很好！我們不妨在電腦上做一下．

教師將剛才的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在電腦上作出p－V圖像后，發(fā)現(xiàn)圖線是一段曲線．

師：通過這段圖線能夠說明p與V是什么關(guān)系呢？

生丙：這段曲線可能是拋物線的一段，也可能是橢圓的某一段．

生丁：這段曲線也可能是雙曲線上的一段，即p與V之間可能成反比．

師：如何通過數(shù)據(jù)證明我們的猜測(cè)？

圖線是一條過原點(diǎn)的直線的話，就可以證明p與V之間是成反比的．

師：請(qǐng)同學(xué)們仔細(xì)分析，本實(shí)驗(yàn)的誤差來源在哪里？

生：是注射器與傳感器相連部分的體積沒有考慮進(jìn)去．

師：那么應(yīng)該怎樣減小本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差？

生：應(yīng)該用容積較大的注射器，在實(shí)驗(yàn)過程中，氣體的體積不宜壓得太小，這樣就使得注射器與傳感器相連部分的氣體的體積可以忽略．

師：通過剛才的實(shí)驗(yàn)探究過程，我們可以得到什么樣的結(jié)論？

8 歸納總結(jié)得出結(jié)論

生：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．

師：這個(gè)結(jié)論是英國的科學(xué)家玻意耳和法國的科學(xué)家馬略特各自通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，所以原來就叫玻意耳－馬略特定律，簡(jiǎn)稱玻－馬定律，現(xiàn)在的教材上叫做玻意耳定律．

師：p V＝C（恒量）或p1V1＝p2V2式中的恒量跟氣體的質(zhì)量、種類和溫度有關(guān)．

師：通過剛才的實(shí)驗(yàn)探究過程，我們已經(jīng)知道，對(duì)一定質(zhì)量的氣體，其壓強(qiáng)與體積成反比，此過程可以用圖像來表示，大家已經(jīng)知道，其p－V圖像是一條雙曲線，展示幻燈片上的p－V圖像．

師：玻意耳定律可以用圖像來表示，縱軸代表氣體的壓強(qiáng)，橫軸代表氣體的體積，選取恰當(dāng)?shù)姆侄群蛦挝?，?qǐng)學(xué)生討論一下圖線該是什么形狀，并嘗試把它畫出來．

生：作出圖5所示的p－V圖像．

圖5

師：請(qǐng)大家說出哪條圖線的溫度高？

生：溫度高的是T2圖線．

生：有時(shí)為了能更加形象、直觀地表達(dá)p與V的關(guān)系，也可以做p－圖像．

9 回歸實(shí)驗(yàn)前后呼應(yīng)

師：學(xué)習(xí)了有關(guān)于氣體等溫變化的規(guī)律，大家能不能根據(jù)玻意耳定律解釋前面吹氣球的小實(shí)驗(yàn)．

生：同一位同學(xué)吹氣球，氣球在空氣中能吹得比較大，而將其放在瓶子中，卻吹不了那么大了．當(dāng)將氣球的口端反扣在瓶口時(shí)，瓶內(nèi)氣球和瓶壁之間封閉了一定質(zhì)量的氣體，開始時(shí)的壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓，當(dāng)吹氣球時(shí)，A內(nèi)的氣體體積減小，壓強(qiáng)增大，超過一個(gè)大氣壓，故不容易將氣球吹大．

10 創(chuàng)設(shè)情境深化理解

問題情境：如圖6所示，水銀柱的長度為19 c m，大氣壓強(qiáng)為1a t m（相當(dāng)于76 c m高的水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)），玻璃管是粗細(xì)均勻的，玻璃管開口向上豎直放置時(shí)，被封閉的氣柱長15 c m；當(dāng)開口豎直向下放置時(shí)（水銀沒有溢出管外），被封閉的氣柱的長度是多少？

