物理（普通類）教學(xué)課件 第一節(jié) 分子動(dòng)理論 學(xué)習(xí)資料

第一節(jié)

分子動(dòng)理論一、分子動(dòng)理論二、溫度三、氣體的壓強(qiáng)四、熱力學(xué)能

一、分子動(dòng)理論所有物體都是由分子構(gòu)成的。一般物質(zhì)分子的直徑，都是以納米（1nm＝1×10-9m）為數(shù)量級(jí)的。如氫分子的直徑為0.23nm，水分子的直徑為0.4nm，蛋白質(zhì)分子的直徑最大，也只有幾納米。近幾十年來(lái)，人們已經(jīng)能夠用放大200萬(wàn)倍的離子顯微鏡直接觀察分子的大小，甚至能夠用放大3億倍的掃描隧道顯微鏡實(shí)現(xiàn)“操縱原子”的夢(mèng)想，如右圖所示就是用鐵原子在銅上組成的漢字“原子”。在一間封閉的房間里，打開香水瓶蓋，不一會(huì)兒，香水的氣味就會(huì)彌漫到房間的每個(gè)角落；在一杯靜止放置的清水中，輕輕滴入一滴紅墨水，慢慢就會(huì)發(fā)現(xiàn)杯中的水全部變紅了；長(zhǎng)期堆放在墻腳的煤會(huì)滲進(jìn)墻面中，使墻面變黑……這些都是擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象可以說(shuō)明分子不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈。因此，我們把大量分子的這種運(yùn)動(dòng)叫作分子的熱運(yùn)動(dòng)。從微觀的角度看，在固體中，分子只能在固定的位置附近做微小的振動(dòng)。如果給固體加熱，固體會(huì)熔化為液體。在液體中，分子與臨近分子擁擠在一起，可以發(fā)生位置的交換。如果繼續(xù)給液體加熱，液體會(huì)汽化為氣體。在氣體中，分子可以自由地運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。氣體很容易被壓縮，水和酒精混合后總體積減小，高壓下的油透過(guò)鋼壁滲出……這類事實(shí)告訴人們，不論是氣體、液體，還是固體，組成它們的分子之間是存在間隙的。在生產(chǎn)技術(shù)上，為了增強(qiáng)鋼表面的硬度和耐磨性能而進(jìn)行的滲碳處理、為了改變半導(dǎo)體材料的物理性能而摻入雜質(zhì)等等，都是對(duì)分子間隙的一種利用。從水龍頭里慢慢滲出的水總是一滴一滴地往下滴，荷葉上的露水也總是呈現(xiàn)出一個(gè)近似的球形，洗衣服時(shí)也總會(huì)形成一個(gè)個(gè)的肥皂泡……這些現(xiàn)象都說(shuō)明液體分子間存在著引力；而液壓千斤頂利用的則是液體的不易壓縮性，這說(shuō)明液體分子間又存在著斥力。固體一般都具有固定的形狀，它既不易被拉伸也不易被壓縮的性質(zhì)說(shuō)明它的分子間既存在著引力，也存在著斥力。綜上所述，宏觀物體是由大量分子組成的；分子永不停息地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)；分子間有空隙；分子之間存在著相互作用的引力和斥力。這就是分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)。

二、溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度數(shù)值的表示方法，叫作溫標(biāo)。常用的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)（也叫絕對(duì)溫標(biāo)）。世界上大多數(shù)地區(qū)使用攝氏溫標(biāo)，美國(guó)通常使用華氏溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（1701—1744）創(chuàng)立的，單位是攝氏度（℃）；華氏溫標(biāo)是荷蘭物理學(xué)家華倫海特（1686—1736）創(chuàng)立的，單位是華氏度（℉）。這兩種溫標(biāo)都是以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為特征溫度的：在攝氏溫標(biāo)中這兩個(gè)溫度被定為0℃和100℃；在華氏溫標(biāo)中這兩個(gè)溫度被定為32℉和212℉。我們平常使用的溫度計(jì)上通常都有這兩種溫標(biāo)，如右圖所示。熱力學(xué)溫標(biāo)（或絕對(duì)溫標(biāo)）是由英國(guó)物理學(xué)家開爾文（右圖）創(chuàng)立的，熱力學(xué)溫標(biāo)的單位是K（開）。熱力學(xué)溫度和攝氏溫度在數(shù)值上有如下關(guān)系：T=t＋273例如，水的冰點(diǎn)用熱力學(xué)溫度表示為273K，水的沸點(diǎn)用熱力學(xué)溫度表示為373K。熱力學(xué)溫標(biāo)的每一度的大小與攝氏溫標(biāo)相同，因此熱力學(xué)溫標(biāo)中水的沸點(diǎn)比冰點(diǎn)的溫度也高100K。熱力學(xué)溫標(biāo)把最低溫度定義為0K，這個(gè)溫度叫作絕對(duì)零度。國(guó)際上公認(rèn)的絕對(duì)零度為－273.15℃。熱力學(xué)溫度是國(guó)際單位制中七個(gè)基本量之一，用符號(hào)T

