高二物理第七章 分子热运动1~3节人教实验版知识精讲

高二物理第七章 分子热运动1~3节人教实验版知识精讲

高二物理第七章 分子热运动1~3节人教实验版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第七章 分子热运动1~3节 二. 知识要点：‎ ‎1. 掌握分子动理论的三点基本内容。‎ ‎2. 了解分子的大小及估测分子直径的实验方法；‎ ‎3. 掌握布朗运动的特点及其本质；‎ ‎4. 熟悉分子间相互作用力的特征及其规律。‎ ‎【典型例题】‎ ‎（一）物质是由大量分子组成的 ‎1. 分子的大小。‎ ‎（1）单分子油膜法是最粗略地说明分子大小的一种方法。‎ a、原理…，以油酸分子呈立方体排列“估算”→关系：d＝‎ b、操作：油酸→稀释→滴入→酒精溶解→撒石膏粉（或痱子粉）取膜→面积计算 例1. 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，现取其1滴，将它滴在水面上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一单分子薄层。现已测得这个薄层的面积为0.2m2，试由此估算油酸分子的直径。‎ 解：d＝＝＝5×10－10 m 数量级这个数学名词，一些数据太大，或很小，为了书写方便，习惯上用科学记数法写成10的乘方数，如3×10－10m。我们把10的乘方数叫做数量级，那么1×10－10m和9×10－10m，数量级都是10－10m。‎ ‎（2）利用离子显微镜测定分子的直径。‎ ‎（3）物理学中还有其他不同方法来测量分子的大小，用不同方法测量出分子的大小并不完全相同，但是数量级是相同的。测量结果表明，一般分子直径的数量级是10－10m。例如水分子直径是4×10－10m，氢分子直径是2.3×10－10m。‎ ‎（4）认为分子是小球形是一种近似模型，是简化地处理问题，实际分子结构很复杂，但通过估算分子大小的数量级，对分子的大小有了较深入的认识。‎ ‎2. 阿伏伽德罗常数 明确1mol物质中含有的微粒数（包括原子数、分子数、离子数……）都相同。此数叫阿伏伽德罗常数，可用符号NA表示此常数，NA＝6.02×1023个／mol，粗略计算可用NA＝6×1023个／mol。（阿伏伽德罗常数是一个基本常数，科学工作者不断用各种方法测量它，以期得到它精确的数值。）‎ 例2. 1mol水的质量是0.018kg，体积是1.8×10－5m3。每个水分子的直径是4×10－10m，它的体积是（4×10－10）m3＝3×10－29m3。如果设想水分子是一个挨着一个排列的。如何算出1mol水中所含的水分子数？‎ ‎3. 微观物理量的估算 若已知阿伏伽德罗常数，可对液体、固体的分子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液体和固体的分子是一个挨一个排列的（气体不能这样假设）。‎ ‎1mol水的质量是M＝18g，那么每个水分子质量如何求？‎ 若已知铁的相对原子质量是56，铁的密度是7.8×103kg／m3，试求质量是1g的铁块中铁原子的数目（取1位有效数字）。又问：是否可以计算出铁原子的直径是多少米？‎ 回答：1g铁的物质的量是mol，其中铁原子的数目是n，‎ ‎1个铁原子的体积是，‎ 例3. 已知金刚石的密度ρ＝3.5×103kg/m3 ，碳的摩尔质量为12×10－3kg/mol。现有一块体积V＝5.7×10－8m3的金刚石，它含有多少个碳原子？如果认为碳原子是紧密地排列在一起的，试求碳原子的直径。‎ 解：第一问很常规，属化学知识复习。‎ N＝n NA＝NA＝＝×6.02×1023＝1.00×1022‎ 解第二问，可以先求每个碳原子所占据的空间 v＝＝＝＝＝＝5.70×10－30 m3‎ 如果认为碳原子呈立方体排列，碳原子的直径d＝＝1.79×10－10 m 如果认为碳原子呈球形排列，则V＝π（）3 ，故，碳原子的直径d＝＝2.22×10－10m 例4. 若已知阿伏伽德罗常数、物质的摩尔质量、摩尔体积，则可以计算出 A. 固体物质分子的大小和质量 B. 液体物质分子的大小和质量 C. 气体分子的大小和质量 D. 气体分子的质量和分子间的平均距离 分析：注意到阿伏伽德罗常数的“桥梁”作用以及固、液、气的结构特征。‎ 解答：用M表示摩尔质量，即一摩尔物质的质量，而一摩尔物质中含有N个分子，因此每个分子的质量为。由于固体和液体中分子间距离较小，可以近似地认为分子是紧密地排列在一起的，那么若用V表示摩尔体积，即N个分子所具有的总体积，显然就可以表示每个分子的体积。