高中物理油膜法估测分子大小教学设计学情分析教材分析课后反思.docx

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高中物理油膜法估测分子大小教学设计学情分析教材分析课后反思

用油膜法估测分子的大小

教学设计

一、学情分析

在学习本章之前，学生已经学习了宏观的机械运动，本节课是学生第一次进入微观世界进行学习。

教学对象为高二学生，学习兴趣比较浓厚，但由于刚刚进入选修3-3热学部分的物理学习，物理思维能力不是很强，思维的活跃程度、发散程度不高，实验操作能力比较弱，又是第一次进入微观领域的学习，因此给教学带来不小的难度。

这就要求教师要精心设计提问，逐步引导学生深入思考，在小组讨论等活动中通过同伴互助尽可能地调动起学生的学习兴趣，拓展学生的思维。

二、教学策略

本节课将采用问题链驱动的方法，引导学生经历探究“单分子油膜法估测分子的大小”实验的过程，并在此过程中体会各种思想、方法，最后通过联系生活实际进一步认识到这些思想、方法的广泛应用，同时深化对物理学与生活紧密联系的认识。

三、教学目标

1．知识与技能

（1）学习用单分子油膜法估测分子的大小，知道实验目的、器材和步骤。

（2）知道组成物质的分子有一定的大小，知道分子直径的数量级。

2．过程与方法

（1）通过小组讨论，明白“单分子油膜法估测分子的大小”的实验原理、方法，在经历实验探究的基础上，认识建模思想在间接测量中的重要作用。

（2）通过实验和计算，初步学习累积放大、间接测量的实验方法，初步学习估算方法。

3．情感、态度与价值观

（1）通过完成“单分子油膜法估测分子的大小”实验，进一步养成观察仔细、操作认真、乐于交流的态度，并从中领略科学家利用宏观的测量方法来探测微观世界的精妙思想。

（2）通过实验、观察、讨论等过程，感受物理学的思想、方法在生活、生产实际中的渗透和应用，激发学习物理的兴趣，增强主动探索物理规律的意识与动力。

（3）通过实验过程中失败、寻找解决方法、克服困难的过程，认识到科学的发展不是一帆风顺的，而是充满艰辛的，同时领悟到不怕困难，迎难而上。

四、重点和难点

重点：

（1）“单分子油膜法估测分子的大小”的实验原理和操作；

（2）“单分子油膜法估测分子的大小”的实验思想方法；

难点：

（1）建立单分子油膜的物理模型；

（2）提高“单分子油膜法估测分子的大小”学生实验的成功率。

五、教学资源

1．实验器材

（1）演示实验器材：

塑料浅水盆3个、注射器2支（1支装纯油酸、1支装油酸酒精溶液）、痱子粉、画有方格的透明玻璃板1块、水彩笔1支；

（2）学生实验器材：

“用单分子油膜法估测分子的大小”实验器材10套（每两人一套，每套含有塑料浅水盆1个、注射器1支、1∶500油酸酒精溶液、痱子粉、画有方格的透明玻璃板1块、水彩笔1支）；量筒一个；

2．媒体资源

（1）自制powerpoint课件

（2）录像片段：

扫描隧道显微镜观测分子、原子

（3）摄像头

六、设计思路

    本教学设计以“以学生发展为本”为指导，重视知识的形成过程，重在让学生亲历用宏观实验测量微观物理量的实验设计和实施过程。

同时体现STS思想，通过该实验中蕴含的思想方法在生产、生活事例中的应用，让学生体会到“学有所用”，感受物理学与生活的联系。

本节课需突出的重点是：

（1）学会用单分子油膜法估测分子的大小，掌握分子大小的数量级；

（2）感受实验中蕴含的物理思想方法。

方法是：

（1）利用问题作为支撑，层层推进，通过小组讨论等方式，明白实验原理和方法；

（2）利用丰富的情景、资料，感受物理中的思想方法在生活、生产实际中的渗透、应用。

本节课需突破的难点是：

（1）建立单分子油膜的物理模型；

（2）提高“油膜法估测分子大小”学生实验的成功率。

方法是：

（1）以测量黄豆的直径为突破口，通过对测量黄豆直径方法的讨论，在教师的引导下逐步建立起单分子油膜模型；

（2）实验前对实验中的注意事项展开充分的讨论，提供较为详细的实验指导；采用拔去注射器活塞让油酸酒精溶液在重力作用下滴下一滴的方法，减少学生滴出很多滴溶液导致实验失败的概率；四人一组进行学生实验，合作实验；在实验过程中教师通过巡视及时提供个别指导和帮助。

