新课标人教版1-2选修一1.1《分子及其热运动》word教案6 5页

“分子的热运动、能量守恒”一章的方法教育因素分析　“分子的热运动、能量守恒”一章是高中物理涉及微观世界的开始章，兼容了微观和宏观两个领域，方法论的内容十分丰富。一、有关唯物辩证法观点教育唯物辩证法是一般的宇宙观，也是一般的方法论，是人们认识的工具和辩证思维的武器。我们仅从辩证法的三条规律进行一些探讨。（一）质量互变规律本章第一节有关质量互变规律，要讨论两个问题，一是有关量变到质变。物体经过分割而成为分子。而纯粹的量的分割是有一个极限的，到了这个极限就发生质的差别。分子是具有各种物质的化学性质的最小粒子，是人们不能直接感知的微观粒子。我们正是从分子开始进入微观世界。二是从认识分子的大小、质量和数量，理解量的规定性。分子直径的数量级是量变到发生质变的极限。阿伏加德罗常数是联系宏观量与微观量的桥梁。第二节是通过扩散现象使人们确信分子在运动。我们要从质和量的统一性中把握热运动，并以此来区别于其它运动形式。例如根据量的规定性，单个或几个分子的运动就不是热运动。又如机械波是振动在介质中的传播。介质虽则可以看成大量的不计大小的质点，但传播机械波的质点运动是规则的，而分子热运动是无规则的，是分子运动的特征，是分子热运动的质的规定，由此可断定机械波不是热运动．再如布朗运动中的悬浮颗粒的运动是无规则的．但根据光学显微镜的分辩率估计，颗粒的线度约为分子直径的103倍，一个颗粒包含着近109个分子，所以悬浮颗粒的运动仍然是宏观物体的机械运动。在布朗运动中，每个颗粒作为整体而不考虑其内部结构，在分子热运动中，每个分子也是作为一个整体而不考虑其内部结构，这就是测分子直径时把分子看成一个球体（一个不再分割的整体，球体则是简化）的原因。热运动的无规则性表明各个分子运动的偶然性，但无规则不是无规律，热运动与温度有关，正是从大量的偶然之中显示出来的必然，这种必然不是由某个分子所能代表，而是大量分子的统计结果。统计规律在热运动中的运用是由分子运动本质的特性决定的。统计规律不能由机械运动演绎出来，因此不能把热运动归结为机械运动。（二）对立统一规律\n分子热运动这一运动形式是由分子间的相互作用力决定的。分子间既有引力，又有斥力，矛盾双方同时并存，并随着它们间距离的变化而互为主要方面和次要方面．对于大量分子而言，分子间的距离必然有近有远，因而分子间的作用力必然有以斥力为主，也有以引力为主，各个分子受力情况各不相同。相对位置的改变亦是千差万别，从—种不平衡转化为另一种不平衡，从而出现了瞬息万变的无序运动。因为运动是物质的根本属性，井不是分子间的吸引、排斥引起了分子的运动，而只是决定了分子运动的具体形式。物质总是处于一定状态的，所以大量分子从总体上看是处于平衡状态的，这是一种总体上平衡而局部不平衡的动态平衡。平衡是相对的，有条件的，如果条件改变，就通过物质内部分子间的不平衡而达到总体上新的动态平衡，这就是外因通过内因起作用。（三）否定之否定规律物理学发展到认识“物质由分子组成”，由此开始，宏观被微观否定，宏观物体所具有的统一性、有序性转化为微观粒子的分散性、无序性，并由此揭开了物体内部千变万化的复杂图景，这就是这次否定所带来的收获。但是也产生了只看到各个分子而看不到整体的片面性，因此要对上述的否定再否定，即否定之否定。第二次否定包括三步：一是用平均数的概念来反映全体分子的状况，由统一取代分散。二是建立宏观量与微观量的联系，其中除阿伏加德罗常数外，还有温度是分子平均动能的标志、分子势能与物体体积有关等定性的描述。三是在能的描述上，以物体的内能概括了分子的动能和势能，通过这样三步，又从微观回到了宏观，但对宏观物的认识已不限于机械运动，而是深入到物体的内部的热的本质，因而是螺旋式的上升。在否定之否定中，否定不是对原来事物的全盘否定，而是对原来事物的扬弃，即在发展中包含继承，例如热运动是对机械运动的否定，但如果不保留分子位置随时间变化的机械运动观点，就不可能有无序运动的认识。又如物体的内能既否定了分子的动能和势能，但又包含了后者。经过“否定”、“再否定”，完成一次螺旋式上升的周期过程。