初中阶段尝试从微观角度解析大气压强

在沪教版初中九年级物理《大气压强》教学三维目标中，要求知道大气压强。这节内容是安排在压强、液体内部压强的内容之后。在认知结构上从直观的固体压强经验出发，提出压强的概念，接着探究液体内部压强规律、大气压强。这样的安排从逻辑结构上来看有好处，学生可以采用类比固体、液体压强产生的原理来理解大气压强产生的原因。但是这样也容易产生弊端、对大气压强产生的原因往往容易采用宏观解释，学生与部分教师往往认为大气压强就是由大气受重力作用产生的。笔者在教学过程中发现，绝大部分学生简单的将大气压强归结于重力。如果没有重力、大气压强还会产生吗？气体压强的实质又是什么呢？大气压强，为什么会随着高度、温度、湿度的变化也随之改变呢？由于初中阶段不涉及大气压强产生的微观解释，将大气压强产生的原因等效于重力。这种等效时一种限于知识学习的深度不够，是一种迫不得已的等效。

科学思维是从物理角度对客观事物的本质属性、内在规律和相互关系的认识方式；是基于经验事实投建理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用。科学思维主要包括模型构建、科学推理、科学论证和质疑创新[1]。笔者尝试基于培育科学思维这一物理核心素养出发从分子动理论这一微观角度进行分析讨论，这对培育学生科学思维，分析解决实际问题具有重要意义。

1.大气压强与气体压强

大气压强产生的原因在教学实践中，我们常常类比液体内部压强产生的原因，将大气压强的产生归结于气体受重力作用，同时气体还具有流动性。在这一理论解释中，重力是产生大气压强的重要因素。但是气体压强与大气压强又不是一样的。

1.1 科学思维：构建模型

我们假设，地表附件的密闭容器中存在一定质量的其气体，如图 1 所示。这些密闭容器中的气体显然不受外界气体所受重力所产生的压力影响，密闭容器中的气体显然是有压强的。但容器内部的 ∵ 体压强其产生的原因绝对不是重力[2]。

图 1

1.2 科学思维：科学推理

再比如，充气的汽车轮胎在充气过程中，受汽车重力压迫下陷的轮胎逐渐抬起，轮胎内部的气体压强产生的原因也不是重力。太空中飞行的空间站处于失重状态、但空间站内部显然有压强。绝非重力导致了气体压强产生的原因。因此，笔者认为很有必要向学有余力的同学，从分子动理论角度深度解释气体压强产生的本质原因。

2.气体的特殊性

在沪教版九年级物理《6.1 密度》一节中，有这样一道习题。

例 1：粉笔、一杯水在使用部分后，粉笔与水的质量和密度如何变化？一个钢瓶里装有压缩气体，当从刚瓶中放出部分气体后，瓶中剩余气体质量密度又如何变化？

在教学实践中发现，绝大多数同学们应对固体与液体体积变化对质量和密度的影响都能回答粉笔与水的质量减小，密度不变。大部分同学受固体、液体密度的影响、在回答钢瓶内的剩余气体密度时，给出错误答案密度不变。笔者通过调查发现，这个问题在沪教版初中物理教材没有像国内其他版本教材一样，将物质的三态置于初中物理教学内容，而是在六七年级开设的科学课上完成的。因此，学生对于气体与固体、液体的认识不够。固体、液体有固定的体积，气体却没有。

如图 2 所示，用 lm³ 密闭容器装有质量为 1kg 的氧气。气体的体积就是 lm³ 。若将质量同样为 1kg的氧气装入 10m³ 的密闭容器中，那么此时氧气的体积就为 10m3。

图 2

3.分子动理论解释气体压强初中物理课程标准中关于分子动理论，学生需要知道其内容。

（1）物体是由大量分子组成的。

（2）分子不停的做无规则运动。

（3）分子间存在引力与斥力。

3.1 科学思维：科学论证从微观角度看，气体正是因为不停的做无规则运动，所以气体分子会充满整个容器内。这也解决了例 1 习题中的问题，气体与固体液体不同，其体积有其特殊性。由于气体分子会持续不停的撞击图2 中密闭容器内表面，每一个气体分子在撞击过程中都会对容器内表面产生一定的力。

