核心素養(yǎng)導(dǎo)向下氣體變質(zhì)量問(wèn)題的教學(xué)反思與重構(gòu)

陜西 趙文浩 楊榮富

在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，本文對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的物理概念邏輯線(xiàn)斷裂、求解難度大的形成原因進(jìn)行分析和反思，并運(yùn)用學(xué)科知識(shí)，引入“物質(zhì)的量守恒法”，對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題快速有效求解的同時(shí)，完成課堂教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生物理守恒觀(guān)念地滲透和培養(yǎng)。

在高中物理熱學(xué)部分，教學(xué)大綱要求學(xué)生能夠從宏觀(guān)、微觀(guān)兩個(gè)不同維度去認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)，并且能夠?qū)ξ镔|(zhì)的部分宏觀(guān)性質(zhì)給予定性的微觀(guān)解釋。在氣體部分教學(xué)大綱要求學(xué)生能夠從分子熱運(yùn)動(dòng)的角度去定性解釋氣體壓強(qiáng)P、體積V和溫度T三個(gè)宏觀(guān)狀態(tài)參量的物理意義和性質(zhì)，并且從宏觀(guān)角度通過(guò)氣體實(shí)驗(yàn)定律掌握壓強(qiáng)P、體積V和溫度T之間的定量關(guān)系。同時(shí)，物質(zhì)宏觀(guān)性質(zhì)的微觀(guān)解釋也是學(xué)生建立“物質(zhì)觀(guān)念”，實(shí)現(xiàn)在物理學(xué)科視域下對(duì)物質(zhì)世界理解的重要途徑。

一、“氣體實(shí)驗(yàn)定律”在教學(xué)中存在的困惑

氣體實(shí)驗(yàn)定律是描述氣體平衡狀態(tài)的基本規(guī)律，是幫助學(xué)生理解氣體壓強(qiáng)P、體積V和溫度T三個(gè)宏觀(guān)量之間定量關(guān)系的一個(gè)有效依據(jù)?，F(xiàn)行教材都是在氣體質(zhì)量一定的條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)講述玻意耳定律、查理定律和蓋·呂薩克定律，并拓展介紹了理想氣體狀態(tài)方程，這有助于學(xué)生理解壓強(qiáng)P、體積V和溫度T三個(gè)狀態(tài)參量之間的定量關(guān)系，并且能夠運(yùn)用氣體實(shí)驗(yàn)定律解決定質(zhì)量的氣體問(wèn)題。但是通過(guò)對(duì)部分教師的課堂實(shí)踐和教學(xué)成果的研究發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，教師處理氣體變質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，存在以下不足之處：

第二，缺乏學(xué)情分析，方法僵化，增加了問(wèn)題的處理難度。在面對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，教師基本都是按照氣體實(shí)驗(yàn)定律，利用“等效法”把各部分氣體等效為一個(gè)整體，轉(zhuǎn)化成定質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行處理。而“等效法”需要學(xué)生把整個(gè)物理情景深入理解后，才能對(duì)整個(gè)物理變化進(jìn)行過(guò)程性等效，這對(duì)學(xué)生的模型建構(gòu)能力有非常高的要求，進(jìn)而增加了求解問(wèn)題的難度。教師在運(yùn)用“等效法”處理變質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，沒(méi)能關(guān)注到大多數(shù)學(xué)生的實(shí)際建模能力，使得氣體變質(zhì)量問(wèn)題成為一個(gè)難點(diǎn)。

二、“氣體實(shí)驗(yàn)定律”中變質(zhì)量問(wèn)題的教學(xué)反思與重構(gòu)

通過(guò)對(duì)教師教學(xué)過(guò)程的反思和學(xué)生知識(shí)體系的實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，要想突破氣體變質(zhì)量問(wèn)題，教師務(wù)必做好對(duì)教材內(nèi)容的擴(kuò)展，完善邏輯鏈條，使學(xué)生理解常數(shù)C的物理含義和性質(zhì)。同時(shí)關(guān)注學(xué)生模型建構(gòu)的能力，選擇合適的方法降低問(wèn)題求解難度。

