人教版《物理》選擇性必修第三冊“第一章分子動理論”編寫說明

摘 要：對“第一章 分子動理論”的編寫意圖進行梳理、說明.全章中明確說明章結構的設計特點，展現教科書編寫的邏輯線索，深入挖掘教科書中關于學科核心素養目標的落實.在具體說明中，圍繞本章的具體內容逐節細致說明并給出教學建議.

關鍵詞：分子動理論;物理核心素養;編寫說明

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0014-04

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

1 全章概述

熱學是研究物質熱運動規律及其應用的一門學科，是物理學的重要組成部分.分子動理論是研究物質熱運動性質和規律的經典微觀統計理論.本章介紹分子動理論的基本觀點，它的主要內容是：物體是由大量分子組成的;分子在做永不停息的無規則運動，分子間存在作用力.這些觀點是熱現象微觀理論的基礎.分子動理論通過對大量分子求統計平均，建立了宏觀量與相應的微觀量統計平均值的關系.用以定量地說明擴散、氣體的壓強和內能等的微觀本質.

本章在結構設計方面有所調整.大致可以劃分為兩個單元：第一單元由第1節的“分子動理論的基本內容”和第2節的“實驗：用油膜法估測油酸分子的大小”組成，該學生分組實驗是作為測定性實驗處理的，目的是讓學生感知分子的大小，體驗用測量宏觀量的方法測得微觀量分子直徑的實驗過程;第二單元由第3節的“分子運動速率分布規律”和第4節的“分子動能和分子勢能”組成，介紹分子運動速率分布的統計規律及其能量特征.

編者在編寫教科書時，嚴格依據高中物理課程標準的“課程目標”和“課程內容”的要求，促進學生物理學科核心素養的養成和發展.有意識地將發展學生學科核心素養方面滲透于教科書內容之中.本章在學科核心素養的培養方面，有以下功能.

1.1 物理觀念

本章各知識內容都是圍繞形成物質觀念的線索來設計的，各知識內容在該線索中具有各自的功能.在初、高中物理中關于“物質”的內容早有涉及，其中包括：物質的存在具有各種形式;不同物質具有各自的屬性;宏觀物體的屬性與其微觀結構有關，等等.本章的分子動理論內容是學生形成物質觀念的重要基礎之一.教科書幫助學生形成物質觀念的作法主要體現在章結構的設計上，從圖1框圖所反映的章結構特點，可以使學生有效地認識相應的觀點、方法以及運用物質觀念分析問題的思路.

1.2 科學思維

本章教科書關于科學思維的培養主要體現在：分子動理論的基本觀點以及統計規律的學習和體驗.例如，在闡述“物體是由大量分子組成的”觀點過程中，教科書通過實例，展示了阿伏加德羅常數所表達的“大量”;用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子照片的實驗證據所表達的“微小”.這對培養學生使用科學證據的意識和評估科學證據的能力是有效的.教科書在“分子在做永不停息的無規則運動”觀點的闡述中，主要以擴散現象和布朗運動來展開.同時給出了在顯微鏡下追蹤一顆小炭粒每隔30 s的運動位置的記錄圖示，它可以通過推理、分析，描述和解釋微粒的運動是無規則的結論.

另外，在培養學生具有建構模型的意識和能力方面，教科書引導學生把分子看成小球來處理，讓學生經歷建立分子的理想化模型過程，滲透模型在物理學中的意義.

分子運動速率分布規律所反映的統計規律是分子動理論研究的重要基礎，教科書通過實例，展示大量分子運動速率分布圖像，在此基礎上通過科學推理、論證，實現對分子熱運動的微觀解釋.

1.3 科學探究

本章對學生科學探究素養的培養主要體現在：具有設計探究方案，獲取證據的意識和能力.雖然本章教科書沒有冠以“探究”字樣的探究實驗，但是，科學探究思想的滲透是貫穿始終的.在運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測方面，本章教科書在闡述分子動理論的基本觀點過程中，努力引導學生挖掘相關的實驗證據，以提高學生的證據意識.尋找證據是科學探究中的要素之一.教科書在“用油膜法估測油酸分子的大小”的“實驗思路”中，給出了方案的設計和獲取證據的途徑.學生在體驗用測量宏觀量的方法測得微觀量分子直徑的實驗過程的同時，感知分子尺度的大小.

