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高二物理分子熱運(yùn)動的教案
一、教學(xué)目標(biāo)
1.物理知識方面的要求：
(1)知道并記住什么是布朗運(yùn)動，知道影響布朗運(yùn)動激烈程度的因素，知道布朗運(yùn)動產(chǎn)生的原因。
(2)知道布朗運(yùn)動是分子無規(guī)則運(yùn)動的反映。
(3)知道什么是分子的熱運(yùn)動，知道分子熱運(yùn)動的激烈程度與溫度的關(guān)系。
2.通過對布朗運(yùn)動的觀察，發(fā)現(xiàn)其特征，分析概括出布朗運(yùn)動的原因;培養(yǎng)學(xué)生概括、分析能力和推理判斷能力。
從對懸浮顆粒無規(guī)則運(yùn)動的原因分析，使學(xué)生初步接觸到用概率統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)分析大量偶然事件的必然結(jié)果。
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析
1.通過學(xué)生對布朗運(yùn)動的觀察，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析出布朗運(yùn)動不是外界影響產(chǎn)生的，是液體分子撞擊微粒不平衡性產(chǎn)生的。布朗運(yùn)動是永不停息的無規(guī)則運(yùn)動，反映了液體分子的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動。這一連串結(jié)論的得出是這堂課的教學(xué)重點(diǎn)。
2.學(xué)生觀察到的布朗運(yùn)動不是分子運(yùn)動，但它又間接反映液體分子無規(guī)則運(yùn)動的特點(diǎn)。這是課堂上的難點(diǎn)。這個難點(diǎn)要從開始分析顯微鏡下看不到分子運(yùn)動這個問題逐漸分散解疑。
三、教 具
1.氣體和液體的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)：分別裝有二氧化氮和空氣的玻璃儲氣瓶、玻璃片;250mL水杯內(nèi)盛有凈水、紅墨水。
2.制備好的有藤黃懸浮顆粒的水、顯微鏡用載物片、顯微攝像頭、大屏幕投影電視。
四、主要教學(xué)過程
(一)引入新課
讓學(xué)生觀察兩個演示實(shí)驗(yàn)：
1.把盛有二氧化氮的玻璃瓶與另一個玻璃瓶豎直方向?qū)谙嘟佑|，看到二氧化氮?dú)怏w從下面的瓶內(nèi)逐漸擴(kuò)展到上面瓶內(nèi)。
2.在一燒杯的凈水中，滴入一二滴紅墨水后，紅墨水在水中逐漸擴(kuò)展開來。
提問：上述兩個實(shí)驗(yàn)屬于什么物理現(xiàn)象?這現(xiàn)象說明什么問題?
在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上總結(jié)：上述實(shí)驗(yàn)是氣體、液體的擴(kuò)散現(xiàn)象，擴(kuò)散現(xiàn)象是一種熱現(xiàn)象。它說明分子在做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動。而且擴(kuò)散現(xiàn)象的快慢直接與溫度有關(guān)，溫度高，擴(kuò)散現(xiàn)象加快。這些內(nèi)容在初中物理中已經(jīng)學(xué)習(xí)過了。
(二)新課教學(xué)過程
1.介紹布朗運(yùn)動現(xiàn)象
1827年英國植物學(xué)家布朗用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉，發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在水中不停地做無規(guī)則運(yùn)動，后來把顆粒的這種無規(guī)則運(yùn)動叫做布朗運(yùn)動。不只是花粉，其他的物質(zhì)如藤黃、墨汁中的炭粒，這些小微粒懸浮在水中都有布朗運(yùn)動存在。