周期的终点又是新周期的起点，物体的内能是上述周期的终点，但又是认识内能和机械能相互转化和守恒的起点。内能和机械能又被电、光、化学和生物等形式的能所否定，而所有这些不同形式的能又被能所否定。能否定了一切具体形式的能，但又包含了它们全体，并以量守恒定律对能的质（转化和传递）和量（守恒）作出了概括．量守恒定律是自然界的普遍法则。它反映了自然界的多样性和统一性，是唯物辩证法的一大支柱。同时量守恒也为能量利用和能源开发指明了方向。量守恒定律的建立，并不是认识的终点，而只是无限认识的发展过程中的一个重要里程碑。光电效应、玻尔原子理论以及质能方程等，就是最好的例证。二、有关实践与认识关系的教育二、有关实践与认识关系的教育我们从实践和认识的关系讨论两个问题。\n（一）科学假说分子动理论是在物质由分子组成这一假说基础上发展起来的。在科学发展史上不乏这种由假说发展成理论的事例。如哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律等，最初也都是假说。所以假说是认识客观世界的重要方法。对于人们不能直接感知的微观和宏观领域，以及材料比较缺乏的新领域，假说更有特殊重要的作用。假说是理性认识。从假说发展成理论，似乎认识不必依赖于实践。这显然是错误的。首先，假说本身来源于实践。这包含两层意思：一是从提出假说的原因来看，总是为了解释某些实践中遇到的问题。如原子论是为了解释世界的多样性、热质说是为了解释热现象。二是建立假说的依据总离不开已有的实践和认识。如原子论就是物质在物质可分性的基础上建立起来的。正由于这一实践基础，所以把物体分割到不能感知的微粒，但人们仍然确信微粒的存在。也正因为物质的可分性有广泛的实践基础，所以古希腊的德漠g利特能够提出原子论，古代中国的儒家和墨家也都独立地提出了原子观点。这不仅说明了假说的本源是实践。还说明了人们在实践基础上随着认识的发展，必然会发现微观世界。其次，假说的真理性受到实践的检验。200多年前的热质说不仅可以解释许多热现象，还可以进行定量研究，当时受到普遍的支持。但到18世纪末，终因不能解释“摩擦生热”而被否定了。在否定热是某种物质的同时，热是一种运动的猜想被提出来了。为了寻找运动的物质，德谟克利特的原子论又重新被提出，并推动了分子动理论的研究，终于揭开了热现象微观的本质。从上面的历史回顾中，不仅阐明了假说的真理性要受到实践的检验，同时也说明了检验是长期的、历史的。因为事物在发展，新事物不断在出现，假说理论都要不断接受新的检验，并在检验中修改和补充，使理论更趋完善，向绝对真理逼近。（二）宏观实践与微观认识的辩证关系由于人们不能直接感知微观粒子，所以微观的认识只能来源于宏观实践并受到宏观实践的检验。具体地说，就是通过逻辑思维把宏观实践中获得的感性经验材料、概念、规律、原理和方法，跟微观认识联合起来，从而使宏观和微观互相渗透、互相促进，推动着认识的深化。我们用油膜法测分子直径为例加以说明。\n首先是从物体由分子组成这一微观假说出发，通过想象，把分子看成一个球体，再与宏观物体进行类比，根据体积的可加性，改变物体形状时体积不变性，采取“化厚为薄”的方法，把油滴扩展为油膜。这一设计思想与测薄纸厚度时采取的“积薄为厚”的方法有异曲同工之妙。因而不妨认为借用了宏观领域的特殊测量方法。接下去是测量油漓体积和油膜面积，这是宏观实践。最后是根据体积、面积和厚度的几何关系推算出分子的直径（油膜厚度），从上面的过程中不难看出，除了最初的出发点和最后得到的结果是微观的，其余推理和测量所用的都是宏观领域的实践和认识。从上面测量过程还可以看到这是一个微观——宏观——微观的否定之否定过程，是螺旋式的上升，其上升表现于证实了分子的存在，并丰富了量的规定性。因为根据油滴体积、质量和分子直径可以进一步推算出分子质量、分子数等微观量，并还可进一步求出阿伏加德罗常数。油膜法测分子直径和阿伏加德罗常数是对分子假设的一种检验。但假设的真理性是要经过多方面的检验。用多种方法测量阿伏加德罗常数，并从测量的一致性来判断假说的真理性。三、有关思维方法的教育对于思维方法我们讨论以下三个问题。