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2019-2020年高二物理分子運(yùn)動論 熱和功備課資料
【教學(xué)結(jié)構(gòu)】
本單元學(xué)習(xí)重點(diǎn)是：
一、分子運(yùn)動論，分子運(yùn)動論的基本內(nèi)容是：物質(zhì)由大量分子組成，分子永不停息地做無規(guī)則熱運(yùn)動，分子間存在著相互作用的引力和斥力。
⒈物質(zhì)由大量分子組成，物質(zhì)由原子、分子、離子組成，在這里我們把原子、分子、離子統(tǒng)統(tǒng)看成分子、分子的線度（直徑），分子的質(zhì)量等微觀量都很小。除一些有機(jī)物大分子外，一般分子的線度（直徑）的數(shù)量級是10－10m；質(zhì)量的數(shù)量級是10－27～10－26kg，1摩爾任何物質(zhì)都含有6.021023個分子，我們把6.021023mol－1叫阿伏伽德羅常數(shù)，阿伏伽德羅常數(shù)是聯(lián)系微觀世界和宏觀世界的橋梁，由于分子的線度（直徑），質(zhì)量都很小，無法用常規(guī)方法直接測量，但可以通過測出相應(yīng)的宏觀量，應(yīng)用阿伏伽德羅常數(shù)間接求出有關(guān)分子的微觀量，設(shè)單個分子的體積為Vo，分子線度（直徑）為d，分子質(zhì)量為mo；物質(zhì)的體積為V、摩爾體積是Vm，物質(zhì)的質(zhì)量為M、摩爾質(zhì)量為Mm，物質(zhì)的密度為r，物質(zhì)所含分子數(shù)為n，則可用阿伏伽德羅常數(shù)N進(jìn)行以下計算。①計算分子質(zhì)量mo=Mm/N。②計算分子體積Vo=Vm/N=Mn/rN。③計算物質(zhì)所含的分子數(shù)。由于M=rV的公式不適應(yīng)于氣體，所以上述導(dǎo)出式子中凡用過的公式的均不適應(yīng)于氣體，只適用于固體和液體。④計算分子的線度（直徑），分子的模型有兩種：球模型和立方體模型，前者常用來討論分子間的相互作用及分子的運(yùn)動，后者常用來討論分子占有的空間及分子的線度（直徑），當(dāng)分子看為球體模型時，分子線度（直徑）；立方體模型時。
⒉分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動，初中講的擴(kuò)散和高中要講的布朗運(yùn)動都是說明分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動的典型實(shí)驗現(xiàn)象，布朗運(yùn)動是指懸浮在液體中的極小固體顆粒的無規(guī)則運(yùn)動，不是液體分子的運(yùn)動，布朗運(yùn)動反映了液體分子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動，液體分子的無規(guī)則運(yùn)動是產(chǎn)生布朗運(yùn)動的原因。
影響布朗運(yùn)動的因素是：液體的溫度和懸浮顆粒的大小，液體溫度越高，懸浮顆粒越小布朗運(yùn)動越明顯，由于分子的無規(guī)則運(yùn)動與溫度有關(guān)，因而把大量分子的無規(guī)則運(yùn)動叫熱運(yùn)動，而布朗運(yùn)動、擴(kuò)散現(xiàn)象是熱運(yùn)動的反映。
⒊分子間存在著相互作用的引力和斥力，分子間同時存在著相互作用的引力和斥力，分子間相互作用力情況與分子間距離有關(guān)，當(dāng)分子間的距離為ro時，F(xiàn)引=F斥，合力f=0，ro一般在10－10m左右。當(dāng)r>ro時，分子間的引力、斥力都減小，但斥力減小的快，f引>f斥，分子力的合力表現(xiàn)為引力。當(dāng)r
10ro時，分子間的引力斥力都趨近于零，分子力也認(rèn)為是零，分子間相互作用力隨分子間距離變化的關(guān)系如圖1所示，虛線分別代表引力和斥力，實(shí)線表示二者的合力。
二、物體內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律
⒈分子動能：分子動能是指大量分子無規(guī)則運(yùn)動的動能，在研究熱現(xiàn)象時，單個分子的功能沒有意義，分子的平均動能是指所有分子動能的平均值，宏觀物理量溫度是分子平均動能的標(biāo)志，分子運(yùn)動的總動能是物體內(nèi)所有分子熱運(yùn)動動能的總和，它與分子熱運(yùn)動的平均動能和物體的分子數(shù)有關(guān)，從宏觀角度去看是與溫度和物體的摩爾數(shù)有關(guān)。
⒉分子熱能：分子熱能是指由分子間相互作用和相對位置決定的能，分子勢能從微觀上看與分子間距離和分子排列情況有關(guān)，宏觀上決定于物體的體積和物態(tài)，分子勢能的變化與分子力做功情況有關(guān)，分子力做正功，分子勢能減??；克服分子力做功，分子勢能增加。當(dāng)分子間距離r>10ro時，分子力為零，分子勢能也一直減小，當(dāng)r=ro時分子勢能最小，且為負(fù)值，分子勢能隨分子間距離變?yōu)殛P(guān)系如圖2所示。
⒊物體的內(nèi)能：物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和叫物體的內(nèi)能。物體內(nèi)能是一個狀態(tài)量，物體內(nèi)能跟分子數(shù)目的多少、溫度的高低、體積大小以及物質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，做功是其它形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化；熱傳遞是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。
