不同版本教材中“分子間的作用力”對比與變化*
——從學生對“分子間斥力引力變化快慢”的質疑談起

呂俊君

(九江市同文中學 江西 九江 332000)

1 學生質疑

教輔資料上存在這樣一道練習題：

【原題】關于分子動理論，下列說法正確的是( )

A.若僅知道氦氣的摩爾體積和阿伏加德羅常數，則不能算出氮氣分子的體積

B.溫度越高，分子熱運動越緩慢

C.當分子間的作用力表現為斥力時，分子間的距離越小，分子勢能越大

D.兩個分子間的距離變大的過程中，分子間斥力的變化總是比引力的變化快

參考答案為A,C,D.選項D的解釋為：分子間距離rr0時，隨著距離的增大，引力和斥力都減小，斥力比引力減小得快，分子力表現為引力.

一位學生對此提出質疑，指著教材(舊版人教選修3-3)中的插圖，如圖1所示，問道：“當距離r很大時，從這個圖很明顯看出斥力變化更加平緩，引力變化更加陡峭，應該是引力變化得快才對??？”筆者隨口答了一句：“可能課本的圖不標準吧.”學生依舊不依不饒，繼續問道：“用逆向思維分析，假設分子從無窮遠處靠近，斥力引力都增大.假如斥力真的變化得快，那合力應該是斥力，怎么會是引力呢？”該學生的質疑有理有據.

圖1 舊版本人教版選修3-3中

課后筆者翻閱了1984年出版的經典物理教材甲種本第二冊，其中赫然寫道：“當分子間的距離小于r0時，引力和斥力雖然都隨著距離的減小而增大，但是斥力增大得更快，因而分子間的作用力表現為斥力；當分子間的距離大于r0時，引力和斥力雖然都隨著距離的增大而減小，但是斥力減小得更快，因而分子間的作用力表現為引力.”這與教輔資料上的解析完全一致.問題出在哪里？帶著這個疑問，筆者帶領學生一起展開課題研究.

2 推理論證

分子間作用力十分復雜，無法從實驗直接測量，從理論也不容易得到一般性的解決，只能在實驗的基礎上用簡化模型來處理問題[1].目前受到廣泛認可的是1924年由Lennard-Jones提出的勢函數模型，兩分子間的勢能為

(1)

其中ε是勢阱深度，反映兩個分子間相互吸引作用的強弱，r0是在勢能阱底時分子間距離.

分子間相互作用力可以通過對V(r)求導得到，即

(2)

其中斥力大小

引力大小

當r=r0時，斥力與引力大小相等，分子間作用力為零.

若要研究斥力和引力變化得快慢，只需比較斥力和引力隨距離r的變化率大小即可.斥力的變化率大小為

(3)

引力的變化率大小為

(4)

令

(5)

當λ>1時，即

斥力變化得比引力快.

當λ<1時，即

引力變化得比斥力快.

表1 斥力和引力隨分子間距離的變化過程

圖2 分子間的作用力F與分子間距離r的關系(Geogebra繪制)

3 教材對比與變化

大量教輔資料包括甲種本第二冊在內對斥力和引力變化的描述都不嚴謹，甚至部分舊版本教材如教科版選修3-3中也存在這樣的隱蔽錯誤.筆者分別統計了5個不同版本的新舊教材對“分子間作用力與距離的關系”的處理，如表2和表3所示.借助教材對比和變化，探析新課標要求下該知識點的教學方向.

表2 舊版本選修3-3“分子間的作用力與距離的關系”(其中滬科版為高一下冊)

表3 新版本選擇性必修3“分子間的作用力與距離的關系”

3.1 橫向對比

在舊版本教材中，有3個版本的教材將“分子間的作用力”作為單獨的一節呈現.在文字描述部分，人教版選修3-3僅突出合力的表現，沒有闡述“斥力和引力變化得快慢”.教科版選修3-3和魯科版選修3-3均提出“斥力變化得始終比引力快”這一錯誤觀點.粵教版選修3-3僅在rr0范圍內未曾提及.滬科版高一下冊對該部分的講解一語帶過.在插圖部分，人教版選修3-3沒有直接呈現合力圖像，而是通過“思考與討論”環節，要求學生在斥力和引力線上分別取大約10個點，描繪出合力對應的點，再用一條平滑曲線連接起來，自主作出合力的圖像，為分子勢能作鋪墊.教科版選修3-3和粵教版選修3-3把斥力圖線、引力圖線、合力圖線三者呈現在一幅圖內，魯科版選修3-3沒有配置F-r圖像，改為以分子模擬圖展示.滬科版高一下冊未配置任何插圖.

在新版本教材中，僅有1個版本的教材將“分子間的作用力”作為單獨的一節呈現，其余4個版本將其作為“分子動理論”一節中的部分內容.在文字描述部分，5個版本教材均突出“合力隨距離的變化”，不再討論“斥力和引力具體的變化”，也不討論“斥力和引力變化得快慢”.在插圖部分，人教版選擇性必修3和教科版選擇性必修3僅呈現合力的圖線.粵教版選擇性必修3、魯科版選擇性必修3和滬科版選擇性必修3中將斥力圖線、引力圖線、合力圖線三者同時呈現.

3.2 縱向變化

首先，新教材修正了隱蔽錯誤.舊版本教材中“斥力始終變化得比引力快”這一錯誤觀點被徹底刪除.

其次，新教材優化了主題結構.“分子動理論”這一大主題是核心，“分子間的作用力”是大主題下的小主題.這樣的設計從宏觀走向微觀，層次清晰，有利于學生形成對“分子動理論”的整體性認識.

最后，新教材突出了重點知識.課程標準對本節的內容要求是“了解分子動理論的基本觀點和相應的實驗證據.”[2]新教材刪除了斥力引力的變化規律，強調合力的變化規律，精簡了知識內容，符合課程標準的要求.

3.3 教學方向

結合課程標準和教材變化，筆者認為，分子間的斥力和引力不是核心知識，學習分子間作用力的意義是推理出分子勢能的變化，進而引出內能和熱力學定律，從微觀到宏觀，為能量觀的培育搭梯架橋.在新教材的教學中，建議淡化“斥力和引力的變化”，突出“合力的變化”.命制試題時也應避免涉及“斥力引力變化得快慢”這類超出課程標準要求的試題.

4 結束語

2021年是江西省進入“新課標，新教材，新高考”的第一年.在新舊交替的轉折點，教師應該關注課標、教材的變化，準確捕捉教學重點，更好地提升教學質量，將核心素養的培育落到實處.