【高中物理】分子動理論的基本內(nèi)容（第1課時）課件 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第一章分子動理論暮春時節(jié)，金黃的油菜花鋪滿了原野。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(shí)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。

熱學(xué)這一門科學(xué)起源于人類對于熱與冷現(xiàn)象的本質(zhì)的追求……（這）可能是人類最初對自然法則的追求之一。——王竹溪1.1分子動理論的基本內(nèi)容

如果我們把地球的大小與一個蘋果的大小相比，那就相當(dāng)于將直徑為1cm的球與分子相比?？梢?，分子是極其微小的。問題：我們曾經(jīng)研究過物體的運(yùn)動，那么，構(gòu)成物體的微小分子會怎樣運(yùn)動呢？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

我們在初中已經(jīng)學(xué)過，物體是由大量分子組成的。

我們知道，1mol水中含有水分子的數(shù)量就達(dá)6.02×1023個②。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③，才觀察到物質(zhì)表面原子的排列。

1mol的任何物質(zhì)都含有相同的粒子數(shù)，這個數(shù)量用阿伏加德羅常數(shù)表示，即NA＝6.02214076×1023mol-1。物體是由大量分子組成的

掃描隧道顯微鏡是一種可以探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，它通過移動著的探針與物質(zhì)表面的相互作用，將物質(zhì)表面原子的排列狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖像信息，獲得具有原子尺度分辨力的表面形貌信息。

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

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。

擴(kuò)散

從許多實(shí)驗(yàn)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

例如，圖1.1-2中的鹵蛋，醬油里的色素分子擴(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。分子熱運(yùn)動

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。分子熱運(yùn)動

演示：用顯微鏡觀察炭粒的運(yùn)動布朗運(yùn)動

19世紀(jì)初，一些人觀察到，懸浮在液體中的小顆粒總在不停地運(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。下面我們做一個類似的實(shí)驗(yàn)。

如圖1.1-3，取1滴用水稀釋的碳素墨汁，滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，放在高倍顯微鏡下觀察小炭粒的運(yùn)動情況。調(diào)節(jié)顯微鏡的放大倍數(shù)，如調(diào)節(jié)至400倍或1000倍，觀察懸濁液中小炭粒的運(yùn)動情況。目鏡中觀察的結(jié)果可以通過顯示器呈現(xiàn)出來。分子熱運(yùn)動從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，小炭粒的運(yùn)動是無規(guī)則的改變懸濁液的溫度。重復(fù)上述操作，觀察懸濁液中小炭粒的運(yùn)動情況。

通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，溫度越高，小炭粒的運(yùn)動越明顯分子熱運(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（注意不是微粒的運(yùn)動軌跡）。這表明微粒的運(yùn)動是無規(guī)則的。實(shí)際上，就是在30s內(nèi)，微粒的運(yùn)動也是極不規(guī)則的分子熱運(yùn)動當(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?yàn)橹参镉猩女a(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(shí)驗(yàn)，他還用了一些沒有生命的無機(jī)物粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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)動分子熱運(yùn)動

思考與討論：為什么花粉微粒的運(yùn)動是無規(guī)則的？為什么微粒越小，它的無規(guī)則運(yùn)動越明顯？在顯微鏡下看起來連成一片的液體，實(shí)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。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。分子熱運(yùn)動

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?？梢?，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)動溫度是分子熱運(yùn)動劇烈程度的標(biāo)志。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？做一做：向A、B兩個量筒中分別倒入50mL的水和酒精（圖1.1-6甲），然后再將A量筒中的水倒入B量筒中，觀察混合后液體的體積（圖1.1-6乙）。它說明了什么問題？分子間的作用力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。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。分子間的作用力當(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？分子間的作用力研究表明，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