物態(tài)變化中理化教案
一、本節三維目標要求
1．知識與技能
了解人類(lèi)認識物態(tài)的歷程。
認識自然界和日常生活中多種不同狀態(tài)的物質(zhì)和物態(tài)變化。
能用物態(tài)和物態(tài)變化知識解釋身邊發(fā)生的一些簡(jiǎn)單物理現象。
2．過(guò)程與方法
嘗試對環(huán)境問(wèn)題（溫室效應、熱島效應等）發(fā)表自己的見(jiàn)解。
3．情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)
感悟物態(tài)變化在改變物質(zhì)世界和促進(jìn)人類(lèi)文明中的巨大作用。
樹(shù)立可持繼發(fā)展的意識。
二、教學(xué)實(shí)施建議
�。ㄒ唬┙虒W(xué)過(guò)程
本節安排了三個(gè)教學(xué)板塊：（1）人類(lèi)認識物態(tài)的歷程；（2）物態(tài)變化改變著(zhù)世界；（3）來(lái)自極地的報告。
1.人類(lèi)認識物態(tài)的歷程
�。�1）19世紀之前，人們還只能根據物質(zhì)的宏觀(guān)特征（是否具有一定的體積和形狀，是否能流動(dòng)）來(lái)區分物質(zhì)的狀態(tài)，那時(shí)只知道物質(zhì)有固、液、氣三態(tài)。初中講物態(tài)和物態(tài)變化，主要涉及這三態(tài)和三態(tài)間的變化問(wèn)題。這應該成為本教學(xué)板塊展開(kāi)的基礎，教師應引領(lǐng)學(xué)生理解這種物質(zhì)分類(lèi)的方法，并在此基礎上討論人類(lèi)認識物態(tài)的歷程。
近代對物態(tài)分類(lèi)更深入到物質(zhì)內部結構。從物質(zhì)內部結構去分析，物態(tài)和物態(tài)變化的種類(lèi)很多。并且，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對物質(zhì)世界的認識會(huì )繼續深入，更多的物態(tài)會(huì )被人們發(fā)現和認識。
20世紀以來(lái)，人們陸續發(fā)現或提出的新的物質(zhì)狀態(tài)形式有：等離子態(tài)、超固態(tài)、液晶液、超導態(tài)、超流態(tài)、中子態(tài)、黑洞等。有時(shí)同一物質(zhì)在某種溫度和壓力下，幾種不同的物態(tài)同時(shí)存在。例如，水處于密閉的容器中，下面是水，上面是水蒸氣，就是液態(tài)和氣態(tài)共存的情形。其他還有固、氣兩態(tài)共存，固、液兩態(tài)共存，或固、液、氣三態(tài)共存的情形。
一般來(lái)說(shuō)，任何一種物質(zhì)，在溫度、壓強等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì )呈現不同的物態(tài)。研究物態(tài)變化對于深入了解物質(zhì)的結構及性質(zhì)，對于研制新材料及新物質(zhì)，都具有很大的現實(shí)意義。
�。�2）依據教材安排，本板塊應重點(diǎn)突出等離子態(tài)和液晶態(tài)。關(guān)于液晶態(tài)、液晶顯示器的基本原理以及液晶顯示技術(shù)的應用，教科書(shū)已有兩段介紹。建議教學(xué)中補充介紹等離子態(tài)、等離子體以及等離子體在工業(yè)、農業(yè)、軍事上的廣泛應用。
事實(shí)上，等離子體在宇宙中廣泛存在。閃電、極光等是地球上的天然等離子體產(chǎn)生的發(fā)光現象。在地球之外，如圍繞地球的電離層、太陽(yáng)和其他恒星、太陽(yáng)風(fēng)、很多星際物質(zhì)，都是等離子體。它是宇宙間物質(zhì)存在的主要形式。用人工方式也可以產(chǎn)生等離子體，如霓虹燈放電、原子核聚變、用紫外線(xiàn)和X射線(xiàn)照射氣體，都可以產(chǎn)生等離子體。
利用等離子弧可以進(jìn)行切割、焊接、噴涂，可以制造多種新穎的光源和顯示器。等離子體顯示器是繼陰極射線(xiàn)管顯示器，液晶顯示器之后的新一代顯示器，它的最大特點(diǎn)是厚度小，顯示面積大，用這種顯示器制造電視機，可以象畫(huà)一樣掛在墻上。用等離子體技術(shù)處理高分子材料，包括塑料和紡織物，既能改變材料的表面性質(zhì)，又能保留原材料的優(yōu)異性能，而且無(wú)污染。在軍事上利用等離子體規避探測系統，用于飛機等武器裝備的隱形等。