1.4 科學態度與責任

本章關于科學態度與責任方面，教科書通過描述科學家布朗精于觀察和實驗，肯定了這種運動的客觀存在.他發現問題，并把觀察到的現象做了詳盡的記錄，為后人的進一步研究作出了開拓性的貢獻的描述，傳遞給學生一種正確的科學態度和科學精神教育.

課時安排建議

第1節 分子動理論的基本內容2課時

第2節 實驗：用油膜法估測油酸分子的大小2課時

第3節 分子運動速率分布規律1課時

第4節 分子動能和分子勢能1課時

2 具體說明

2.1 第1節 分子動理論的基本內容

為了引導學生了解分子動理論的基本觀點以及相關的實驗證據，教科書作了如下努力.

第一，教科書對“物體是由大量分子組成的”觀點，是從分子的“微小”和組成物體分子數目的“大量”兩個角度來闡述的.一方面，教科書通過“問題”欄目給出了一個能夠讓學生想象分子有多“微小”的實例，學生由此可以估算一下分子大小的數量級，初步了解分子的尺度（對分子大小數量級的認識，還需要通過下一節實驗的測量進一步加深）;另一方面，教科書通過“1 mol 水中含有水分子的數量就達6.02×1023個”來表明組成物體的分子數是“大量”的.

另外，關于“物體是由大量分子組成的”觀點還需要展示相關的實驗證據.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，學生看到客觀存在的分子（原子）的照片，會加深認識，提高證據意識，為形成科學的物質觀念和后續熱學的學習打下一定的基礎.

第二，“分子在做永不停息的無規則運動”的觀點是分子動理論的核心內容.教科書通過“擴散”“布朗運動”兩個問題闡述這一觀點.我們知道，擴散現象不是外界作用引起的，而是分子做無規則運動的直接結果，是分子做無規則運動的宏觀反映.由于有關液體和氣體擴散方面的知識在初中已有涉及，所以，本章沒有重復相關的實驗，只是通過一些實例加以說明.其中，關于擴散現象在科學技術中的應用，教科書給出了“在生產半導體器件時，需要在純凈半導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散來完成”的實例.關于“布朗運動”，教科書設計了一個類似的演示實驗，并以實驗的真實情境來呈現.其中對實驗結果的分析，例如“微粒運動位置的連線圖示”，再次讓學生感受到證據的力量.

另外，教科書還描述了布朗精于觀察和實驗，肯定了這種運動的客觀存在.他發現問題，并把觀察到的現象做了詳盡的記錄，為后人的進一步研究作出了開拓性的貢獻.科學家這種科學態度和科學精神為學生樹立了榜樣.

第三，教科書對“分子間的作用力”的觀點，是從讓學生感受液體或固體的分子間存在空隙的實驗體驗開始的，同時可以引導學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，他們會清楚地看到，分子（原子）并不是嚴格意義上一個緊挨著一個的，表明分子間的確存在空隙.

另外，需要說明的是，本章關于分子間作用力問題的處理，沒有出現以往“分子間斥力、引力與分子間距離關系的圖像（圖2），而是直接給出了分子間作用力隨分子間距離關系的F-t圖像（圖3）.應該說，這樣的處理更直接、更本質，符合學生的思維特點，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r > r0時，作用力表現為引力，r

2.2 第2節 實驗：用油膜法估測油酸分子的大小

2.2.1 經歷構建理想化模型的過程

在“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，需要建構分子的模型來研究處理問題.當把油酸分子看成小球來處理問題時，是對油酸分子建立的一種簡化模型.教科書注意滲透模型在物理學中的意義，目的是使學生認識模型都是人們根據研究的問題建立的，理想化模型是在一定場合、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，與力學中的質點、電學中的點電荷一樣，都是理想化模型.實際上，分子的結構是很復雜的，分子并不真是小球，分子間也存在著空隙，因此，我們所計算出的分子的直徑（分子的大小），只是一個粗略的數量級，反映了分子所占空間的大小.在研究分子內部結構和運動時，則需要較復雜的分子結構模型了.

