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第一章 分子动理论1第三册选择性必修普通高中教科书物理2高中物理选择性必修第三册第一章 分子动理论312710141819232631364546505459666771788492100101108115119126132136目录第一章分子动理论1.分子动理论的基本内容2.实验：用油膜法估测油酸分子的大小3.分子运动速率分布规律4.分子动能和分子势能第二章气体、固体和液体1.温度和温标2.气体的等温变化3.气体的等压变化和等容变化4.固体5.液体第三章热力学定律1.功、热和内能的改变2.热力学第一定律3.能量守恒定律4.热力学第二定律第四章原子结构和波粒二象性1.普朗克黑体辐射理论2.光电效应3.原子的核式结构模型4.氢原子光谱和玻尔的原子模型5.粒子的波动性和量子力学的建立第五章原子核1.原子核的组成2.放射性元素的衰变3.核力与结合能4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子课题研究索引4高中物理选择性必修第三册第一章 分子动理论1第一章分子动理论1暮春时节，金黄的油菜花铺满了原野。你有没有想过，为什么能够闻到这沁人心脾的香味呢？古希腊学者德谟克利特早就对此作出了解释，他认为这是由于花的原子飘到了人们鼻子里。德谟克利特认为“只有原子和虚空是真实的”。这些“花的原子”究竟是怎么运动的？经过很长一段探索历程之后，人们逐渐认识到，这种运动也是自然界中普遍存在的一种运动形式——热运动。热学就是研究物质热运动规律及其应用的一门学科，是物理学的一个重要组成部分。2高中物理选择性必修第三册分子动理论的基本内容1热学这一门科学起源于人类对于热与冷现象的本质的追求……（这）可能是人类最初对自然法则的追求之一。——王竹溪①如果我们把地球的大小与一个苹果的大小相比，那就相当于将直径为1cm的球与分子相比。可见，分子是极其微小的。我们曾经研究过物体的运动，那么，构成物体的微小分子会怎样运动呢？问题？物体是由大量分子组成的我们在初中已经学过，物体是由大量分子组成的。需要指出的是：在研究物质的化学性质时，我们认为组成物质的微粒是分子、原子或者离子。但是，在研究物体的热运动性质和规律时，不必区分它们在化学变化中所起的不同作用，而把组成物体的微粒统称为分子。我们知道，1mol水中含有水分子的数量就达6.02×1023个。②这足以表明，组成物体的分子是大量的。人们用肉眼无法直接看到分子，就是用高倍的光学显微镜也看不到。直至1982年，人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜③，才观察到物质表面原子的排列。图1.1-1是我国科学_______________________①王竹溪（1911—1983），中国物理学家，中国科学院学部委员（现称院士），北京大学教授。②1mol的任何物质都含有相同的粒子数，这个数量用阿伏加德罗常数表示，即NA＝6.02214076×1023mol-1。③扫描隧道显微镜是一种可以探测物质表面结构的仪器，它通过移动着的探针与物质表面的相互作用，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息，获得具有原子尺度分辨力的表面形貌信息。图1.1-1石墨表面原子的照片1cm⤯ܲၼ碳原子第一章 分子动理论3家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面的原子，图中每个亮斑都是一个碳原子。分子热运动扩散从许多实验和生活现象中我们都会发现，不同种物质能够彼此进入对方。在物理学中，人们把这类现象叫作扩散（diffusion）。扩散现象并不是外界作用（例如对流、重力作用等）引起的，也不是化学反应的结果，而是由物质分子的无规则运动产生的。例如，图1.1-2中酱油里的色素分子扩散到了鸡蛋清内。扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的证据之一。扩散现象在科学技术中有很多应用。例如，在生产半导体器件时，需要在纯净半导体材料中掺入其他元素。这一过程可以在高温条件下通过分子的扩散来完成。布朗运动19世纪初，一些人观察到，悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。