部分高中物理新教材《熱力學》分析（浙江省高中物理新教材（下冊）編寫會材料） 東陽中學 一、新舊教材對比 1、兩個教學大綱教學內(nèi)容及要求對比 2000年修訂的物理教學大綱（實驗性修訂本） 1990年修訂的物理教學大綱（修訂本） 8、分子熱運動 能量守恒定律 分子動能論 熱與功 分子熱運動（A） 分子熱運動的動能（A） 分子間相互作用力（A） 分子勢能（A） 分子熱運動 布朗運動 分子動能 分子間相互作用力 分子勢能 物體的內(nèi)能（A） 熱（A） 改變內(nèi)能的兩種方式（A） 物體的內(nèi)能 熱 改變物體內(nèi)能的方式對象：功和傳熱 熱力學第一定律（A） 能量守恒定律（B） 熱力學第二定律（A） 永動機是不可能的（A） 能量轉(zhuǎn)換與守恒定律及其意義 能源開發(fā)與利用（A） 能源利用與環(huán)境保護（A） 能源利用與能源開發(fā) 固體與液體 固體和液體的性質(zhì)*固體的微觀結(jié)構(gòu)*晶體與非晶體 晶體與非晶體*空間晶格*液體的微觀結(jié)構(gòu)*液晶*液體的表面張力現(xiàn)象與毛細現(xiàn)象 液體的表面張力 潤濕現(xiàn)象*毛細現(xiàn)象*熔化與凝固 10、氣體的性質(zhì) 氣體的實驗定律（A） 氣體的狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù) 氣體的等溫變化 波義爾定律 氣體的等容變化 查理定律 熱力學溫標 理想氣體（A） 克拉佩龍方程（B） 普適氣體常數(shù)（B） 理想氣體 理想氣體的狀態(tài)方程 氣體分子運動特性（A） 微觀意義氣體壓強(B) *濕度 *氣體的液化 *氣體的汽化 濕度計 2、幾點說明： 1）修訂版物理教學大綱和新教材有三個明顯的特點： （1）將教學內(nèi)容要求分為A、B兩個層次，以便在教學中掌握每個知識點的難易程度；但20項必修教學內(nèi)容（必修+選修）中，只有5項內(nèi)容為B級（阿伏伽德羅常數(shù)B、能量守恒定律B、克拉佩龍方程B、普適氣體常數(shù)B、氣體壓強的微觀意義B），其余均為A級，僅占25%。而且從近期調(diào)整后的新教學內(nèi)容來看，克拉佩龍方程、普適氣體常數(shù)等2項內(nèi)容被刪除。
因此，在熱力學部分的教學中，要注意知識的深度，不要把這部分內(nèi)容弄得太難。例如，在氣體壓強的計算中，教材中的壓強主要采用國際單位——帕斯卡，實際操作中也會用到“標準大氣壓”和“毫米汞柱”，這兩個單位不是法定單位。教材P65的注釋中也寫到：在國家標準中，“標準大氣壓”和“毫米汞柱”是不建議使用的單位，因此要求學生能夠進行三種壓強單位之間的換算，不要在壓強之間的單位換算上花費過多的時間。在利用能量守恒定律解題過程中，不要以單位換算為重要目標來設計例題和練習，尤其不要在題中用不再使用的單位讓學生換算計算； 例如，一個質(zhì)量為mkg的物體從hm的高度落下，設水的比熱容為1cal/g.0c，下落過程中有40%的機械能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能，則物體的溫度上升了多少度？這類問題應該刪除，如果要用，比熱容的單位應該采用國際單位。（2）在教學內(nèi)容方面，熱學部分的知識也按照新教材增加了，但定量計算要求減少了，難度降低了。例如，熱力學第一定律、熱力學第二定律、永動機的不可能性、能源利用與環(huán)境保護、克拉佩龍方程、普適氣體常數(shù)、氣體分子運動特性、氣體壓強的微觀意義等都是新物理教學大綱增加的新知識內(nèi)容，并增加了學生實驗“利用油膜法估算分子大小”。
原教材中“氣體性質(zhì)”一章中較難的計算，都是用力學知識結(jié)合氣體實驗定律、理想氣體狀態(tài)方程來解決的。在教學中應大大降低這部分內(nèi)容的計算難度，因此應改變傳統(tǒng)的把教學重點放在這部分內(nèi)容的計算上的做法。（3）可選內(nèi)容也增加了。例如，*固體的微觀結(jié)構(gòu)、液體的微觀結(jié)構(gòu)*液晶等；教材還增加了閱讀材料：納米技術、統(tǒng)計規(guī)律、氣體壓強公式等；這說明新大綱的要求和教材的編寫更加注重與現(xiàn)代技術的應用相結(jié)合，如液晶、納米技術等。這是我們在使用新教材時要注意的重要問題。2）熱學部分是學生第一次進入微觀世界（初中涉及的很少），學生的思維會有較大的坡度。 