核心素養導向下氣體變質量問題的教學反思與重構

陜西 趙文浩 楊榮富

在核心素養導向下，本文對氣體變質量問題教學過程中出現的物理概念邏輯線斷裂、求解難度大的形成原因進行分析和反思，并運用學科知識，引入“物質的量守恒法”，對氣體變質量問題進行教學重構，實現對氣體變質量問題快速有效求解的同時，完成課堂教學過程中對學生物理守恒觀念地滲透和培養。

在高中物理熱學部分，教學大綱要求學生能夠從宏觀、微觀兩個不同維度去認識物質的性質，并且能夠對物質的部分宏觀性質給予定性的微觀解釋。在氣體部分教學大綱要求學生能夠從分子熱運動的角度去定性解釋氣體壓強P、體積V和溫度T三個宏觀狀態參量的物理意義和性質，并且從宏觀角度通過氣體實驗定律掌握壓強P、體積V和溫度T之間的定量關系。同時，物質宏觀性質的微觀解釋也是學生建立“物質觀念”，實現在物理學科視域下對物質世界理解的重要途徑。

一、“氣體實驗定律”在教學中存在的困惑

氣體實驗定律是描述氣體平衡狀態的基本規律，是幫助學生理解氣體壓強P、體積V和溫度T三個宏觀量之間定量關系的一個有效依據。現行教材都是在氣體質量一定的條件下，通過實驗重點講述玻意耳定律、查理定律和蓋·呂薩克定律，并拓展介紹了理想氣體狀態方程，這有助于學生理解壓強P、體積V和溫度T三個狀態參量之間的定量關系，并且能夠運用氣體實驗定律解決定質量的氣體問題。但是通過對部分教師的課堂實踐和教學成果的研究發現，在教學實踐過程中，教師處理氣體變質量問題時，存在以下不足之處：

第二，缺乏學情分析，方法僵化，增加了問題的處理難度。在面對氣體變質量問題時，教師基本都是按照氣體實驗定律，利用“等效法”把各部分氣體等效為一個整體，轉化成定質量問題進行處理。而“等效法”需要學生把整個物理情景深入理解后，才能對整個物理變化進行過程性等效，這對學生的模型建構能力有非常高的要求，進而增加了求解問題的難度。教師在運用“等效法”處理變質量問題時，沒能關注到大多數學生的實際建模能力，使得氣體變質量問題成為一個難點。

二、“氣體實驗定律”中變質量問題的教學反思與重構

通過對教師教學過程的反思和學生知識體系的實踐研究發現，要想突破氣體變質量問題，教師務必做好對教材內容的擴展，完善邏輯鏈條，使學生理解常數C的物理含義和性質。同時關注學生模型建構的能力，選擇合適的方法降低問題求解難度。

三、例析“物質的量守恒法”對氣體變質量問題的有效求解

1.充氣問題

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

【解析】根據充氣過程中氣體物質的量守恒得

n始+n充=n總

設足球的容積為V，每次充氣體積為V0，氣體溫度為T，根據理想氣體狀態方程PV=nRT得

則x=2，即充氣后足球內部空氣壓強是大氣壓強的2倍。

2.氣體混合

(ⅰ)兩罐中氣體的壓強；

(ⅱ)甲罐中氣體的質量與甲罐中原有氣體的質量之比。

【解析】(ⅰ)根據氣體調配過程中物質的量守恒得

n甲+n乙=n總

(ⅱ)甲罐中氣體的物質的量與甲罐中原有氣體的物質的量之比

3.抽(漏)氣問題

【解析】設火罐內氣體初始處于狀態1，有

P1=P0T1=450 KV1=V0

火罐內溫度降低后氣體處于狀態2，有

根據理想氣體狀態方程得

根據抽氣過程中(溫度不變)物質的量守恒得

n始-n抽=n剩

通過對氣體變質量問題教學過程的反思與重構，引入“物質的量守恒法”實現對氣體變質量問題的快速有效求解，不僅降低了運用“等效法”解決氣體變質量問題過程中學生抽象概括和模型建構能力的要求，而且消除了學生在運用“等效法”求解氣體混合問題時，對直接將氣體壓強與體積的乘積進行相加的物理本質的困惑，邏輯鏈條更加完整，思路更加清晰，極大程度降低了學生解決相關問題的思維難度，提高了學生問題處理的能力。

四、“物質的量守恒法”解決氣體變質量問題的擴展應用

【擴展】一個足球的體積為2.5 L，用打氣筒給這個足球打氣，每打一次都把體積為125 mL、壓強為一個大氣壓、溫度和球內溫度相等的氣體打進球內。如果在打氣前足球就已經是球形并且里面氣體的壓強與大氣壓相同，則在打氣20次后，足球內部溫度變為原先的2倍，求足球內氣體壓強是大氣壓強的多少倍?(假設整個過程中足球體積不變)

【解析】根據充氣過程中氣體物質的量守恒得

n始+n充=n總

設足球的體積為V，大氣壓強為P0，每次充氣體積為V0，原先球內氣體溫度為T，根據理想氣體狀態方程PV=nRT得

則x=4，即足球內部空氣壓強是大氣壓強的4倍。

在利用“氣體實驗定律”解決氣體變質量問題時，如果這個過程中伴隨著氣體溫度的變化，運用“等效法”求解的難度會更大，與“等效法”相比，“物質的量守恒法”在此類問題中的優勢將更加明顯，即使這個過程中伴隨體積變化也非常容易處理。因此筆者認為引入“物質的量守恒法”是突破氣體變質量問題的必要措施。

五、結束語