高中物理 分子动理论 内能课件 沪科版选修33.ppt

第1讲分子动理论内能 考点1分子动理论的基本内容 1 物体是由大量分子组成的 1 分子很小 直径数量级为 质量数量级为10 27 10 26kg 2 分子数目特别大 阿伏伽德罗常量na mol 1 10 10m 6 02 1023 2 分子的热运动 1 布朗运动 永不停息 运动 颗粒越小 运动越 温度越高 运动越 运动轨迹不确定 只能用不同时刻的位置连线确定 做无规则运动 不能直接观察分子的无规则运动 而是用悬浮的 的无规则运动来反映液体分子的无规则运动 2 热运动 物体分子永不停息地做的一种 运动 这种运动跟温度 选填 有关 或 无关 无规则 明显 激烈 微粒 固体小颗粒 无规则 有关 3 分子间的相互作用力 1 引力和斥力同时存在 都随分子间距离的增大而 随分子间距离的减小而 比引力变化更快 2 分子力的特点 r r0时 r0的数量级为10 10m f引 f斥 分子力f 0 rr0时 f引 f斥 分子力f表现为 r 10r0时 f引 f斥迅速减为零 分子力f 3 分子力随分子间距离的变化图象如图所示 减小 增大 斥力 斥力 引力 0 1 求解分子直径d时的两种模型 1 把分子看做球形 2 把分子看做小立方体 对于气体 按上述思路算出的不是分子直径 而是气体分子间的平均距离 2 宏观量与微观量的相互关系 1 微观量 分子体积v0 分子直径d 分子质量m0 2 宏观量 物体的体积v 摩尔体积vm 物体的质量m 摩尔质量m 物体的密度 3 相互关系 一个分子的质量 一个分子的体积 注 对气体v0为分子所占空间体积 物体所含的分子数 单位质量中所含的分子数 3 布朗运动和分子热运动的比较 布朗运动 热运动 两种运动 比较项目 研究对象 固体微小颗粒 分子 区别 是微小颗粒的运动 在光学显微镜下能看到 较大的颗粒观察不到布朗运动 是分子的运动 分子无论大小都做热运动 热运动不能通过光学显微镜直接观察到 共同点 联系 都是永不停息地无规则运动 都随温度的升高而变得更加激烈 都是肉眼所不能看见的 布朗运动是由于小颗粒受到周围分子做热运动的撞击力不平衡而引起的 它是分子做无规则运动的反映 考点2温度 温标与物体的内能1 温度 两个系统处于热平衡时 它们具有某个 共同的热学性质 我们把表征这一 共同热学性质 的物理量定义为温度 一切达到热平衡的系统都具有相同的 2 两种温标 摄氏温标和热力学温标 关系 t 温度 t 273 15k 3 分子的动能 1 分子动能是 所具有的动能 2 分子热运动的平均动能是所有分子热运动的动能的平均值 是分子热运动的平均动能的标志 3 分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的 4 分子的势能 1 意义 由于分子间存在着引力和斥力 所以分子具有由它们的 决定的能 分子热运动 温度 总和 相对位置 2 分子势能的决定因素 微观上 决定于 和分子排列情况 宏观上 决定于 和状态 5 物体的内能 1 等于物体中所有分子的热运动 与 的总和 是状态量 2 对于给定的物体 其内能大小由物体的 和 决定 3 物体的内能与物体的位置高低 运动速度大小 分子间距离 体积 动能 分子势能 温度 体积 无关 1 对温度 温标的三点说明 1 热力学温度的零值是低温的极限 永远达不到 即热力学温度无负值 2 温度是大量分子热运动的集体行为 对个别分子来说温度没有意义 3 两种温标温度的零点不同 同一温度两种温标表示的数值不同 但它们表示的温度间隔是相同的 即 t t 2 分子势能的变化与分子间距离的变化的关系取r 处为零势能处 1 当r r0时 分子力为引力 当r增大时 分子力做负功 分子势能增加 2 当r r0时 分子力为斥力 当r减小时 分子力做负功 分子势能增加 3 当r r0时 分子势能最小 3 对内能概念的三点说明 1 内能是对物体的大量分子而言的 