《導學案》2021版高中物理(人教版-選修3-3)教師用書：7.1-物體是由大量分子組成的-講義

實現(xiàn)原子級操縱和原子級加工,是目前國際科學界公認的21世紀高新技術。我國科學家在這一領域的很多方面均已取得了突破性成果。1994年初,中國科學院真空物理試驗室的爭辯人員成功地利用一種新的表面原子操縱方法,在硅單晶表面上直接提走硅原子,形成平均寬度為2納米(3至4個原子)的線條。從獲得的照片上可以清楚地看到由這些線條形成的字樣和硅原子晶格整齊排列的背景。圖示是中國科學院化學爭辯所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡,在石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖上的“中國”字樣和中國地圖圖案都格外清楚逼真。圖形的線寬實際上只有10納米。這些事實已經(jīng)表明,在這一領域中國已領先跨入21世紀的門檻。課時7.1物體是由大量分子組成的1.知道物體是由大量分子組成的。2.知道油膜法測分子大小的原理,并能進行測量和計算。通過油膜法試驗知道科學爭辯中的一種方法:利用宏觀量求微觀量。3.知道分子的球體模型,知道分子直徑的數(shù)量級。初步生疏到微觀世界是可以認知的。4.知道阿伏加德羅常數(shù)的物理意義、數(shù)值和單位。重點難點:理解和學會用單分子油膜法估算分子大小(直徑)。把握運用阿伏加德羅常數(shù)估算微觀量(分子的體積、直徑、分子數(shù)等)的方法。油膜法測分子直徑試驗的操作是本節(jié)的難點。教學建議:同學在學校已接觸分子運動的基本內(nèi)容,而且把握了確定的化學(原子)學問,課前要求同學閱讀所要學習的內(nèi)容,并自行完成學問體系梳理,理清學問關系、明確認知誤區(qū)。課堂教學中通過同學認為不行能(用簡潔方法測分子直徑)的試驗引起同學的愛好,并具體介紹試驗中的“放大”作用,引導同學分組爭辯、協(xié)作完成探究問題,開拓思維,體會怎樣通過宏觀量來(間接)測量微觀量。通過對分子大小的具體計算和抽象思維、抱負化模型的處理,對看不見摸不著很微小的分子(直徑數(shù)量級、質(zhì)量數(shù)量級)有個初步的了解。利用阿伏加德羅常數(shù)進行數(shù)量計算后,對同學懷疑之處進行點撥,師生互動過程全面突破學問重難點。導入新課:我們喝一口水大約喝下6.0×1023個水分子,假如動用全世界60億人來數(shù)這些分子,每人每秒數(shù)一個,300萬年也數(shù)不完,可見,分子是微小的,我們可以通過什么途徑估測這么小的分子的大小呢?1.分子何其小(1)利用單分子油膜法測量分子直徑的原理把一滴油滴到水面上,油在水面上散開形成單分子油膜,在計算分子大小時,通?？梢园逊肿涌醋魇且粋€①彈性小球,這是一個近似模型。通常認為②油膜的厚度等于油分子的直徑,而油分子是一個挨一個整齊排列的。試驗時測出油滴的體積V,再測出油膜的面積S,就可估算出油分子的直徑d,公式d=③QUOTE。(2)試驗結論測量結果表明一般分子的直徑的數(shù)量級為④10-10m。如水分子直徑約為4×10-10m,氫分子直徑約為2.3×10-102.分子何其多(1)對阿伏加德羅常數(shù)的生疏我們在化學中已學過,1mol任何物質(zhì)所包含的粒子的數(shù)目都相等,這個數(shù)叫作⑥阿伏加德羅常數(shù),用符號NA表示。目前,它的公認值是NA=6.02×1023mol-1,在通常的計算中,可取NA=⑦6.0×1023mol-1。