分子物理學(xué)精品課件

1、分子物理學(xué)第1頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式一. 基本概念 微觀量: 描述單個(gè)分子的物理量,如分子的速度.質(zhì)量.平均動(dòng)能等 宏觀量: 描述整個(gè)系統(tǒng)的物理量,如氣體的溫度.壓強(qiáng).熱力學(xué)能等 熱運(yùn)動(dòng):大量分子的這種處在永不停息的、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng).第2頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式 平衡態(tài): 系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間而變的狀態(tài),從微觀上看,分子仍在不停作熱運(yùn)動(dòng) 體積 V m3溫度 T K 壓強(qiáng) p Pa狀態(tài)參量:第3頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式

2、在壓強(qiáng)不太高. 溫度不太低的實(shí)際氣體都可視為理想氣體,遵守理想氣體的狀態(tài)方程 式中, m: 氣體質(zhì)量, kg. M:氣體摩爾質(zhì)量, kg. R = 8.314 Jmol-1K-1第4頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式理想氣體的微觀模型 氣體分子的大小與分子間的平均距離相比可以忽略. 分子除碰撞瞬間外,無其它相互作用. 碰撞視為完全彈性碰撞.理想氣體是大量無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的彈性質(zhì)點(diǎn)的集合 分子沿任何方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會均等第5頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式二、理想氣體壓強(qiáng)公式統(tǒng)計(jì)假設(shè)：容器內(nèi)任一位置處單位體積中的

3、分子數(shù)相同，也就是說分子數(shù)密度相等。分子沿任何方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會均等，即朝任何方向運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)相等第6頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式推導(dǎo)： 設(shè) 邊長為 長方體中有 N 個(gè)質(zhì)量為 m 的氣體分子，計(jì)算 A1壁面所受壓強(qiáng) .第7頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式一個(gè)分子與器壁A1碰撞一次動(dòng)量的改變量一個(gè)分子與器壁A1碰撞一次施于A1沖量碰撞一次所需的時(shí)間在 時(shí)間內(nèi)碰撞的次數(shù)為第8頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式一個(gè)分子在 時(shí)間內(nèi)施于A1的沖量N個(gè)分子 時(shí)間內(nèi)施

4、于器壁A1的沖量為N個(gè)分子施于器壁的平均沖力第9頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式第10頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式關(guān)于理想氣體壓強(qiáng)公式的說明1，理想氣體壓強(qiáng)的實(shí)質(zhì)2，壓強(qiáng)公式是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而不是一個(gè)力學(xué)規(guī)律3，壓強(qiáng)公式不能直接用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第11頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式三、溫度與分子平均平動(dòng)能的關(guān)系阿佛伽德羅定律：在相同溫度和壓強(qiáng)下，各種氣體在相同體積內(nèi)所包含的分子數(shù)都相同第12頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié)

5、理想氣體壓強(qiáng)公式溫度標(biāo)志著物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，或者說，溫度是分子平均平動(dòng)能的量度第13頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第一節(jié) 理想氣體壓強(qiáng)公式道爾頓分壓定律：混合氣體的壓強(qiáng)等于組成混合氣體的各成分的分壓強(qiáng)之和。第14頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第二節(jié) 能量按自由度均分的原理一自由度數(shù)自由度數(shù): 決定一個(gè)物體空間位置所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)質(zhì)點(diǎn)的自由度數(shù)剛體的自由度數(shù)空間中的質(zhì)點(diǎn) ( 3個(gè))受限制的質(zhì)點(diǎn) ( 1, 2, 3 )質(zhì)心的位置 （3個(gè)）轉(zhuǎn)軸的方位（2個(gè)）剛體對起始位置轉(zhuǎn)過的角度 （1個(gè)）第15頁，共34頁，2022年，5月20

6、日，9點(diǎn)57分，星期一第二節(jié) 能量按自由度均分的原理分子的自由度數(shù)單原子分子：(3個(gè)) 雙原子分子: (5個(gè))多原子分子: (6個(gè))n個(gè)原子組成的非剛性分子: 最多有3n個(gè)自由度第16頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第二節(jié) 能量按自由度均分的原理能量按自由度均分定理：在溫度為T的平衡狀態(tài)下，物質(zhì)分子的每一個(gè)自由度均具有相同的平均動(dòng)能，其大小為二 能量按自由度數(shù)均分定理第17頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第二節(jié) 能量按自由度均分的原理處于平衡態(tài)溫度為 T 的理想氣體, 若將氣體分子看作剛性分子, 如果分子有 t 個(gè)平動(dòng)自由度, r 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,

7、s個(gè)振動(dòng)自由度 則氣體分子的平均總動(dòng)能: 氣體分子的平均總能量: 第18頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第二節(jié) 能量按自由度均分的原理一定量理想氣體的內(nèi)能-組成氣體的全部分子的能量之和.1mol理想氣體的內(nèi)能分子的平均總能量為一定質(zhì)量m理想氣體的內(nèi)能三 理想氣體的內(nèi)能 理想氣體的內(nèi)能與其質(zhì)量, 自由度, 溫度成正比.第19頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一麥克斯韋1859年首次用統(tǒng)計(jì)方法從理論上解決了氣體分子運(yùn)動(dòng)速率問題,并不久就為實(shí)驗(yàn)所證實(shí).麥克斯韋(James Clerk Maxwell 1831-1879)英國物理學(xué)家第三節(jié) 分子的速率一 麥

8、克斯韋速率分布定律第20頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率麥克斯韋速率分布定律意義： 表示分布在速率v 附近的單位速率區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)占總分子數(shù)的比率。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率 表示速率在 區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比 . 歸一化條件第22頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率麥克斯韋速率分布函數(shù)m, T 給定, 函數(shù)的形式可概括為第23頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率f(v)f(vp3)vvpf(vp1)f(vp2)T1

9、T3T2溫度越高，速率大的分子數(shù)越多 T1T2T3第24頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率二 三種分子速率1）最概然速率第25頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率2）平均速率第26頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率3）方均根速率第27頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率第28頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率 同一溫度下不同氣體的速率分布 N2 分子在不同溫度下的速率分布第29頁，共34頁，2022年

10、，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率 例 如圖示兩條 曲線分別表示氫氣和氧氣在同一溫度下的麥克斯韋速率分布曲線， 從圖上數(shù)據(jù)求出氫氣和氧氣的最概然速率 .2000第30頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率三. 玻爾茲曼能量分布率 玻爾茲曼在麥克斯韋速率分布的基礎(chǔ)上,研究了氣體在保守力場中,各種速度的分子在空間的分布規(guī)律.德裔奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼 (Ludwig Boltzmann, 1844-1906)第31頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率在坐標(biāo)區(qū)間 xx+dx, yy+dy, zz+dz ；在速度區(qū)間vxvx+dvx, vyvy+dvy,vzvz+dvz內(nèi)具有所有各種速度的分子數(shù)為:第32頁，共34頁，2022年，5月20日，9點(diǎn)57分，星期一第三節(jié) 分子的速率此式即分子按勢能的分布規(guī)律,是玻爾茲曼分布律的一種常用形式. 表示分子處于勢能較高的