而气体分子间的距离很大，用只能表示每个气体分子平均占据的空间，而不是表示分子的体积，那么就可以表示气体分子间的平均距离了。所以应选A、B、D。‎ 归纳总结：以上计算分子的数量、分子的直径，都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说，阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积（直径）等这些微观量联系起来。‎ ‎（二）布朗运动 ‎1. 布朗运动 ‎1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉，发现花粉颗粒在水中不停地做无规则运动，后来把颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动。不只是花粉，其他的物质如藤黄、墨汁中的炭粒，这些小微粒悬浮在水中都有布朗运动存在。‎ 看教科书上的图，图上画的几个布朗颗粒运动的路线，不是布朗微粒运动的轨迹，它只是每隔30s观察到的位置的一些连线。实际上在这短短的30s内微粒运动也极不规则，绝不是直线运动。‎ ‎2. 知道布朗运动的三个主要特点：永不停息地无规则运动；颗粒越小，布朗运动越明显；温度越高，布朗运动越明显。‎ ‎3. 固体颗粒是由大量分子组成的，仍然是宏观物体；显微镜下看到的只是固体微小颗粒，光学显微镜是看不到分子的；布朗运动不是固体颗粒中分子的运动，也不是液体分子的无规则运动，而是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动。无规则运动的原因是液体分子对它无规则撞击的不平衡性。因此，布朗运动间接地证实了液体分子的无规则运动。布朗运动、扩散现象都有力地说明物体内大量的分子都在永不停息地做无规则运动。‎ ‎4. 布朗运动随温度升高而愈加激烈，在扩散现象中，也是温度越高，扩散进行的越快，而这两种现象都是分子无规则运动的反映。这说明分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子无规则运动越激烈。所以通常把分子的这种无规则运动叫做热运动。‎ 例5. 关于布朗运动实验，下列说法正确的是：（全国）‎ A. 图中记录的是分子无规则运动的情况 B. 图中记录的是微粒做布朗运动的轨迹 C. 实验中可以看到，微粒越大，布朗运动越明显 D. 实验中可以看到，温度越高，布朗运动越激烈 分析：布朗运动是微粒的运动，而不是分子的运动，但它能反映出分子的运动，布朗运动的激烈程度与温度有关，与微粒的大小有关。‎ 题解：‎ 图中记录的是每隔一定时间观察到的微粒的位置，并用直线依次把这些位置连接了起来，并不是微粒运动的实际轨迹，更不是分子的运动轨迹，所以A、B都是错误的。微粒如果越大，微粒周围液体分子对它各个方向撞击的几率越接近，即微粒受力越接近平衡，微粒运动越不明显。所以C是错误的，如果温度越高，不平衡的撞击力比较大，因而布朗运动越激烈，D正确。‎ 答案：D ‎（三）分子间有相互作用的引力和斥力 ‎1. 布朗运动和扩散现象不但说明分子不停地做无规则运动，同时也说明分子间有空隙，一方面分子间有空隙，另一方面，固体、液体内大量分子却能聚集在一起形成固定的形状或固定的体积，这两方面的事实，使我们推理出分子之间一定存在着相互吸引力。还有平时人们用力拉伸物体时，不易拉断物体。以上所有实验事实都说明分子之间存在着相互吸引力。‎ ‎2. 固体和液体很难被压缩，即使气体压缩到了一定程度后再压缩也是很困难的；用力压缩固体（或液体、气体）时，物体内会产生反抗压缩的弹力。这些事实都是分子之间存在斥力的表现。‎ ‎3. 分子间引力和斥力的大小跟分子间距离的关系。‎ ‎（1）经过研究发现分子之间的引力和斥力都随分子间距离增大而减小。但是分子间斥力随分子间距离加大而减小得更快些，如图1中两条虚线所示。‎ ‎（2）由于分子间同时存在引力和斥力，两种力的合力又叫做分子力。在图1图象中实线曲线表示引力和斥力的合力（即分子力）随距离变化的情况。当两个分子间距在图象横坐标为r0距离时，分子间的引力与斥力平衡，分子间作用力为零，r0‎ 的数量级为10－10m，相当于r0位置叫做平衡位置。‎ 分子间距离当r＜r0时，分子间引力和斥力都随距离减小而增大，但斥力增加得更快，因此分子间作用力表现为斥力。当r＞r0时，引力和斥力都随距离的增大而减小，但是斥力减小更快，因而分子间的作用力表现为引力，但它也随距离增大而迅速减小，当分子距离的数量级大于10－9m时，分子间的作用力变得十分微弱，可以忽略不计了。