七、教学过程设计

教学

环节

教学资源

学生活动

教师活动

设计意图

（一）创设情景 引入课题

展现利用扫描隧道显微镜观测分子、原子的视频，知道组成物质的分子是非常小的，引出课题“测量分子的大小”。

通过对情景的观察与思考，知道分子非常小，产生测量分子大小的学习需求。

1．展示情景

2．提出问题：

分子那么小，我们能不能用实验室里的普通仪器测量分子的大小呢？

激发学生学习兴趣。

界定“估测”、“大小”概念，提出本节课的学习内容：

估测分子直径的数量级。

本节课是高中学生第一次进入陌生的微观世界，从熟悉的情景出发，逐步展现微观世界，符合学生的认知规律。

（二）探究测量分子直径的实验方法                                

1．黄豆

2．测量分子直径方法适用性的讨论：

方法1：

①测量单粒黄豆误差比较大；②没有那么小的尺可以直接测量分子的大小，所以不适用。

方法2：

我们实验室里没有先进的仪器排列分子，所以不适用。

方法3：

普通的光学显微镜无法观察分子，所以“拍照法”也不可行。

方法4：

同学们目前还不会计算分子的个数，所以不能用。

方法5：

测量分子的总体积和单分子层的面积，计算分子直径大小。

用宏观手段测量微观量，易测量，且无需知道分子个数，可行。

1．小组讨论：

怎样测量一粒黄豆的直径？

借测量黄豆直径的讨论探究测量分子直径方法。

学生可能提出的方法有：

方法1：

直接用刻度尺测量；方法2：

将黄豆排成一列，用一列的长度除以黄豆的个数；方法3：

对黄豆拍照，然后放大测量，再除以比例尺得到一粒黄豆真实的直径大小；方法4：

测量很多黄豆的体积，总体积除以个数即为一粒黄豆的体积；方法5：

将黄豆平铺成一层，用体积除以面积计算一层黄豆的高度即黄豆的直径。

2．分析各种方法用于测量分子直径的适用性，发现问题的同时不断产生寻求新方法的需求。

3．建立单分子油膜模型。

1．铺垫

分子非常小，同学们可能一下子很难想像测量它的大小。

我们先来研究一个稍微简单一点的类似的问题：

怎样测量一粒黄豆的直径呢？

2．启发思考

通过生生对话、师生对话，对所提出的测量方法用于测量分子直径的适用性进行分析。

3．适度引导

学生提出第5种方法比较困难，进行适度的引导，并利用自制的教具，帮助学生理解单分子油膜的形成，建立起单分子油膜模型。

分子非常小，肉眼无法观察，学生一下子很难想象用什么方法测量分子的直径。

用测量黄豆的直径进行铺垫，让学生一方面有黄豆实物可以观察，思考有物可依，另一方面从“大”自然过渡到“小”，寻找测量分子直径的可行方法。

1．图片：

注射器针尖的一滴油酸

2．实物投影：

一滴纯油酸的油膜面积太大，油膜碰到浅水盘的四周。

3．实物投影：

不规则的油膜

1．观察一滴油酸的大小，知道一滴油酸的体积无法从注射器刻度直接读出，提出通过测量很多滴油酸的体积从而计算一滴油酸体积。

2．观察一滴纯油酸在浅水盘中的油膜，看到不能形成单分子油膜，提出需要稀释油酸，明白酒精的作用。

3．观察油膜的形状，解决不规则油膜面积的测量问题。

1．提出问题

单分子油膜法需要测量那些物理量？

怎么测量？

2．创设情景

    图片展示一滴油滴的大小；实物投影展示未洒痱子粉时滴油酸、洒痱子粉时滴纯油酸，以情景依托，引发学生发现问题。

3．适时引导

引导学生发生知识的迁移：

从测量一张纸的厚度迁移到测量一滴油酸的体积；将数学中不规则图形面积测量的方法迁移到物理学科中。

激起认知冲突

    “单分子油膜法”是高中物理中唯一一个用宏观实验来测量微观量的学生实验，实验中蕴含了丰富的思想方法，利用图片、投影创设情景，让学生在解决问题的过程中发现新问题，通过思考一一解决这些问题，“知其然，知其所以然”，经历知识的形成过程，自主建构单分子油膜法的具体实验方法。

