高中物理新课程教学实例————“布朗运动原因”的探究教学

高中物理新课程教学实例————“布朗运动原因”的探究教学设计
浙江 宁波 奉化中学 方颖
一、教材分析
本节内容是学生在初中已经学习了分子热运动特例：扩散运动的基础上进一步学习分子热运动相关的知识，学习本节知识可以让学生更好的理解分子热运动的特点。

本节课的教学重点是让学生理解产生布朗运动的原因，由于学生已有的科学研究方法不成熟，对于微观领域的研究没有基础，所以如何引导学生通过探究的方法得出布朗运动的原因是本节内容的难点。

这个教学难点通过由近及远，由浅至深的引导学生，把物理学家当时研究的过程重现，从而培养学生科学研究的方法并突破教学难点。

二、三维目标
知识与技能
（1）知道扩散运动和布朗运动并撑握他们的特点。

（2）知道温度是分子热运动平均动能的标志。

（3）理解分子热运动的本质，能用所学的知识解释和研究实际的问题。

过程与方法
（1）培养学生提出提出问题能力、得出猜想能力
（2）在理论论证猜想环节中，培养学生的科学论证能力和推理能力
（3）通过启发、引导、探究培养学生熟悉一般科学研究方法
情感、态度与价值观
（1）通过回顾、重现科学家当初研究布朗运动的情景，使学生认识到科学探索的一般过程，并体验到科学探究的喜悦和艰辛，并曾加对科学研究的热情
（2）通过对布朗运动真实原因的探索过程培养学生乐于探究的精神以及对自然、生活中物理现象的好奇性。

（3）在运用提出猜想、论证、再猜想、再论证的探究过程中，培养学生的团结协作精神。

三、“布朗运动原因”的探究教学过程
“布朗运动”这一课中，如何通过探究式教学来培养学生探究能力、掌握一般的科学方法，为逐步形成科学态度和科学精神打好基础？本人在教学实践中对于布朗运动的本质是以如下的方式来进行的。

（1）介绍布朗运动现象
1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉受精的过程中，发现花粉颗粒在不停的无规则运动，那我们来看一下：让学生在显微镜下观察这个现象（布朗运动）
（2）分析布朗运动现象
提出一系列的问题逐步引导学生进入科学的探究过程：
问题1、布朗运动是不是分子的运动？
（让学生用已学的知识来判定这个问题。

）
因为在上节教学内容已经知道分子的直径数量级是m 1010 ，只有在放大几亿部的扫描隧道显微镜下才能看到，这只放大几百倍的显微镜是看不到的，所以这不是分子的运动，这是悬浮在水中的小颗粒的规则运动。

问题2、布朗运动有没有规则？
分析书中的图11-4，是每隔30s 记录的小颗粒的位置，然后把这些位置依次连接起来的，可见是无规则运动，实际上在这短短的30秒内微粒运动也极不规则，绝不是直线运动。

后来我们把悬浮在液体中的小颗粒的无规则运动叫做布朗运动。

布朗运动：悬浮在液体中的小颗粒的无规则运动。

问题3、为什么会产生布朗运动？
让学生知道科学的研究过程是一个不断探究，不断的否定，不断的提高的过程，是一个曲折的漫长的过程，不是一句话的过程，让我们把布朗当年的研究过程来重现。

其实在教学的实践中知道，学生也不可
能立刻知道布朗运动的原因和本质，人的一般思维过程不是这样的，可能我们教师在教学过程中由于是在比学生高的起点上，以及因为教师多年教学面养成的思维定式，其实学生不能，也不会立刻知道原因的，我们应该好好的利用教材培养学生的能力。

我们也来做一下当年布朗看到这个现象时是如何做的？布朗当时的显微镜下看到这个现象后很惊奇，想知道这到底是什么原因。

但是当时对于布朗看到的这种现象是新现象，布朗也找不到可以借鉴的资料和知识，那怎么办呢？
当我们看到某一些现象时，并要对这现象作出科学的解释，但是这现象是处于人们不能直接感知的微观或宏观领域，以及材料比较缺乏的新领域，当时还没有有关这个实验现象的理论和实验，那么怎么办呢？“假说”便有特殊重要的作用。

