Структура и содержание раздела «молекулярная физика»

Структура и содержание раздела «молекулярная физика»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два об­стоятельства: избранный метод изучения газовых законов (индук­тивный или дедуктивный) и метод введения понятия температуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на качественном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест­ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт­ной изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории.

В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термодинамики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термодинамики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, тем­пература - мера средней кинетической энергии молекул) - свойст­ва газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне доступен для учащихся, при его использовании представления и понятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует ис­тории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с путями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравне­ние молекулярно-кинетической теории газов посту­лируют или выводят из мысленных экспериментов связь темпера­туры со средней кинетической энергией его молекул и устанавливают уравнение состояния идеального газа р = пкТ или Газовые законы рассматривают как следствия уравне­ния состояния идеального газа и подтверждают эксперименталь­но. Далее можно изучать законы термодинамики и рассматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Структура раздела в этом случае может быть следующей: осно­вы молекулярно-кинетической теории (основные положения мо­лекулярно-кинетической теории, основное уравнение молекуляр­но-кинетической теории газов) - температура (тепловое равновесие, температура, абсолютная температура, температура - мера средней кинетической энергии молекул) - уравнение состояния идеального газа, газовые законы - первый закон термодинамики - свойства газов, жидкостей и твердых тел. Такой подход имеет целый ряд достоинств по сравнению с индуктивным, одно из которых заключается в соответствии его новой идее современного школьного курса - усилению роли научных теорий. Кроме того, он позволяет наглядно продемонстрировать тот факт, что фундаментальных законов в физике не так много, большинство же могут быть получены как частные случи из более общих законов. Применение здесь дедуктивного метода играет большую роль в формировании научного мировоззрения и развитии мышления школьников. Он также позволяет получить выигрыш во времени. С точки зрения соответствия дидактическим принципам следует признать, что дедуктивное изучение газовых законов в целом доступно старшеклассникам, так как уровень абстрактного мышления у них достаточно высок.

При дедуктивном подходе к изучению газовых законов возможна и иная структура раздела, при которой школьников сначала знакомят с основными понятиями и законами молекулярно- кинетической теории и термодинамики, а затем применяют в единстве аппарат этих теорий для изучения свойств макроскопических систем. В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термодинамики - строение и свойства газов, жидкостей и твердых тел - агрегатные превращения.

Что касается введения понятия температуры, то при индуктивном изучении газовых законов последовательность его раскрытия такова: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура (из закона Шарля или Гей-Люссака) - температура - мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и эмпирически полученного уравнения состояния идеального газа).

При дедуктивном изучении газовых законов понятие температуры вводят следующим образом: температура как параметр состояния макроскопической системы - абсолютная температура - температура - мера средней кинетической энергии молекул (из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и экспериментально установленного постоянства величины для всех газов в состоянии теплового равновесия показывают, что абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул).

При дедуктивном изучении газовых законов можно ввести понятие температуры и по следующей схеме: температура как параметр состояния макроскопической системы - температура - мера средней кинетической энергии молекул (по определению после рассмотрения основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов) - абсолютная температура.

Таким образом, раздел «Молекулярная физика» можно построить по-разному в зависимости от принятых исходных позиций: (метода изучения газовых законов и введения понятия абсо­лютной температуры).

В соответствии с программами общеобразовательной школы раздел «Молекулярная физика» включает обычно две крупные темы: «Основы молекулярно-кинетической теории» и «Основы термодинамики», т. е. изучение материала начинают с основных положений молекулярно-кинетической теории и их опытного обоснования. Это вполне оправдано, так как глубокое понимание термодинамики возможно лишь после изучения механизма, ле­жащего в основе того или иного процесса. Кроме того, изучение основных положений молекулярно-кинетической теории сразу же позволяет установить связь рассматриваемого материала с тем, что уже известно учащимся из базового курса физики и из курса химии.