以上知識內容，有必要向學(xué)生簡(jiǎn)單介紹。對人類(lèi)認識物態(tài)的歷程回顧，不僅可以使學(xué)生開(kāi)闊眼界，增長(cháng)見(jiàn)識，而且富含過(guò)程與方法、情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)多種教育功能。希望教師在占有大量信息資源的基礎上，認真組織，深入淺出、通俗易懂地向學(xué)生展示魅力無(wú)盡的探究歷程（課件、圖片、錄像等教學(xué)手段往往是必須的）。
2. 物態(tài)變化改變著(zhù)世界
本章章首指出：我們生活在物態(tài)變化的世界里。人類(lèi)對物態(tài)變化的認識是從水開(kāi)始的。本章前三節的主要內容大多也是圍繞水的三態(tài)及其變化展開(kāi)的�，F在，作為本章的最后一節，教師有必要將物態(tài)和物態(tài)變化的視界拓展到更廣泛的領(lǐng)域，展示人類(lèi)認識物態(tài)變化、利用物態(tài)變化規律的輝煌歷史。
�。�1）讓學(xué)生認識物態(tài)變化的歷史首先可以介紹材料的發(fā)現和利用歷史——從青銅器到太空晶體。
教科書(shū)為此示例性地展示了青銅器、太空晶體。教學(xué)中應組織學(xué)生利用身邊實(shí)例展示作為人類(lèi)文明的象征的材料的“發(fā)現”和利用。
例如：
·高壓鍋上的易熔片（可配以實(shí)物和投影展示）。
· 家用電冰箱、空調器中的致冷物質(zhì)從R－12（氟利昂、二氟二氯甲烷，CF2Cl2）到R134a。
·保護衛星或火箭的整流罩內部的隔熱層和外表面涂層。
·從鉛鋅電池、鎳電池、鋰電池到硅光電池、氫電池、燃料電池。
·從石器、銅器、鐵器到各種特種異型鋼材、記憶合金、納米材料。
·人工增雨用到的.固態(tài)二氧化碳（干冰）或液態(tài)氮、碘化銀，家庭廚房中的液化石油氣、天然氣或燃氣，醫院里的液態(tài)氧，用于運載火箭的燃料液態(tài)氧和助燃劑液態(tài)氫……
�。�2）物態(tài)變化規律的利用——從蒸汽機到熱管。
教科書(shū)集中討論了兩個(gè)典型例子，蒸汽機和熱管。教學(xué)中當然不宜涉及技術(shù)應用細節，但教師對之應有更多的領(lǐng)悟和感受，以便靈活應用于教學(xué)設計。
水沸騰變成蒸汽不僅能提供動(dòng)力（含蒸汽機和蒸汽輪機），還為城市的集中供熱提供了優(yōu)越的方式。蒸汽機曾經(jīng)引發(fā)第一次工業(yè)革命，蒸汽輪機、燃氣輪機至今仍廣泛應用于現代社會(huì )。
熱管在航天技術(shù)中的神奇妙用，得賴(lài)于它的特殊結構，但其核心的部分應是它對物態(tài)變化規律的運用。此外，熱管還用于核電站、大型電機和電子系統的散熱冷卻。值得提及的是，未來(lái)全長(cháng)1142km的青藏鐵路建設中，將迎對550km終年凍結的凍土區，為了達到穩定地基的目的，建設者們將廣泛采用通風(fēng)管路基、熱樁（熱管）、碎塊石調溫路基等凍土工程技術(shù)，這些都是物態(tài)變化規律的廣泛應用。
其實(shí)熱管的應用遠不止于此。熱管也并不神秘，學(xué)生完全可以自制熱管、熱樁。本部分應將熱管作為教學(xué)的載體，重點(diǎn)組織學(xué)生參與。
教師應在示范的基礎上，引導學(xué)生設計自己的熱管，使學(xué)生體驗探究的樂(lè )趣、艱辛和成功的愉悅。教科書(shū)給出的設計題目是用熱管設計太陽(yáng)能熱水器、教學(xué)中也可改為大型冷藏庫設計熱樁；為輸油管道、工業(yè)和民用建筑、水壩設計熱樁；甚至可以設計大熱管，高效地提取地球內部的地熱，直接用于發(fā)電或采暖……
�。�3）利用物態(tài)變化創(chuàng )造現代生活
