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热学、光学
及原子物理初步
导入 从太阳和彩虹说起
太阳以光和热滋养着地球上的万事万物；芬芳馥郁的鲜花将大地点缀得生机勃勃；绚丽夺目的彩虹延伸到天边的云海；山川 深处的矿石蕴藏着惊人的能量……
太阳内部“藏”着什么样的奥秘？彩虹是如何形成的？为什么人们能闻到远处沁人心脾的花香？学完本章知识，你将找到问题的答案。
鸡蛋用清水煮熟之后蛋清是白色的，而用茶叶、酱油等 调味料煮“入味”后，剥开蛋壳会发现蛋清变成了褐色，在 蛋壳的裂缝处还会出现颜色更深的纹路（图 10-1）。这是分子运动导致的。那么分子是怎样运动的呢？本节我们学习分子动理论的一些基本观点。
第一节 分子动理论
物质是由大量分子（或原子）组成的。物理学研究中，探讨分子、原子或离子等微观粒子的热运动时，习惯将它们统称为分子。
组成物质的分子极其微小。除了一些有机物质的大分子外，一般分子直径的数量级为 。例如，水分子的直径约为 。我们用肉眼无法直接看到分子，即使用高倍的光学显微镜也无法看到。
一、物质由大量分子组成
第一节 分子动理论
分子的运动遵循怎样的规律呢？下面我们通过实验进行探究。
二、分子的热运动
第一节 分子动理论
做中学
观察液体的扩散现象
准备两个相同的水杯，分别装入质量相等的 热水和冷水，用滴管向两个水杯中同时滴入等量的蓝墨水（图 10-3）。一段时间后，仔细观察两水杯中蓝墨水的变化情况，看看有什么不同。由观察到的现象可得出什么结论？
从实验可见，水杯中的蓝墨水在清水中不断散开，一段时间后，全部清水都变成了蓝色，这就是扩散现象。从实验还可见，热水杯中的蓝墨水扩散得更快，这表明，扩散的快慢与温度有关，温度越高，扩散越快。扩散现象是由物质分子的运动产生的，温度越高，分子运动越激烈。
扩散现象不仅发生在液体中，在气体和固体中同样存在。例如，在客厅闻到厨房烧菜煮饭时散发出来的香味。在金属冶炼行业中，为了使工件的表层具有高硬度和耐磨性，常采用渗碳法，通过高温使得活性碳原子渗入工件表层。
我们很难直接观察到分子的运动情况，但可以从实验现象中间接了解到它们的运动规律。
二、分子的热运动
第一节 分子动理论
观察微粒在液体中的运动
将颜料用纯净水稀释成悬浊液，然后取出一小滴放在涂有石蜡的载玻片上，盖上盖玻片，在显微镜下观察悬浮在液体中小微粒的运动（图 10-4）。在显微镜下观察悬浮在液体中的小微粒的运动。可每隔 30 s 把微粒的位置在方格纸上记录下来，然后用线段把这些位置按时间顺序依次连接起来，形成微粒位置变化记录图（图 10-5）。
观察并思考：微粒是怎样运动的？具有怎样的特点？这一现象说明了什么呢？
二、分子的热运动
第一节 分子动理论
做中学
我们在显微镜下观察到，悬浮在液体中的微粒都在不停地运动。悬浮微粒的这种无规则运动称为布朗运动。
为什么悬浮微粒会做无规则运动呢？这与液体分子的运动有关。液体分子不停地做无规则运动，不断地从四面八方撞击着悬浮在液体中的微粒。这种不平衡的撞击作用使微粒的运动状态发生变化（图 10-6），分子的无规则运动无法直接观察，显微镜下观察到的布朗运动的无规则性，实际上间接地反映了液体内部分子运动的无规则性。
分子无规则运动的剧烈程度与温度有关。温度越高，分子的无规则运动越剧烈。因此，我们把分子的这种永不停息的无规则运动称为热运动。
二、分子的热运动
第一节 分子动理论
苹果需要用很大的力气才能掰开；装水的注射器被堵住注射孔后，很难推动活塞（图 10-7）……一系列的生活体验说明，构成物质的分子之间既存在引力，又存在斥力。
