“氣體的等溫變化”課堂教學實錄

王志芳

（北京市十一學校 北京 1000 39 ）

1 巧設實驗激趣引入

師：我們生活在空氣的懷抱中，然而在很長時期內，人們對空氣的性質卻幾乎沒有想過要進行研究．直到17 世紀中葉，意大利的物理學家托里拆利和維維尼亞揭示了“托里拆利真空”，人們才發覺空氣有著豐富奇妙的性質，從而產生了研究空氣的興趣，并逐漸形成了對氣體性質的一些認識．今天，我們就來學習第八章——氣體．

設計思想：讓學生做吹氣球的小實驗，目的是通過實驗，激發學生求知的欲望，提高學生探究的積極性和主動性．

多媒體投影：請一位學生上講臺前吹氣球，先直接吹，再將氣球放到瓶子里吹，如圖1所示．比較兩次吹氣球的大小，并思考這是為什么？

圖1 用嘴吹放在瓶子里的氣球

學生活動：有一位學生到講臺上做實驗，其他學生觀察實驗現象．

實驗現象：直接吹氣球時，很輕松地就將氣球吹大；當將氣球放到瓶子中時，不能將氣球吹大．

師：平時我們可以很輕松地將氣球吹大，但將氣球放到瓶子里的時候，卻不能將其吹大，這是為什么呢？要解釋這個現象，就需要學習今天的知識．

2 心懷懸念進行新課

師：為了描述物體做機械運動，物理學中引入了哪些物理量來描述物體運動的快慢？

生：引入了位移、速度、加速度、動能等物理量．

師：為了描述氣體的性質，常用氣體的壓強、體積和溫度3個物理量描述氣體的狀態．

師：要想研究氣體的這3個狀態參量之間的關系，在物理學中應采用什么樣的研究方法？

生：控制變量法．

師：很好！怎樣運用控制變量法研究這3個物理量之間的關系？

生：一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積的關系；一定質量的氣體，在體積不變的情況下，壓強與溫度的關系；一定質量的氣體，在壓強不變的情況下，體積與溫度的關系．

師：今天，我們只研究一定質量的氣體，在溫度不變的條件下，其壓強與體積的變化關系，把這種變化稱為氣體的等溫變化．

提出問題：一定質量的氣體，在溫度保持不變的條件下，它的壓強和體積會發生怎樣的變化呢？下面請大家親自動手實驗一下．

學生分組實驗：用一個注射器封閉一定質量的空氣，緩慢推動活塞，觀察管中封閉空氣體積的變化，并思考壓強的變化．

實驗現象：可觀察到注射器內被活塞封閉氣體的體積不斷減小，而封閉氣體的壓強卻不斷增大．

教師解釋“緩慢”的涵義：為了保持溫度不變，在體積變化過程中，要求緩慢，由于氣體在體積變化過程中溫度會發生改變，要有足夠的時間使活塞中的氣體與外界形成熱交換至平衡，這樣才能保持研究對象的恒溫．

3 運用舊知合理猜想

師：通過上述的定性實驗和日常生活經驗，大家猜想，一定質量的氣體，在溫度不變時，其壓強與體積之間有何關系？

生：體積減小，壓強增大．

提出問題：通過上述兩個情景，很明顯可以知道，一定質量的氣體，當其體積減小時，壓強會增大，體積增大時，壓強會減?。ㄟ^上述情景，我們得到的只是壓強和體積的定性關系，下面通過實驗來研究這兩個量之間的定量關系．

教師提示：設計實驗方案時，一定要先明確實驗的目的．

4 學生分組設計方案

教師巡回指導，學生設計實驗方案可能有一定的困難．教師進一步提出設計實驗方案時應注意的問題：

（1）實驗中的研究對象是什么？

（2）如何改變壓強p和體積V？

（3）如何測量壓強p和體積V？

（4）如何控制氣體的質量m和溫度T 保持不變？

學生互相討論，設計方案．教師巡回指導，進行指導、點撥．

教師：請同學們說出自己設計的實驗方案．

5 發散思維展示方案

學生設計的方案可能不全，也可能與教師準備的課件不相吻合，這時，教師應該隨學生的回答適時控制幻燈片，最后可能設計出多種實驗方案，最終確定出比較常見的有3種，分別出示3種方案．