本段內容在邏輯上與“材料的發(fā)現和利用”、“物態(tài)變化規律的利用”是一脈相承的。人類(lèi)發(fā)現、研究、利用物態(tài)和物態(tài)變化，正是為了創(chuàng )造現代生活。建議將本段內容融于前兩部分教學(xué)活動(dòng)中，使之渾然一體，使學(xué)生真切體會(huì )到：物態(tài)變化就在我們身邊，物態(tài)變化規律的應用改善著(zhù)人類(lèi)的生活、醫療、文化、物態(tài)變化規律的應用促進(jìn)著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和人類(lèi)文明的發(fā)展，進(jìn)而形成科學(xué)的發(fā)展觀(guān)。
3.來(lái)自極地的報告
本段以考察報告的形式，警示人類(lèi)活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境造成的破壞。教學(xué)中，可借助多種教學(xué)手段和多種教學(xué)資源（含本地資源）幫助學(xué)生解讀科學(xué)技術(shù)是雙刃劍這一事實(shí)，意識到人類(lèi)必須用科學(xué)的態(tài)度審視自己的行為，必須依靠科學(xué)技術(shù)解決人類(lèi)面臨的危機。
可供教學(xué)中選擇的素材很多，包括：
�、偎Y源危機與節約用水。
介紹世界及我國缺水及水污染的現狀，提出合理利用和保護水資源的嚴肅的社會(huì )問(wèn)題，幫助學(xué)生養成節約用水的習慣，增強防止污染、保護環(huán)境的意識，鼓勵學(xué)生投身到合理利用和保護水資源的科學(xué)活動(dòng)中去。
·水污染及水污染的主要原因（有毒物質(zhì)、污水、石油、熱污染、放射性物質(zhì)等）。
·“水污染防治法”和“水法”。
·“南極科學(xué)考察”、“冰川”、“赤潮”等科教片或電視片。
·節約用水徽標：水是生命之源，珍惜每一滴水，是公民的義
務(wù)和責任。
·淡水資源和全世界淡水儲量。
�、凇度祟�(lèi)環(huán)境宣言》與可持續發(fā)展
人類(lèi)面臨日趨嚴重的環(huán)境問(wèn)題：人口問(wèn)題、溫室效應、熱島效應、厄爾尼諾現象、臭氧層被破壞、土地荒漠化、酸雨現象、森林的破壞、物種的消失、垃圾泛濫等，必須將可持續發(fā)展推向行動(dòng)。
·《聯(lián)合國人類(lèi)環(huán)境會(huì )議宣言》和《21世紀議程》
·國際保護臭氧層日（每年的9月16日）
·中國《環(huán)境保護法》、《中國21世紀議程》
教學(xué)中建議圍繞以下主題組織學(xué)生活動(dòng)：
�、僖罁䦟Ξ數厮Y源（含地下水）狀況和利用情況的事先調查，對水資源污染和濫用提出自己的見(jiàn)解，對水資源利用提出合理化建議。題目可以是：從近日水價(jià)上漲3倍說(shuō)起……
�、诹信e家庭生活中用水途徑，舉出所有可能的節水方法。
本板塊的教學(xué)主要目的在于給予學(xué)生自行收集相關(guān)資料、自主探究的起點(diǎn)，因為涉及的知識內容比較廣，如果試圖對每一個(gè)主題都進(jìn)行展開(kāi)是不切實(shí)際的，教學(xué)成本也過(guò)于高昂。教師可以選擇性地向學(xué)生介紹以上的一些知識素材，激發(fā)學(xué)生開(kāi)展自主探究的熱情。介紹過(guò)程中教師應該注重這些自然現象或環(huán)境問(wèn)題與物態(tài)變化規律之間的聯(lián)系，使得學(xué)生進(jìn)一步認識到人類(lèi)在利用物態(tài)變化規律促進(jìn)生產(chǎn)，提高生活質(zhì)量的同時(shí)，也破壞了自然界原本在物態(tài)變化規律下形成的和諧，從而增強危機感，提高環(huán)保意識與法律意識。
三、發(fā)展空間
�。ㄒ唬白晕以u價(jià)”參考答案
1.玻璃管耐受壓強（壓力）的限度是一定的，酒精被加熱到某一確定溫度，它施于玻璃管的壓強（壓力）剛好達到這一限度，因而玻璃管就會(huì )爆炸。
�。ǘ凹彝�(shí)驗室”指導
1.根據水的沸點(diǎn)與壓強的關(guān)系（P）,可見(jiàn)設計真空洗衣機，使水在常溫下沸騰，產(chǎn)生大量氣泡，而不需要洗衣粉（含磷洗衣粉也是造成環(huán)境污染的因素），在原理上是可行的。用一次性注射器，也可以制造“真空”，產(chǎn)生氣泡。
�。ㄈ拔锢碓诰�(xiàn)”指導
可以舉辦專(zhuān)題講座，可以指導學(xué)生通過(guò)因特網(wǎng)或到圖書(shū)館了解有關(guān)材料科學(xué)的歷史和知識，理解“材料科學(xué)是人類(lèi)進(jìn)步的基石”這一論斷的含義。