（三）教师演示示范

利用摄像头在背投上放大展示教师演示实验的过程。

观察教师演示，明白实验步骤，掌握实验要领，注意实验细节。

演示实验：

单分子油膜法估测分子的大小

提供详细实验指导，说明实验步骤，提醒各环节细节要领。

演示“滴法”突破“只滴一滴”的难点。

    本实验对实验能力要求比较高，教师先进行正确的示范，点拨关键点，有利于提高实验成功率，让更多的学生体验成功感。

（四）学生实验

分组实验器材

注射器（最小刻度0.05ml）、浅水盘（底面积25cm×25cm）、1∶500的油酸酒精溶液、画有方格的透明塑料板、彩笔。

PPT呈现实验注意事项：

学生实验：

单分子油膜法估测分子的大小

4人一组，

分工合作

实施实验

及时记录数据，最终估算出分子直径的大小。

巡视各组实验，提供适时的帮助，发现问题，随时解决。

    在前期做了大量的准备工作的基础上，学生知道了实验的原理，明白了各种器材的作用，终于等来自己亲手实践的这一刻。

学生满怀兴奋之情，用宏观手段测量分子直径这么小的微观量，这样的体验让他们终身难忘。

小组代表汇报实验结果。

小组间交流与评价。

    评价学生实验结果，给出一般分子直径的数量级10-10m。

    给学生提供交流、展现的平台。

（五）当堂检测

导学案当堂检测部分

    通过当堂检测的习题巩固，体会建立模型法、间接测量法、估算法这些思想方法在生产和生活中的广泛应用，体会物理与生产、生活的紧密联系，增强学习物理的兴趣，同时学习科学的思想方法。

通过当堂检测的习题巩固，展现建立模型法、间接测量法、估算法、累积放大法这些思想方法的应用。

提升认知，巩固本节所学知识与方法，促进学生可持续性发展。

（六）小结

板书全景式展示本节课主要内容

    回顾本节课的学习内容，体验收获。

课堂小结

布置作业（误差分析、查阅资料）

八、教学流程

1、教学流程

（1）情景Ⅰ 展现利用扫描隧道显微镜观测分子、原子的视频，知道组成物质的分子是非常小的，引出课题“用实验室的普通仪器测量分子的大小”。

（2）讨论Ⅰ 通过探究“如何测量一粒黄豆的直径”，寻找测量微小尺度的方法，建立相应的模型，引入估测方法。

类比测量黄豆的方法，引导学生建立单分子油膜模型。

（3）讨论Ⅱ 通过生生对话、师生对话解决测量微小体积、不规则面积、稀释溶液等问题，形成具体的实验方案。

（4）演示实验 在前期讨论的基础上，师生共同归纳实验步骤。

教师演示示范实验操作，并指出实验中的注意事项。

（5）学生实验 学生实验完成“单分子油膜法估测分子大小”，计算油酸分子直径的数量级。

知道除了一些有机物的大分子之外，一般分子的数量级为10-10m。

（6）课堂小结 布置作业。

2、本节课主要分4个环节：

第一个环节  情景引入  通过观察分析图片，知道分子非常小，引出测量分子大小的课题。

第二个环节  实验设计  以问题为线索，层层推进，对单分子油膜模型的建立、油酸酒精溶液的配比、油酸体积的计算、油膜面积的显现和测量这些关键问题展开充分的讨论，做到“知其然，知其所以然”，最终形成完整的单分子油膜法估测分子大小的实验设计。

第三个环节  实验体验  以4人一组的形式，通过实验，经历用单分子油膜法估测分子大小的实验过程，亲历得到分子直径数量级的过程，体验用宏观实验测量微观量的精妙实验思想和过程，并在此过程中锻炼认真细致的实验态度和技能。

第四个环节  应用巩固  通过各种测量思想方法的实例应用，感受物理知识与生活的联系。

3、作业布置

（1）大量更精确的实验测得的油酸分子直径的平均值为1.12×10-9m ，请结合你们小组的实验，分析产生误差的主要因素是什么？

提出几条减小误差的建议。

（2）扫描隧道显微镜（STM）是一种能够对分子和原子进行观察和测量的先进仪器，请通过网络、期刊、报纸，搜索扫描隧道显微镜的相关资料，了解其基本原理，看看其中蕴含了哪些科学思想方法。

九．板书设计

油膜法估测分子的大小

一、实验原理

1、油酸形成单分子油膜

2、需要测量的物理量

（1）

（2）

二、实验步骤

1、数滴

2、洒粉

3、滴油

4、描线

5、数格

6、计算

三、实验结果

分子直径的数量级：

10-10m

四、思想方法

建立模型

间接测量

估算

累积放大

用油膜法估测分子的大小

学情分析

在学习本章之前，学生已经学习了宏观的机械运动，本节课是学生第一次进入微观世界进行学习。

商河弘德中学是一所寄宿制高中，教学对象为高二学生，学习兴趣比较浓厚，但由于刚刚进入选修3-3系列的热学部分学习，物理思维能力不是很强，思维的活跃程度、发散程度不高，实验操作能力比较弱，又是第一次进入微观领域的学习，因此给教学带来不小的难度。

