從學科核心素養(yǎng)看“分子動理論” 一章的教學

尹德利

(北京市東方德才學校 北京 100025)

王言偉

(莒南縣板泉鎮(zhèn)第二中學 山東 臨沂 276622)

《普通高中物理課程標準》(2016征求意見稿)指出，物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關鍵能力．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態(tài)度與責任”4個方面構成．其中，物理觀念包括“物質觀念”、“運動觀念”、“相互作用觀念”、“能量觀念及其應用”．“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素．“科學探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流與合作等要素．“科學態(tài)度與責任”主要包括科學本質、科學態(tài)度、社會責任等要素．

新修訂的《課程標準》(征求意見稿)用核心素養(yǎng)替代原來的三維教學目標，是三維教學目標的進一步提煉和整合．課改實施這么多年，許多一線物理教師已經(jīng)熟悉三維教學目標的制定，但如何從物理核心素養(yǎng)的角度分析教材，制定體現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)的教學目標，對一些物理教師來說可能還不是很清楚．“分子動理論”一章在物理高考中往往被視為非主干知識而不加重視，許多一線教師只關注知識內(nèi)容，而對隱藏在知識背后的物理思想觀念、過程方法、德育教育往往不加重視．為此，本文以“分子動理論”為例，分析說明物理核心素養(yǎng)在本章知識中的具體體現(xiàn)．

1 物理觀念

“分子動理論”一章主要是從運動的角度闡述物質分子熱運動的性質，不涉及到物質分子內(nèi)部的結構和不同物質分子的形態(tài)變化，雖然也涉及到分子的大小，但主要是為了說明物質是由大量分子組成的．

由于分子永不停息地做無規(guī)則運動，從邏輯上可以推出分子之間存在著空隙，這一推論由酒精和水混合后總體積變小的實驗證實．由于物體很難被壓縮，可知分子之間存在著相互作用的斥力，鉛塊引力實驗、液體表面張力實驗則說明分子之間除了存在斥力外，還存在著引力．從分子力的本質看，分子間的引力和斥力屬于電磁力范疇．

由于任何分子都是由原子構成的，原子又是由帶正電的原子核和核外帶負電的電子組成的．同號電荷相斥、異號電荷相吸，按照庫侖定律，電荷之間的靜電力隨著電荷間距離的增大而按平方反比減小．因此，兩個分子之間，引力和斥力同時存在，二者都隨分子間的距離增大而減?。敺肿娱g距離大于10倍的平衡距離時，分子間作用力近似為零．

由于分子永不停息地做無規(guī)則運動，因此每個分子都有動能——分子動能．物體溫度越高，分子無規(guī)則運動越劇烈，從微觀的角度看，溫度是大量分子做無規(guī)則運動的標志．

由于分子力做功與分子的位置有關而與分子運動的路徑無關，因此分子之間還存在著分子勢能．物體內(nèi)所有分子的動能和分子勢能的總和構成了物體的內(nèi)能．

由于氣體分子間的距離遠大于分子間的平衡距離，因此氣體分子間除了碰撞以外，分子間作用力可以忽略不計，與分子力有關的分子勢能當然也不存在，這就構建出了理想氣體模型．熱力學第一定律指出，改變物體內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞，能量守恒定律告訴我們，無論采用哪種方式改變物體的內(nèi)能，系統(tǒng)總的能量是不變的．熱力學第二定律指出，涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的．

經(jīng)過上述分析，本章的物理觀念如下：

(1)物質觀念.物體是由大量分子組成的；

(2)運動觀念.分子永不停息地做無規(guī)則運動，溫度越高，分子運動越劇烈；涉及熱現(xiàn)象的一切宏觀過程都是不可逆的，或者說，第二類永動機不可能制成；

(3)相互作用觀念.分子間既有引力也有斥力，引力和斥力同時存在，二者都隨分子間距離的增大而減??；

(4)能量及其應用觀念.做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能．在做功和熱傳遞過程中，系統(tǒng)總能量保持不變．也就是說，第一類永動機不可能制成．

2 科學思維

2.1 模型建構

“分子動理論”一章提出了許多物理模型．例如，利用油膜法測量分子直徑采用了分子球模型(圖1)．估算氣體分子間的距離，建立了氣體分子空間分布的立方體模型(圖2)．

圖1 分子球模型

圖2 立方體模型

為了說明分子間的作用力和分子勢能，引入了分子力作用模型(圖3)．在研究氣體的性質時，引入了理想氣體模型等等．

圖3 分子作用力模型

2.2 科學推理

由于分子肉眼看不見，甚至在光學顯微鏡下也不可見．因此，人類無法通過直接觀察分子得出科學結論，而必須通過觀察宏觀現(xiàn)象并借助邏輯的力量，揭示隱藏在宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質．例如，為什么說分子間存在著空隙？為什么說分子間引力和斥力同時存在？為什么說布朗運動反映了液體(或氣體)分子的無規(guī)則運動？這些結論的得出，無一不是科學推理的結果．課堂上，教師利用這些問題，能夠很好地訓練學生的科學推理能力．

2.3 分析論證

從微觀的角度看，氣體對容器的壓強是大量氣體分子對容器器壁的頻繁碰撞引起的．影響氣體壓強大小的因素有兩個：一個是氣體分子的平均動能，一個是分子的密集程度(單位體積內(nèi)的分子數(shù))．如何分析論證這個結論呢？課堂上，教師可以2013年北京高考物理壓軸題為例，引導學生通過建模并利用動量定理進行分析論證．

