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第6章 热力学基础
在自然界里，热现象普遍存在并且与我们的生活密切相关。热现象是由物质内部大量微观粒子永不停息、无规则的运动引起的。在不同的温度或压强等条件下，物质内大量微观粒子的热运动和粒子间的相互作用也不相同，宏观物体存在的状态(固态、液态、气态等)也往往会发生变化。物质的运动形式千变万化，每种运动形式的变化都有相应的能量转换伴随着。柴油的燃烧为何能转化为内燃机车的动力 刹车过程中，车的动能又到哪里去了
同学们：你知道热现象的实质吗？热现象遵从哪些规律呢？这一章我们先来学习一些热学知识，然后再以热学知识为基础，深入了解一些有趣的自然现象及其产生的原因。
本章研究的对象是由大量分子组成的物质系统的热现象及其规律。将从分子运动理论出发，主要讨论气体状态的变化规律和包括内能、机械能在内的能量转化与守恒的规律并介绍一些新能源技术的应用及发展前景。
6-1 分子热运动 物态
一、教学目标
1．知道一般分子直径的数量级；知道什么是分子的热运动以及分子热运动的激烈程度与温度的关系。知道分子间同时存在着相互作用的引力和斥力，表现出的分子力是引力和斥力的合力，定性了解分子力随分子间距离变化而变化的规律。
　　2．使学生能用分子动理论要点解释一些简单的热现象。
　　3．通过一些基本物理事实和实验推理得出分子无规则运动的剧烈程度与温度有关，使学生学会以事实和实验为依据推断出新的结论的思维过程，培养学生的逻辑推理能力。
４．了解固体、液体、气体三种不同物质状态下，分子运动的特点及液晶的特性。
５．会用分子动理论、能量守恒定律说明物态变化过程中的微观机理。
６．培养学生从能量角度解释常见物理现象的能力。
二、教学重点难点
重点：分子动理论要点。
难点：分子力，物质状态的微观解释。
三、教学器材
1烧杯凉水、1烧杯热水、高锰酸钾（或墨水笔）、香水（或其它易挥发的液体），注射器或打气筒等。光盘。
四、教学建议
教法建议
实验和推理法，讨论、讲解法。
教学设计方案
（一）引入新课
复习提问：
请同学们回忆初中所学的分子动理论的初步知识。
（物体是由大量分子组成的，一切物体的分子都在不停地做无规则的运动。分子间有相互作用力。）
我们知道，分子间的引力、斥力和分子热运动的对立统一，使物质有了固体、液体、气体等各种不同的形态，而正是这些物质微观结构的不同才使它们呈现出不同的状态和性质。
本次课我们将通过实验和推理的方法进一步学习分子动理论要点，介绍固体、液体、气体三种不同物质状态下，分子运动的特点及液晶的特性。
（二）引出课程内容
1．物质都是由大量分子组成的，分子之间有一定间隙。
通过初中物理和化学的学习我们已经知道，一切宏观物体都是由大量分子组成的，组成物质的分子并不连续分布，分子之间有一定间隙。
例如：把注射器或打气筒的出气口封闭，推动活塞，使筒内空气的体积变成一半或更小。
提问请同学们思考讨论：如果把空气换成水，推动活塞，结果会怎样？
讨论得到：气体的体积很容易被压缩。
观察实验：水和酒精混合后总体积减少。（可取水和酒精的体积之比为48∶52，混合后的体积约为混合前总体积的96.3%，水分子和酒精分子混合排列，空隙减小。）
结论：实验证明气体、液体分子之间有一定的间隙。
有人用两万标准大气压的压强压缩钢筒内的油，发现油可以透过筒壁溢出。说明固体分子间也有一定间隙。工业上经常采用的表面渗碳就是利用这一事实，把要渗碳的工件放入木炭或碳酸盐的混合物中，在高温下维持一定时间，使碳渗入工件的表面层里，以提高工件耐磨性能和硬度。
2．分子的热运动：大量分子的无规则运动称为分子的热运动。分子热运动的剧烈程度与温度有关，温度越高，分子热运动越剧烈。
请同学们回忆两个演示实验
两个演示实验的实验装置如图1，图2。
(1) 把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个盛有空气的玻璃瓶竖直方向对口相接触，看到二氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。
(2) 在量筒里盛有液体，下面一半是硫酸铜溶液，上面一半是清水，界面清晰（图 1）。静放几天后，界面逐渐模糊不清。这表明液体分子也在不停地运动。
图 1 图 2
① 请同学们观察下面演示实验
在盛有凉水和热水的烧杯中分别滴入一、二滴墨汁后，墨汁在水中逐渐扩展开来。
提问：实验现象说明什么问题？