學生方案1：此方案的原理來源于玻意耳當年做過的實驗，3種情況下的研究對象均為封閉在A管內的氣體．在圖2（a）中，左、右兩管內的液面相平，故被封閉氣體的壓強為p1＝p0，而第二種情況下，如圖2（b），封閉氣體的壓強為p1＝p0＋h，第三種情況下，如圖2（c），封閉氣體的壓強為p1＝p0－h．氣體的體積可由刻度盤上的刻度讀出來，氣柱的長度與管子橫截面積的乘積等于氣體的體積，因為每個狀態下的體積都與橫截面積有關，所以氣柱的長度可以代替氣體的體積．

師：為了保證在實驗的過程中，保持氣體的溫度不變，應該怎樣做？

生：不能用手去摸封閉氣體，做實驗的過程中改變氣體的體積大小時，一定要緩慢，不能過快．

教師播放此方案的視頻錄像，學生觀看，掌握實驗操作要點，熟悉實驗操作過程．

圖2

圖3

學生方案2：如圖3所示，此方案的研究對象是封閉在注射器管內的一定質量的氣體，氣體的體積可由管壁上的刻度讀出，氣體的壓強則由上端的壓強計直接讀出．

學生方案3：如圖4所示，對壓強的測量也可以采取比較先進的壓強傳感器，只需讀出氣體的體積，而氣體的壓強則由傳感器直接讀出．

圖4

師：關于這個實驗的方案可能設計出很多種，在這里就不再一一列舉，今天僅用第三種方案進行實驗探究．

6 實驗探究教師點撥

如圖4所示，用DIS研究壓強與體積關系的實驗操作，由一位學生做，另一位學生記錄數據．

師：大家注意分析記錄的數據，猜想實驗過程中記錄的一定質量氣體的壓強p與體積V有什么定量關系？

7 數據處理合理猜想

設計思想：啟發學生進行數據處理，尋找關系時可以先猜想，再進行驗證的方法．

生：壓強p和體積V可能成反比．

師：我們可以采取什么方式進行數據處理？

生甲：可以做出p－V圖像．

生乙：也可以計算p和V的乘積，看每一組數據的p V是否相等．

師：很好！我們不妨在電腦上做一下．

教師將剛才的實驗數據在電腦上作出p－V圖像后，發現圖線是一段曲線．

師：通過這段圖線能夠說明p與V是什么關系呢？

生丙：這段曲線可能是拋物線的一段，也可能是橢圓的某一段．

生丁：這段曲線也可能是雙曲線上的一段，即p與V之間可能成反比．

師：如何通過數據證明我們的猜測？

圖線是一條過原點的直線的話，就可以證明p與V之間是成反比的．

師：請同學們仔細分析，本實驗的誤差來源在哪里？

生：是注射器與傳感器相連部分的體積沒有考慮進去．

師：那么應該怎樣減小本實驗的實驗誤差？

生：應該用容積較大的注射器，在實驗過程中，氣體的體積不宜壓得太小，這樣就使得注射器與傳感器相連部分的氣體的體積可以忽略．

師：通過剛才的實驗探究過程，我們可以得到什么樣的結論？

8 歸納總結得出結論

生：一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強p與體積V成反比．

師：這個結論是英國的科學家玻意耳和法國的科學家馬略特各自通過實驗發現的，所以原來就叫玻意耳－馬略特定律，簡稱玻－馬定律，現在的教材上叫做玻意耳定律．

師：p V＝C（恒量）或p1V1＝p2V2式中的恒量跟氣體的質量、種類和溫度有關．

師：通過剛才的實驗探究過程，我們已經知道，對一定質量的氣體，其壓強與體積成反比，此過程可以用圖像來表示，大家已經知道，其p－V圖像是一條雙曲線，展示幻燈片上的p－V圖像．

