人教版《物理》選擇性必修第三冊(cè)“第一章分子動(dòng)理論”編寫說(shuō)明

摘 要：對(duì)“第一章 分子動(dòng)理論”的編寫意圖進(jìn)行梳理、說(shuō)明.全章中明確說(shuō)明章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，展現(xiàn)教科書編寫的邏輯線索，深入挖掘教科書中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí).在具體說(shuō)明中，圍繞本章的具體內(nèi)容逐節(jié)細(xì)致說(shuō)明并給出教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：分子動(dòng)理論;物理核心素養(yǎng);編寫說(shuō)明

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）01-0014-04

作者簡(jiǎn)介：孫新（1961-），女，黑龍江五常人，碩士，編審，研究方向：物理教育、中學(xué)物理教材研究.

1 全章概述

熱學(xué)是研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科，是物理學(xué)的重要組成部分.分子動(dòng)理論是研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律的經(jīng)典微觀統(tǒng)計(jì)理論.本章介紹分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)，它的主要內(nèi)容是：物體是由大量分子組成的;分子在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子間存在作用力.這些觀點(diǎn)是熱現(xiàn)象微觀理論的基礎(chǔ).分子動(dòng)理論通過對(duì)大量分子求統(tǒng)計(jì)平均，建立了宏觀量與相應(yīng)的微觀量統(tǒng)計(jì)平均值的關(guān)系.用以定量地說(shuō)明擴(kuò)散、氣體的壓強(qiáng)和內(nèi)能等的微觀本質(zhì).

本章在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有所調(diào)整.大致可以劃分為兩個(gè)單元：第一單元由第1節(jié)的“分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容”和第2節(jié)的“實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”組成，該學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是作為測(cè)定性實(shí)驗(yàn)處理的，目的是讓學(xué)生感知分子的大小，體驗(yàn)用測(cè)量宏觀量的方法測(cè)得微觀量分子直徑的實(shí)驗(yàn)過程;第二單元由第3節(jié)的“分子運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律”和第4節(jié)的“分子動(dòng)能和分子勢(shì)能”組成，介紹分子運(yùn)動(dòng)速率分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其能量特征.

編者在編寫教科書時(shí)，嚴(yán)格依據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的“課程目標(biāo)”和“課程內(nèi)容”的要求，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展.有意識(shí)地將發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面滲透于教科書內(nèi)容之中.本章在學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)方面，有以下功能.

1.1 物理觀念

本章各知識(shí)內(nèi)容都是圍繞形成物質(zhì)觀念的線索來(lái)設(shè)計(jì)的，各知識(shí)內(nèi)容在該線索中具有各自的功能.在初、高中物理中關(guān)于“物質(zhì)”的內(nèi)容早有涉及，其中包括：物質(zhì)的存在具有各種形式;不同物質(zhì)具有各自的屬性;宏觀物體的屬性與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，等等.本章的分子動(dòng)理論內(nèi)容是學(xué)生形成物質(zhì)觀念的重要基礎(chǔ)之一.教科書幫助學(xué)生形成物質(zhì)觀念的作法主要體現(xiàn)在章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，從圖1框圖所反映的章結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以使學(xué)生有效地認(rèn)識(shí)相應(yīng)的觀點(diǎn)、方法以及運(yùn)用物質(zhì)觀念分析問題的思路.

1.2 科學(xué)思維

本章教科書關(guān)于科學(xué)思維的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在：分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)以及統(tǒng)計(jì)規(guī)律的學(xué)習(xí)和體驗(yàn).例如，在闡述“物體是由大量分子組成的”觀點(diǎn)過程中，教科書通過實(shí)例，展示了阿伏加德羅常數(shù)所表達(dá)的“大量”;用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子照片的實(shí)驗(yàn)證據(jù)所表達(dá)的“微小”.這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力是有效的.教科書在“分子在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”觀點(diǎn)的闡述中，主要以擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)展開.同時(shí)給出了在顯微鏡下追蹤一顆小炭粒每隔30 s的運(yùn)動(dòng)位置的記錄圖示，它可以通過推理、分析，描述和解釋微粒的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的結(jié)論.

另外，在培養(yǎng)學(xué)生具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力方面，教科書引導(dǎo)學(xué)生把分子看成小球來(lái)處理，讓學(xué)生經(jīng)歷建立分子的理想化模型過程，滲透模型在物理學(xué)中的意義.

