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全国实验教学说课展示案例——半定量模拟气体压强产生的机理

案例分享：半定量模拟气体压强产生的机理

一、实验选题背景

（一）课标要求：能用分子动理论和统计观点解释气体压强。

（二）使用教材：人教版高中物理《选择性必修三》第一章第三节：分子速率分布规律。

二、实验教学目标

（一）通过观察覆杯实验，学生能辨析气体压强产生机理与固体、液体的不同。

（二）通过观察单个小钢珠以及多个小钢珠连续均匀撞击秤盘时电子秤的示数情况的对比，学生能够从分子动理论角度说出气体压强产生的机理。

（三）通过观察改变小钢珠速率和流量的实验，学生能验证压强与流量及速率的定量关系，从而推理出气体压强与气体分子数密度及速率的定量关系。

三、实验设计思路及创新点

（一）设计思路：小钢珠与秤盘的碰撞模拟了气体分子与容器壁的相互作用。

通过控制变量法，定量验证秤盘压强与小钢珠流量和速率的关系：

（1）通过自不同高度释放小钢珠，定量改变小钢珠撞击秤盘时的速率。

（2）通过增加PVC管，成倍控制小钢珠的流量。

进而通过该模拟实验定量得出，气体压强这一宏观物理量与微观物理量气体分子数密度及分子速率的联系。

（二）创新点：

（1）通过将秤盘竖直放置，减少小钢珠间二次碰撞的次数。

（2）将秤盘竖直放置，小钢珠自身的重力在本实验中的影响可以忽略不计，秤上示数即小钢珠水平方向上所受合力。

（3）本实验不仅能模拟气体压强的机理，还能定量地得出气体压强与气体分子数密度和分子速率的关系。

四、实验原理

T时间内与秤盘碰撞的小钢珠系统（模拟T时间内与器壁发生弹性碰撞的所有气体分子）：

根据牛顿第三定律，秤盘受到的压力（模拟器壁受到的压力）：

除秤盘面积（除器壁面积）：

?五、实验器材准备

准备器材：小钢珠（模拟气体分子）、?电子秤（模拟器壁并显示压力）、漏斗（控制小钢珠流量）、PVC管（成倍数控制小钢珠下落的高度和流量）、铁架台（固定PVC管）、玻璃缸（固定电子秤并收集小钢珠）等。

小钢珠

电子秤漏斗PVC管铁架台玻璃缸六、实验教学过程

（一）环节一

问题1：气体压强产生机理与固体、液体压强相同吗？

固体、液体均是由于受到重力，从而对下方物体产生压强。

实验一：覆杯实验

实验目的：探究气体压强与固体、液体压强产生原理是否相同。

实验结论：气体压强的产生不是由于气体重力。

（二）环节二

猜想1：气体压强是由于什么机理产生的呢？

实验二：模拟气体压强产生的机理

实验目的：模拟气体压强产生机理

（1）一个钢珠撞击秤盘模拟一个气体分子撞击器壁

（2）Phyphox演示气体压强

（3）连续均匀小钢珠撞击秤盘模拟大量气体分子不断撞击器壁

实验结论：气体压强是由于大量气体分子撞击器壁而产生。

（三）环节三

猜想2：气体压强会与哪些因素有关呢？

实验三：探究气体压强与微观影响因素的定量关系

单管：流量不变，改变撞击时速率

实验目的：验证流量不变时，压强与速率的关系

如图，分别自三个孔位释放小钢珠，打到秤盘的速率之比

实验次数

孔位1示数

孔位2示数

孔位3示数

第1次

31

40

50

第2次

28

42

49

第3次

28

41

51

平均值

29

41

50

压强比值

1：1.41：1.72

实验结论：当控制小钢珠流量不变时，秤盘压强与小钢珠速率成正比。

双管：撞击时速率不变，改变流量

实验目的：验证速率不变时，压强与流量的关系

实验孔位

单管示数

双管示数

1

25

48

2

28

55

3

34

68

实验结论：当控制小钢珠速率不变时，秤盘压强与小钢珠流量成正比。

实验三实验结论：由于对于气体，N/T∝n×v，因此气体压强与气体分子数密度成正比，与气体分子速率平方成正比。

（四）环节四

学生探究1：可以在真实实验中，验证气体压强与分子速率及分子数密度的关系吗？

实验四：气体压强传感器实验

实验目的：验证气体压强与分子速率及分子数密度的关系。

实验方法：控制变量法

实验结论：分子速率越大，气体分子数密度越大，气体压强越大。分子速率越小，气体分子数密度越小，气体压强越小。

七、实验效果评价

（一）通过覆杯实验，可以清晰地演示出气体压强产生机理与固体、液体不同。

（二）通过单个钢珠与连续均匀钢珠撞击秤盘时示数的对比，能忽略重力因素，更好地模拟气体压强产生的机理，加深学生对于分子动理论观点的理解。

（三）通过定量实验，可以模拟得出气体压强这一宏观量与微观量气体分子数密度及速率的定量关系。