師：玻意耳定律可以用圖像來表示，縱軸代表氣體的壓強，橫軸代表氣體的體積，選取恰當的分度和單位，請學生討論一下圖線該是什么形狀，并嘗試把它畫出來．

生：作出圖5所示的p－V圖像．

圖5

師：請大家說出哪條圖線的溫度高？

生：溫度高的是T2圖線．

生：有時為了能更加形象、直觀地表達p與V的關系，也可以做p－圖像．

9 回歸實驗前后呼應

師：學習了有關于氣體等溫變化的規律，大家能不能根據玻意耳定律解釋前面吹氣球的小實驗．

生：同一位同學吹氣球，氣球在空氣中能吹得比較大，而將其放在瓶子中，卻吹不了那么大了．當將氣球的口端反扣在瓶口時，瓶內氣球和瓶壁之間封閉了一定質量的氣體，開始時的壓強為一個大氣壓，當吹氣球時，A內的氣體體積減小，壓強增大，超過一個大氣壓，故不容易將氣球吹大．

10 創設情境深化理解

問題情境：如圖6所示，水銀柱的長度為19 c m，大氣壓強為1a t m（相當于76 c m高的水銀柱產生的壓強），玻璃管是粗細均勻的，玻璃管開口向上豎直放置時，被封閉的氣柱長15 c m；當開口豎直向下放置時（水銀沒有溢出管外），被封閉的氣柱的長度是多少？

圖6

師：解答本題需要選擇的研究對象是什么？

生：封閉在試管內的一定質量的氣體．

師：怎樣根據玻意耳定律解此題？

生：公式中的p1V1和p2V2對應的是氣體的兩個不同狀態，解題時只要弄清一定質量氣體的兩個狀態下的壓強和體積，結合題目中的已知條件，通過兩個狀態的壓強和體積將已知條件和未知條件建立聯系，從而得到題目的正確答案．

師：請大家根據剛才的解答過程，試著總結一下用玻意耳定律解題的步驟．

學生總結：

（1）確定研究對象，即一定質量的氣體，并確認它在狀態變化過程中保持質量不變，溫度不變．

（2）確定初、末兩個狀態，正確地確定兩狀態的p，V 值．

（3）利用玻意耳定律列方程，統一單位求解．

（4）注意分析隱含的已知條件，必要時還需應用力學或幾何知識列出輔助方程．

（5）將各初始條件代入氣體公式中，求解未知量．

（6）必要時應分析解答結果是否合理．

11 課堂小結整合歸納

師：請同學們對今天所學到的知識，進行合理的歸納、總結．

學生總結：今天我們通過實驗探究的方式，經歷了科學探究的過程，即科學猜想、設計實驗、實驗探究、數據處理、得出結論，得到了玻意耳定律，即一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，它的壓強跟體積成反比．玻意耳定律可以用p－V圖線表示，是一條雙曲線，也可以用p－圖像表示，是一條直線．

教師補充：通過今天的學習，大家一定要理解玻意耳定律的內容，并能用玻意耳定律解答實際問題．

12 課后反思

在備課過程中，經歷了仔細研讀、分析、感悟、整合教材的環節后，筆者對“氣體的等溫變化”的教學思路漸漸清晰．鑒于學生的認知特點，教學設計是從有趣的小實驗入手，先將學生的求知欲望激發起來，再通過小實驗進行真實的體驗，感受氣體的壓強和體積之間的定性關系，最后設計合理的實驗方案，自主探究它們之間的定量關系．即使在實驗數據的處理階段，也要注重培養學生的探究能力，一步步完善實驗數據處理的方案，直至達到預期的目的．

本節課的教學設計環節比較多，學生需要完成的任務一個接著一個，要想在一節課的時間內完成，學生必須集中精力，全神貫注，也就是說，學生的參與度必須足夠高．所有的教學活動基本上按照原計劃有條不紊地進行，學生的探究欲望非常高漲，他們興致勃勃地進行實驗探究，記錄實驗數據，分析實驗數據，進行實驗數據的處理．在整個過程中，學生的合作意識表現得淋漓盡致，自然教學效果也比較好，真正地理解了玻意耳定律內容的實質，對學生能夠熟練應用玻意耳定律解答實際問題打下了堅實的基礎．本節課的教學目標基本完成，學生學習的積極性和主動性得到了充分的發揮，其在合作中互動、互助、互勉、互進，強化了學生的合作意識，全面提升了學生的綜合素質，這將對他們的終身學習奠定良好的基礎．