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第一章 分子动理论
1.1 分子动理论的基本内容
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。
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。
新课导引：见物思理、格物致知
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。
一、物体是由大量分子组成的
道生一，一生二，二生三，三生万物 ，世界万物的都是由“道”组成。
中国古代的自然观，以老子为代表
西方古代的自然观，以德谟克利特为代表
万物的本原是原子与虚空。原子是一种最后的不可再分的物质微粒。世界万物都是由在虚空中运动着的原子构成。
现代认识
构成物质的单元是多种多样的，或是原子（如金属）或是离子（盐类）或是分子（如有机物）。
一、物体是由大量分子组成的
研究物质的化学性质中组成物质的微粒是分子、原子或者离子，但在研究物体的热运动性质和规律时，组成物体的这些微粒统称为分子。
1.分子的定义：
我国科学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。
扫描隧道显微镜
（能放大几亿倍！)
一、物体是由大量分子组成的
(1)极其微小：肉眼、光显微均不可见。扫描隧道显微镜可见单个分子或
原子。
(2)可用实验测量：分子看成小球，直径数量级10－10m
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
2.分子的大小：
3.分子的两种模型
（1）球形模型：固体和液体可看成是由一个个紧挨着
的球形分子排列而成的，忽略分子间的空隙。
d
d
d
d
分子的直径
一、物体是由大量分子组成的
（2）立方体模型：气体分子间的空隙很大，把气体分成若干个小立方体，
气体分子位于每个小立方体的中心，每个小立方体是位于中心的分子
占有的活动空间，这时忽略气体分子的大小。
气体分子间的
平均距离
一、物体是由大量分子组成的
4、阿伏伽德罗常数：
(1) 1 mol 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 ＝ 6.022 140 76×1023 mol-1。
是微观世界的一个重要常数，是联系微观物理量和宏观物理量的桥梁．
(2) 意义：
(3) 计算：
微观量
m0—分子质量
V0—分子体积
d—分子直径
V—物体体积
Vmol—摩尔体积
m—物体的质量
Mmol—摩尔质量
ρ—物体的密度
宏观量
分子平均占有的体积体积：
关系式
①
②
③
一、物体是由大量分子组成的
关系式
④单位质量中所含有的分子数n
⑤单位体积中所含有的分子数n
⑥气体分子间的平均距离d (V0为气体分子所占据空间的体积)
⑦固体、液体分子直径d =
(2)阿伏加德罗常数公式NA= 只适用于固体、液体，对气体不成立，这是因为固体和液体分子排列比较紧密，分子间距可以忽略，但气体分子间距较大，分子间距不能忽略。
注意要点
(1)密度 ，但要切记对单个分子 是没有物理意义的。
例1:仅利用下列某一组数据，可以计算出阿伏加德罗常数的是（ ）
A.水的密度和水的摩尔质量
B.水分子的体积和水分子的质量
C.水的摩尔质量和水分子的体积
D.水的摩尔质量和水分子的质量
D
解析　知道水的密度和水的摩尔质量可以求出其摩尔体积，不能计算出阿伏加德罗常数，故A错误；知道水分子的体积和水分子的质量，不能求出水的摩尔质量或摩尔体积，所以不能求出阿伏加德罗常数，故B错误；知道水的摩尔质量和水分子的体积，不知道水的密度，故不能求出阿伏加德罗常数，选项C错误；用水的摩尔质量除以水分子的质量可以求得阿伏加德罗常数，故D正确.