三、例析“物質(zhì)的量守恒法”對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題的有效求解

1.充氣問(wèn)題

【例1】一個(gè)足球的體積為2.5 L，用打氣筒給這個(gè)足球打氣，每打一次都把體積為125 mL、壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓的氣體打進(jìn)球內(nèi)。如果在打氣前足球就已經(jīng)是球形，并且里面的壓強(qiáng)與大氣壓相同，則在打氣20次后，足球內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)是大氣壓強(qiáng)的多少倍?(假設(shè)整個(gè)過(guò)程中氣體溫度、足球體積均不變)

【解析】根據(jù)充氣過(guò)程中氣體物質(zhì)的量守恒得

n始+n充=n總

設(shè)足球的容積為V，每次充氣體積為V0，氣體溫度為T(mén)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT得

則x=2，即充氣后足球內(nèi)部空氣壓強(qiáng)是大氣壓強(qiáng)的2倍。

2.氣體混合

(ⅰ)兩罐中氣體的壓強(qiáng)；

(ⅱ)甲罐中氣體的質(zhì)量與甲罐中原有氣體的質(zhì)量之比。

【解析】(ⅰ)根據(jù)氣體調(diào)配過(guò)程中物質(zhì)的量守恒得

n甲+n乙=n總

(ⅱ)甲罐中氣體的物質(zhì)的量與甲罐中原有氣體的物質(zhì)的量之比

3.抽(漏)氣問(wèn)題

【解析】設(shè)火罐內(nèi)氣體初始處于狀態(tài)1，有

P1=P0T1=450 KV1=V0

火罐內(nèi)溫度降低后氣體處于狀態(tài)2，有

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得

根據(jù)抽氣過(guò)程中(溫度不變)物質(zhì)的量守恒得

n始-n抽=n剩

通過(guò)對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題教學(xué)過(guò)程的反思與重構(gòu)，引入“物質(zhì)的量守恒法”實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體變質(zhì)量問(wèn)題的快速有效求解，不僅降低了運(yùn)用“等效法”解決氣體變質(zhì)量問(wèn)題過(guò)程中學(xué)生抽象概括和模型建構(gòu)能力的要求，而且消除了學(xué)生在運(yùn)用“等效法”求解氣體混合問(wèn)題時(shí)，對(duì)直接將氣體壓強(qiáng)與體積的乘積進(jìn)行相加的物理本質(zhì)的困惑，邏輯鏈條更加完整，思路更加清晰，極大程度降低了學(xué)生解決相關(guān)問(wèn)題的思維難度，提高了學(xué)生問(wèn)題處理的能力。

四、“物質(zhì)的量守恒法”解決氣體變質(zhì)量問(wèn)題的擴(kuò)展應(yīng)用

【擴(kuò)展】一個(gè)足球的體積為2.5 L，用打氣筒給這個(gè)足球打氣，每打一次都把體積為125 mL、壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓、溫度和球內(nèi)溫度相等的氣體打進(jìn)球內(nèi)。如果在打氣前足球就已經(jīng)是球形并且里面氣體的壓強(qiáng)與大氣壓相同，則在打氣20次后，足球內(nèi)部溫度變?yōu)樵鹊?倍，求足球內(nèi)氣體壓強(qiáng)是大氣壓強(qiáng)的多少倍?(假設(shè)整個(gè)過(guò)程中足球體積不變)

【解析】根據(jù)充氣過(guò)程中氣體物質(zhì)的量守恒得

n始+n充=n總

設(shè)足球的體積為V，大氣壓強(qiáng)為P0，每次充氣體積為V0，原先球內(nèi)氣體溫度為T(mén)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT得

則x=4，即足球內(nèi)部空氣壓強(qiáng)是大氣壓強(qiáng)的4倍。

在利用“氣體實(shí)驗(yàn)定律”解決氣體變質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，如果這個(gè)過(guò)程中伴隨著氣體溫度的變化，運(yùn)用“等效法”求解的難度會(huì)更大，與“等效法”相比，“物質(zhì)的量守恒法”在此類(lèi)問(wèn)題中的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，即使這個(gè)過(guò)程中伴隨體積變化也非常容易處理。因此筆者認(rèn)為引入“物質(zhì)的量守恒法”是突破氣體變質(zhì)量問(wèn)題的必要措施。

五、結(jié)束語(yǔ)