(2)阿伏加德羅常數(shù)的意義阿伏加德羅常數(shù)是一個重要的常數(shù),它把摩爾質(zhì)量、摩爾體積這些⑧宏觀物理量與分子質(zhì)量、分子大小等⑨微觀物理量聯(lián)系了起來。1.現(xiàn)有大量小米,請你想方法估測出每粒小米的直徑。甲同學用游標卡尺;乙同學用螺旋測微器;丙同學則用量筒測出確定量小米的體積V,將這些小米平攤在水平坐標紙上,使小米盡量緊挨著又不重疊,計算出小米所占的面積S,則小米的直徑d=QUOTE。你覺得這三位同學的測量方法中哪種方法更適合估測微小顆粒的直徑?解答:丙同學的方法更適合估測微小顆粒的直徑。2.依據(jù)問題1中丙同學的估測方法,在預習了阿伏加德羅常數(shù)后再替他想個處理數(shù)據(jù)的方法,估測出小米的直徑。解答:可以用量筒測出少量小米的體積V,數(shù)出小米的顆粒數(shù)N,計算出每粒小米所占的體積V0=QUOTE,再依據(jù)V0=QUOTER3=QUOTE,得每粒小米的直徑D=QUOTE。3.推斷下列說法的正誤:(1)熱學中的分子和化學中的分子指的是同一概念。(2)我們看到陽光下飄舞的微粒就是分子。(3)為了便于爭辯,我們通常把固體和液體分子看作球形。(4)我們所說的納米就是分子直徑的大小。解答:(1)在化學中,分子是構成物質(zhì)并保持物質(zhì)化學性質(zhì)的最小微粒,除分子外還有原子和離子,但在熱學中,由于它們遵從相同的運動規(guī)律,故統(tǒng)稱為分子。所以,在化學和熱學中,分子指的不是同一概念,(1)錯。(2)分子用肉眼是無法看到的,我們看到的飄舞的微粒是灰塵,(2)錯。(3)把固體和液體分子看作球形是對分子外形的簡化,也是為了便于計算分子的大小,(3)對。(4)納米是長度單位,一納米也比分子的直徑大很多,(4)錯。主題1:分子大小的估測——單分子油膜法(重點探究)問題:閱讀課本中本節(jié)相關的試驗,思考下列問題。(1)為什么單分子油膜法可測分子直徑?(2)本試驗由于是估測,對油酸分子做了哪些簡化處理?你認為這種處理方法對氣體是否成立?(3)如何求出單分子油膜層的厚度(即分子直徑)?解答:(1)一滴油酸滴到水面上,油酸在水面上充分散開后形成單分子油膜。通常把分子看成球形,這樣油膜的厚度就等于油分子的直徑,而油分子又是一個挨一個地排列的。試驗時測出油滴的體積V,再測出油膜的面積S,就可估算出油分子的直徑d=QUOTE。(2)本試驗中對油酸分子進行簡化處理:①把分子看成一個個小球。②認為油酸分子是一個緊挨一個排列的。③認為油膜厚度等于分子直徑。對固體、液體分子可視為球形,分子間緊密排列可忽視間隙。由于氣體分子間距比較大,這種簡化處理對氣體不成立。(3)①先測出一滴純油酸的體積V;②測出水面上漂移的油膜的表面積S;③單分子油膜的厚度等于油滴體積V與油膜面積S的比值,即d=QUOTE。學問鏈接:單分子油膜法估測分子大小試驗的前提:(1)將油酸分子看作球形。(2)形成的油膜是單分子油膜。(3)不考慮油酸分子間的空隙。主題2:阿伏加德羅常數(shù)、微觀量與宏觀量的計算問題:閱讀課本中“阿伏加德羅常數(shù)”標題下的內(nèi)容,回答下列問題。(1)摩爾質(zhì)量與分子質(zhì)量的關系是什么?(2)摩爾體積=NA×分子體積,對于任何物質(zhì)都成立嗎?(3)設物體的質(zhì)量、密度和體積分別為m、ρ、V,所含分子數(shù)為N,摩爾體積和摩爾質(zhì)量分別為Vm、M,物質(zhì)的分子質(zhì)量和體積分別為m0、V0,試寫出分子質(zhì)量、體積和分子個數(shù)的表達式,并指出哪些量是“宏觀量”,哪些量是“微觀量”。解答:(1)摩爾質(zhì)量=NA×分子質(zhì)量。