分子運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律所反映的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是分子動(dòng)理論研究的重要基礎(chǔ)，教科書通過實(shí)例，展示大量分子運(yùn)動(dòng)速率分布圖像，在此基礎(chǔ)上通過科學(xué)推理、論證，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子熱運(yùn)動(dòng)的微觀解釋.

1.3 科學(xué)探究

本章對(duì)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在：具有設(shè)計(jì)探究方案，獲取證據(jù)的意識(shí)和能力.雖然本章教科書沒有冠以“探究”字樣的探究實(shí)驗(yàn)，但是，科學(xué)探究思想的滲透是貫穿始終的.在運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)方面，本章教科書在闡述分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)過程中，努力引導(dǎo)學(xué)生挖掘相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，以提高學(xué)生的證據(jù)意識(shí).尋找證據(jù)是科學(xué)探究中的要素之一.教科書在“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”的“實(shí)驗(yàn)思路”中，給出了方案的設(shè)計(jì)和獲取證據(jù)的途徑.學(xué)生在體驗(yàn)用測(cè)量宏觀量的方法測(cè)得微觀量分子直徑的實(shí)驗(yàn)過程的同時(shí)，感知分子尺度的大小.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

本章關(guān)于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面，教科書通過描述科學(xué)家布朗精于觀察和實(shí)驗(yàn)，肯定了這種運(yùn)動(dòng)的客觀存在.他發(fā)現(xiàn)問題，并把觀察到的現(xiàn)象做了詳盡的記錄，為后人的進(jìn)一步研究作出了開拓性的貢獻(xiàn)的描述，傳遞給學(xué)生一種正確的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神教育.

課時(shí)安排建議

第1節(jié) 分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容2課時(shí)

第2節(jié) 實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小2課時(shí)

第3節(jié) 分子運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律1課時(shí)

第4節(jié) 分子動(dòng)能和分子勢(shì)能1課時(shí)

2 具體說(shuō)明

2.1 第1節(jié) 分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容

為了引導(dǎo)學(xué)生了解分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，教科書作了如下努力.

第一，教科書對(duì)“物體是由大量分子組成的”觀點(diǎn)，是從分子的“微小”和組成物體分子數(shù)目的“大量”兩個(gè)角度來(lái)闡述的.一方面，教科書通過“問題”欄目給出了一個(gè)能夠讓學(xué)生想象分子有多“微小”的實(shí)例，學(xué)生由此可以估算一下分子大小的數(shù)量級(jí)，初步了解分子的尺度（對(duì)分子大小數(shù)量級(jí)的認(rèn)識(shí)，還需要通過下一節(jié)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量進(jìn)一步加深）;另一方面，教科書通過“1 mol 水中含有水分子的數(shù)量就達(dá)6.02×1023個(gè)”來(lái)表明組成物體的分子數(shù)是“大量”的.

另外，關(guān)于“物體是由大量分子組成的”觀點(diǎn)還需要展示相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù).教科書展示了用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子的照片，學(xué)生看到客觀存在的分子（原子）的照片，會(huì)加深認(rèn)識(shí)，提高證據(jù)意識(shí)，為形成科學(xué)的物質(zhì)觀念和后續(xù)熱學(xué)的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ).

第二，“分子在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”的觀點(diǎn)是分子動(dòng)理論的核心內(nèi)容.教科書通過“擴(kuò)散”“布朗運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)問題闡述這一觀點(diǎn).我們知道，擴(kuò)散現(xiàn)象不是外界作用引起的，而是分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的直接結(jié)果，是分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的宏觀反映.由于有關(guān)液體和氣體擴(kuò)散方面的知識(shí)在初中已有涉及，所以，本章沒有重復(fù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，只是通過一些實(shí)例加以說(shuō)明.其中，關(guān)于擴(kuò)散現(xiàn)象在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，教科書給出了“在生產(chǎn)半導(dǎo)體器件時(shí)，需要在純凈半導(dǎo)體材料中摻入其他元素.這一過程可以在高溫條件下通過分子的擴(kuò)散來(lái)完成”的實(shí)例.關(guān)于“布朗運(yùn)動(dòng)”，教科書設(shè)計(jì)了一個(gè)類似的演示實(shí)驗(yàn)，并以實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情境來(lái)呈現(xiàn).其中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，例如“微粒運(yùn)動(dòng)位置的連線圖示”，再次讓學(xué)生感受到證據(jù)的力量.