在图2中表示分子间距离r不同的三种情况下，分子间引力斥力大小的情况。‎ ‎4. 固体、液体和气体的分子运动情况。‎ 分子动理论告诉我们物体中的分子永不停息地做无规则运动，它们之间又存在着相互作用力。分子力的作用要使分子聚集起来，而分子的无规则运动又要使它们分散开来。由于这两种相反因素的作用结果，有固体、液体和气体三种不同的物质状态。在固体中，分子间距离较近，数量级在10－10m，分子之间作用力很大，绝大部分分子只能在各自平衡位置附近做无规则的振动。固体受热温度升高，最终熔化为液体，对大多数物质来说，其体积增加10%，也就是说分子之间距离大约增加3%。因此，液体分子之间作用力很接近固体情况，分子间有较强的作用力，分子无规则运动主要表现为在平衡位置附近振动。但由于分子间距离有所增加，使分子也存在移动性，所以液体在宏观上有一定的体积，而又有流动性，没有固定的形状。液体汽化时体积扩大为原来的1000倍，说明分子间距离约增加为原来的，即10倍。因此气体分子间距离数量级在10－9m，分子间除碰撞时有相互作用力外，彼此之间一般几乎没有分子作用力，分子在两次碰撞之间是自由移动的。所以气体在宏观上表现出没有一定的体积形状，可以充满任何一种容器。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 用油膜法粗测分子直径实验的科学依据是（ ）‎ A. 将油膜看成单分子油膜 B. 不考虑各油分子间的间隙 C. 考虑了各油分子间的间隙 D. 将油膜分子看成球形 ‎2. 体积为10－4cm3的油滴，滴在水面上散开成一单分子油膜层，则油膜面积的数量级为（ ）‎ A. 102cm2 B. 104cm2 C. 106cm2 D. 108cm2‎ ‎3. 关于布朗运动，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 布朗运动就是液体分子的无规则运动 B. 液体的温度越高，布朗运动越激烈 C. 悬浮的固体颗粒越小，布朗运动越明显 D. 随着时间的延续，布朗运动逐渐变慢，最终停止 ‎4. 下述现象中能说明分子在做热运动的是（ ）‎ A. 向一杯清水中滴入一滴红墨水，不搅动，过一段时间全杯水都变成红色 B. 电扇吹风 C. 河水流动 D. 打开香水瓶塞可以闻到香味 ‎5. 下列说法中正确的是（ ）‎ A. 用手捏面包，面包体积缩小了，证明分子间有间隙 B. 打开香水瓶后，很远的地方能闻到香味，证明分子在不停地运动 C. 封闭在容器中的气体很难被压缩，证明分子间有斥力 D. 封闭在容器中的液体很难被压缩，证明分子间有斥力 ‎6. 关于分子力，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 碎玻璃不能拼合在一起，说明分子间斥力起作用 B. 将铅压紧以后能连成一块，说明分子间存在引力 C. 水和酒精混合后的体积小于原来体积之和，说明分子间存在引力 D. 固体很难被拉伸，也很难被压缩，说明分子间既有引力又有斥力 ‎7. 两个分子甲和乙相距较远（此时它们之间的分子力可以忽略）。设甲固定不动，乙逐渐向甲靠近，直至不能再靠近，在整个移动过程中（ ）‎ A. 分子力做正功 B. 外力克服分子力做功 C. 前阶段分子力做正功，后阶段分子力做负功 D. 分子间引力和斥力将逐渐增大 ‎8. 一瓶热水的质量约为2.2kg，它包含的水分子数约为_________________。（保留两位有效数字）。‎ ‎9. 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面上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一单分子薄层，已知这一薄层的面积为0.2m2，由此可估算油酸分子的直径为________________m。‎ ‎10. 已知铜的密度为8.9×103kg/m3，铜的原子量为64，质子和中子质量均为1.67×10－27kg，则铜块中平均每个铜原子所占的空间体积约为___________m3。‎ ‎11. 一滴露珠的体积是V＝12×10－4cm3，如果放在开口容器中，每分钟能跑出的分子数是6×106个，需要多长时间跑完？‎ ‎【试题答案】‎ ‎1. ABD 2. B 3. BC 4. AD 5. BD 6. BD 7. CD ‎8. 7.3×1025 9. 5×10－10 ‎10. 1.2‎×10－29 11. t＝6.7×1012min