（一）归纳和演绎归纳是从个别走向一般结论的思维方法。演绎是从一般到特殊再到个别的思维方法。在实际思维过程中，归纳和演绎总是互相补充、互相促进的。例如从布朗运动到分子热运动，就是归纳和演绎的运用，在该实验里，首先是通过实验材料的归纳，排除了颗粒质料、液体种类等无关因素，并从花粉、碳粒、水、酒精等个别推出了现象的一般结论；①在液体中的悬浮颗粒永不停息地作无规则运动；②颗粒越小运动越明显；③液体温度越高运动越激烈。第二，是借助于演绎揭示颗粒作无规则运动的原因。①颗粒是宏观物体，根据机械运动的一般原理可以断定颗粒的运动状态的变化是由外力引起的。这个外力只能来自周围的液体。②液体是由分子组成的，分子是运动的（由扩散现象已确认分子的运动），运动着的分子如果与颗粒碰撞，就会对颗粒作用冲力。因此颗粒的运动状态的变化由于液体分子的碰撞。③由颗粒永不停息地作无规则运动，说明液体分子的运动永不停息，且它们对颗粒的碰撞是无规则的，说明分子的运动是无规则的。第三，如果液体分子作无规则运动，对于小的悬浮颗粒，周围接触的分子少，在同一瞬间跟颗粒碰撞的分子少，互相抵消的可能性小。碰撞合效果明显，颗粒无规则运动也明显。反之，颗粒大，同一瞬间与颗粒碰撞的分子数多，互相抵消的可能性大，再加颗粒本身的惯性大，就观察不到布朗运动。第四，液体的温度升高，颗粒的运动越激烈，说明分子对颗粒的碰撞越频繁，从而说明分子的运动也越激烈。如果用分子的平均动能表示分子运动的激烈程度，就不难推出温度是分子平均动能的标志这一结论。（二）分析和综合\n分析是把研究对象的整体分为各个部分，方面、因素和层次，并分别加以认识的方法。综合是把关于研究对象各部分、方面、因素和层次的已有认识联结起来，并形成整体认识的方法。这两种方法在实际思维过程中也是相辅相成的。例如对分子力的认识，首先是把物体体积不易改变这一宏观现象分成两个方面：一是从局部与整体关系中确定分子距离改变与体积改变的关系；二是从体积增大和减小时确定分子间表现出两种不同性质的力——引力和斥力。第二步是把上述两方面认识综合起来，认识到：当分子间距离减小时，表现为斥力，分子间距离增大时，表现为引力。第三步是把表现出来的力看成两个分力的合力，这两个分力一个是斥力，另一个是引力。第四步根据合力的性质，分子间距离，推断斥力与引力分别随距离变化的关系。第五步再综合认识到：分子间同时存在引力和斥力，它们都随着距离的增大而减小，斥力的减小大于引力的减小。最后以r0表示引力与斥力相等、合力为零时分子之间的距离，以r表示分子间距离，则可以通过r与r0的比较，可以比较引力与斥力的大小以及合力的性质等。这一半定量的分子力的认识不但可以解释压紧的铅块不易拉开、破镜不能重圆的事实，还可由此演释出分子势能与体积的相关性。（三）抽象与具体我们在研究分子力时，不考虑热运动；研究热运动时，不考虑分子力。这种单纯提取某种特性加以认识的方法就是抽象。由于客观事物总是互相联系的，所以抽象的第一步就是要暂时割断研究对象与其它对象之间的联系，把研究对象分离出来。第二步是把研究对象置于理想化的条件下加以考察，排除一些非本质的干扰因素。例如布朗运动中观察的对象是悬浮粒子，由于它们悬浮于液体中间，保证颗粒受到周围同种分子的作用。同时又排除了重力和浮力的影响，再通过控制实验条件，改变各种因素，在归纳实验材料的基础上，通过推理得出分子热运动的有关结论。从抽象得到的只是事物某一特性的认识，相对于事物的具体性来说，不可避免地具有片面性和孤立性。因此抽象要上升到具体，这里的具体是指思维中的具体，是许多抽象规定性的综合，是多样性的统一。例如分子动能是分子质量和分子速率的统一。分子势能是分子力和分子距离的统一，它们比起分子的单一属性（质量、速率、力、距离等）要具体些，与物体的内能相比却显得抽象些，因为物体的内能除了综合分子动能和势能，还把分子数也统一进去了。从这一例子我们还可以看到抽象上升到具体的过程；分子动理论的三条基本假说是关于分子各个特性的抽象，是逻辑的起点，分子的动能和势能是逻辑的中介，起着联系起点和终点的作用。物体的内能是逻辑的终点．当然这不是最后的终点。