一、物体是由大量分子组成的
变式：只要知道下列哪一组物理量，就可以估算气体分子间的平均距离( )
A．阿伏加德罗常数、该气体的摩尔质量和质量
B．阿伏加德罗常数、该气体的摩尔质量和密度
C．阿伏加德罗常数、该气体的质量和体积
D．该气体的密度、体积和摩尔质量
B
一、物体是由大量分子组成的
例2:钻石是首饰和高强度的钻头、刻刀等工 具中的主要材料。设钻石的密度为ρ，摩尔质量为 M，阿伏加德罗常数为 NA，请写出质量为 m 的钻石所含有的分子数， 推导钻石分子直径的表达式 (计算时可认为组成钻石的分子是一 个紧挨着一个的小球)。
一、物体是由大量分子组成的
变式： 气体分子间的空隙很大，可将单个气体分子平均占有的空间看作以下模型：将气体所占的整个空间分成若干个小立方体，气体分子位于每个小立方体的中心，小立方体的边长为相邻气体分子间的平均距离。请按这种模型，估算气体在标准状态下分子间的平均距离。
解：标况下，1mol气体体积Vm=22.4L，
分子平均间距a，则 a3NA=Vm，
= 3.34×10－9 m
一、物体是由大量分子组成的
（1）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。
1、扩散： 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
图中的卤蛋，酱油里的色素分子扩散到了鸡蛋清内
（2） 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。
二、分子热运动
固体：金铅块扩散
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。
二、分子热运动
1、扩散：
（3）特点
①物质处于气态、液液、固态都能够发生扩散现象。
②温度越高，扩散现象越明显。
③浓度大处向浓度小处扩散，且受“已进入对方”的分子浓度的限制，当进入对方的分子浓度较低时，扩散现象较为明显。
（4）应用
演 示：用显微镜观察炭粒的运动
2、布朗运动：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。
二、分子热运动
如图 ，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 1 000 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。
如果在显微镜下追踪一颗小炭粒的运动，每隔30 s 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中某一颗微粒运动的位置连线（注意不是微粒的运动轨迹）。
这表明微粒的运动是无规则的。实际上，就是在30 s内，微粒的运动也是极不规则的
二、分子热运动
2、布朗运动：
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。
（1) 通过实验观察可知，温度越高，小炭粒的运动越明显
(2）通过实验可知：微粒越小，布朗运动就越明显。
⑴图中折线是否为炭粒的运动径迹？是否为水分子的运动径迹？
⑵能否预测炭粒下一时刻的位置？
想一想
显微镜下看到的微粒
布朗
二、分子热运动
2、布朗运动：
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；
二、分子热运动
2、布朗运动：
5
2
50
45
颗粒越小
每一瞬间受到液体
分子撞击的数目少
受力极易不平衡
颗粒越大
同时跟它撞击的分子数多
受力的平均效果互相平衡
质量大，惯性大
运动状态难改变
颗粒越大越明显还是越小越明显？
影响因素—颗粒大小
二、分子热运动
(3)布朗运动的决定因素：
颗粒小
温度高
瞬间与微粒撞击的分子数越少
撞击作用的的不平衡性越明显
液体分子运动越激烈
布朗运动越明显
对布朗微粒撞击频率和强度越高
综上所述：颗粒越小，布朗运动越明显；温度越高，布朗运动越明显
二、分子热运动
(3)布朗运动的决定因素：
1）布朗运动：
悬浮在液体（或气体）中的微小颗粒永不停息地无规则运动。
2）特点
①布朗运动永不停息。
②微粒越小，布朗运动越明显。
③在任何温度下都会发生，温度越高，布朗运动越明显。
3）原因：
大量液体(或气体)分子对悬浮微粒撞击作用的不平衡性造成的。
间接地反映了液体(或气体)分子运动的无规则性。
4) 意义：
二、分子热运动
显微镜下看到的微粒
3.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
4.温度是分子热运动剧烈程度的标志。
二、分子热运动
不同温度下墨水的扩散
高温下的布朗运动
5、扩散现象直接证明分子做热运动，布朗运动间接证明分子做热运动
问题：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？
三、分子间的作用力
实验：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。
现象：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，说明分子之间存在着相互作用力。
三、分子间的作用力
1、分子间的引力和斥力同时存在
物体很难被拉伸
大量分子能聚在一起形成液体或固体而不离散成一群独立的单个分子.
物体很难被压缩
分子间有引力，分子却没有紧紧吸在一起而还有空隙.