三、熱力學(xué)第一定律
其內(nèi)容是：物體內(nèi)能的增量等于外界對物體所做的功和物體吸收的熱量的總和，表達(dá)式為DE=W+Q，應(yīng)用比式要注意式中各量符號，外界對物體做功，W取正值；物體對外做功，W取負(fù)值，物體吸收熱量，Q取正值；物體放出熱量，Q取負(fù)值，物體內(nèi)能增加，DE取正值；物體內(nèi)能減小，DE取負(fù)值。
四、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：能量即不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其它的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，而能的總量保持不變。
【解題點(diǎn)要】
例1：從下列哪一組數(shù)據(jù)可以計算出阿伏加德羅常數(shù)（ ）
A.水的密度和水的摩爾質(zhì)量 B.水的摩爾質(zhì)量和水分子體積
C.水分子的體積和水分子質(zhì)量 D.水分子的質(zhì)量和水的摩爾質(zhì)量
分析解答：阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系宏觀量和微觀量的橋梁，所以計算它必然是性質(zhì)相同的兩個物理量，且其中一個是宏觀量，另一個是微觀量。如已知物質(zhì)分子的體積和物質(zhì)的摩爾體積，物質(zhì)的分子質(zhì)量和物體的摩爾質(zhì)量均可計算出阿伏加德羅常數(shù)，據(jù)此可以排除選項A、B、C，而D選項兩個量性質(zhì)相同，且一個是宏觀量，另一個微觀量，D選項正確。
例2：花粉在水中做布朗運(yùn)動的現(xiàn)象說明（ ）
A.花粉的分子在做無規(guī)則熱運(yùn)動 B.水分子在做無規(guī)則的熱運(yùn)動
C.水分子之間是有空隙的 D.水分子之間有分子力作用
分析解答：布朗運(yùn)動是小顆粒的運(yùn)動，而不是分子的運(yùn)動，物體小顆粒的布朗運(yùn)動的起因是液體分子無規(guī)則運(yùn)動撞擊小顆粒的結(jié)果，它只能間接說明水分子在做無規(guī)則的熱運(yùn)動，并不能說明花粉分子在做無規(guī)則熱運(yùn)動。另外，花粉顆粒的布朗運(yùn)動的直接原因并不是水分子之間有空隙和分子之間的作用力所致，所以A、C、D選項錯，B選項正確。
例3：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下估算分子之間的平均間距。
分析解答：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1摩爾的空氣的體積為22.4L，1摩爾空氣中有6.021023個氣體分子，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每個空氣分子平均占有的空間Vo=V/N=22.410－3/6.021023=3.7210－26m3。取立方體模型，則分子的平均間距為，開三次方很困難，可以代入數(shù)值用逼近法求得。
點(diǎn)評：氣體分子的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子的直徑（線度），氣體占有的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體分子占有體積的總和。為估算氣體分子的平均距離，可設(shè)想每個氣體占有相等的空間，而分子位于其對稱中心，為了使空氣分子占有空間的總和跟氣體充滿的空間一致，可將空間均勻分成與分子數(shù)相同的立方體（相當(dāng)分子的立方體模型），則立方體的邊長即為分子間距。
例4：水的密度r=1.0103kg/m3，水的摩爾質(zhì)量Mm=1.810－2kg/mol，試求：(1)1cm3的水中有多少個水分子。(2)用立方體模型估算水分子的直徑。
分析解答：水的摩爾體積Vm=Mm/r=1.810－2/1.0103=1.810－5(m3/mol)1cm3水中所含分子數(shù)為n=V?N/Vm=110－66.021023/1.810－5=3.31022個，建立水分子的立方體模型，設(shè)邊長為L，則有Vm/N=Vo=L3，。
例5：兩個分子甲和乙相距較遠(yuǎn)（此時分子力可以忽略），設(shè)甲分子固定不動，乙分子逐漸向甲靠近直到不能再靠近，在這個過程中，下列說法正確的是（ ）
A.分子力總對乙做正功，分子勢能不斷減小
B.乙總是克服分子力做功，分子勢能不斷增大
C.乙先是克服分子力做功，然后分子力對乙做正功，分子勢能先增大后增小
D.先是分子力對乙做正功，然后乙克服分子力做功，分子勢能先減小后增大
分析解答：分子勢能是由分子間相互作用力和分子間距決定的能量。本題所給出的甲、乙兩分子相距較遠(yuǎn)時，分子力可忽略，此時分子力為零，分子勢能也為零，甲固定不動，乙向甲靠近直到r=ro的過程中，由于r>ro，分子力合力為引力，分子力做正功，分子勢能越來越小，且比零小，為負(fù)值。r=ro時分子勢能最小，乙分子從r=ro到不能再靠近甲的過程中，由于r
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