介紹顯微鏡下如何觀察布朗運(yùn)動。在載物玻璃上的凹槽內(nèi)用滴管滴入幾滴有藤黃的水滴，將蓋玻璃蓋上，放在顯微鏡載物臺上，然后通過顯微鏡觀察，在視場中看到大大小小的許多顆粒，仔細(xì)觀察其中某一個很小的顆粒，會發(fā)現(xiàn)在不停地活動，很像是水中的小魚蟲的運(yùn)動。將一臺顯微鏡放在講臺上，然后讓用顯微攝像頭拍攝布朗運(yùn)動，經(jīng)過電腦在大屏幕上顯示投影成像，讓全體學(xué)生觀察，最好教師用教鞭指一個顆粒在屏幕上的位置，以此點(diǎn)為參考點(diǎn)，讓學(xué)生看這顆微粒以后的一些時(shí)間內(nèi)對參考點(diǎn)運(yùn)動情況。
讓學(xué)生看教科書上圖，圖上畫的幾個布朗顆粒運(yùn)動的路線，指出這不是布朗微粒運(yùn)動的軌跡，它只是每隔30s觀察到的位置的一些連線。實(shí)際上在這短短的30s內(nèi)微粒運(yùn)動也極不規(guī)則，絕不是直線運(yùn)動。
2.介紹布朗運(yùn)動的幾個特點(diǎn)
(1)連續(xù)觀察布朗運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)在多天甚至幾個月時(shí)間內(nèi)，只要液體不干涸，就看不到這種運(yùn)動停下來。這種布朗運(yùn)動不分白天和黑夜，不分夏天和冬天(只要懸浮液不冰凍)，永遠(yuǎn)在運(yùn)動著。所以說，這種布朗運(yùn)動是永不停息的。
(2)換不同種類懸浮顆粒，如花粉、藤黃、墨汁中的炭粒等都存在布朗運(yùn)動，說明布朗運(yùn)動不取決于顆粒本身。更換不同種類液體，都不存在布朗運(yùn)動。
(3)懸浮的顆粒越小，布朗運(yùn)動越明顯。顆粒大了，布朗運(yùn)動不明顯，甚至觀察不到運(yùn)動。
(4)布朗運(yùn)動隨著溫度的升高而愈加激烈。
3.分析、解釋布朗運(yùn)動的原因
(1)布朗運(yùn)動不是由外界因素影響產(chǎn)生的，所謂外界因素的影響，是指存在溫度差、壓強(qiáng)差、液體振動等等。
分層次地提問學(xué)生：若液體兩端有溫度差，液體是怎樣傳遞熱量的?液體中的懸浮顆粒將做定向移動，還是無規(guī)則運(yùn)動?溫度差這樣的外界因素能產(chǎn)生布朗運(yùn)動嗎?
歸納總結(jié)學(xué)生回答，液體存在著溫度差時(shí)，液體依靠對流傳遞熱量，這樣懸浮顆粒將隨液體有定向移動。但布朗運(yùn)動對不同顆粒運(yùn)動情況不相同，因此液體的溫度差不可能產(chǎn)生布朗運(yùn)動。又如液體的壓強(qiáng)差或振動等都只能使液體具有定向運(yùn)動，懸浮在液體中的小顆粒的定向移動不是布朗運(yùn)動。因此，推理得出外界因素的影響不是產(chǎn)生布朗運(yùn)動的原因，只能是液體內(nèi)部造成的。
(2)布朗運(yùn)動是懸浮在液體中的微小顆粒受到液體各個方向液體分子撞擊作用不平衡造成的。
顯微鏡下看到的是固體的微小懸浮顆粒，液體分子是看不到的，因?yàn)橐后w分子太小。但液體中許許多多做無規(guī)則運(yùn)動的分子不斷地撞擊微小懸浮顆粒，當(dāng)微小顆粒足夠小時(shí)，它受到來自各個方向的液體分子的撞擊作用是不平衡的。如教科書上的插圖所示。
在某一瞬間，微小顆粒在某個方向受到撞擊作用強(qiáng)，它就沿著這個方向運(yùn)動。在下一瞬間，微小顆粒在另一方向受到的撞擊作用強(qiáng)，它又向著另一個方向運(yùn)動。任一時(shí)刻微小顆粒所受的撞擊在某一方向上占優(yōu)勢只能是偶然的，這樣就引起了微粒的無規(guī)則的布朗運(yùn)動。
懸浮在液體中的顆粒越小，在某一瞬間跟它相撞擊的分子數(shù)越少。布朗運(yùn)動微粒大小在10-6m數(shù)量級，液體分子大小在10-10m數(shù)量級，撞擊作用的不平衡性就表現(xiàn)得越明顯，因此，布朗運(yùn)動越明顯。懸浮在液體中的微粒越大，在某一瞬間跟它相撞擊的分子越多，撞擊作用的不平衡性就表現(xiàn)得越不明顯，以至可以認(rèn)為撞擊作用互相平衡，因此布朗運(yùn)動不明顯，甚至觀察不到。
液體溫度越高，分子做無規(guī)則運(yùn)動越激烈，撞擊微小顆粒的作用就越激烈，而且撞擊次數(shù)也加大，造成布朗運(yùn)動越激烈。
5.布朗運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)及原因分析的重要意義
(1)結(jié)合上面的講解分析提問學(xué)生：布朗運(yùn)動是懸浮在液體中的固體微粒分子的運(yùn)動嗎?是液體分子無規(guī)則運(yùn)動嗎?布朗微粒是被誰無規(guī)則撞擊而造成的?布朗運(yùn)動間接地反映了誰的無規(guī)則運(yùn)動?