因此，教學的重點，一是要花在學生對基本概念、規(guī)律的理解上，二是要發(fā)展學生的思維能力和空間想象能力，幫助學生對微觀問題有更清晰的認識，即“微觀問題變宏觀”。決不能人為地增加教學難度。我想，新教學大綱重新調(diào)整的目的也正是為了這個原因。所以，新教材中“不怕教淺，就怕教深”的說法是有道理的。從第一版教材的使用情況來看，教學難度普遍偏高，學生比以前更難接受。原因有二：一是教師的教學觀念沒有改變。 在教學中增加教學內(nèi)容是毋庸置疑的，但教師對于被刪除的內(nèi)容是否會教給學生并沒有信心，比如碰撞（彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞）、體系的動能定理，以及動能、重力勢能、彈性勢能相互轉(zhuǎn)化過程中機械能的守恒。
二是對定量計算要求過高。3、與原教材相比，新教材的具體內(nèi)容在：設計上更加合理，可讀性更強，內(nèi)容更加豐富，演示實驗設計更符合實際，錯誤更少，更方便學生閱讀，對理解難點知識有更多的提示和講解，更加注重對學生學習方法的指導。介紹掃描隧道顯微鏡和它的發(fā)明者誰獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。原教材介紹的是用可放大200萬倍的離子顯微鏡拍攝的鎢針尖表面原子分布的照片（黑白），而現(xiàn)在的教材介紹的是用可放大幾億倍的掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面原子的排列情況（彩色圖），更加科學，更貼近科研前沿，照片看起來更清晰。建議：簡單介紹一下掃描隧道顯微鏡的原理、主要功能，以及它在科研中的重要作用（或查閱相關資料讓學生了解）； 簡單介紹掃描隧道顯微鏡的發(fā)明人葛賓尼和羅勒的簡歷，幫助學生了解這方面最新的研究動態(tài)和一些史實。 （2）強調(diào)簡化模型的建立 教材P30中的分子簡化模型對分子進行了概括：把分子看作小球是分子的簡化模型。其實分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，并不是真正的小球。所以要知道分子的直徑有多大，一般只要知道分子的數(shù)量級就足夠了。分子直徑的數(shù)量級提供了分子尺寸的定量概念，使我們了解分子有多大。 建議：這是力學中繼點質(zhì)量、彈簧振子、單擺等理想模型之后建立的又一個理想模型，學生理解起來不會有太大困難。
但要注意把微觀分子宏觀化，首先學生要知道物理模型的建立既可以是宏觀物體，也可以是微觀物體，進而理解建立理想模型的重要性，從而拓展了對理想模型的認識。其次學生要理解把實體轉(zhuǎn)化為模型的重要性。把實體（現(xiàn)實物體）轉(zhuǎn)化為模型的能力是學習物理的一項重要能力，要重視學生這種能力的培養(yǎng)。在學習了分子運動論和氣體含量后，要讓學生明確，最簡單的分子模型，不但把分子看成小球，而且把這些小球看成獨立的自由粒子，它們之間的分子力可以忽略，分子的重量也可以忽略，那么分子就可以到達任意空間，這就是理想氣體的分子模型。B.理想氣體模型教材P73方框中的描述，可以幫助學生理解理想氣體的概念，理想氣體是不存在的高中物理的變化，它是真實氣體在一定程度上的近似，是一個理想化的模型。 很多實際氣體，特別是那些不易液化的氣體，如氫氣、氧氣、空氣、氦氣等，在常溫常壓下，其性質(zhì)與理想氣體相似，可以按理想氣體處理。這樣處理不僅簡單，而且結(jié)果的誤差小。與原教材相比，突出了模型的概念。原必修教材中說：為了研究的方便，我們想象一種嚴格遵守實驗規(guī)律的氣體，這樣的氣體稱為理想氣體。（3）教材教學內(nèi)容的呈現(xiàn)方式與舊教材有較大不同。A.增加了“思考與討論”的內(nèi)容，幫助學生理解或擴展知識面。
P34“思考與討論”：布朗運動不能因外界影響而引起，目的是加深學生對布朗運動本質(zhì)的理解，明確本實驗為間接驗證實驗。P41“思考與討論”旨在讓學生通過自己的理解，推導出熱力學第一定律中內(nèi)能變化、熱量、功的正負，明確正負符號的物理意義。P49是讓學生“思考、討論”煤炭、石油中太陽能與化學能的轉(zhuǎn)化方式，可以擴大學生的知識面。P69“思考與討論”是讓學生討論從一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的幾條等溫線可以得到的相關信息（曲線形狀為雙曲線；溫度越高，曲線離原點越遠；對于一定質(zhì)量的某種氣體，當體積不變時，溫度升高，壓強增大；當壓強不變，溫度升高，體積增大等）。 