1827年，英国植物学家布朗首先在显微镜下研究了这种运动。下面我们做一个类似的实验。图1.1-2酱油的色素分子扩散到蛋清中如图1.1-3，取1滴用水稀释的碳素墨汁，滴在载玻片上，盖上盖玻片，放在高倍显微镜下观察小炭粒的运动情况。调节显微镜的放大倍数，如调节至400倍或1000倍，观察悬浊液中小炭粒的运动情况。目镜中观察的结果可以通过显示器呈现出来。改变悬浊液的温度。重复上述操作，观察悬浊液中小炭粒的运动情况。用显微镜观察炭粒的运动演示图1.1-3观察布朗运动的实验装置4高中物理选择性必修第三册图1.1-4三颗微粒运动位置的连线图1.1-5液体分子沿各方向对微粒的撞击分子的无规则运动无法直接观察。悬浮微粒的无规则运动并不是分子的运动，但这一现象可以间接地反映液体分子运动的无规则性。为什么花粉微粒的运动是无规则的？为什么微粒越小，它的无规则运动越明显？思考与讨论微粒液体分子从实验结果可以看出，小炭粒的运动是无规则的，温度越高，小炭粒的运动越明显。如果在显微镜下追踪一颗小炭粒的运动，每隔30s把炭粒的位置记录下来，然后用线段把这些位置按时间顺序依次连接起来，便可以得到一条类似于图1.1-4中某一颗微粒运动的位置连线。这表明微粒的运动是无规则的。实际上，就是在30s内，微粒的运动也是极不规则的。当时布朗观察的是悬浮在水中的花粉微粒。他起初认为，微粒的运动不是外界因素引起的，而是其自发的运动。是不是因为植物有生命才产生了这样的运动？布朗用当时保存了上百年的植物标本，取其微粒进行实验，他还用了一些没有生命的无机物粉末进行实验。结果是，不管哪一种微粒，只要足够小，就会发生这种运动；微粒越小，运动就越明显。这说明微粒的运动不是生命现象。后人把悬浮微粒的这种无规则运动叫作布朗运动（Brownianmotion）。如图1.1-5，在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上是由许许多多分子组成的，液体分子不停地做无规则运动，不断地撞击微粒。在某一瞬间，微粒在某个方向受到的撞击作用较强；在下一瞬间，微粒受到另一方向的撞击作用较强，这样就引起了微粒无规则的运动。悬浮在液体中的微粒越小，在某一瞬间跟它相撞的液体分子数越少，撞击作用的不平衡性就表现得越明显，并且微粒越小，它的质量越小，其运动状态越容易被改变，因而，布朗运动越明显。如果悬浮在液体中的微粒很大，在某一瞬间跟它相撞的分子数很多，各个方向的撞击作用接近平衡，这时就很难观察到布朗运动了。热运动在扩散现象中，温度越高，扩散得越快。观察布朗运动，温度越高，悬浮微粒的运动就越明显。可见，分子的无规则运动与温度有关系，温度越高，这种运动越剧烈。因此，我们把分子这种永不停息的无规则运动叫作热运动（thermalmotion）。温度是分子热运动剧烈程度的标志。第一章 分子动理论5分子间的作用力气体很容易被压缩，说明气体分子之间存在着很大的空隙。固体或液体不容易被压缩，那么，分子之间还会有空隙吗？水和酒精混合后的总体积变小了。这表明液体分子间存在着空隙。再如，压在一起的金块和铅块，各自的分子能扩散到对方的内部，这表明固体分子之间也存在着空隙。分子间有空隙，大量分子却能聚集在一起，这说明分子之间存在着相互作用力。当用力拉伸物体时，物体内各部分之间要产生反抗拉伸的作用力，此时分子间的作用力表现为引力。当用力压缩物体时，物体各部分之间会产生反抗压缩的作用力，此时分子间的作用力表现为斥力。分子之间的引力或斥力都跟分子间距离有关，那么，它们之间有怎样的关系呢？研究表明，分子间的作用力F跟分子间距离r的关系如图1.1-7所示。当rr0时，分子间的作用力F表现为斥力；当r＝r0时，分子间的作用力F为0，这个位置称为平衡位置；当rr0时，分子间的作用力F表现为引力。那么，分子间为什么有相互作用力呢？我们知道，分子是由原子组成的。原子内部有带正电的原子核和带负电的电子。分子间的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。做一做向A、B两个量筒中分别倒入50mL的水和酒精（图1.1-6甲），然后再将A量筒中的水倒入B量筒中，观察混合后液体的体积（图1.1-6乙）。它说明了什么问题？图1.1-7分子间作用力与分子间距离的关系图1.1-6观察液体混合后体积的变化甲乙rOFr0AB6高中物理选择性必修第三册分子动理论我们已经知道：物体是由大量分子组成的，分子在做永不停息的无规则运动，分子之间存在着相互作用力。