这就要求教师要精心设计提问，逐步引导学生深入思考，在小组讨论等活动中通过同伴互助尽可能地调动起学生的学习兴趣，拓展学生的思维。

用油膜法估测分子的大小

效果分析

1、通过导入：

学生了解到人类目前已经可以实验利用隧道显微镜直接观测操纵原子或分子，并激发学生探索分子大小的欲望。

2、通过测定黄豆直径的小游戏，学生认知到浅显的现象或规律背后隐藏着我们探索未知的钥匙。

就像牛顿当年通过一个苹果落地现象的深入思考而发现万有引力一样。

3、学生通过讨论掌握了如何获取极少量确定体积液体的方法——稀释法和累积法，这是实验最关键的细节，另外学生掌握了估测不规则图形的方法——割补法。

4、学生通过小组合作分工进行实验，体验到了合作学习的快乐。

5、学生了解到实验存在误差的原因，从而找到减小误差的方法。

6、学生通过实验数据可以得知，分子大小的数量级。

用油膜法估测分子的大小

教材分析

分子动理论是从微观角度认识物体热现象的基本理论。

宏观物体是由大量不停息的运动着的、彼此间或强或弱相互作用着的分子组成，分子有多大是教学中要说明的首要问题。

用油膜法估测分子大小，是最早测量分子大小的一种方法。

自1997年开始使用的“三省一市”全日制高级中学物理教科书开设该实验以来，各种版本的教材中都保留了该实验。

本校现使用的鲁科版普通高中课程标准实验教科书《物理（选修3-3）》第一章第一节介绍了该实验的操作流程。

该实验利用的用宏观量来测量微观量的实验方法是科学研究的重要方法之一，该实验又是高中物理学生实验中唯一体现该方法的实验。

学生在认识微观世界的过程中，对分子直径的数量级有了清晰的感性认识，进一步认识了物理模型在物理研究中的重要价值，启迪学生处理微观问题的思路，为正确解决关于微观世界的实际问题做了铺垫。

“油膜法”粗测分子直径是物理学中常用的一种将微小的不易测量的物理量转化为明显的易于测量的物理量的测量方法，这是一种非常重要的科学研究方法．分子直径太小，若将1滴纯油酸滴于水面上形成的单分子油膜的面积太大，不便于测量，且纯油酸在水面上扩张也太慢，因此，本实验中使用酒精稀释的油酸溶液，利用的便是酒精易挥发（使油滴尽快在水面上扩张形成单分子油膜）且溶于水（最后在水面上形成的还是纯油酸薄膜）的特性．因此，我们应先根据题设条件求出滴在水面上的一滴溶液中所含纯油酸的体积V，则油膜的厚度D＝V／S，即等于油酸分子的直径．

实验用油膜法估测分子的大小

【实验目的】

（1）用油膜法估测分子的大小。

（2）学会间接测量微观量的方法

【实验原理】

（1）实验采用使油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法估测分子的大小。

（2）油酸的分子式为C17H33COOH，它的一个分子可以看成由两部分组成：

一部分是C17H33——，另一部分是——COOH,其中——COOH对水有很强的亲和力，当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水并很快挥发，在水面上形成近似圆形的一层纯油酸薄膜，其中C17H33——一部分冒出水面而——COOH部分留在水中，油酸分子直立在水面上，形成一个单分子油膜。

（3）单分子油膜法粗测分子直径的原理，类似于取一定量的黄豆，测出它的体积V，然后把它平摊在桌面上，上下不重叠，一粒紧挨一粒，量出这些黄豆占据桌面的面积S，从而计算出黄豆的直径。

（4）通过测出油滴的体积V及油滴在液面上形成的单分子油膜面积S，运用油酸滴入水面前后的总体积相等，测定分子直径

。

【实验器材】

浅盘、痱子粉、注射器（或滴管）、量筒、坐标板、水彩笔（或钢笔）、事先配制好的油酸酒精溶液。

【实验步骤】

①先在浅盘中倒入2～3cm深的水，将痱子粉或石膏粉均匀撒在水面上。

②用滴管将酒精油酸溶液逐滴滴入量筒至1ml，记下滴入的滴数n，算出一滴油酸酒精溶液的体积

ml。

③待油酸薄膜形状稳定后，将玻板放在浅盘上，用水彩笔或钢笔画出油膜形状。

④通过数玻璃板上的方格数，算出油膜面积S。

⑤根据溶液浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V。

⑥用一滴纯油酸的体积V和薄膜面积S，即可计算出薄膜的厚度d=V/S。

【注意事项】

（1）油酸酒精溶液配制后，不要长时间放置，以免改变浓度，产生误差。

（2）注射器针头高出水面的高度应在1cm之内,当针头靠近水面（油酸酒精溶液没滴下之前）时，会发现针头下方的痱子粉末层已被排开，这是由于针头中酒精挥发所致，不影响实验效果.