表示。科學(xué)家們發(fā)明了多種形式的新型溫度計(jì)。在工業(yè)和科學(xué)研究中使用的電阻溫度計(jì)，它的測(cè)溫范圍為－190～650℃；在低溫物理、航空技術(shù)和宇宙航行研究中采用的半導(dǎo)體溫度計(jì)；在600℃以上的高溫測(cè)量中，要使用熱電溫度計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)；測(cè)量10000℃以上的溫度都是用原子光譜的譜線與溫度的關(guān)系來(lái)計(jì)算；測(cè)量遙遠(yuǎn)星球的表面溫度要用一種叫作光度計(jì)的儀器。兩杯溫度相差10℃的水，如果不用手摸，僅憑人的肉眼觀察，是分辨不出來(lái)的。而對(duì)于如右圖所示的紅外線溫度計(jì)來(lái)說(shuō)，分辨出它們則是輕而易舉。

三、氣體的壓強(qiáng)氣體分子之間有很大的空隙，氣體分子間的相互作用力十分微弱，氣體分子可以自由地運(yùn)動(dòng)，常溫下多數(shù)氣體分子的速率都可達(dá)到數(shù)百米每秒——相當(dāng)于子彈的速率。單個(gè)分子的撞擊力很小，而且不連續(xù)，但大量分子對(duì)器壁的撞擊卻可以產(chǎn)生大而連續(xù)的壓力。氣體的壓強(qiáng)是氣體垂直作用在器壁單位面積上的壓力。氣體在各個(gè)方向上產(chǎn)生的壓強(qiáng)都相等。壓強(qiáng)用p表示，壓強(qiáng)的SI單位是Pa（帕）。測(cè)量大氣壓的儀器叫作氣壓計(jì)。氣壓計(jì)的種類很多，實(shí)驗(yàn)室常用的是動(dòng)槽式（福廷式）氣壓計(jì)，其如右圖所示。它是用一支長(zhǎng)90cm的玻璃管封閉上端，管中裝滿水銀，開口端插入下部汞槽中，管中的汞由于重力作用而下降，因而在封閉的玻璃管上部出現(xiàn)一段真空，汞槽與大氣相通。盛汞的玻璃管裝在黃銅管中，黃銅管上部刻有主標(biāo)尺并在相對(duì)兩邊開有長(zhǎng)方形小窗，在窗內(nèi)裝一可上下滑動(dòng)的游標(biāo)尺，以便較準(zhǔn)確地讀出水銀柱的高度，即大氣壓值。壓力表按其測(cè)量范圍，分為真空表、微壓表、低壓表、中壓表及高壓表等。在工業(yè)上用來(lái)測(cè)量氣體壓強(qiáng)的儀表通常叫作壓力表。壓力表中的彈性敏感元件隨著壓力的變化而產(chǎn)生彈性形變，通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大，就會(huì)在表盤上顯示出氣體壓強(qiáng)值。一種金屬盒壓力表的結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示。