另外，教科書還描述了布朗精于觀察和實(shí)驗(yàn)，肯定了這種運(yùn)動(dòng)的客觀存在.他發(fā)現(xiàn)問題，并把觀察到的現(xiàn)象做了詳盡的記錄，為后人的進(jìn)一步研究作出了開拓性的貢獻(xiàn).科學(xué)家這種科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神為學(xué)生樹立了榜樣.

第三，教科書對(duì)“分子間的作用力”的觀點(diǎn)，是從讓學(xué)生感受液體或固體的分子間存在空隙的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)開始的，同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生再次觀察用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子的照片，他們會(huì)清楚地看到，分子（原子）并不是嚴(yán)格意義上一個(gè)緊挨著一個(gè)的，表明分子間的確存在空隙.

另外，需要說(shuō)明的是，本章關(guān)于分子間作用力問題的處理，沒有出現(xiàn)以往“分子間斥力、引力與分子間距離關(guān)系的圖像（圖2），而是直接給出了分子間作用力隨分子間距離關(guān)系的F-t圖像（圖3）.應(yīng)該說(shuō)，這樣的處理更直接、更本質(zhì)，符合學(xué)生的思維特點(diǎn)，不必再引入所謂的合力和分力的問題，只在明確分子間作用力隨分子間距離的變化情況（當(dāng)r > r0時(shí)，作用力表現(xiàn)為引力，r

2.2 第2節(jié) 實(shí)驗(yàn)：用油膜法估測(cè)油酸分子的大小

2.2.1 經(jīng)歷構(gòu)建理想化模型的過程

在“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中，需要建構(gòu)分子的模型來(lái)研究處理問題.當(dāng)把油酸分子看成小球來(lái)處理問題時(shí)，是對(duì)油酸分子建立的一種簡(jiǎn)化模型.教科書注意滲透模型在物理學(xué)中的意義，目的是使學(xué)生認(rèn)識(shí)模型都是人們根據(jù)研究的問題建立的，理想化模型是在一定場(chǎng)合、一定條件下突出客觀事物的某種主要因素，忽略次要因素而建立的.將分子看成小球，與力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、電學(xué)中的點(diǎn)電荷一樣，都是理想化模型.實(shí)際上，分子的結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，分子并不真是小球，分子間也存在著空隙，因此，我們所計(jì)算出的分子的直徑（分子的大小），只是一個(gè)粗略的數(shù)量級(jí)，反映了分子所占空間的大小.在研究分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要較復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)模型了.

2.2.2 努力呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情境，提高實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力

在本章多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，我們力求多以真實(shí)情境來(lái)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目的是讓學(xué)生感受到該實(shí)驗(yàn)真實(shí)可信、可操作，激發(fā)他們自主設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的興趣.例如，有“教科書圖1.1-3觀察布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置”“教科書圖1.1-6觀察液體混合后體積的變化”“教科書圖1.2-2記錄油酸酒精溶液的滴數(shù)”“圖1.2-3記錄油酸薄膜的形狀”“伽爾頓板”等.

其中“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練表現(xiàn)更為突出.

在“實(shí)驗(yàn)思路”中，需要引導(dǎo)學(xué)生清楚：怎樣建構(gòu)單層油酸分子的理想化模型;測(cè)出油膜的厚度可以粗略地測(cè)出分子的直徑.實(shí)驗(yàn)中，為了使油酸充分展開，獲得一塊單分子油膜，需要將油酸在酒精中稀釋后再滴入水中……更值得學(xué)生體會(huì)的是，該實(shí)驗(yàn)是利用對(duì)宏觀量的測(cè)定求出了微觀量分子的大小.這是多么令人驚奇和愉悅的事啊.

在“物理量的測(cè)量”中，教科書設(shè)計(jì)了兩個(gè)需要解決的問題，即“測(cè)量1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V”和“測(cè)量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面積S”.教科書以這兩個(gè)問題作為行文的線索，不僅有利于學(xué)生理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，而且讓學(xué)生看到了本實(shí)驗(yàn)的具體方案是怎樣構(gòu)思出來(lái)的，教科書把實(shí)驗(yàn)原理和步驟融入在幾個(gè)需要解決的問題中，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和相互交流創(chuàng)造了條件，有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力.

在“數(shù)據(jù)分析”中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理，可獲得油酸分子的尺度大小.在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生估算阿伏加德羅常數(shù)，經(jīng)歷這樣的過程，會(huì)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)分子大小的數(shù)量級(jí)的認(rèn)識(shí).