【例1】(2013年高考北京卷第24題)正方體密閉容器中有大量運動粒子，每個粒子質量為m，單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量．為簡化問題，我們假定：粒子大小可以忽略；其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機會均等；與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變．利用所學力學知識，導出器壁單位面積所受粒子壓力f與m，n和v的關系．(注意：解題過程中需要用到、但題目中沒有給出的物理量，要在解題時做必要的說明)

實踐表明，學生分析論證的難點往往在于，如何求分子對容器壁某一面碰撞的總分子數(shù)．破解的方法是：由于分子向各個方向運動的幾率相等，因此對某一正方形容器壁碰撞的分子數(shù)占容器內(nèi)分子總數(shù)的六分之一，這里滲透了概率統(tǒng)計的思想方法．分析論證完以后，教師還可以補充條件p=nkT，引導學生繼續(xù)分析論證：為什么說溫度是大量分子平均動能的標志(嚴格說是分子平均平動能的標志)．

3 科學探究

布朗運動是大量分子永不停息地做無規(guī)則運動的最有說服力的實驗基礎．對布朗運動的探究能夠很好地說明“問題”、“證據(jù)”、“解釋”“交流與合作”等探究要素．教學環(huán)節(jié)如下：

(1)回顧歷史.1827年，英國植物學家布朗(R.Brown,1773-1858)在顯微鏡下觀察到：懸浮在水中的花粉做無規(guī)則運動，無論是什么時候觀看，花粉都在不知疲倦地做著無規(guī)則運動．

(2)提出問題.懸浮在水中的花粉為什么永不停息地做無規(guī)則運動？引導學生展開猜想．

猜想1：花粉仍具有一定的生命力？

(3)獲取證據(jù).用各種無機物的粉末撒在水中做實驗，仍能觀察到小顆粒的無規(guī)則運動．排除猜想1．

(4)提出猜想2.是外界氣流的擾動造成的？

(5)獲取證據(jù).關閉門窗，仍能觀察到這種實驗現(xiàn)象．

(6)解釋.懸浮顆粒做不停地無規(guī)則運動，其運動狀態(tài)不斷地改變，那么它一定受到某種力的作用．實驗排除了懸浮顆粒本身的因素和外部空氣的擾動．那么，只能是液體對懸浮顆粒施加的這種作用力．從微觀看，應該是液體分子對懸浮顆粒施加的作用力．和懸浮顆粒相比，液體分子很?。蛘哒f，懸浮微粒的周圍被大量的液體分子包圍著，由于液體分子不停地運動，于是頻繁地和固體顆粒發(fā)生碰撞．固體顆粒越小，液體分子碰撞固體顆粒的不平衡性就越明顯．這種不平衡作用導致了懸浮顆粒的無規(guī)則運動．

科學探究過程中，無論是提出問題，還是猜想假設、獲取證據(jù)、嘗試性解釋，都不是單個學生所能完成的．其中需要同學間的交流與合作．課堂上，教師利用布朗運動這個經(jīng)典實驗，借助物理學史料創(chuàng)設問題情境，讓學生模擬科學家開展探究活動，有助于學生深刻領會科學探究諸要素，提高學生的科學探究能力．

4 科學態(tài)度與責任

4.1 形成正確的科學發(fā)展觀

首先，學習分子動理論有助于學生正確認識科學與技術的辯證發(fā)展關系．沒有顯微鏡的發(fā)明，英國科學家羅伯特·虎克不可能發(fā)現(xiàn)細胞，當然也就沒有后來的細胞生物學；沒有顯微鏡的發(fā)明，布朗也不可能發(fā)現(xiàn)以他的名字命名的布朗運動，也就不可能有后來的分子動理論．沒有蒸汽機的發(fā)明，卡諾熱機理論和熱力學第二定律也不可能建立起來．這是技術促進科學理論發(fā)展的典型事例．

其次，科學發(fā)展不是一帆風順的，科學發(fā)展的道路往往是漫長曲折的．從1827年布朗觀察到布朗運動開始，到1877年德耳索用液體分子碰撞的不平衡性解釋布朗運動產(chǎn)生的原因，前后整整過去了50年，到愛因斯坦用統(tǒng)計學方法對分子動理論進行定量研究并提出測定分子大小的方法，又過去了30年的時間．由此可見，科學理論的建立往往需要幾代人的努力和付出．

4.2 培養(yǎng)學生的社會責任

從分子動理論的建立到熱力學第一定律、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，人類社會逐漸從手工勞動進入到機器大生產(chǎn)時代，大大提高了勞動生產(chǎn)率，促進了物質產(chǎn)品的極大豐富，但也不可避免地帶來了能源危機和人類生存環(huán)境的惡化．通過分子動理論一章的學習，教師需要向學生滲透2個意識：科技造福人類的意識、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的意識．樹立這3個意識，才能保證科學發(fā)展不會偏離正確的軌道，人類的明天才能更美好．

1 普通高中課程標準修訂組.《普通高中物理課程標準(征求意見稿》.2016

2 人民教育出版社編.普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-3.北京：人民教育出版社，2010