P70上的“思考與討論”是讓學生從討論某種氣體一定質(zhì)量在不同體積下的等容線中得到相關信息。建議：這些內(nèi)容可以用來培養(yǎng)學生的學習能力，不要讓這些有效的材料白白浪費。B.對學生容易誤解的重點內(nèi)容和知識點增加邊注和方框，以吸引學生的注意力。C.演示實驗的圖示更加直觀，并簡單介紹了實驗設備和重要的操作流程，可以幫助學生理解演示實驗所講解的問題。（4）增加的內(nèi)容還包括A.分子間力與距離的關系；提出熱力學能的概念：物體做熱運動時所有分子的動能和分子勢能的總和稱為該物體的熱力學能，也叫內(nèi)能，比初中科學中的熱能概念更準確，原教材中提出的內(nèi)能是一種延伸。
增加了“氣體對外做功，內(nèi)能減小”、“氣體分子的擴散”等實驗，模擬“氣體分子壓強大小與兩個因素的關系”。 B.動手：觀察晶體；學生可以在課外觀察各種寶石，查閱資料，了解各種晶體。縫紉針浮在水面上；測量露點等。 C.研究性學習課題研究實例：研究材料的保溫性能，估算高壓鍋中水的溫度。 2.教學建議 教材熱學部分介紹了研究熱現(xiàn)象的兩種方法——宏觀方法和微觀方法。從宏觀角度研究熱現(xiàn)象的規(guī)律，引入內(nèi)能的概念，給出熱力學第一定律和能量守恒定律，并將內(nèi)能與其他形式的能量聯(lián)系起來；從微觀角度研究，從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立分子運動論。這兩種方法相輔相成。 與初中相比，一是增加了定量的內(nèi)容，如能量守恒定律、熱力學第一定律、一定質(zhì)量氣體的三個狀態(tài)參量之間的關系等；二是強調(diào)微觀線索，用微觀解釋宏觀現(xiàn)象。教學中要充分體現(xiàn)宏觀與微觀相結(jié)合的特點。分子動能論中關于能量守恒定律的章節(jié)，分為兩部分：一是分子動能論的基礎，二是能量概念的拓展。要有效地講授這一章的內(nèi)容，首先要了解分子動能論的起點知識，初中已經(jīng)學過哪些知識，有哪些實驗基礎。1、教學大綱要求學生掌握分子動能論的基本內(nèi)容：物質(zhì)是由大量分子組成的，分子在做著無休止的無規(guī)則運動，分子之間存在間隙，分子間存在相互作用力。
初中生所了解的分子運動論的內(nèi)容有：分子的擴散運動、分子間的間隙、分子間的解離力和吸引力。所學的實驗有：分子運動速度與溫度的關系、碘分子的隨機運動、紅墨水與酒精和水混合后在熱水和冷水中的擴散運動。教學重點講授分子的熱運動和分子間的吸引力和排斥力。建議：加強學生的感性認識，以好實驗為教學基礎，用恰當?shù)谋扔鲙椭鷮W生了解微觀世界的端倪。做好這個實驗的關鍵是配制溶液和調(diào)節(jié)顯微鏡。（1）配制方法：提出建議，讓學生動手配制。在小燒杯中放入約50ml清水，滴入幾滴黃色廣告顏料，充分攪拌，使混合溶液呈淡黃色。 （其它方法還有用碳墨汁或磨碎的墨水，方法相同：將數(shù)滴碳墨汁或墨水滴入50ml清水中，充分混勻）。或用花粉做此項實驗，也有很好的效果。 （2）用玻片：根據(jù)實驗情況，在玻片上放一塊石蠟，在酒精燈火焰上加熱，使蠟溶化，蠟層要厚薄均勻，冷卻后用小刀在蠟層中間刮一個2mm方孔，將懸浮液滴入玻片上的石蠟孔內(nèi)，蓋上蓋玻片。還有一種方法是將懸浮液直接放在兩塊蓋玻片之間，第二種方法比前一種方法效果更好，原因是顯微鏡在放大600倍時視野很小，而溶液厚度比較厚，觀察的顆粒經(jīng)過一段時間后可能向下（深處）移動，觀察不到。 然而高中物理的變化，蓋玻片之間的溶液是一層薄薄的層，任何方向的移動都在視野范圍內(nèi)。
（3）放大法：一是采用總放大倍數(shù)為600倍左右的光學顯微鏡（一般目鏡放大倍數(shù)為12.5，物鏡放大倍數(shù)為40），學生分組觀察；二是讓學生通過實物投影儀觀察（要求顯微鏡照相機的放大倍數(shù)在600倍以上）。此法費用相對較高，有現(xiàn)成顯微鏡照相機的學校做此項實驗較好。為了讓學生對分子的不規(guī)則熱運動有深刻的認識，應結(jié)合實驗或例題，不僅講解氣體、液體的擴散運動，還要講解固體的擴散運動。紅墨水的擴散運動實驗，初中時曾做過。重點講解氣體的擴散運動實驗。課本P32中，兩個倒置的廣口瓶中裝有二氧化氮和空氣，中間放有玻璃板。 取下玻璃板后，經(jīng)過一段時間，兩個瓶中氣體的顏色變得均勻。二氧化氮的制備方法：在廣口瓶中加入銅，然后倒入濃硝酸（比例為1：4），蓋上玻璃板。2）分子間作用力演示儀器（鉛筒實驗）