在学生回答的基础上总结：实验说明扩散现象的快慢直接与温度有关，温度高，扩散现象加快。扩散现象说明组成物质的分子都在不停地运动着。通过实验可以进一步证明：分子的运动是杂乱无章的无规则运动，而且这种无规则运动的剧烈程度与温度有关。因为温度越高，扩散现象越快，说明分子无规则运动越剧烈，所以，我们把大量分子的无规则运动称为分子的热运动。
② 请同学们观察演示实验（图 2），两个圆柱体形铅块，当把端面刮平后，让它们端面紧压在一起，合起来后，它们不分开，而且悬挂起来后，下面还可以吊一定量的重物。
根据这一实验事实分析、推理得出分子之间存在着引力。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（给自行车打气）；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、分子间的相互作用
组成物质的分子之间既有引力又有斥力。分子间的引力和斥力是同时存在的，实际表现出来的分子力，是分子引力和斥力的合力。
提问：分子之间什么时候会表现为引力，什么时候会表现为斥力呢？
教师分析讲解分子间引力和斥力的大小跟分子间距离的关系（图3）， 进一步的理论研究表明，分子间的斥力随分子间距离的变化得较快，分子间的引力随分子间距离的变化得较慢。若以横轴表示分子间距离，纵轴向上表示引力，向下表示斥力，在图3中用虚线表示分子间的斥力和引力随分子间距离的变化曲线，用实线表示斥力和引力的合力。则下图中的图线表明分子力(分子引力和斥力的合力)随距离而变化的情况。
可以看出，当分子间的距离等于r0时(r0约为10-10 m)，引力和斥力平衡，这个位置称为分子的平衡位置。当分子间的距离小于r0时，斥力和引力都随分子间距离的而增大，而斥力增大的显著，斥力大于引力,其合力表现为斥力；当分子间的距离大于r0时，斥力和引力都随分子间距离的而减小，而斥力减小的显著，故引力大于斥力，其合力表现为引力。当分子间的距离大于10r0时，分子间的作用力就变得十分微弱，可以认为等于零。可见，分子力的作用范围是很小的。
图 3
结论：① 分子间表现出来的作用力是分子间引力和斥力的合力；
② 斥力随分子间距离的变化的显著；
③ 当分子间的距离大于10r0时，分子间的引力和斥力都趋于零。
讨论总结出分子动理论的基本论点为：一切物体都是由大量的分子组成的，分子间有一定间隙，并有相互作用力、分子总是永远不停地无规则地运动着。
4．固、液、气体的基本性质
固体具有一定的形状和体积。固体可分为晶体、非晶体和准晶体。常见的晶体有雪花(冰)、食盐、石英、云母、明矾等，非晶体有玻璃、塑料、橡胶、蜂蜡、沥青等。晶体和非晶体在外观和物理性质上有很大的区别。准晶体是l984年才发现的，它是金属的互化物，具外形是规则的凸多面体，原子排列不像非晶体那样完全无序，但又不具有晶体所具有的平移周期性。某些准晶体的特殊性质已被开发应用。准晶体组成与结构的规律还有待于进一步研究。
晶体具有规则的天然外形，如雪花是六角形，食盐的晶体呈立方体等，非晶体没有规则的几何形状。在物理性质上，晶体有一定熔点，非晶体没有确定的熔点。晶体在不同方向上的导热性、导电性、机械强度等都不相同，即晶体的各向异性，非晶体没有这些差别，是各向同性的。例如，在石英片上均匀地涂上一层石蜡，用炽热的金属球去接触石英片的反面，则石蜡沿着以接触点为中心，向四周熔化成椭圆，这表明晶体石英在各个方向上的导热性不同。如果用玻璃代替石英重做上述实验，发现熔化了的石蜡在玻璃上总呈圆形，这表示非晶体玻璃在各个方向上的导热性相同。
（1）固体、液体、气体的特点
固体的特点：具有一定的形状和体积。
晶体 （雪花、食盐、石英、云母、明矾等）
晶体的物理性质：
① 有规则的天然外形
② 有一定熔点
③ 有各向异性（在不同方向上的导热性、导电性、
机械强度等都不相同）
固体
非晶体 （玻璃、塑料、橡胶、蜂蜡、沥青等）
非晶体的物理性质：
① 没有规则的几何形状
② 没有确定的熔点
③ 没有各向异性，是各向同性的
液体：具有流动性，没有一定的形状，但有一定的体积。
气体：既无一定形状，又无一定体积。
提问：固体、液体和气体在基本性质上为什么有这么大的差别呢？
请同学们用分子动理论的观点进行分析（引导学生看书后总结）
（2）分子力和分子热运动在物态形成中的作用：分子力使分子聚集在一起，在空间形成某种有序排列；分子热运动破坏分子的有序排列，使分子分散开来。由于这两种对立因素在物体中所处的地位不同，才决定了物质所处的状态。
（3）物质形成固态的微观解释：在固体中，分子间距离很小，分子间有强烈的分子力作用，绝大多数分子被束缚在平衡位置附近，形成有规则的排列，分子无规则的热运动只能使分子在平衡位置附近做微小的振动，但不能破坏分子的有规则排列。所以，固体有一定的形状和体积。