这就是分子动理论的基本内容。在热学研究中常常以这样的基本内容为出发点，把物质的热学性质和规律看作微观粒子热运动的宏观表现。这样建立的理论叫作分子动理论（molecularkinetictheory）。由于分子热运动是无规则的，所以，对于任何一个分子而言，在每一时刻沿什么方向运动，以及运动的速率等都具有偶然性；但是对于大量分子的整体而言，它们的运动却表现出规律性。在本章第3节我们将研究分子运动速率的分布规律。固体小颗粒的无规则运动证明水分子的运动是无规则的。小李不同意小张的结论，他认为：“小颗粒沿着笔直的折线运动，说明水分子在短时间内的运动是规则的，否则小颗粒怎么会沿直线运动？”对此，说说你的看法。5.请描述：当两个分子间距离由r0逐渐增大，直至远大于r0时，分子间的作用力表现为引力还是斥力？当两个分子间距离由r0逐渐减小，分子间的作用力表现为引力还是斥力？1.把铜块中的铜分子看成球形，且它们紧密排列，试估算铜分子的直径。铜的密度为8.9×103kg/m3，铜的摩尔质量为6.4×10-2kg/mol。2.标准状态下氧气分子间的平均距离是多少？氧气的摩尔质量为3.2×10-2kg/mol，1mol气体处于标准状态时的体积为2.24×10-2m3。3.以下关于布朗运动的说法是否正确？说明理由。（1）布朗运动就是分子的无规则运动。（2）布朗运动证明，组成固体小颗粒的分子在做无规则运动。（3）向一锅水中撒一点胡椒粉，加热时发现水中的胡椒粉在翻滚。这说明温度越高布朗运动越剧烈。（4）在显微镜下可以观察到煤油中小粒灰尘的布朗运动，这说明煤油分子在做无规则运动。4.小张在显微镜下观察水中悬浮的细微粉笔末的运动。他把小颗粒每隔一定时间的位置记录在坐标纸上（图1.1-8），于是得出结论：练习与应用图1.1-8第一章 分子动理论7分子十分微小。以水为例，一个直径为10-3mm左右的水珠，它的大小与细菌差不多，用肉眼无法观察，就是在这样小的水珠里，分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍！那么，通过什么途径可以知道分子的大小呢？下面我们通过一个实验来估测分子的大小。实验思路为了估测油酸分子的大小，我们把1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子（C17H33COOH）中的烃基C17H33-组成的。①尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间也存在着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理，并认为它们紧密排布（图1.2-1）。测出油膜的厚度d，它就相当于分子的直径。实验中，为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，我们需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中。这样的油酸酒精溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，从而获得纯油酸形成的油膜。这里可以粗略地认为，油膜的厚度等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与它在水面上摊开的面积S之比。物理量的测量1.测量1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。配制一定浓度的油酸酒精溶液②用注射器吸取一段油实验：用油膜法估测油酸分子的大小2图1.2-1水面上单分子油膜的示意图建立模型、进行合理的估算在物理学的学习和研究中是很有用的。_______________________①油酸分子中的一部分是羧基-COOH，它对水有很强的亲合力；而另一部分烃基C17H33-对水没有亲合力，要冒出水面。因此，油酸分子会一个个地直立在水面上形成单分子油膜。②可以向1mL油酸中加酒精，直至总量达到500mL。⇦䚥ܳၽd8高中物理选择性必修第三册酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积，再把它一滴一滴地滴入烧杯中（图1.2-2），记下液滴的总滴数。用它们的总体积除以总滴数，得到1滴油酸酒精溶液的体积，再计算其所含纯油酸