分子動理論的基本內(nèi)容高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第一章

分子動理論金黃的油菜花鋪滿了原野，微風(fēng)拂過，飄來陣陣花香。你有沒有想過，為什么能夠聞到這沁人心脾的香味呢?古希臘學(xué)者德謨克利特早就對此作出了解釋，他認(rèn)為這是由于花的原子飄到了人們鼻子里。德謨克利特認(rèn)為“只有原子和虛空是真實的”。這些“花的原子”究竟是怎么運(yùn)動的?經(jīng)過很長一段探索歷程之后，人們逐漸認(rèn)識到，這種運(yùn)動也是自然界中普遍存在的一種運(yùn)動形式熱運(yùn)動。熱學(xué)就是研究物質(zhì)熱運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科，是物理學(xué)的一個重要組成部分!1.1分子動理論的基本內(nèi)容

?物體是由大量分子組成的我們在初中已經(jīng)學(xué)過，物體是由大量分子組成的。需要指出的是：在研究物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)時，我們認(rèn)為組成物質(zhì)的微粒是分子、原子或者離子。但是，在研究物體的熱運(yùn)動性質(zhì)和規(guī)律時，不必區(qū)分它們在化學(xué)變化中所起的不同作用，而把組成物體的微粒統(tǒng)稱為分子。我們知道，1mol水中含有水分子的數(shù)量就達(dá)6.02×1023個。這足以表明，組成物體的分子是大量的。人們用肉眼無法直接看到分子，就是用高倍的光學(xué)顯微鏡也看不到，直至1982年，人們研制了能放大幾億倍的掃描隧道顯微鏡，才觀察到物質(zhì)表面原子的排列。圖1.1-1是我國科學(xué)家用掃描隧道顯微鏡拍攝的石墨表面的原子，圖中每個亮斑都是一個碳原子。?

分子熱運(yùn)動從許多實驗和生活現(xiàn)象中我們都會發(fā)現(xiàn)，不同種物質(zhì)能夠彼此進(jìn)入對方。在物理學(xué)中，人們把這類現(xiàn)象叫作擴(kuò)散(diffusion)。擴(kuò)散擴(kuò)散現(xiàn)象并不是外界作用(例如對流、重力作用等)引起的，也不是化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，而是由物質(zhì)分子的無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的。例如，圖1.1-2中醬油的色素分子擴(kuò)散到了雞蛋清內(nèi)。擴(kuò)散現(xiàn)象是物質(zhì)分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動的證據(jù)之一。固體、液體、氣體都存在這樣的現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象在科學(xué)技術(shù)中有很多應(yīng)用。例如，在生產(chǎn)半導(dǎo)體器件時，需要在純凈半導(dǎo)體材料中摻入其他元素。這一過程可以在高溫條件下通過分子的擴(kuò)散來完成。典例探究例題1：下列四種現(xiàn)象中屬于擴(kuò)散現(xiàn)象的有(