分子动理论是在物质由分子组成这一假说基础上发展起来的。

在科学发展史上不乏这种由假说发展成理论的事例。

如哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律等，最初也都是假说。

所以假说是认识客观世界的重要方法。

假说是理性认识。

从假说发展成理论，似乎认识不必依赖于实践。

这显然是错误的。

（一是从提出假说的原因来看，总是为了解释某些实践中遇到的问题，二是建立假说的依据总离不开已有的实践和认识。

）
我让学生大胆的猜想和提出假说，学生经过思考和讨论，提出的猜想超出教师的想象，我们教师由于长时间的按照教材上课，已经养成了一种固有定式，经过概括学生提出了四种猜想，我们来看：（1）花粉是不是活的？（生物活体的运动）
（2）由于风吹草动？（由于液体周围气体的流动）
（3）可能是建筑物或地面的微小振动？（实验周围环境中的干扰而引起的振动，让液体也发生了很小振动）
（3）有可能液体的对流？（液体上下层的温差而产生的液体对流）
然后我对学生提出的猜想进行分析，讨论，并充分肯定学生提出的猜想，（当年科学家布朗也是这样做的，学生觉得自己和布朗一样的伟大，充分调动学生研究的兴趣），那么提出猜想后我们应该怎么做呢？怎么用已有的知识来证明自己猜想的正确与否呢？向学生传授科学的一般研究方法，研究方法：观察现象，初步分析⇒猜想、假说⇒实验研究和科学的论证⇒否定⇒再猜想、假说⇒再实验研究和科学的论证⇒再否定，螺旋上升⇒得出正确结论。

接下来我和学生们一起对每一种的猜想进行讨论、实验研究。

假说：（1）花粉是不是活的？（生物活体的运动）
布朗运动是由于花粉是活的，在液体中游动，我们用什么方法来证明这个猜测是否正确？用其他物体非生物的颗粒做实验，看看是否有布朗运动现象。

可以用水彩颜料粉做一下实验，同样有布朗运动现象，那么说明猜想是错的。

我们的猜想和布朗当年时一样，布朗是在观察花粉的受精，布朗观察的目的是为了研究植物的受精过程，他选取克拉花属植物雄蕊花粉中的微粒，用显微镜观察它们在水中的行为。

由于这种花粉微粒是非球形不规则状，认为容易跟踪它们向着雌蕊行进的方式。

所以当时布朗当初也认为可能是花粉是活，所以布朗用枯死长时间的花粉做实验，仍可看到布朗运动，然后再用他看到其它植物的花粉微粒都有这种运动，还看到死去很久的标本植物也有同样现象。

他又惊奇地发现，把植物的其它部分磨碎得到的微粒也是一样，这使他打消了这种运动可能是雄性生殖器官特征的想法。

布朗是一位严谨的科学家，他继续观察了各类物质，包括树脂、煤、烟灰、尘埃、化石、玻璃和多种矿物。

就这样，从生命物质到非生命物质，从有机物到无机物，发现在所有情况下，只要把物质粉碎到足够细的微粒，它们都能显示这种不停息的无规则运动。

而且经过几天、几个月，也看不到这种运动停下来，根据所有这些观察结果，布朗明智地推断这种运动说明布朗运动不取决于颗粒本身，更换不同种类液体，都存在布朗运动，这必定是一种物理现象，而不是生物现象。

假说：（2）由于风吹草动？（由于液体周围气体的流动）
由于在实验过程中教室的空气流动，即液体表面的空气流动，带动液体的流动，使液体中的小颗粒跟着运动。

我们用什么方法来证明这个猜测是否正确？那么我们可以消除这种因素再来做一实验，看一看有没有这个现象。

（逐步培养学生的这种研究方法）可以用一个密闭玻璃罩罩住液体，再来做实验，发现仍可以看到布朗运动。

那么说明我们的猜想是错的。

（猜想、假说的否定并不是我们的猜想、假说没有用，而是在原有的基础上螺旋上升，在不断的接近正确的结论）
假说：（3）可能是建筑物或地面的微小振动？（实验周围环境中的干扰而引起的振动，让液体也发生了很小振动）
通过前面假说的分析，学生已经知道这个假说如何判定，即消除这个因素做实验。

发现仍可以看到布朗运动。

假说：（4）有可能液体的对流？（液体上下层的温差而产生的液体对流）
如果液体中存在着温差，那么就一定有对流，那么液体中的对流现象是怎样的？学生根据初中所学的知识能知道液体发生对流时的特点，那么所引起的微粒运动是定向的，但是人们知道布朗运动是没有规则的，所以假说不成立，
因此，经过假说、论证得出外界因素的影响不是产生布朗运动的原因，只能是液体内部造成的。

那么接下来从液体内部分析，一步步的接近真理。

通过这样的一个讨论、研究、实验，让学生真正的参与到教学中，让学生成为学习的主体，而教师做好主导工作，通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识和技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度和科学精神，掌握科学研究的一般方法。

在平时的教学中，我们教师能充分利用教材，并时时开发学生的潜力，我相信新课程的实施一定能越走越好。