圖6

師：解答本題需要選擇的研究對(duì)象是什么？

生：封閉在試管內(nèi)的一定質(zhì)量的氣體．

師：怎樣根據(jù)玻意耳定律解此題？

生：公式中的p1V1和p2V2對(duì)應(yīng)的是氣體的兩個(gè)不同狀態(tài)，解題時(shí)只要弄清一定質(zhì)量氣體的兩個(gè)狀態(tài)下的壓強(qiáng)和體積，結(jié)合題目中的已知條件，通過兩個(gè)狀態(tài)的壓強(qiáng)和體積將已知條件和未知條件建立聯(lián)系，從而得到題目的正確答案．

師：請(qǐng)大家根據(jù)剛才的解答過程，試著總結(jié)一下用玻意耳定律解題的步驟．

學(xué)生總結(jié)：

（1）確定研究對(duì)象，即一定質(zhì)量的氣體，并確認(rèn)它在狀態(tài)變化過程中保持質(zhì)量不變，溫度不變．

（2）確定初、末兩個(gè)狀態(tài)，正確地確定兩狀態(tài)的p，V 值．

（3）利用玻意耳定律列方程，統(tǒng)一單位求解．

（4）注意分析隱含的已知條件，必要時(shí)還需應(yīng)用力學(xué)或幾何知識(shí)列出輔助方程．

（5）將各初始條件代入氣體公式中，求解未知量．

（6）必要時(shí)應(yīng)分析解答結(jié)果是否合理．

11 課堂小結(jié)整合歸納

師：請(qǐng)同學(xué)們對(duì)今天所學(xué)到的知識(shí)，進(jìn)行合理的歸納、總結(jié)．

學(xué)生總結(jié)：今天我們通過實(shí)驗(yàn)探究的方式，經(jīng)歷了科學(xué)探究的過程，即科學(xué)猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)處理、得出結(jié)論，得到了玻意耳定律，即一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，它的壓強(qiáng)跟體積成反比．玻意耳定律可以用p－V圖線表示，是一條雙曲線，也可以用p－圖像表示，是一條直線．

教師補(bǔ)充：通過今天的學(xué)習(xí)，大家一定要理解玻意耳定律的內(nèi)容，并能用玻意耳定律解答實(shí)際問題．

12 課后反思

在備課過程中，經(jīng)歷了仔細(xì)研讀、分析、感悟、整合教材的環(huán)節(jié)后，筆者對(duì)“氣體的等溫變化”的教學(xué)思路漸漸清晰．鑒于學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，教學(xué)設(shè)計(jì)是從有趣的小實(shí)驗(yàn)入手，先將學(xué)生的求知欲望激發(fā)起來，再通過小實(shí)驗(yàn)進(jìn)行真實(shí)的體驗(yàn)，感受氣體的壓強(qiáng)和體積之間的定性關(guān)系，最后設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，自主探究它們之間的定量關(guān)系．即使在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理階段，也要注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，一步步完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方案，直至達(dá)到預(yù)期的目的．

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比較多，學(xué)生需要完成的任務(wù)一個(gè)接著一個(gè)，要想在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)完成，學(xué)生必須集中精力，全神貫注，也就是說，學(xué)生的參與度必須足夠高．所有的教學(xué)活動(dòng)基本上按照原計(jì)劃有條不紊地進(jìn)行，學(xué)生的探究欲望非常高漲，他們興致勃勃地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理．在整個(gè)過程中，學(xué)生的合作意識(shí)表現(xiàn)得淋漓盡致，自然教學(xué)效果也比較好，真正地理解了玻意耳定律內(nèi)容的實(shí)質(zhì)，對(duì)學(xué)生能夠熟練應(yīng)用玻意耳定律解答實(shí)際問題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)基本完成，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性得到了充分的發(fā)揮，其在合作中互動(dòng)、互助、互勉、互進(jìn)，強(qiáng)化了學(xué)生的合作意識(shí)，全面提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)，這將對(duì)他們的終身學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)．