四、熱力學(xué)能對(duì)物體做功，可以改變其熱力學(xué)能。古人鉆木取火，是做功可以改變物體的熱力學(xué)能的最早的例證?；鸩?、打火機(jī)就是利用這個(gè)原理制成的。一些機(jī)動(dòng)車使用的柴油機(jī)，也是利用這個(gè)原理工作的，它通過(guò)活塞做功，壓縮柴油和空氣的混合氣體，使之溫度升高，達(dá)到燃點(diǎn)而發(fā)生燃燒。物體由固體轉(zhuǎn)化為液體與由液體轉(zhuǎn)化為氣體的過(guò)程中，需要吸收能量。對(duì)同一種物質(zhì)來(lái)說(shuō)，液體分子的能量比固體分子的能量多，氣體分子的能量比液體分子的能量多。我們把由于分子運(yùn)動(dòng)和相互作用而具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和叫作物體的熱力學(xué)能。所有物體均含有熱力學(xué)能。物體的熱力學(xué)能與物體的溫度和體積都有關(guān)系。夏天，用噴霧器噴灑時(shí)，會(huì)感覺(jué)到噴灑后罐體的溫度比噴灑前下降了許多。這是因?yàn)閮?nèi)部的壓縮氣體在膨脹時(shí)對(duì)外做功，溫度降低，熱力學(xué)能減少。內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)高溫高壓的氣體膨脹時(shí)對(duì)外做功，溫度降低，氣體的熱力學(xué)能減少。熱量總是從高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩?，或者從物體中溫度高的部分轉(zhuǎn)移到溫度低的部分，直到它們的溫度相等時(shí)才會(huì)停止。即通過(guò)熱傳遞，高溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)能減少了，低溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)能增加了。改變物體熱力學(xué)能的物理過(guò)程有兩種：做功和熱傳遞。當(dāng)外界對(duì)物體做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能增加；當(dāng)物體對(duì)外界做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能就減少。當(dāng)外界向物體傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能就增加；當(dāng)物體向外界傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能就減少?；鹆Πl(fā)電廠通過(guò)將煤送入鍋爐中燃燒，將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為鍋爐中高溫高壓的蒸汽的熱力學(xué)能；高溫高壓的蒸汽被送往蒸汽輪機(jī)，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，與蒸汽輪機(jī)同軸的發(fā)電機(jī)跟著一起旋轉(zhuǎn)，于是蒸汽的熱力學(xué)能就轉(zhuǎn)化為蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的機(jī)械能；最后發(fā)電機(jī)通過(guò)電磁作用發(fā)電，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。練習(xí)3-1

1．試用分子動(dòng)理論解釋下列現(xiàn)象：（1）墨塊是由石墨粉加高壓后結(jié)合而成的；（2）壓縮一團(tuán)棉花很容易，但棉花不能無(wú)限地被壓縮；（3）氣體分子平均速率約幾百米每秒，但在房間內(nèi)打開一瓶香水后，要隔一段時(shí)間，才能夠嗅到香水味；（4）溫度升高，擴(kuò)散現(xiàn)象加劇；（5）固體不容易被壓縮和拉伸。

答案：（1）墨粉分子在高壓下，分子間的距離縮小到一定程度，在分子引力的作用下結(jié)合成墨塊。（2）棉花分子間有很大的空隙，但壓縮到一定程度后，分子間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的斥力，因此不能無(wú)限地被壓縮。（3）香水氣體分子的速度雖然很大，但其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到其他空氣分子的阻擋，運(yùn)動(dòng)軌跡是曲折的，因此要隔一段時(shí)間，才能夠嗅到香水味。（4）溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越激烈，因此擴(kuò)散現(xiàn)象加劇。（5）固體分子間存在著斥力，因此不易被壓縮；固體分子間同時(shí)又存在著引力，因此也不易被拉伸。

2．討論家里廚房和洗刷間的墻壁上常使用的吸盤式掛鉤的原理。

答案：吸盤內(nèi)大多數(shù)空氣分子被排出，吸盤與墻壁間的空氣稀薄，壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于外部大氣壓，因此吸盤被牢牢地壓在墻壁上。

3．下列過(guò)程是通過(guò)什么方式改變物體熱力學(xué)能的？（1）用水壺在燃?xì)庠钌蠈⑺疅_；（2）鋸木頭使鋸條發(fā)熱；（3）用蒸籠蒸饅頭；（4）用打氣筒打氣，筒壁發(fā)熱；（5）在木炭上烤羊肉串；（6）通過(guò)搓手使手變暖；（7）在陽(yáng)光下曬衣服；（8）將火柴在火柴盒上一擦，點(diǎn)著火柴。

答案：（