�。ㄋ模白呦蛏鐣�(huì )”指導
教科書(shū)安排的題目是：廚房里的物態(tài)和物態(tài)變化。這是一個(gè)實(shí)用的題目，借此，既可以觀(guān)察了解材料和物態(tài)的有關(guān)知識，又可以經(jīng)歷物態(tài)變化過(guò)程，還可以通過(guò)調查家長(cháng)，了解廚房里的炊具、灶具以及做飯、燒菜等方式的變革，感知科學(xué)、技術(shù)、社會(huì )的關(guān)系。
教學(xué)中亦可依據需要和當地環(huán)境條件可能，安排其他學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)。
四、教學(xué)資源
�。ㄒ唬┙虒W(xué)視頻
1.南極科學(xué)考察（參見(jiàn)“教師備課系統”光盤(pán)）
2.北極科學(xué)考察（參見(jiàn)“教師備課系統”光盤(pán)）
3.冰川（參見(jiàn)“教師備課系統”光盤(pán)）
�。ǘ﹨⒖假Y料
1.軟物質(zhì)
發(fā)明“軟物質(zhì)”一詞以代替美國人所稱(chēng)呼的“復雜流體”，推動(dòng)這門(mén)跨物理、化學(xué)和生物學(xué)三大學(xué)科的交叉學(xué)科發(fā)展，并使凝聚態(tài)物理學(xué)向新世紀轉型的第一人，就是1991年諾貝爾物理獎得主--熱納（Pierre-Gilles de Gennes）。
熱納1932年生于巴黎，1957年獲博士學(xué)位。最初，他的研究興趣也是集中在硬物質(zhì)方面。1968年起，他轉而研究軟物質(zhì)，開(kāi)始了液晶、聚合物物理、浸潤動(dòng)力學(xué)、附著(zhù)機制的化學(xué)物理研究，并成為這些領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )者。
與固體相比，這類(lèi)物質(zhì)缺少硬的結構，所以稱(chēng)之為軟物質(zhì)。但是，“軟”并不是這類(lèi)物質(zhì)的主要特征。熱納對液晶與高分子聚合物以及膠體的研究顯示，這些軟物質(zhì)因微弱的外力作用而改變狀態(tài)的現象，與固體金屬的超導相變極為相似。這使他漸漸對相變、序參數等概念有深刻的認識，證明了自然界從簡(jiǎn)單系統（如超導體）到復雜系統（如液晶、聚合物）都存在統一的相變規律。
二十一世紀被認為是生命科學(xué)的世紀，從物質(zhì)劃代角度來(lái)看，這也是軟物質(zhì)的世紀。如果沒(méi)有軟物質(zhì)，生命也不復存在。任何生物結構（包括DNA、蛋白質(zhì)和生物膜）都是建筑在軟物質(zhì)的基礎上。
熱納在《固、特、異的軟物質(zhì)》一書(shū)中以橡膠為例，給軟物質(zhì)下了六個(gè)很深刻的定義。他指出，2500年前，亞馬遜河流域的印第安土著(zhù)就懂得用橡膠汁涂在腳上做靴子，但這種靴子只能穿一天--由于空氣氧化，純天然的橡膠很快就破碎了。直到1839年，美國人固特異發(fā)明了橡膠硫化處理技術(shù)，才使橡膠成為堅固耐用的材料。橡膠也就成了第一個(gè)實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)的聚合物�？諝庵械难跏瓜鹉z長(cháng)鏈分子斷裂，而與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學(xué)活性略差一點(diǎn)，卻使長(cháng)鏈分子結合得更好，這就是軟物質(zhì)的奇異特性：弱力引起強變化。
熱納進(jìn)一步指出，天然橡膠的每200個(gè)碳原子中，只有1個(gè)原子與硫發(fā)生反應。盡管化學(xué)作用如此微弱，卻足以使物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的巨大變化，膠汁變成橡膠。這證明了有些物質(zhì)會(huì )因微弱的作用而改變狀態(tài)，就如雕塑家以拇指輕壓就能改變粘土的外形使之成為一件高貴的藝術(shù)品一樣。這也正是軟物質(zhì)的基本定義。