)A．雨后的天空中懸浮著很多的小水滴B．海綿吸水C．在一杯吸水中放幾粒鹽，整杯水很快就會變咸D．把一塊煤貼在白墻上，幾年后鏟下煤后發(fā)現(xiàn)墻中有煤CD布朗運(yùn)動19世紀(jì)初，一些人觀察到，懸浮在液體中的小顆?？傇诓煌５剡\(yùn)動。1827年，英國植物學(xué)家布朗首先在顯微鏡下研究了這種運(yùn)動。布朗運(yùn)動：懸浮微粒的無規(guī)則運(yùn)動叫作布朗運(yùn)動。課外拓展1827年，英國的一位植物學(xué)家布朗用顯微鏡觀察植物的花粉微粒懸浮在靜止水面上的形態(tài)時，卻驚奇地發(fā)現(xiàn)這些花粉微粒都在不停地的運(yùn)動中，布朗發(fā)現(xiàn)了花粉微粒在水中的這種運(yùn)動后，人們對運(yùn)動的產(chǎn)生原因進(jìn)行了種種猜測。一顆小小的花粉顆粒，頓時掀起了一場軒然大波，面對植物學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時的所有物理學(xué)家們顯得束手無策，無法解釋這一奇怪現(xiàn)象。整整過了半個世紀(jì)，直到1905年愛因斯坦和波蘭物理學(xué)家佩蘭發(fā)表了他們對布朗運(yùn)動的理論研究結(jié)果，對布朗運(yùn)動做出了理論上解釋。下面我們做一個類似的實驗。從實驗結(jié)果可以看出，小炭粒的運(yùn)動是無規(guī)則的，溫度越高，小炭粒的運(yùn)動越明顯。三顆微粒每隔30秒位置的連線圖現(xiàn)象：微粒在做無規(guī)則運(yùn)動。如果在顯微鏡下追蹤一顆小炭粒的運(yùn)動，每隔30s把炭粒的位置記錄下來，然后用線段把這些位置按時間順序依次連接起來，便可以得到一條類似于圖1.1-4中某一顆微粒運(yùn)動的位置連線。這表明微粒的運(yùn)動是無規(guī)則的。實際上，就是在30s內(nèi)，微粒的運(yùn)動也是極不規(guī)則的。當(dāng)時布朗觀察的是懸浮在水中的花粉微粒。他起初認(rèn)為，微粒的運(yùn)動不是外界因素引起的，而是其自發(fā)的運(yùn)動。是不是因為植物有生命才產(chǎn)生了這樣的運(yùn)動?布朗用當(dāng)時保存了上百年的植物標(biāo)本，取其微粒進(jìn)行實驗，他還用了一些沒有生命的無機(jī)物粉末進(jìn)行實驗。結(jié)果是，不管哪一種微粒，只要足夠小，就會發(fā)生這種運(yùn)動；微粒越小，運(yùn)動就越明顯。這說明微粒的運(yùn)動不是生命現(xiàn)象。后人把懸浮微粒的這種無規(guī)則運(yùn)動叫作布朗運(yùn)動(Brownianmotion)。因為花粉微粒在各個瞬間受到較強(qiáng)撞擊的方向是無規(guī)則的，所以花粉微粒的運(yùn)動是無規(guī)則的。微粒越小，某時刻與它相撞的分子數(shù)越少，來自各方向的沖擊力越不易平衡布朗運(yùn)動越明顯。如圖1.1-5，在顯微鏡下看起來連成一片的液體，實際上是由許許多多分子組成的，液體分子不停地做無規(guī)則運(yùn)動，不斷地撞擊微粒。在某一瞬間，微粒在某個方向受到的撞擊作用較強(qiáng)；在下一瞬間，微粒受到另一方向的撞擊作用較強(qiáng)，這樣就引起了微粒無規(guī)則的運(yùn)動。思考：為什么花粉微粒的運(yùn)動是無規(guī)則的？(2)不同瞬間、不同方向的撞擊作用的強(qiáng)弱不同→無規(guī)則性運(yùn)動(1)撞擊力不平衡→運(yùn)動狀態(tài)改變思考：為什么微粒越小，布朗運(yùn)動越明顯？顆粒小，瞬間與微粒撞擊的分子數(shù)越少，撞擊作用的的不平衡性越明顯，布朗運(yùn)動越明顯。思考：為什么溫度高，布朗運(yùn)動越明顯？溫度高，液體分子運(yùn)動越激烈，對布朗微粒撞擊頻率和強(qiáng)度越高，布朗運(yùn)動越明顯。懸浮在液體中的微粒越小，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數(shù)越少，撞擊作用的不平衡性就表現(xiàn)得越明顯，并且微粒越小，它的質(zhì)量越小，其運(yùn)動狀態(tài)越容易被改變因而，布朗運(yùn)動越明顯。如果懸浮在液體中的微粒很大在某一瞬間跟它相撞的分子數(shù)很多，各個方向的撞擊作用接近平衡，這時就很難觀察到布朗運(yùn)動了。思考：某學(xué)習(xí)興趣小組在學(xué)習(xí)完布朗運(yùn)動后，對分子的運(yùn)動有了很多新的認(rèn)識，他們在交流學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了不少新的觀點，你對他們的部分觀點有著怎樣的理解？觀點1：布朗運(yùn)動是布朗微粒內(nèi)部分子的無規(guī)則運(yùn)動。觀點2：布朗運(yùn)動是液體分子的無規(guī)則運(yùn)動。觀點3：布朗運(yùn)動反映了布朗微粒內(nèi)部分子的無規(guī)則運(yùn)動。觀點4：布朗運(yùn)動反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動。?分子的無規(guī)則運(yùn)動無法直接觀察。懸浮微粒的無規(guī)則運(yùn)動并不是分子的運(yùn)動，但這一現(xiàn)象可以間接地反映液體分子運(yùn)動的無規(guī)則性。