(2)不是。由于固體和液體分子間隙可忽視,故公式只對固體和液體成立,對氣體不成立。對氣體而言,應為摩爾體積=NA×分子占有體積。(3)分子的質(zhì)量:m0=QUOTE=QUOTE。分子的體積:V0=QUOTE=QUOTE(僅適用于固、液體)。物體所含的分子數(shù):N=QUOTE·NA=QUOTE·NA或N=QUOTE·NA=QUOTE·NA。微觀量有分子體積V0、分子質(zhì)量m0、分子個數(shù)N。宏觀量有物體體積V、摩爾體積Vm、物體的質(zhì)量m、摩爾質(zhì)量M、物體的密度ρ。學問鏈接:阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系微觀物理量和宏觀物理量的橋梁。估算分子質(zhì)量時,不論是液體、固體,還是氣體,均可用m0=QUOTE。估算分子大小和分子間距時,對固體、液體與氣體,應建立不同的微觀結構模型。主題3:估算分子大小的兩種模型問題:(1)若已知油酸分子的摩爾體積Vm,用油膜法測出分子直徑d后,怎樣進一步估算阿伏加德羅常數(shù)?(2)1mol氣體在標準狀況下體積Vm=22.4L,單個氣體分子的體積可否用V0=QUOTE計算?說明理由。解答:(1)測出油酸分子的直徑可求出一個分子的體積V0=QUOTEπd3,若油酸的摩爾體積為Vm,則阿伏加德羅常數(shù)NA=QUOTE。(2)不能。由于氣體分子間距比較大,假如認為氣體均勻分布的話,用V0=QUOTE算出的結果只能是每個氣體分子所占的平均空間,而不是單個氣體分子的體積。學問鏈接:固體和液體分子都可看成是緊密堆集在一起的。分子的體積V0=QUOTE僅適用于固體和液體,對氣體來說,V0表示每個氣體分子平均占有的空間體積。1.(考查油膜法原理)用油膜法測分子直徑的試驗中,做了科學的近似的有()。A.把在水面上盡可能集中開的油膜視為單分子油膜B.把形成油膜的分子看作緊密排列的球形分子C.將油膜視為單分子油膜,但需要考慮分子間隙D.將油酸分子視為立方體模型【解析】用油膜法估測分子的大小,要由公式d=QUOTE求解,必需有:①將分子視為球體模型,且不考慮分子間隙;②水面上的油膜為油酸單分子層。【答案】AB【點評】單分子油膜法估測分子大小試驗的前提:將油酸分子看作球形;形成的油膜是單分子油膜;不考慮油酸分子間的空隙。2.(考查阿伏加德羅常數(shù)的計算)某氣體的摩爾質(zhì)量為M,摩爾體積為Vm,密度為ρ,每個分子的質(zhì)量和體積分別為m和V0,則阿伏加德羅常數(shù)NA可表示為()。A.NA=QUOTEB.NA=QUOTEC.NA=QUOTE D.NA=QUOTE【解析】每個氣體分子所占空間的體積遠遠大于氣體分子的體積,NA?QUOTE,所以A、D選項錯誤。氣體質(zhì)量等于氣體各分子質(zhì)量的總和,故有NA=QUOTE=QUOTE,B、C選項正確?！敬鸢浮緽C【點評】對于固體和液體分子,我們認為它們是緊密排列的,分子間沒有空隙,可以應用球形模型;對于氣體分子,由于分子間的間距較大,要用立方體模型,這時求出的也不是分子的大小,而是分子所占的空間體積。3.(考查對氣體分子的初步生疏)要估算出氣體中分子間的平均距離,只要知道下列物理量中的()。A.阿伏加德羅常數(shù),該氣體的摩爾質(zhì)量和質(zhì)量B.阿伏加德羅常數(shù),該氣體的摩爾質(zhì)量和密度C.阿伏加德羅常數(shù),該氣體的質(zhì)量和體積D.該氣體的密度、體積和摩爾質(zhì)量【解析】氣體摩爾體積為:Vm=QUOTE,其中一個氣體分子所占據(jù)的空間為:V=QUOTE,分子間距離為d=QUOTE,故B正確。【答案】B【點評】把氣體分子看作立方體模型;1mol任何氣體在標準狀態(tài)下的體積均為22.4L。利用V=V4.(考查油膜法和阿伏加德羅常數(shù)的綜合計算)利用單分子油膜法可以粗測分子的大小和阿伏加德羅常數(shù)。假如已知體積為V的一滴油在水面上散開形成的單分子油膜的面積為S,這種油的密度為ρ,摩爾質(zhì)量為M0,則阿伏加德羅常數(shù)的表達式為。