（4）物质形成液态的微观解释：当温度较高时，分子无规则运动加剧，致使分子力不能把分子束缚在平衡位置附近，分子间可以发生微小移动，但热运动还不能使分子远离，物体表现为液体状态。所以，液体没有一定的形状，但有一定的体积。
（5）物质形成气态的微观解释：温度升到一定高度时，分子的热运动起决定性作用，剧烈无规则运动，致使分子可以克服分子引力的束缚远离而去，成为气体分子。所以，气体的分子相互作用力几乎等于零，气体分子能自由运动，气体没有一定的形状和体积。
5.液晶 （教师适当介绍液晶的特点及应用）
早在1888年，德国物理学家列曼和奥地利植物学家莱尼茨就已经发现了某些有机化合物被加热时，在一定的温度范围内，出现了一种介于固态与液态之间特殊的过渡性物质状态。实验结果发现，在这种状态下，它既具有流体的流动性又具有晶体的各向异性等特点，这种过渡状态的特殊物质称为液态晶体，简称为液晶。
液晶对外界因素如声、光、热、力、电磁以及化学试剂等极为敏感，只需很小的能量就能使它的排列发生明显的变化，因而被广泛应用于电子、航空、生命科学等现代科学技术中。例如，利用液晶具有优异的光电效应而将其作为一种新型的显示材料，在数字与图像显示技术上开创了新的方法。目前，我们使用的电子手表，电子计算器，笔记本电脑等仪器中，均采用了液晶显示。液晶显示具有耗能少、体积小、视觉明显等优点。因而大大拓宽了电子显示技术的应用范围。20世纪80年代开发的液晶电视，现已能像画匾一样方便地挂在墙壁上收看了，而液晶立体电视也已获得了极大的成功。又如，利用液晶灵敏的温度效应制作的温度探测器，在医学上可用来检查肿瘤，肿瘤部分温度与正常组织温度的差别通过液晶温度探测器可以清楚地显示出来。科学家们还发现，生命过程中的很多生物反应都是在液晶环境中进行的，因此对生物系统中液晶态的研究将使与生命有关的许多奇妙而又复杂的问题得到更深刻的了解。
6．例题讲解
例题 在地球大气层上垂直于太阳光的平面上，每平方米每秒可接收到1.35×103 J的太阳能。这些能量平均大约只有15%能到达地球表面。已知地球表面水域占全球面积的71%，设平均气化热，试求每秒进入大气的平均水蒸发量m。
解 地球大气层垂直于太阳光的每平方米面积上每秒接收的太阳能
，称为太阳常数，
地球大气层垂直于太阳光的面积约为。
地球表面水域每秒吸收的太阳能约为
因此，每秒平均蒸发量为
（三）小结
本节课我们在复习初中物理知识的基础上，进一步学习了分子运动理论要点，并用它解释了物质形成固体、液体、气体状态的原因。分子动理论是分子物理学的基础理论，以后我们还要用它解释更多的物理现象。
1.分子动理论的基本论点：一切物体都是由大量的分子组成的，分子间有一定间隙，并有相互作用力，分子总是永远不停地无规则地运动着。
2.固体分类：晶体（单晶体、多晶体）、非晶体、准晶体。
晶体与非晶体的区别源于内部结构的根本不同，构成晶体的微粒在空间排列有序，导致单晶体各向异性，有规则的几何外形，有确定的熔点。所以表现在熔化过程中有无固定的熔化温度。
3.液体、其微观结构比较接近于固体，与非晶体很相似。具有一定的体积，不易被压缩。分子间距很小，相互作用较大。
4.气体、分子间距比液体增加很多，分子间作用力几乎为零，分子间热运动起决定性作用。没有一定的体积和形状。
5.从能量的角度表述：物态变化的物理概念及物理量。
（四）作业布置
1． p157 2、3、6题 2．《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学说明
1．教学中要通过对初中所学的分子运动理论的初步知识的回顾，再通过实验和逻辑推理，达到进一步学习理解分子运动理论的目的。
2．学生在初中学习过分子运动理论的初步知识，但是对分子力是引力和斥力的合力、
分子力随分子间距离变化而变化的定性规律并没有学习。学生易出现的问题是：当分子间的距离大于r0时，分子间只有引力，而无斥力；当分子间的距离小于r0时，分子间只有斥力，而无引力，教学中应注意引导。
3．分子间同时存在着相互作用的引力和斥力，表现出的分子力是引力和斥力的合力。因此在教学中应在分子力随分子间距离的变化曲线图中，用虚线画出分子间的斥力和引力随分子间距离的变化曲线，从而使学生更好的理解这一论点。
4.在复习分子力和物体内能的基础上引导学生说明物态变化过程中的微观机理。
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