分子间引力表现：
分子间斥力表现：
物体被压缩，分子间隙减少从而产生斥力来抵抗压力
物体被拉伸，分子间隙增大从而产生引力来抵抗拉力
2、分子间的作用力F跟分子间距离r的关系：
（1）当r < r0 时，分子间的作用力F 表现为斥力；
（2）当r＝r0 时，分子作用力F为0，这个位置称为平衡位置；
（3）当r > r0 时，分子间的作用力F 表现为引力。
3、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。
三、分子间的作用力
（4)分子间的引力和斥力，它们都是随分子间距离的增大而
减小，斥力减小得更快些。
(5) 分子间的相互作用力即合力，由图象可知，当分子间的距离由0→增大时，分子间的相互作用力减小；当分子间的距离由→∞增大时，分子间的相互作用力是先增大后减小。
例1：如图所示，甲分子固定于坐标原点O，乙分子从无穷远处静止释放，在分子力的作用下靠近甲。图中b点是引力最大处，d点是分子靠得最近处，则乙分子加速度最大处可能是(　　)
A．a点　　　　　 B．b点　　　　　
C．c点　　　 D．d点
解析：a点处分子间的作用力为零，乙分子的加速度为零。从a点到c点分子间的作用力表现为引力，分子间的作用力做正功，速度增加；从c点到d点分子间的作用力表现为斥力，分子间的作用力做负功。正确选项为D。
答案：D
三、分子间的作用力
变式：甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲、乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示，F＞0为斥力，F＜0为引力，A、B、C、D为x轴上四个特定的位置，现把乙分子从A处由静止释放，则(　　)
A．乙分子从A到B做加速运动，由B到C做减速
运动
B．乙分子由A到C做加速度一直减小的加速运动
，到达C时速度最大
C．乙分子由A到B的过程中，两分子间的分子势
能一直减小
D．乙分子由B到D的过程中，两分子间的分子
势能一直增大
三、分子间的作用力
C
1、内容：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。
2、分子动理论：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
说明：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。
四、分子动理论
热现象的宏观理论——研究热现象一般规律，不涉及热现象微观解释(热力学)
热现象的微观理论——从分子动理论的角度来研究宏观热现象的规律(统计物理学)
3、热学
1. 关于布朗运动和扩散现象，下列说法中正确的是( )
A. 布朗运动和扩散现象都能在气体、液体、固体中发生
B. 布朗运动和扩散现象都是分子运动
C. 布朗运动和扩散现象都是温度越高越明显
D. 布朗运动和扩散现象都可以用肉眼直接观察
C
五、课堂练习
2.下列词语或陈述中，与分子热运动有关的是( )
A. 酒香不怕巷子深
B. 天光云影共徘徊
C. 花香扑鼻
D. 隔墙花影动，疑是玉人来
AC
五、课堂练习
3.清晨，草叶上的露珠是由空气的水汽凝结成的水珠。这一物理过程中，水分子间的（ ）
A. 引力消失，斥力增大
B. 斥力消失，引力增大
C. 引力、斥力都减小
D. 引力、斥力都增大
D
五、课堂练习
4.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。
(1) 错，布朗运动是悬浮于液体（或气体）中的微粒的无规则运动，间接反应了分子的无规则运动。
(2) 错，证明了液体分子的无规则运动
(3) 错，因为胡椒粉颗粒的运动是水的对流造成的，不是布朗运动。且要用显微镜观察。
(4) 正确
五、课堂练习
5.地球到月球的平均距离为3.8×105 km。已知铁的摩尔质量为5.6×10－2 kg/mol，密度为7.9×103kg/m3。若把铁分子一个紧挨一个地单列排起来，筑成从地球通往月球的“分子大道”。求：
(1)这条“分子大道”共需多少个铁分子？
(2)这条“分子大道”的质量为多少？
(2)“分子大道”的质量
“分子大道”的分子数
五、课堂练习

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