2.4 实验：探究气体等温变化的规律教学设计（表格式）

教学设计
课程基本信息
学科 高中物理 年级 高二 学期 秋季
课题 实验：探究气体等温变化的规律
教科书 书 名：普通高中教科书 物理选择性必修 第三册 出版社：教育科学出版社
教学目标
1. 物理观念：知道什么是等温变化，掌握气体等温变化的规律及公式表达，能用此规律解释生活中的相关现象，完善有关气体分子的运动观。 2. 科学思维：通过实验探究能够自主建构探究的气体模型，并通过对实验结果的质疑不断完善实验，提高科学推理和论证的能力。 3. 科学探究：能基于生活中的现象提出问题，并设计实验寻找证据，能够通过对实验数据和图像的分析得出结论解释问题，体会科学探究过程。 4.科学态度与责任：通过对实验结果和理论结果的对比论证培养严谨认真、实事求是、不断探索的科学态度， 激发探索学习的兴趣。
教学内容
教学重点： 气体等温变化过程中压强与体积的变化规律，认识玻意耳定律。
教学难点： 1. 设计实验探究气体等温变化的规律。
2. 应用气体等温变化的规律解决实际问题。
教学过程
结合情境，引入新课 活动1：“空气炮”引出气体状态变化的问题 学生观看“空气炮”视频。 教师提出问题：“为什么瓶盖能被发射出去那么远？瓶内的气体发生了怎样的变化？”。随后教师补充要先明晰描述气体状态变化的物理量，进而提出体积、温度、压强三个状态参量。 图 1 “空气炮” 【设计意图】：通过生活中“空气炮”的实例能够极大地提高学生的学习兴趣，同时为什么能够形成这样一个空气炮的问题也能够提起学生的探索欲望。最后对描述气体状态的物理量的补充，也能够为后续的探究打下基础。 气体等温变化的概念 （1）活动1：结合具体情境判断状态参量的变化情况 教师根据“空气炮”的具体情境，提出问题：发射前瓶内的气体质量、压强、温度、体积四个量，哪些发生了变化，哪些未发生变化 学生根据刚才观看的视频回答：发射前，瓶内气体的质量和温度几乎没有发生变化，压强和体积发生了变化。 （2）活动2：归纳“等温变化”的概念 学生根据前面对“空气炮”的分析归纳得到“等温变化”的概念。 教师提出问题“等温变化过程中压强与体积有何具体关系？”，引出后续对于此关系的实验探究。 【设计意图】：继续分析“空气炮”的实例，学生思考此过程中几个物理量的变化情况，明晰质量和温度不变，进而自然的引出对此过程中压强与体积变化规律的探究，得到实验目的。 探究等温变化中压强与体积的关系 （1）活动1：猜想和实验规划 学生先结合“空气炮”的例子猜想等温变化过程中压强与体积的关系，根据此例学生不难发现等温变化中压强的变化趋势与体积相反，但学生会在具体的反比关系上产生分歧。 此时教师进行引导补充，需要由定性到定量地探究，即寻找证据，指出需要设计实验，收集数据，并通过分析数据最后得到实验结论。 （2）活动2：设置问题，引导学生设计实验 ①问题1：怎么测量气体的压强和体积？ 学生回答：利用压强计或者压强传感器测量压强，体积可以通过活塞的刻度体现。 ②问题2：改变气体体积还是改变压强？怎么改变？ 学生回答：改变气体体积更容易，可以上下拉动筒内的活塞改变气体体积。 ③问题3：如何保证气体质量和温度不变？ 学生回答：将一定的气体封闭在密闭容器内，置于常温的环境下并在改变体积时注意缓慢推动活塞。 ④问题4：测量的p与V数据用图像怎么分析？ 学生回答: 可以用图像分析，p与V的变化趋势相反，p-V图像看不出具体的反比次数。可以考虑p图像，通过此图像形状，能够得到p、V之间的具体关系。 （3）活动3：用压强计设计实验方案1，展开实验 教师展示实验装置图片，播放实验视频，学生记录实验数据在表格中。随后使用excel分析数据，生成p图像，学生根据此图像归纳压强与体积变化的具体关系。 图 2 实验方案1器材展示 图 3 实验图像 （4）活动4：用压强传感器设计实验方案2，展开实验 教师展示实验装置图片，播放实验视频，通过电脑记录数据并生成p图像，再将数据导入excel拟合得到具体的函数表达式，学生根据图像归纳压强与体积变化的关系。再根据图象不过原点的特征，提出问题：你认为图像是否应该过原点？如果应该，为什么又没有过原点？ 学生回答: 应该过原点，实验存在部分系统误差和偶然误差。 然后以“未计算注射器与传感器连接处气体体积。”的系统误差为例，展示对连接处胶管的长度和横截半径的测量，学生修正气体总体积，最后展示修正体积后p图像，进一步验证一定质量的某种气体，在温度保持不变的情况下，压强p与体积V成反比的结论。 图 4 实验方案2器材展示 图 5 实验数据和图像 图 6 excel拟合得到表达式 图 7 连接处胶管长度测量 图 8 连接处胶管横截半径测量 图 9 修正体积后的实验数据和图像 图 10 excel拟合再次得到表达式 （5）活动5：仿真实验验证实验结论 教师播放仿真实验视频，学生通过视频中仿真实验再一次验证实验结论的正确性。 图 11 仿真实验验证实验结论 【设计意图】： （1）通过问题的引导，学生自行设计实验中的关键部分，能够提高学生自主设计实验的科学探究能力； （2）播放实验视频并且后续通过仿真实验的较为新颖的方式都能极大地引起学生的学习兴趣，增加学生的参与感、真实感，并且仿真实验的条件要求低，学生课后能够通过电脑复制此实验，提高成就感。 （3）对实验结果的修正过程能培养学生的科学素养，感受科学中不断探索，不断改进的精神。 气体等温变化的规律 （1）活动1：根据实验归纳气体等温变化的规律，拓展物理学史 学生根据前面的实验归纳气体等温变化的规律，并写出此规律的表达式。 图 12 气体等温变化的规律和公式 教师补充此规律的发现历程和玻意耳的贡献，指出此规律又叫“玻意耳定律”。 图 13 玻意耳的发现 （2）活动2：根据“玻意耳定律”解释“空气炮” 学生根据本节所学知识解释“空气炮”现象。 图 14 解释“空气炮” 【设计意图】：通过物理学史拓展学生视野，最后回到课前“空气炮”的问题上，学生进行解释，感受物理在生活中的巨大作用，提高成就感。 学以致用 活动：应用气体等温变化的规律解决鱼缸“充气泵”的问题 教师展示鱼缸图片，随后提出问题：如何给缸内补充氧气？引出学生的思考。 图 15 充气泵问题 图 16 对问题的分析 【设计意图】：学生应用知识解决生活中的问题，加强物理与生活的联系。 总结和思考 活动：以思维导图的方式总结本节内容，留下课后思考 教师以思维导图的形式对本节内容进行简单总结，随后提出问题： ①如果是气体体积或者压强不变，又是怎么样的规律？你能否找到生活中这样的例子？ ②结合仿真实验，你能否从微观的角度解释气体的压强？ 图 17 总结 【设计意图】总结本节内容，为下一节课对等容变化和等温变化的学习做铺垫。