如何聯系實際理解物理教學中的統計規律

　　摘 要： 熱學知識是高中物理中重要的知識點之一。但熱學知識涉及物質的微觀結構，滿足統計規律。而學生對物質的微觀結構了解不夠深刻，在對熱學規律的理解上存在較大的難度，如何聯系實際讓學生深入淺出地理解熱學規律是學生學好熱學的關鍵。
　　關鍵詞： 統計規律 聯系實際 高中物理教學
　　在高中物理熱學部分的教學中，研究物質的結構及微觀結構的表現時認為大量分子的宏觀行為滿足統計規律。由于微觀粒子結構的特殊性，多數學生對物質內部的圖景缺乏正確的認識，導致學生在理解微觀粒子遵循的規律時出現較大困難。如何構建微觀過程的宏觀圖景，是幫助學生克服此類困難的關鍵。
　　在人類社會發展的過程中，人們不斷總結生活經驗。這些生活經驗的總結有的是可以與微觀粒子滿足的統計規律聯系起來的。比如在如何理解“物體的溫度升高時為什么不是所有的微粒的運動速度都增大”的問題時，可以把溫度的升高與學校某個班級平均成績的提高相類比。當某個班期考的平均分比段考的平均分高時應是這個班的大部分學生的期考成績比段考高，但也不排除有少數或個別學生因發揮不佳或其他原因，成績比段考還低的可能。這樣一類比把微觀問題宏觀化，對于學生理解溫度升高時并不是每個分子速度都加快、動能都增加的結論是有益的。在理解微觀粒子在熱現象中滿足的統計規律時，這種方法也是非常有用的。
　　《用油膜法測分子的直徑》是高中熱學中唯一的學生實驗。這個實驗充分體現了熱力學研究的特點，對于學生理解熱力學的統計規律是非常重要的。在指導學生做這個實驗時，應想方設法讓學生理解這個實驗的實質。做《用油膜法測分子的直徑》實驗時，學生對為何要事先配制油酸酒精溶液不理解，認為配制油酸酒精溶液很麻煩，還會因為酒精的揮發對實驗造成較大誤差。因此，認為配制該溶液是不必要的。這是學生對微觀粒子的特點不了解而產生的錯誤認識。微觀粒子的特點是“多和小”，所謂多是指任何一個宏觀物體內部分子的數量多，所謂小是指物體內部微觀粒子的質量小、體積小、所占的空間小。基于這樣的特點，在做《用油膜法估測分子的直徑實驗》時，實驗能否成功的關鍵是能否在液面上形成單分子油膜。由于分子的體積非常小，油酸是否在水面上形成單分子油膜用眼睛是不能判斷的。那么，怎么才能保證油酸在水面上形成的一定是單分子油膜呢？唯一解決的辦法是讓油酸在水面上充分散開。而讓油酸充分散開的措施有兩種：一是滴到水面的油酸體積很大時，要使水面的面積非常大。比如把一小瓶油酸倒在一個大型水庫的水面上。這時油酸可以在水面上充分展開形成單分子油膜，但這時油的面積太大又給油膜表面積的測量帶來了困難。顯然這樣的實驗學生在實驗室是無法完成的。二是盡可能縮小油酸的體積使得在實驗室的條件下即可形成單分子油膜，但是這樣油酸分子的體積太小用量筒根本無法測量。在油酸體積的測量上又會存在很大誤差，使測量結果失去意義。為了解決這樣的難題，人們想到了配制油酸酒精溶液，讓體積很小但可測的油酸溶于一定體積的酒精中。配制體積比很小的油酸酒精溶液，再用巧妙的方法測出一滴溶液的體積，利用體積比計算出一滴溶液中油酸的體積。將這樣的一滴溶液滴在水面上可形成單分子油膜。這時形成的油膜面積很小，在實驗室的條件下即可測量。用簡單的辦法解決了這個難題。用統計方法就解決了既可測油酸的體積，又可測單分子油膜的面積這個難題。可見在用油膜法測定分子的直徑的實驗中，配制油酸酒精溶液并不是為了增加實驗的難度而添加的，而是為了用宏觀的方法測定微觀量而必不可少的。學生只有在腦海中充分理解物理圖景，才能對實驗有充分的認識，在實驗中自覺地實施，并達到舉一反三的效果。
　　以上做法對于頭腦中有微觀物理圖景的學生來說是容易理解的。但大多數中學生缺乏這樣物理圖景的構建，理解起來還是有困難的。如何幫助學生克服這樣的困難呢？最有效的辦法是列舉生活中宏觀物體的類似例子讓學生理解。對于廣大農村地區的學生，他們對農村生活比較熟悉，可列舉與他們的生活密切聯系的例子說明。如在農村，由于種子的價格昂貴，農民往往購買少量的種子然后通過嫁接的方法獲得很多幼苗。為了使少量的種子長出高質量的幼苗，必須解決如何把少量種子均勻地撒在寬闊的地畦上的問題。如果認為種子少而選擇把種子一顆顆地插在地畦上，這樣不僅費時費力，而且達不到要求。農民想了一個簡單方法巧妙地解決了這個問題。就是把少量的種子與一大盆細沙混合，然后把沙子與種子一起撒到地畦上。由于在少量的種子中摻進了大量的沙子，使得每相同的體積中種子的含量是相同的。把這樣的混合物撒在地畦上，長出來的幼苗一定是均勻的。我國南方農村的廣大地區以種植水稻為主，這些稻田在冬天是閑置的。這就導致春天開播時稻田中和田埂上處處會留下因干燥而產生的大小不一的裂縫和因蚯蚓、螻蟻的挖掘而產生的孔洞，不利于稻田的節水和灌溉。這些裂縫和孔洞很多，難以發現，要想找到它們并一一進行修補，不僅費時費力，而且效果不佳。這樣的方法在實際應用中幾乎是不可能實現的。怎么才能用最短的時間和最低的成本堵住這些孔洞呢？農民們在解決這個問題時又應用了統計的方法。他們的具體做法是在犁第一次田的過程中，先用犁把田土犁成一坯坯的土坯，再把水放進農田中，用耙反復攪拌，把這些泥坯和成泥漿，這些泥漿就跟著水流到各個裂縫和孔洞中，這些泥漿在孔洞中沉淀就把這些裂縫與孔洞堵得嚴嚴實實了。這樣用簡單的方法達到了目的，而且一舉多得。這就是生活中的統計規律的應用。
　　知識是日常生活經驗的概括、總結與升華，物理知識與生活的聯系尤為緊密。在物理教學當中通過聯系實際把抽象的物理知識形象化，通過類比把微觀場景宏觀化是使學生加深對物理知識的理解的有效途徑。
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