◇ 山東 孫杰麗

在進(jìn)行理想氣體實(shí)驗(yàn)定律的教學(xué)時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生面對一些氣體的動(dòng)態(tài)問題和圖象問題時(shí)會(huì)不知所措，不知如何著手分析.這些問題的產(chǎn)生，歸根結(jié)底還是學(xué)生缺少對于理想氣體規(guī)律的理解，對描述氣體的幾個(gè)物理量之間的內(nèi)在規(guī)律與相互關(guān)系的認(rèn)識不夠深刻.對于生活中一些氣體的應(yīng)用由于缺乏相關(guān)的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，缺少建立理想模型的抽象能力，而這些恰恰是科學(xué)思維的一部分.

我們可以嘗試通過幾個(gè)理想氣體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)，體會(huì)理想氣體中壓強(qiáng)、溫度、體積的變化過程，提升在動(dòng)態(tài)變化中綜合分析的能力和氣體實(shí)驗(yàn)圖象的推理論證能力，從而完善科學(xué)思維.

科學(xué)思維主要包括：模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等.以下圍繞這幾點(diǎn)對于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新展開說明.

1 設(shè)計(jì)氣體動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理

在學(xué)習(xí)了理想氣體實(shí)驗(yàn)定律的基本規(guī)律后，我們可以根據(jù)學(xué)生練習(xí)中的高頻錯(cuò)點(diǎn)進(jìn)行整理，歸納數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).在課堂上將這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，讓學(xué)生邊體驗(yàn)邊分析，同時(shí)結(jié)合自己的錯(cuò)題原因歸納總結(jié)，以便提高科學(xué)推理的能力.

首先我們可以來看這樣一個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)：一端密閉的玻璃管里面被一段水銀密封住一部分空氣，當(dāng)這個(gè)玻璃管由靜止釋放自由下落時(shí)，內(nèi)部密閉氣體的體積將如何變化? 面對這樣一個(gè)問題，學(xué)生基于以往的生活經(jīng)驗(yàn)，往往也可以得到正確的結(jié)果.但是根據(jù)近兩年等級考的趨勢和核心素養(yǎng)的要求，現(xiàn)有的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生不僅知道結(jié)果是什么，還要知道為什么.因此我們需要更符合物理邏輯思維的推理過程.

在動(dòng)態(tài)變化中，學(xué)生往往對同一類型的問題有懼怕心理.比如在水銀槽中試管上提下壓的問題，橡皮管連接的U 形管上升下降的問題，如圖1、圖2所示.而這一類問題，我們也可以通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，讓學(xué)生有更直觀的感受.那么，對于這一類問題如何進(jìn)行分析呢? 我們還是要把氣體動(dòng)態(tài)變化和我們最熟悉的力學(xué)結(jié)合起來，水銀的移動(dòng)是由力的變化導(dǎo)致的，而這個(gè)力是密閉氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的力，或者是大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的力.

圖1

圖2

比如說將圖1中水銀槽中的試管往下壓，討論水銀柱的高度差h 和密閉氣體的長度l 如何變化.學(xué)生剛接觸這類問題時(shí)往往感覺無從下手，因?yàn)樗y槽上整根管子的長度就是水銀高度差和氣體的長度之和，如果這兩個(gè)量都發(fā)生變化，它們之間就會(huì)互相影響，也就是說它們是同時(shí)發(fā)生變化的.這時(shí)我們應(yīng)該運(yùn)用推理分析的常用方法，即假設(shè)法，先假設(shè)其中一個(gè)量不變.比如說將玻璃管往下壓的時(shí)候，水銀柱的高度h不發(fā)生變化，此時(shí)氣體的體積就會(huì)減小，根據(jù)理想氣體等溫過程的變化規(guī)律，氣體的壓強(qiáng)就會(huì)變大，從力的角度分析，密閉氣體對水銀面的壓力就會(huì)變大，此時(shí)對水銀面是向下壓的作用效果，在大氣壓強(qiáng)不變的情況下，水銀柱的液面應(yīng)該降低，高度差h 應(yīng)減小，因此最后的推論結(jié)果應(yīng)該是密閉氣體的長度l 在減小，水銀高度差h 也在減小.能不能換一種假設(shè)方式? 在玻璃管下壓的過程中，水銀面和玻璃管一起下行，密閉氣體長度不變，這時(shí)可以嘗試讓學(xué)生運(yùn)用我們剛才的推理方法進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)水銀柱高度h 變小，從力的角度分析，大氣壓強(qiáng)原本能夠把水銀柱壓進(jìn)玻璃管內(nèi)h 的高度，現(xiàn)在h 變小，說明大氣壓還能再將水銀往玻璃管內(nèi)壓，因此最終平衡時(shí)，由于更多的水銀進(jìn)入玻璃管，密閉氣體體積減小，根據(jù)理想氣體等溫過程變化規(guī)律，壓強(qiáng)變大，與原有壓強(qiáng)相比：p＝p0－ρgh，可以得到最終h 減小.兩種假設(shè)最后得到相同的結(jié)果，說明無論如何分析，只要推理過程正確，不會(huì)影響最終的結(jié)果.同樣，我們也可以根據(jù)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的直觀感受，通過動(dòng)手操作體會(huì)到，將玻璃管上提，液面會(huì)上升，將玻璃管下壓，液面會(huì)下降.這個(gè)規(guī)律，不僅適用于圖1的實(shí)驗(yàn)裝置，同樣也適用于圖2的連通器.學(xué)生通過將平時(shí)錯(cuò)題和針對性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合，不僅可以脫離枯燥的題海戰(zhàn)術(shù)，還可以通過實(shí)踐體驗(yàn)使理解更加深刻，在以后遇到類似的問題時(shí)也能夠自然歸類，運(yùn)用合適的科學(xué)方法進(jìn)行分析推理.