綜合學(xué)生回答歸納總結(jié)：
(1)固體顆粒是由大量分子組成的，仍然是宏觀物體;顯微鏡下看到的只是固體微小顆粒，光學(xué)顯微鏡是看不到分子的;布朗運(yùn)動不是固體顆粒中分子的運(yùn)動，也不是液體分子的無規(guī)則運(yùn)動，而是懸浮在液體中的固體顆粒的無規(guī)則運(yùn)動。無規(guī)則運(yùn)動的原因是液體分子對它無規(guī)則撞擊的不平衡性。因此，布朗運(yùn)動間接地證實(shí)了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動。
(2)布朗運(yùn)動隨溫度升高而愈加激烈，在擴(kuò)散現(xiàn)象中，也是溫度越高，擴(kuò)散進(jìn)行的越快，而這兩種現(xiàn)象都是分子無規(guī)則運(yùn)動的反映。這說明分子的無規(guī)則運(yùn)動與溫度有關(guān)，溫度越高，分子無規(guī)則運(yùn)動越激烈。所以通常把分子的這種無規(guī)則運(yùn)動叫做熱運(yùn)動。
(三)課堂小結(jié)
1.要知道什么是布朗運(yùn)動。它是懸浮在液體中的固體微粒的無規(guī)則運(yùn)動，是在顯微鏡下觀察到的。
2.知道布朗運(yùn)動的三個主要特點(diǎn)：永不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動;顆粒越小，布朗運(yùn)動越明顯;溫度越高，布朗運(yùn)動越明顯。
3.產(chǎn)生布朗運(yùn)動的原因：它是由于液體分子無規(guī)則運(yùn)動對固體微小顆粒各個方向撞擊的不均勻性造成的。
4.布朗運(yùn)動間接地反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動，布朗運(yùn)動、擴(kuò)散現(xiàn)象都有力地說明物體內(nèi)大量的分子都在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動。
(四)課堂練習(xí)
1.關(guān)于布朗運(yùn)動的下列說法中，正確的是 [ ]。
A.布朗運(yùn)動就是液體分子的熱運(yùn)動
B.布朗運(yùn)動是懸浮在液體中的固體顆粒內(nèi)的分子的無規(guī)則熱運(yùn)動
C.溫度越高，布朗運(yùn)動越激烈
D.懸浮顆粒越小，布朗運(yùn)動越激烈
答案：C、D。
2.如圖是觀察記錄做布朗運(yùn)動的一個微粒的運(yùn)動路線。從微粒在A點(diǎn)開始記錄，每隔30s記錄下微粒的一個位置，得到B、C、D、E、F、G等點(diǎn)，則微粒在75s末時(shí)的位置 [ ]。
A.一定在CD連線的中點(diǎn)
B.一定不在CD連線的中點(diǎn)
C.可能在CD連線上，但不一定在CD連線的中點(diǎn)
D.可能在CD連線以外的某點(diǎn)
答案：C、D。
(五)、說明
1.本節(jié)課取得教學(xué)效果的關(guān)鍵是將布朗運(yùn)動演示實(shí)驗(yàn)做好，讓學(xué)生都看清楚布朗運(yùn)動。即使教學(xué)設(shè)備條件差的學(xué)校，也應(yīng)該準(zhǔn)備2～4臺生物顯微鏡，預(yù)先調(diào)好后，讓學(xué)生輪流觀察。設(shè)備條件好的學(xué)校，運(yùn)用顯微攝像頭，對準(zhǔn)載玻璃上有藤黃的懸浮液，拍攝的結(jié)果通過電腦在大屏幕投影電視上展現(xiàn)出來。用顯微鏡觀察布朗運(yùn)動全部過程也應(yīng)拍攝出來，給學(xué)生展示。
2.對于分子的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動，要注意是無規(guī)則，而不是無規(guī)律。無規(guī)則是指由于分子之間的相互碰撞，每個分子的運(yùn)動方向和速率在不斷地改變，任何時(shí)刻，液體或氣體內(nèi)部，沿各個方向運(yùn)動的分子都有，而且分子運(yùn)動的速率有大有小。對于某一個分子運(yùn)動是無規(guī)律的，但是熱學(xué)研究的是大量分子熱運(yùn)動的總體效果，對于大量分子的無規(guī)則運(yùn)動是有規(guī)律可遵循的，這就是統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
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