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模拟物理学家的探究过程，进行“查理定律”教学 何蜀娟 （江苏省镇江市第一中学） 在“查理定律”的教学中，教师通常采用的教学方法是：先用一个实验定性地说明一定质量的气体在保持体积不变的情况下，气体的温度升高，压强增大；气体的温度降低，压强减小，然后直接给出定量的关系—查理定律。笔者认为，当今社会对中学物理教学的要求已越来越高，物理教学不应只满足于教会学生一些知识，更重要的是要使学生在学习的过程中积极探究，学会学习，终身受益。“查理定律”就是学生进行探究的很好的素材，教师可以模拟物理学家的探究过程实施教学，让学生在探究“查理定律”的过程中亲身感受科学家的探索历程。通过探究使学生不再把物理学家看成是智慧超人的偶像和高不可攀的天才，不再把科学家的发明创造全部归结于灵感；通过探究使学生感受到物理学家们一步一步揭示出物理奥秘时的快感与激动，从而提高了学习物理的兴趣；通过探究使学生感受到自己的水平在提高，体会到自身的价值；通过探究使学生受到科学方法的熏陶，学生的科学素质和创新精神得到培养，为今后的继续学习打下必要的能力基础。 下面就是在“查理定律”教学中进行探究的教学设计。 【教学目标】
2、知道p-T上等容变化的图线及其物理意义。知道p-T图上不同体积的等容线。
1、学生学会如何由提出的问题设计实验，由实验的数据总结出物理规律的方法。 2、培养学生动手能力，分析综合能力及相互合作能力。 【实验器材】 烧瓶、盛有水的容器、温度计、水银气压计、酒精灯（实验器材六人一组） 【教学程序设计】
教师：前面学习了一定质量的气体，在保持温度不变的情况下，压强与体积的关系。同学们一定会问，一定质量的气体，在保持体积不变的情况下，压强与温度的关系又怎样呢？同学能否根据日常生活中的现象，给出这个问题的定性回答呢？ 学生：炎热的夏天，打足了气的自行车胎在日光的爆晒下有时会胀破；乒乓球挤瘪后，放在热水里泡一会，会重新鼓起来。这些都表明了一定质量的气体，在体积不变的情况下，温度越高，气体的压强越大。 教师：一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强与温度有什么定量的关系呢？可以用什么方法进行研究？ 学生：利用物理学中研究问题的常用方法——实验法。
教师：为了研究一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强和温度之间的关系，可以选用哪些器材来进行实验？ 学生小组讨论：可选一个容器（如烧瓶）塞好瓶塞，里面就封有了一定质量的空气；为了改变温度及测得温度值，可选用酒精灯及温度计；压强可以用水银气压计测。 教师：如何利用水银气压计测得烧瓶中气体的压强？ 学生：可以把烧瓶与气压计的U形管一端相连，U形管的另一端开口，只要测出了两管水银液面的高度差，就可以知道烧瓶中气体的压强。 教师：能否用酒精灯直接对烧瓶加热？温度计怎样才能测得烧瓶内气体的温度？
学生：若用酒精灯直接对烧瓶中气体加热，气体温度上升太快，无法进行实验，而且烧瓶容易爆裂。可以把烧瓶放在盛水的容器中隔水加热，温度计放在水中，通过测水的温度可以知道烧瓶中气体的温度。 2、设计实验方案 把学生分为每6人一组，每组按右图的实验装置安放好实验 仪器。然后学生在教师的引导下，设计出合理可行的实验方案。 先可测出室温下瓶内气体的压强。为了简单起见，不妨让瓶 内气体压强与当时大气压相等，只需通过调节压强计可动管A，使两管中的水银面一样高即可。测出此时室温，即瓶内气体温度t1，此时烧瓶内气体的压强p1=p0. 把烧瓶放入盛水的容器中，用酒精灯隔水加热烧瓶中的气体。是否只要测出在不同温度下的压强值，就可得出研究结论？ 学生：不可以。这个实验研究的是一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强和温度的关系，而瓶内气体的温度升高时，压强变大，B管液面会下降，瓶内气体的体积改变了。 教师：为了使气体恢复原来的体积，可以调节压强计的可动管A。可动管A应该向上提还是向下降？ 学生：通过前面压强知识的学习，我们可以通过在橡皮管底部选取液片的方法来分析，可得到应该把管A向上提的结论。当把管A向上提，先设水银相对管不流动，则液片右侧的水银高度变大，产生的压强变大，液片左侧的水银高度变小，产生的压强变小，所以水银从A管向B管流，只要使B管水银面恢复到原先作有记号的位置，就可以使气体恢复原来的体积。 三、测量实验数据，发扬协作精神 学生按设计的实验方案，测出一定质量的气体在体积不变时，在不同温度下的压强值。 教师要求学生在实验中应发扬团结协作的精神，相互配合，测量的实验数据尽可能误差较小。（由于温度一直在升高，所以观察温度计示数的学生与调整压强计可动管测压强的学生应步调尽可能一至） 实验结束后，先请一组学生把实验数据填入下面的表格中。