布朗運(yùn)動是顆粒運(yùn)動，不是分子運(yùn)動，但布朗顆粒的無規(guī)則性運(yùn)動間接反映了(液體)分子無規(guī)則的運(yùn)動。典例探究例題2：“布朗運(yùn)動”是說明分子運(yùn)動的重要實驗事實。則布朗運(yùn)動是指(

)A．液體分子的運(yùn)動B．懸浮在液體中的固體分子的運(yùn)動C．懸浮在液體中的固體顆粒的運(yùn)動D．液體分子和固體分子的共同運(yùn)動C熱運(yùn)動在擴(kuò)散現(xiàn)象中，溫度越高，擴(kuò)散得越快。觀察布朗運(yùn)動，溫度越高，懸浮微粒的運(yùn)動就越明顯。可見分子的無規(guī)則運(yùn)動與溫度有關(guān)系，溫度越高，這種運(yùn)動越劇烈。因此，我們把分子這種永不停息的無規(guī)則運(yùn)動叫作熱運(yùn)動

(thermalmotion)。溫度是分子熱運(yùn)動劇烈程度的標(biāo)志。典例探究例題3：關(guān)于分子的熱運(yùn)動，以下敘述正確的是(

)A．布朗運(yùn)動就是分子的熱運(yùn)動B．布朗運(yùn)動是分子的無規(guī)則運(yùn)動，同種物質(zhì)的分子的熱運(yùn)動激烈程度相同C．氣體分子的熱運(yùn)動不一定比液體分子激烈D．物體運(yùn)動的速度越大，其內(nèi)部的分子熱運(yùn)動就越激烈C?

分子間的作用力氣體很容易被壓縮，說明氣體分子之間存在著很大的空隙。固體或液體不容易被壓縮，那么，分子之間還會有空隙嗎?水和酒精混合后的總體積變小了。這表明液體分子間存在著空隙。再如，壓在一起的金塊和鉛塊，各自的分子能擴(kuò)散到對方的內(nèi)部，這表明固體分子之間也存在著空隙。空氣容易被壓縮酒精和水混合氣體分子間有空隙！液體分子間有空隙！固體的擴(kuò)散現(xiàn)象固體分子間有空隙！固體、液體、氣體分子間都存在空隙——分子間有空隙。分子間有空隙，大量分子卻能聚集在一起，這說明分子之間存在著相互作用力。當(dāng)用力拉伸物體時，物體內(nèi)各部分之間要產(chǎn)生反抗拉伸的作用力，此時分子間的作用力表現(xiàn)為引力。當(dāng)用力壓縮物體時，物體內(nèi)各部分之間會產(chǎn)生反抗壓縮的作用力，此時分子間的作用力表現(xiàn)為斥力。分子之間的引力或斥力都跟分子間距離有關(guān)，那么它們之間有怎樣的關(guān)系呢?研究表明，分子間的作用力F

跟分子間距離r的關(guān)系如圖1.1-7所示。當(dāng)r＜r0

時，分子間的作用力F

表現(xiàn)為斥力。當(dāng)r＝r0

時，分子間的作用力F

為0，這個位置稱為平衡位置。當(dāng)r＞r0

時，分子間的作用力F

表現(xiàn)為引力。那么，分子間為什么有相互作用力呢?我們知道，分子是由原子組成的。原子內(nèi)部有帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子。分子間的作用力就是由這些帶電粒子的相互作用引起的。?