【解析】分子體積V'=QUOTEπd3=QUOTEπ(QUOTE)3=QUOTE,油的摩爾體積V0=QUOTE,所以阿伏加德羅常數(shù)NA=QUOTE=QUOTE。【答案】QUOTE【點評】利用宏觀量(摩爾質(zhì)量、摩爾體積和阿伏加德羅常數(shù))求微觀量(分子質(zhì)量、分子體積)時,要留意利用密度建立摩爾質(zhì)量和摩爾體積的聯(lián)系。拓展一:油膜法測分子大小1.在“用油膜法估測分子大小”的試驗中,所用的油酸酒精溶液的濃度為每1000mL溶液中有純油酸0.6mL。用注射器測得1mL上述溶液為80滴,把1滴該溶液滴入盛水的淺盤內(nèi),讓油膜在水面上盡可能散開,測得油酸薄膜的輪廓外形和尺寸如圖所示,圖中正方形方格的邊長為1cm。(1)試驗中為什么要讓油膜盡可能散開?(2)試驗測出油酸分子的直徑是多少?(結果保留兩位有效數(shù)字)【分析】解答本題時可按以下思路進行:【解析】(1)為使油膜在水面上形成單分子油膜。(2)由圖可知油膜掩蓋方格數(shù)約為121個,設油酸分子的直徑為d,則有QUOTE×QUOTE×10-6m3=121×1×10-4m2·d解得d=6.2×10-10m(6.1×10-10m~6.3×10-【答案】(1)為使油膜在水面上形成單分子油膜(2)6.2×10-【點撥】油膜法估測分子大小的解題技巧如下。(1)首先要精確?????計算出純油酸的體積V。(2)其次計算出油膜的面積S:數(shù)出“整”方格的個數(shù),對剩余小方格的處理方法是不足半格的舍去,多于半格的算一個。(3)最終利用公式d=QUOTE求出的數(shù)值就是分子直徑的大小。拓展二:阿伏加德羅常數(shù)的理解與應用2.已知阿伏加德羅常數(shù)、物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和摩爾體積,可以計算()。A.固態(tài)物質(zhì)分子的體積和質(zhì)量B.液態(tài)物質(zhì)分子的體積和質(zhì)量C.氣態(tài)物質(zhì)分子的體積和質(zhì)量D.氣態(tài)物質(zhì)分子的質(zhì)量【分析】宏觀量和微觀量間的關系對于固體、液體和氣體的適用是有區(qū)分的,要建立不同的模型分析?！窘馕觥恳罁?jù)阿伏加德羅常數(shù)的概念可知,無論物質(zhì)處于何種狀態(tài),分子的質(zhì)量m0均等于物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M除以阿伏加德羅常數(shù)NA,即m0=QUOTE。由于物質(zhì)的三種狀態(tài)中固態(tài)和液態(tài)均可視為分子緊密排列,但氣態(tài)分子間距遠大于分子本身的體積,所以,只有固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)分子的體積V0可由其摩爾體積Vm除以NA得出,即V0=QUOTE,故應選A、B、D。【答案】ABD【點撥】(1)估算固體或液體分子(或原子)的直徑和質(zhì)量,要理解下列兩個要點:①忽