（3）实验时针管（或滴管）在接近水面1cm左右滴油酸溶液，并且在液面稳定后，画下液面形状。

（4）在玻璃上画轮廓线时，要待测油酸面扩散后又收缩稳定后再画,这是因为：

①水面受油酸酒精溶液液滴扩散冲击后又要恢复；

②酒精挥发引起的液面收缩.

（5）要保证1mL溶液的滴数，准确无误；要控制滴液滴时的速度，确保液滴体积稳定。

（6）在计算面积时，如玻璃板上有边长1cm的方格，数方格数将不满半格的舍弃，超过半格的记为一格。

（7）每次实验时要让浅盘中的水稳定后再做。

（8）痱子粉不宜撒得过厚，重做实验时，水要从盘的一侧边缘倒出，这样残留在盘上的油酸量少，容易清洗干净。

【实验纪录】

项目

油酸酒精

溶液浓度

1mL溶液的滴数

一滴油酸酒精

溶液的体积

一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积

油膜面积

油酸分子直径

数值

【误差分析】

1、纯油酸体积的计算误差:

2、油膜面积的测量误差主要是：

（1）油膜形状的画线误差

（2）数格子法本身是一种估算的方法，自然带来误差

【当堂检测】

1、用注射器或滴管将老师事先配制好的溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积（如1mL）时的滴数，由此计算出一滴油酸酒精溶液的，然后再按油酸酒精溶液的浓度，计算出一滴溶液中的体积V。

2、这种粗测方法是将每个分子视为，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜面积可视为，这层油膜的厚度可视为油分子的。

3、在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，实验简要步骤如下：

A．将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数（不足半个的舍去，多于半个的算一个），再根据方格的边长求出油膜的面积S．

B．将一滴酒精油酸溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描画在玻璃板上．

C.用浅盘装入约2cm深的水，然后将痒子粉或石膏粉均匀地撒在水面上．

D．用公式L＝V/S，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小．

E．根据酒精油酸溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V．

F．用注射器或滴管将事先配制好的酒精油酸溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积时的滴数．

上述实验步骤的合理顺序是______________________.

4、将1cm3的油酸溶于酒精，制成200cm3的油酸酒精溶液，已知1cm3溶液有50滴，现取1滴油酸酒精溶液滴在水上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一层单分子薄层，测出这一薄层面积为0.2m2，由此可估算出油酸分子的直径约为m。

用油膜法估测分子的大小

课后反思

通过精心设计教学环节，教学目标基本达成，课堂效果不错，学生绝大多数能够理解实验原理并且能够进行实验操作测出油酸分子的直径，但是仍有不足，一是课堂学生活动次数还是较少，应该给予学生更多表达自己观点的机会，让学生在思想与思想的碰撞中产生火花，在交流与交流中达成一致；二是对于油酸分子的球形模型没有深入考虑，实际上将其视为圆柱体模型更为符合实际，应该引导学生对分子模型的建立充分讨论；三是对于实验结果应该通过实物展台予以展示，展示不同小组的实验情况，对于实验失败的小组应该讨论分析其中的原因。

用油膜法估测分子的大小

课标分析

2003年教育部颁布的《普通高中物理课程标准（实验）》中指出，物理学是一门基础自然科学，它所研究的是物质的基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法。

在选修3－5模块，本系列课程模块侧重让学生较全面地学习物理学的基本内容，进一步了解物理学的思想和方法，较为深入地认识物理学在技术中的应用以及对经济、社会的影响。

在本模块中，学生将从宏观和微观两个角度认识热现象的规律，应用统计思想和能量转化与守恒规律解释现象、处理问题。

在第一章分子动理论的第一节分子动理论的基本观点中设有本节内容，课标中对本节油膜法测分子的大小做出了这样的要求：

估测油酸分子大小，体会建立模型和估测方法在研究物理问题中的应用。

因此通过本实验让学生学会用油膜法估测分子直径大小，学会间接测量微观量的方法；同时掌握滴管、量筒的使用方法。