由初中化学知识，我们可以求出 1kg 的氧气物质的量n 为：

1kg 氧气分子数 N 约为：

N=n*6.02*10²³=1.88*10²⁵

由此可以知道，即使每一个气体分子撞击时所产生的压力非常小，但是 1kg 氧气中存在 1.88^*10²⁵ 分子，这些分子不停的撞击容器内表面时，所产生的压力就非常大。这是从分子动理论这一微观角度解释气体压强产生的原因。

其实生活中也有类似的例子，如图 3，小雨时，竖直撑开的雨伞，感受雨滴下落带来的压力不够明显。当大量的雨滴撞击在上雨伞时，这时由于雨滴下落撞击所产生的压力就非常大力。我们需要对雨伞提供更大竖直向上的力才能抵消大量雨滴下落产生的压力。气体分子所产生的撞击犹如雨滴一样，大量的气体分子同样可以产生很大的作用力。

图 3

4.气体压强的微观表达式

气体压强是由气体分子碰撞产生的，这里笔者尝试应用动量定理求解出气体压强的表达式。这部分内容已经超出初中生知识水平，仅限于物理教师交流。

做出假设：质量为 m 的一个气体分子以速度 v₁ 正面撞向密闭容器内壁，碰撞内壁所产生的压力为 F，作用时间为 t，气体碰撞后以原速率 v₁ 返回[3]，有：

Ft=mv₁-（-mv₁）=2mv₁

如图 4 所示，再假设该气体分子与内壁碰撞面积为 s，气体分子的运动速度为v，那么 t 时间内，将会有长度为 vt 的一段空气柱撞击在墙面上，该段气体的质量为：

m=ρSvt

结合（1）、（2）式与压强的定义式：

我们有气体压强的表达式：

p=2ρSv²

那么推广到大量气体分子同时撞击， 19 体压强的表达式为

p=2NρSv²

因此，由（4）式可见，气体压强的大小取决于两个因素，一个是气体的密度 p，另一个是气体不停的做无规则运动的速度 v

5.气体压强微观表达式对大气压强的解释

我们可以把地表附近的气体看做是封闭再大气层内部的气体，正是由于大气中的大量气体分子不停的做无规则运动，所以产生了大气压强。大气压强为什么又会受到高度、温度、湿度的影响呢？从分子热运动知识，我们知道，温度越高，分子的热运动越剧烈，运动速度 V 越大。同样我们也知道，大气层中气体的分布是不均匀的，高度越高，空气越稀薄，气体的密度就越小。湿度与高度一样，也会影响气体的密度，水蒸气密度较低，空气湿度大含有更多的水蒸气，因此湿度越大，气体的密度越小。从微观表达式，我们就解释了，影响大气压强变化的因素。海拔高度越高、温度越高、湿度越大，大气压强就越小。

因此，阴雨天的时候，湿度大、温度较低，大气压强小。因此，我们才会有在阴雨天时有胸闷的感觉。

6.小结

笔者从科学思维中的构建模型、科学推理、科学论证三个角度，从微观角度利用分子动理论阐述了气体压强产生的原因，建立起气体压强的微观表达式，从而解释了大气压强的主要因素。并应用微观表达式讨论了高度、温度、湿度对于大气压强的大小的影响。由于受初中生所学知识的限制，对于大气压强产生的原因，一般等效于大气受到重力作用。

参考文献

[1]沈伟云.基于科学思维培养的初中物理教学策略[J].物理教师，2018，39（10）：49-50.

[2]牛正伟.气体分子对器壁的碰撞[J].物理教学，2006，028（006）：58-59.

[3]王光宇.高中物理动量相关知识的教学研究[D].苏州大学，2008.