2.2.2 努力呈現實驗的真實情境，提高實驗的設計能力

在本章多數實驗中，我們力求多以真實情境來呈現實驗思路、實驗過程和實驗結果，目的是讓學生感受到該實驗真實可信、可操作，激發他們自主設計、動手操作實驗的興趣.例如，有“教科書圖1.1-3觀察布朗運動的實驗裝置”“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”“圖1.2-3記錄油酸薄膜的形狀”“伽爾頓板”等.

其中“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗的設計訓練表現更為突出.

在“實驗思路”中，需要引導學生清楚：怎樣建構單層油酸分子的理想化模型;測出油膜的厚度可以粗略地測出分子的直徑.實驗中，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……更值得學生體會的是，該實驗是利用對宏觀量的測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“物理量的測量”中，教科書設計了兩個需要解決的問題，即“測量1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V”和“測量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面積S”.教科書以這兩個問題作為行文的線索，不僅有利于學生理解這個實驗的原理，而且讓學生看到了本實驗的具體方案是怎樣構思出來的，教科書把實驗原理和步驟融入在幾個需要解決的問題中，為學生自主學習和相互交流創造了條件，有利于培養學生設計實驗的能力.

在“數據分析”中，學生通過實驗結果的處理，可獲得油酸分子的尺度大小.在此基礎上，可以進一步引導學生估算阿伏加德羅常數，經歷這樣的過程，會增強學生對分子大小的數量級的認識.

2.3 第3節 分子運動速率分布規律

熱現象與大量分子熱運動的統計規律有關，并把物質的熱學性質和規律看作微觀粒子熱運動的宏觀表現.為了進一步深化分子熱運動規律的學習，同時也為后續內容的學習做好鋪墊，“分子運動速率分布規律”的內容前置本章，并單獨設為一節來處理.

講解氣體分子運動的特點要滲透一些統計的觀點.要讓學生認識到，分子熱運動是無規則的，但并不是“無規律”的.對于任何一個分子而言，在每一時刻，沿著什么方向運動，以及運動的速率等都具有偶然性;但是對于大量分子的整體而言，它們的運動卻表現出規律性.為了說明統計規律，教科書首先通過“問題”欄目展現了“伽爾頓板”實驗，讓學生看得見投入大量的小球所展現出的規律性.使學生對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、形象的認識，教科書設置了氣體分子運動的示意圖（教科書圖1.3-1）.

為了說明分子運動速率分布圖像的物理意義，教科書通過實例闡明了這樣的觀點：在每一時刻，物體內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數所占的比例相對較小，大多數分子的速率和某一平均速率相差很小.通常所說分子運動的速率，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.

針對氣體壓強的微觀解釋，我們選擇了一個與器壁發生正碰的氣體分子為研究對象，目的是使學生體會到，雖然個別分子的運動服從力學規律，個別分子碰撞器壁時所產生的沖力也要用力學規律來計算，但涉及大量分子的集體行為卻要用到統計觀點，因此，這不是一種純粹的力學問題.同時，為了讓學生形成氣體壓強的微觀圖景，教科書中設計了模擬氣體壓強的演示實驗.

2.4 第4節 分子動能和分子勢能

一種運動形式對應一種能量的形式.機械能與機械運動相對應，內能與大量分子的熱運動相對應.每當我們了解了一種運動形式的特點后，都要從能量的角度去認識這種運動.我們已經了解了組成物體的分子在永不停息地做著無規則運動，本章第4節“分子動能和分子勢能”就是從能量的角度引導學生運用統計思想認識分子熱運動的.

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規則熱運動，所以每個分子都有分子動能.由于物體內分子是大量的，各個分子的速率大小不同，因此，每個分子的動能大小不同.從分子動理論的觀點來看，溫度是大量分子無規則熱運動的宏觀表現，具有統計的意義.

關于“分子勢能”，教科書通過“問題”和“思考與討論”兩個欄目提出問題，目的是引導學生認識分子勢能隨分子間距離變化的勢能曲線，請盡量讓學生通過問題的臺階和學生已有的知識，自己獨立思考完成.通過此項活動，培養學生對物理概念和規律的認識能力以及會運用宏觀量來分析微觀量的方法.分子勢能是由分子間相對位置決定的能量.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用分子間的作用力做功來分析分子勢能的變化.

（收稿日期：2020-11-10）