分子動理論我們已經(jīng)知道：物體是由大量分子組成的，分子在做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動，分子之間存在著相互作用力。這就是分子動理論的基本內(nèi)容。在熱學(xué)研究中常常以這樣的基本內(nèi)容為出發(fā)點，把物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和規(guī)律看作微觀粒子熱運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)。這樣建立的理論叫作分子動理論(molecularkinetictheory)。由于分子熱運(yùn)動是無規(guī)則的，所以，對于任何一個分子而言，在每一時刻沿什么方向運(yùn)動，以及運(yùn)動的速率等都具有偶然性；但是對于大量分子的整體而言，它們的運(yùn)動卻表現(xiàn)出規(guī)律性。在本章第3節(jié)我們將研究分子運(yùn)動速率的分布規(guī)律。練習(xí)與應(yīng)用1.把銅塊中的銅分子看成球形，且它們緊密排列，試估算銅分子的直徑。銅的密度為8.9×103kg/m3，銅的摩爾質(zhì)量為6.4×10－2kg/mol。

2.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧氣分子間的平均距離是多少?氧氣的摩爾質(zhì)量為3.2×10－2kg/mol，1mol氣體處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的體積為2.24×10－2m3。

3.以下關(guān)于布朗運(yùn)動的說法是否正確?說明理由。(1)布朗運(yùn)動就是分子的無規(guī)則運(yùn)動。解：錯誤。布朗運(yùn)動是固體微粒在液體(或氣體)分子的頻繁碰撞下所做的無規(guī)則運(yùn)動.這些固體微粒雖然要在光學(xué)顯微鏡下才能看到，但它們也是由大量分子組成的，屬于宏觀粒子，通過固體微粒的無規(guī)則運(yùn)動可以反映出液體(或氣體)分子運(yùn)動的無規(guī)則性，但布朗運(yùn)動本身不是分子運(yùn)動，在光學(xué)顯微鏡下是看不到分子的運(yùn)動的.(2)布朗運(yùn)動證明，組成固體小顆粒的分子在做無規(guī)則運(yùn)動。解：錯誤。布朗運(yùn)動是固體小顆粒的運(yùn)動,這些小顆粒在液體分子的頻繁碰撞下做無規(guī)則運(yùn)動.小顆粒的無規(guī)則運(yùn)動間接反映了液體分子的無規(guī)則運(yùn)動.通過布朗運(yùn)動我們無法推斷出組成固體小顆粒的分子是否在做無規(guī)則運(yùn)動.(3)向一鍋水中撒一點胡椒粉，加熱時發(fā)現(xiàn)水中的胡椒粉在翻滾。這說明溫度越高布朗運(yùn)動越劇烈。解：錯誤。胡椒粉是由于熱水的流動而運(yùn)動的，而對流是靠宏觀流動實現(xiàn)的熱傳遞過程，在對流過程中伴有大量分子的定向移動，胡椒粉的翻滾是有一定規(guī)律的，它不是布朗運(yùn)動.因此，此例不能說明溫度越高，布朗運(yùn)動越明顯.(4)在顯微鏡下可以觀察到煤油中小?；覊m的布朗運(yùn)動，這說明煤油分子在做無規(guī)則運(yùn)動。解：正確。在顯微鏡下觀察到的煤油中小?；覊m的布朗運(yùn)動，是小?；覊m受到煤油分子不停碰撞的結(jié)果，通過小?；覊m運(yùn)動的無規(guī)則性可以推知，煤油分子在做無規(guī)則運(yùn)動.4.小張在顯微鏡下觀察水中懸浮的細(xì)微粉筆末的運(yùn)動。他把小顆粒每隔一定時間的位置記錄在坐標(biāo)紙上(圖1.1-8)，于是得出結(jié)論固體小顆粒的無規(guī)則運(yùn)動證明水分子的運(yùn)動是無規(guī)則的。小李不同意小張的結(jié)論，他認(rèn)為：“小顆粒沿著筆直的折線運(yùn)動，說明水分子在短時間內(nèi)的運(yùn)動是規(guī)則的，否則小顆粒怎么會沿直線運(yùn)動?”對此，說說你的看法。解：小李的觀點是錯誤的.題圖中的折線并非細(xì)微粉筆末顆粒的運(yùn)動軌跡，而是每隔一定時間細(xì)微粉筆末顆粒所在位置的連線，即使在這段時間內(nèi)，細(xì)微粉筆末顆粒的運(yùn)動也是極不規(guī)則