2 體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，掌握氣體應(yīng)用的模型構(gòu)建

我們平時(shí)遇到的氣體實(shí)驗(yàn)題，經(jīng)常會(huì)涉及生活中氣體規(guī)律的應(yīng)用，通常是對實(shí)驗(yàn)原理分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)誤差等的討論.高中階段的實(shí)驗(yàn)往往需要把生活中的應(yīng)用抽象成理想模型，建模能力也是科學(xué)思維的要素之一.我們可以將實(shí)驗(yàn)題中用到的實(shí)驗(yàn)裝置拿到課堂，通過體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，更好地引導(dǎo)學(xué)生提高對氣體實(shí)驗(yàn)的抽象建模能力.

比如圖3的伽利略溫度計(jì)就是一個(gè)很好的例子，它主要由一個(gè)玻璃泡以及一根玻璃管組成，整個(gè)裝置插在水槽中，隨著溫度的變化，玻璃管中水面會(huì)上下移動(dòng)，從玻璃管上的刻度可讀出當(dāng)前的環(huán)境溫度.而這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，在于如何通過層層引導(dǎo)，使學(xué)生理解溫度計(jì)的工作原理.例如，溫度升高，液面如何變化? 玻璃管上的刻度是如何確定的? 而解決這兩個(gè)問題的前提，首先要確定這個(gè)溫度計(jì)應(yīng)用的是理想氣體的哪個(gè)規(guī)律.而在這一過程中就需要突出主要因素，忽略次要因素，建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?我們可以忽略玻璃管內(nèi)部氣體體積的變化，認(rèn)為密閉氣體做等容變化，通過查理定律，可知溫度降低，壓強(qiáng)變小，外界大氣壓強(qiáng)會(huì)把更多的水壓進(jìn)玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)液面升高.根據(jù)液面高度標(biāo)出相應(yīng)溫度刻度，因此這個(gè)溫度計(jì)的刻度自下而上溫度是逐漸降低的.通過這樣一個(gè)建模過程，可以讓學(xué)生理解如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置使溫度測量更精確，那就是要使玻璃管的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃泡的體積，即玻璃管要細(xì)，玻璃泡體積要大.同時(shí)從剛才的分析中學(xué)生也會(huì)了解到，此實(shí)驗(yàn)受大氣壓強(qiáng)影響比較大，如果同一溫度下，大氣壓強(qiáng)較大，液面較高，此時(shí)實(shí)際溫度要高于讀數(shù)溫度，這樣學(xué)生對實(shí)驗(yàn)誤差就有了更深層的理解.

圖3

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合，提升科學(xué)論證和質(zhì)疑能力

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新可以是應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)對傳統(tǒng)物理情境的再詮釋.對于有些物理情境，我們以前難以通過實(shí)驗(yàn)展示或驗(yàn)證，而隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在我們可以通過科技手段在課堂上達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，有利于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)論證.

比如可以用科技手段展示玻璃管中用水銀密閉的氣體的自由落體實(shí)驗(yàn).我們可以首先展示實(shí)驗(yàn)器材，如圖4，先讓學(xué)生猜測，當(dāng)玻璃管做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的水銀柱相對于玻璃管將會(huì)向哪個(gè)方向移動(dòng)? 然后通過現(xiàn)場演示來驗(yàn)證學(xué)生的猜測，現(xiàn)在的頻閃攝像技術(shù)和慢速播放可以很好地展示在下落的一小段時(shí)間內(nèi)，水銀柱的移動(dòng)方向.接著就是對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的推理和分析：先確定研究對象為水銀柱，然后對其進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律可知其加速度為重力加速度，由此可求得密閉氣體壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)密閉氣體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng).那與原有的狀態(tài)相比，密閉氣體的壓強(qiáng)發(fā)生了什么變化呢? 可以發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)變大了.根據(jù)氣體實(shí)驗(yàn)定律，溫度不變的情況下，壓強(qiáng)變大，體積減小，所以水銀柱相對于玻璃管向上移動(dòng)，這才是一個(gè)完整的符合物理思維的推理過程.我們可以擴(kuò)展出玻璃管中的密閉氣體做平拋運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)以及在光滑的斜面上下滑時(shí)，甚至是在人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)中等情境.通過實(shí)驗(yàn)演示，可以讓學(xué)生加深對物理知識的印象，通過動(dòng)手體驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，能夠增加課堂趣味性，提升科學(xué)推理的邏輯性.

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新也可以是問題設(shè)計(jì)的創(chuàng)新.在玻意耳定律實(shí)驗(yàn)探究中，現(xiàn)有技術(shù)可以通過壓強(qiáng)傳感器測得密閉氣體壓強(qiáng)，用DIS軟件記錄壓強(qiáng)p 和氣體體積V，通過計(jì)算機(jī)圖象擬合，可以得到p-V 圖象，并通過轉(zhuǎn)換參量化曲為直，得到一條直線圖象.在現(xiàn)有的技術(shù)支持下，實(shí)驗(yàn)中可以設(shè)計(jì)一系列問題，通過質(zhì)疑、討論、分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等過程使學(xué)生高效體驗(yàn)科學(xué)思維的整個(gè)探究過程.比如選擇圖 象或圖象的理由及圖象不過原點(diǎn)的原因，如何求出注射器中雜質(zhì)的密度等.物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代科技手段的結(jié)合，使課堂教學(xué)中科學(xué)思維的體現(xiàn)更加完整高效.

圖4