三、分子间的相互作用力
第一节 分子动理论
当我们用力拉伸物体的时候，物体内会产生反抗拉伸的作用力，这说明分子间存在着引力。当用力压缩物体的时候，物体内会 产生反抗压缩的作用力，这说明分子之间还存在着斥力。事实上，分子间的引力和斥力是同时存在的，都随分子间距离增大而减小，随分子间距离减小而增大，但斥力减小或增大得比引力快。种种现象中所表现出来的“引力”或者“斥力”实际上是分子间引力和斥力的合力。
分子间相互作用力的作用范围非常微小，气体分子间距离远大于分子间相互作用力的范围，因此引力和斥力几乎可以忽略不计。因此，气体分子也被称为自由分子。
三、分子间的相互作用力
第一节 分子动理论
温度是反映物体冷热程度的物理量。从分子动理论的观点来看，温度表示分子热运动的剧烈程度，气体温度的高低，取决于气体分子无规则运动的剧烈程度。气体分子无规则运动加剧，气体温度升高；气体分子无规则运动减弱，气体温度降低。
要定量表示温度，就必须有一套对温度的标定方法。依据不同的标定方法就形成了不同的温标，常见的温标有热力学温标和摄氏温标。
四、气体温度与压强
第一节 分子动理论
用摄氏温标表示的温度，称为摄氏温度，用符号 表示，单位是摄氏度，符号是 。在国际单位制中，用热力学温标表示的温度，称为热力学温度，用符号 表示，单位是开尔文，符号是 。热力学温度和摄氏温度的关系为：
热力学温度的零度是低温的极限，叫绝对零度，这个温度我们只能无限接近但不可能达到。
四、气体温度与压强
第一节 分子动理论
从微观角度来看，气体压强是大量做无规则热运动的气体分子对容器壁频繁、持续地碰撞产生的。单个分子对容器壁的撞击是间断的、不均匀的，但是大量分子频繁地碰撞容器壁，就产生了持续、均匀的压力。
容器壁单位面积上受到的压力就是气体的压强。用符号 表示，在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号是 。
四、气体温度与压强
第一节 分子动理论
气体压强与温度有关。在气体体积不变时，当温度升高，分子热运动加剧，分子运动的平均速率增加，单位时间内单位面积的容器壁会受到更多分子 更有力的碰撞，气体压强变大。
四、气体温度与压强
第一节 分子动理论
我们可以类比雨滴对伞面的冲力来理解分子运动对容器壁产生的压力。当雨变大时，雨滴下落速度更快、更密集，对伞面的冲击力度就更大（图 10-9）。
一定质量的气体，在体积不变时， 温度越高，气体压强越大。
车用电子胎压监测器
车轮胎压有一定的安全范围。胎压过高或过低都会影响车辆驾驶安全，甚至引发交通事故。有一种直接式胎压监测器（图 10-10），利用安装在每一个轮胎里的压力传感器直接测量轮胎气压，再通过无线发射器将测得的信息从胎内发送到中央接收器模块上，然后显示出各轮胎气压数据，对胎压异常情况进行自动报警。
四、气体温度与压强
第一节 分子动理论
工匠宝典
作业与活动
第一节 分子动理论
1. 思考并回答：布朗运动中悬浮微粒的运动是分子运动吗？为什么？布朗运动示意图中的折线代表什么？是不是微粒运动的实际轨迹？
2. 为什么夏天自行车不能打气太满？也不能放到阳光下暴晒？请说明理由。
项目任务与实践活动
第一节 分子动理论
3. 把两个铅块的横截面磨平，再用力把它们挤压在一起，松手后发现两铅块会粘在一 起。请你做一做，并分析原因。
项目任务与实践活动
第一节 分子动理论
4. 将压瘪的乒乓球放入烧杯中，往烧杯中倒入热水，不久乒乓球凹陷部分就会恢复原样。请你试试，你能解释该现象吗？

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