理解物理教学的统计规律

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在高中物理热学部分的教学中，研究物质的结构及微观结构的表现时认为大量分子的宏观行为满足统计规律。由于微观粒子结构的特殊性，多数学生对物质内部的图景缺乏正确的认识，导致学生在理解微观粒子遵循的规律时出现较大困难。如何构建微观过程的宏观图景，是帮助学生克服此类困难的关键。

在人类社会发展的过程中，人们不断总结生活经验。这些生活经验的总结有的是可以与微观粒子满足的统计规律联系起来的。比如在如何理解“物体的温度升高时为什么不是所有的微粒的运动速度都增大”的问题时，可以把温度的升高与学校某个班级平均成绩的提高相类比。当某个班期考的平均分比段考的平均分高时应是这个班的大部分学生的期考成绩比段考高，但也不排除有少数或个别学生因发挥不佳或其他原因，成绩比段考还低的可能。这样一类比把微观问题宏观化，对于学生理解温度升高时并不是每个分子速度都加快、动能都增加的结论是有益的。在理解微观粒子在热现象中满足的统计规律时，这种方法也是非常有用的。

《用油膜法测分子的直径》是高中热学中唯一的学生实验。这个实验充分体现了热力学研究的特点，对于学生理解热力学的统计规律是非常重要的。在指导学生做这个实验时，应想方设法让学生理解这个实验的实质。做《用油膜法测分子的直径》实验时，学生对为何要事先配制油酸酒精溶液不理解，认为配制油酸酒精溶液很麻烦，还会因为酒精的挥发对实验造成较大误差。因此，认为配制该溶液是不必要的。这是学生对微观粒子的特点不了解而产生的错误认识。微观粒子的特点是“多和小”，所谓多是指任何一个宏观物体内部分子的数量多，所谓小是指物体内部微观粒子的质量小、体积小、所占的空间小。

基于这样的特点，在做《用油膜法估测分子的直径实验》时，实验能否成功的关键是能否在液面上形成单分子油膜。由于分子的体积非常小，油酸是否在水面上形成单分子油膜用眼睛是不能判断的。那么，怎么才能保证油酸在水面上形成的一定是单分子油膜呢？唯一解决的办法是让油酸在水面上充分散开。而让油酸充分散开的措施有两种：一是滴到水面的油酸体积很大时，要使水面的面积非常大。比如把一小瓶油酸倒在一个大型水库的水面上。这时油酸可以在水面上充分展开形成单分子油膜，但这时油的面积太大又给油膜表面积的测量带来了困难。显然这样的实验学生在实验室是无法完成的。二是尽可能缩小油酸的体积使得在实验室的条件下即可形成单分子油膜，但是这样油酸分子的体积太小用量筒根本无法测量。在油酸体积的测量上又会存在很大误差，使测量结果失去意义。为了解决这样的难题，人们想到了配制油酸酒精溶液，让体积很小但可测的油酸溶于一定体积的酒精中。配制体积比很小的油酸酒精溶液，再用巧妙的方法测出一滴溶液的体积，利用体积比计算出一滴溶液中油酸的体积。将这样的一滴溶液滴在水面上可形成单分子油膜。这时形成的油膜面积很小，在实验室的条件下即可测量。用简单的办法解决了这个难题。用统计方法就解决了既可测油酸的体积，又可测单分子油膜的面积这个难题。可见在用油膜法测定分子的直径的实验中，配制油酸酒精溶液并不是为了增加实验的难度而添加的，而是为了用宏观的方法测定微观量而必不可少的。学生只有在脑海中充分理解物理图景，才能对实验有充分的认识，在实验中自觉地实施，并达到举一反三的效果。

以上做法对于头脑中有微观物理图景的学生来说是容易理解的。但大多数中学生缺乏这样物理图景的构建，理解起来还是有困难的。如何帮助学生克服这样的困难呢？最有效的办法是列举生活中宏观物体的类似例子让学生理解。对于广大农村地区的学生，他们对农村生活比较熟悉，可列举与他们的生活密切联系的例子说明。如在农村，由于种子的价格昂贵，农民往往购买少量的种子然后通过嫁接的方法获得很多幼苗。为了使少量的种子长出高质量的幼苗，必须解决如何把少量种子均匀地撒在宽阔的地畦上的问题。如果认为种子少而选择把种子一颗颗地插在地畦上，这样不仅费时费力，而且达不到要求。农民想了一个简单方法巧妙地解决了这个问题。就是把少量的种子与一大盆细沙混合，然后把沙子与种子一起撒到地畦上。由于在少量的种子中掺进了大量的沙子，使得每相同的体积中种子的含量是相同的。把这样的混合物撒在地畦上，长出来的幼苗一定是均匀的。我国南方农村的广大地区以种植水稻为主，这些稻田在冬天是闲置的。这就导致春天开播时稻田中和田埂上处处会留下因干燥而产生的大小不一的裂缝和因蚯蚓、蝼蚁的挖掘而产生的孔洞，不利于稻田的节水和灌溉。这些裂缝和孔洞很多，难以发现，要想找到它们并一一进行修补，不仅费时费力，而且效果不佳。这样的方法在实际应用中几乎是不可能实现的。怎么才能用最短的时间和最低的成本堵住这些孔洞呢？农民们在解决这个问题时又应用了统计的方法。他们的具体做法是在犁第一次田的过程中，先用犁把田土犁成一坯坯的土坯，再把水放进农田中，用耙反复搅拌，把这些泥坯和成泥浆，这些泥浆就跟着水流到各个裂缝和孔洞中，这些泥浆在孔洞中沉淀就把这些裂缝与孔洞堵得严严实实了。这样用简单的方法达到了目的，而且一举多得。

这就是生活中的统计规律的应用。知识是日常生活经验的概括、总结与升华，物理知识与生活的联系尤为紧密。在物理教学当中通过联系实际把抽象的物理知识形象化，通过类比把微观场景宏观化是使学生加深对物理知识的理解的有效途径。