四、分析实验数据，探究物理规律 1、初步探明压强与温度的定性关系 教师：根据这一组数据，首先可以得知什么？ 学生：压强随温度的升高而增大。 教师：压强随温度的升高是按照什么规律增大的呢？ 教师启发：一般我们寻找物理量之间的关系，可以从最简单的关系设想起，然后看实验数据是否符合这样的关系。一个物理量随另一个物理量的增大而增大，从数学上看，可能的最简单的关系是什么？ 学生：最简单的应该是正比关系。但是从各组实验数据很容易可以看出，压强与温度的关系不是正比关系。 教师：接下来可设想压强与温度之间存在什么关系？ 学生：可设想压强是温度的一次函数。 教师：如何通过实验数据确定这个关系是否正确？ 学生讨论，一般可得到两种方法：画p-t图，看各组实验数据在图上的各个点是否在一条直线上；看压强增量与相应温度增量的比值是否都为定值。 学生通过画图与计算，证明了压强是温度的一次函数的设想是正确的。
教师：根据数学上确定一次函数关系式的方法，请同学们由这组数据确定压强与温度的一次函数关系式。 学生确定压强与温度的一次函数关系式的方法基本如下： 设p=kt+b 要确定函数关系式中的斜率k及截距b，只需要代入二组实验数据，列出二元一次方程组，就可解出k、b。 76=k22+b（1） 88=k62+b（2） 解出k=0.3，b=69.4 所以，确定出的压强与温度的一次函数关系式为 p=0.3t+69.4（公式中温度单位为0C，压强单位为cmHg） 教师：截距b的物理意义是什么？ 学生：气体在00C的压强值。 教师：若用pO表示气体在00C的压强值，那么气体在温度t时的压强与p0的关系怎样？ 学生分析：因为p=0.3t+69.4=69.4（ 所以有p=p0 教师：由于我们实验中的误差较大及实验数据的读取相当粗略，所以上面推出的压强与温度的一次函数关系式也是不太精确的。大量的精确的实验表明：一定质量的气体，在体积保持不变的情况下，压强与温度的关系为 p=p0 上面就是查理定律的数学表达式。
教师：通过上面的实验研究，得出了压强与温度的一次函数关系。显然这种关系比起正比函数关系来要复杂，它在p-t图上的直线不过原点。我们如果采取什么方法，就可以使这条图线过坐标原点？ 学生在教师的启发下得出：如右图若把一次函数图 线延长，交横轴于O/点，然后把纵轴向左平移 到O/点，则原来的一次函数图线在这个新的坐 标系中就变成了一条正比函数图线。 教师：这时的坐标原点O/温度为多大呢？ 学生：只要在查理定律的数学表达式中令p=0，解出t= -2730C，这就是横轴上O/点的温度值。 教师：可见，我们只要引入一种新的温标，即把-2730C作为零度的温标，就可以得到压强和温度之间的简单的正比关系了。对于这个温标，同学们已经较熟悉了，这就是我们学过的热力学温标（或绝对温标），用热力学温标表示的温度叫做热力学温度（或绝对温度）。从这里我们体会到了引进热力学温标的实际意义。 查理定律的又一种表述：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比。写成公式就是 p∝T
调整玻璃管上原先用来标注气体的标志，即改变气体的体积，重复实验：一定质量的气体在体积不变时，压强与温度的关系。 问：根据测得的数据分析并作图，压强与热力学温度是否仍然成正比？气体的p—T图是否仍然是一条直线？与上次实验有什么不同？ 学生：压强与热力学温度仍然成正比，气体的p—T图仍然是一条直线。但压强与热力学温度的比值不相同，P-T图上直线的斜率不相同。 问：为什么会有这个不同？
学生：两次实验的气体的体积不同。气体的体积越大，则压强与热力学温度的比值越小，P-T图上直线的斜率也越小。 教师引导学生共同分析，等容线与斜率的关系也可利 用前面学过的玻意耳定律得出：在p—T图上作一条等温 线，斜率大时，气体的压强大，由玻意耳定律知，气体的 体积就小。（注意：两次实验时，气体的质量相同）
气体的查理定律是在压强不太大、温度不太低的条件 下总结出来的。温度很低时，任何气体都已液化甚至变为固体，气体实验定律早已不适用了。正因为如此，等容线左边一段用虚线表示。 到此为止，学生在教师的引导下，模拟物理学家的探究方法，得到了一定质量的气体在体积不变的情况下，气体的压强与温度的关系—查理定律。 |
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