千百年來(lái)，人們就知道。一點(diǎn)骨膠可以讓墨汁維持多年的穩定，一點(diǎn)鹵汁可以使豆漿變成豆腐。日常生活中，幾滴洗潔精會(huì )產(chǎn)生一大堆泡沫，一顆鈕扣電池可以驅動(dòng)液晶手表工作幾年……這些例子都展現了軟物質(zhì)的神奇本質(zhì)：只要提供相對微弱的作用力，它們就可以發(fā)生改變--從形狀到性質(zhì)的改變。生物系統的神奇之處也體現在這里：人們的肉眼能夠感受到幾千光年之遙的星系發(fā)出的光；一條嗅覺(jué)靈敏的狗，可以根據腳印中殘留的氣味跟蹤某個(gè)人，并且在鬧市中把這個(gè)人的蹤跡跟其他人區別開(kāi)來(lái)。生物系統展示著(zhù)軟物質(zhì)的本質(zhì)。
�。ㄕ詺W陽(yáng)鐘燦《軟物質(zhì)》）
2.高壓鍋
世界上第一只高壓鍋是1681年由法國的丹尼斯·帕平（ ）發(fā)明的。高壓鍋的工作原理是利用了水的沸點(diǎn)隨著(zhù)壓強的增大而升高的規律，提高烹飪過(guò)程中水的溫度，達到特殊的烹飪效果。目前廣泛使用的高壓鍋基本結構如圖5-4-2，主要由鍋體、鍋蓋和安全閥組成。高壓鍋鍋體與其他種類(lèi)的鍋并無(wú)差異；鍋蓋則可以與鍋體扣在一起，并采用橡皮密封圈保持鍋內封閉；安全閥是高壓鍋正常工作的關(guān)鍵器件，它的質(zhì)量較大且經(jīng)過(guò)精確計算，置于鍋蓋上方的出氣口上。在烹飪過(guò)程中，給鍋體持續加熱，由于鍋體密封，鍋內氣體壓強逐漸增大，使得鍋內水的沸點(diǎn)比常壓時(shí)要高；當溫度升至一定值時(shí)，鍋內水沸騰；同時(shí)，持續上升的鍋內氣體壓強產(chǎn)生了足夠把安全閥推起的力，閥門(mén)被抬起，鍋內的水汽得以排出。此時(shí)鍋內水溫已高于外界環(huán)境中的水的沸點(diǎn)，在這樣的高溫下產(chǎn)生的烹飪效果與常壓下大有不同。一般設計民用高壓鍋的安全閥開(kāi)啟壓強值約為2個(gè)大氣壓，沸騰溫度約120℃左右．
今天，我國的許多家庭都用上了高壓鍋，用這種鍋做飯熟得快，很省時(shí)間。
3.熱管
1963年，熱管誕生于美國Los Alamos國家實(shí)驗室的G.M.Grover之手，它巧妙地利用了氣液變化過(guò)程中的吸放熱原理，具備了超過(guò)任何已知金屬的導熱能力。
熱管技術(shù)的原理比較簡(jiǎn)單，主要是利用工作流體的蒸發(fā)與冷凝來(lái)傳遞熱量（熱管工作流體涵蓋從低溫應用的氦、氮，到高溫應用的鈉、鉀等液態(tài)金屬；較為常見(jiàn)的熱管工作流體則有氨、水、丙酬及甲醇等）。熱管一般是由管殼、吸液芯和端蓋三個(gè)部分組成。將管內抽至較高的真空度后充以適量的工作流體，使得緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿(mǎn)液體后加以密封。熱管有兩端，分別為蒸發(fā)端（加熱端）和冷凝端（散熱端），兩端之間可根據需要采取絕熱措施。當熱管的一端受熱時(shí)（即兩端出現溫差時(shí)），毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結成液體，液體再沿多孔材料依靠毛細作用流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)不已，熱量得以沿熱管迅速傳遞。由于蒸發(fā)——冷凝的傳熱過(guò)程中，管內工作流體處于飽和狀態(tài)，因此熱管幾乎是在等溫下傳遞熱量。
熱管具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可隨意改變，可遠距離傳熱、可控制溫度等優(yōu)點(diǎn)，因此自誕生之日起即應用于宇航、軍工等行業(yè)，而今在冶金、化工、交通、機械以及電子技術(shù)等行業(yè)都有了廣泛應用。距離我們最近的對于熱管技術(shù)的應用是日漸風(fēng)行的PC機中的熱管散熱器，目前已有商家將之應用于CPU、GPU以及筆記本電腦的散熱系統中。相比于傳統金屬散熱器，熱管散熱器具備低噪聲、高效能的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現了“綠色”散熱。
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