2.3 第3節(jié) 分子運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律

熱現(xiàn)象與大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律有關(guān)，并把物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和規(guī)律看作微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn).為了進(jìn)一步深化分子熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)習(xí)，同時(shí)也為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)做好鋪墊，“分子運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律”的內(nèi)容前置本章，并單獨(dú)設(shè)為一節(jié)來(lái)處理.

講解氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)要滲透一些統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn).要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，分子熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，但并不是“無(wú)規(guī)律”的.對(duì)于任何一個(gè)分子而言，在每一時(shí)刻，沿著什么方向運(yùn)動(dòng)，以及運(yùn)動(dòng)的速率等都具有偶然性;但是對(duì)于大量分子的整體而言，它們的運(yùn)動(dòng)卻表現(xiàn)出規(guī)律性.為了說(shuō)明統(tǒng)計(jì)規(guī)律，教科書首先通過“問題”欄目展現(xiàn)了“伽爾頓板”實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生看得見投入大量的小球所展現(xiàn)出的規(guī)律性.使學(xué)生對(duì)分子間距離的大小和分子間的頻繁碰撞在頭腦中有深刻的、形象的認(rèn)識(shí)，教科書設(shè)置了氣體分子運(yùn)動(dòng)的示意圖（教科書圖1.3-1）.

為了說(shuō)明分子運(yùn)動(dòng)速率分布圖像的物理意義，教科書通過實(shí)例闡明了這樣的觀點(diǎn)：在每一時(shí)刻，物體內(nèi)既具有速率大的分子，也具有速率小的分子.速率很大和速率很小的分子的個(gè)數(shù)所占的比例相對(duì)較小，大多數(shù)分子的速率和某一平均速率相差很小.通常所說(shuō)分子運(yùn)動(dòng)的速率，均指它們的平均速率而言.分子的平均速率與物體的溫度以及分子的種類有關(guān).

針對(duì)氣體壓強(qiáng)的微觀解釋，我們選擇了一個(gè)與器壁發(fā)生正碰的氣體分子為研究對(duì)象，目的是使學(xué)生體會(huì)到，雖然個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)服從力學(xué)規(guī)律，個(gè)別分子碰撞器壁時(shí)所產(chǎn)生的沖力也要用力學(xué)規(guī)律來(lái)計(jì)算，但涉及大量分子的集體行為卻要用到統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，因此，這不是一種純粹的力學(xué)問題.同時(shí)，為了讓學(xué)生形成氣體壓強(qiáng)的微觀圖景，教科書中設(shè)計(jì)了模擬氣體壓強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn).

2.4 第4節(jié) 分子動(dòng)能和分子勢(shì)能

一種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)一種能量的形式.機(jī)械能與機(jī)械運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，內(nèi)能與大量分子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng).每當(dāng)我們了解了一種運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)后，都要從能量的角度去認(rèn)識(shí)這種運(yùn)動(dòng).我們已經(jīng)了解了組成物體的分子在永不停息地做著無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，本章第4節(jié)“分子動(dòng)能和分子勢(shì)能”就是從能量的角度引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用統(tǒng)計(jì)思想認(rèn)識(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)的.

物體是由分子組成的，組成物體的大量分子在不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，所以每個(gè)分子都有分子動(dòng)能.由于物體內(nèi)分子是大量的，各個(gè)分子的速率大小不同，因此，每個(gè)分子的動(dòng)能大小不同.從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，溫度是大量分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，具有統(tǒng)計(jì)的意義.

關(guān)于“分子勢(shì)能”，教科書通過“問題”和“思考與討論”兩個(gè)欄目提出問題，目的是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)分子勢(shì)能隨分子間距離變化的勢(shì)能曲線，請(qǐng)盡量讓學(xué)生通過問題的臺(tái)階和學(xué)生已有的知識(shí)，自己獨(dú)立思考完成.通過此項(xiàng)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的認(rèn)識(shí)能力以及會(huì)運(yùn)用宏觀量來(lái)分析微觀量的方法.分子勢(shì)能是由分子間相對(duì)位置決定的能量.為了與分子間作用力部分的F-t圖像的表述方式一致，教科書的處理方法是運(yùn)用分子間的作用力做功來(lái)分析分子勢(shì)能的變化.

（收稿日期：2020-11-10）