不存在某个分子内能的说法 2 决定内能大小的因素为温度 体积 分子数 还与物态有关系 3 通过做功或热传递可以改变物体的内能 考点3用油膜法估测分子的大小1 实验原理利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜 将油酸分子看做球形 测出一定体积油酸溶液在水面上形成的油膜面积 用d 计算出油膜的厚度 其中v为一滴油酸溶液中 的体积 s为油膜面积 这个厚度就近似等于油酸分子的直径 v s 纯油酸 2 实验器材盛水浅盘 滴管 或注射器 试剂瓶 坐标纸 玻璃板 痱子粉 或细石膏粉 油酸酒精溶液 量筒 彩笔 3 实验步骤 1 取1ml 1cm3 的油酸溶于酒精中 制成200ml的油酸酒精溶液 2 往边长约为30 40cm的浅盘中倒入约2cm深的水 然后将痱子粉 或细石膏粉 均匀地撒在水面上 3 用滴管 或注射器 向量筒中滴入n滴配制好的油酸酒精溶液 使这些溶液的体积恰好为1ml 算出每滴油酸酒精溶液的体积 4 用滴管 或注射器 向水面上滴入一滴配制好的油酸酒精溶液 油酸就在水面上慢慢散开 形成单分子油膜 5 待油酸薄膜形状稳定后 将一块较大的玻璃板盖在浅盘上 用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上 6 将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上 算出油酸薄膜的面积 7 据油酸酒精溶液的浓度 算出一滴溶液中纯油酸的体积v 据一滴油酸的体积v和薄膜的面积s 算出油酸薄膜的厚度即为油酸分子的直径 比较算出的分子直径 看其数量级 单位为m 是否为10 10 若不是10 10需重做实验 1 实验时应注意的事项 1 油酸酒精溶液的浓度应小于 2 痱子粉的用量不要太大 并从盘中央加入 使粉自动扩散至均匀 3 测1滴油酸酒精溶液的体积时 滴入量筒中的油酸酒精溶液的体积应为整毫升数 应多滴几毫升 数出对应的滴数 这样求平均值误差较小 4 浅盘里水离盘口面的距离应较小 并要水平放置 以便准确地画出薄膜的形状 画线时视线应与板面垂直 5 要待油膜形状稳定后 再画轮廓 6 利用坐标纸求油膜面积时 以边长为1cm的正方形为单位 计算轮廓内正方形的个数 不足半个的舍去 大于半个的算一个 2 可能引起误差的几种原因 1 纯油酸体积的计算引起误差 2 油膜面积的测量引起误差主要是有两个方面 油膜形状的画线误差 数格子法本身是一种估算的方法 自然会带来误差 微观量的估算 例证1 2012 青岛模拟 8分 已知汞的摩尔质量为m 200 5 10 3kg mol 密度为 13 6 103kg m3 阿伏加德罗常量na 6 0 1023mol 1 求 1 一个汞原子的质量 用相应的字母表示即可 2 一个汞原子的体积 结果保留一位有效数字 3 体积为1cm3的汞中汞原子的个数 结果保留一位有效数字 解题指南 把握宏观量与微观量之间的对应关系 由联系宏观量 物体的体积 质量等 与微观量 分子体积 质量等 的桥梁 阿伏加德罗常数求解相关问题 规范解答 1 一个汞原子的质量为 2分 2 一个汞原子的体积为 3分 3 1cm3的汞中含汞原子个数 3分 答案 1 2 2 10 29m3 3 4 1022 总结提升 微观量的求解方法 1 分子的大小 分子体积 分子质量属微观量 直接测量它们的数值非常困难 可以借助较易测量的宏观量结合摩尔体积 摩尔质量等来估算这些微观量 其中阿伏加德罗常量是联系宏观量和微观量的桥梁和纽带 2 建立合适的物理模型 通常把固体 液体分子模拟为球形或小立方体形 气体分子所占据的空间则建立立方体模型 分子力 分子势能与分子间距离的关系 例证2 如图为两分子系统的势能ep与两分子间距离r的关系曲线 下列说法正确的是 a 在r大于r1时 分子间的作用力表现为引力b 当r小于r1时 分子间的作用力表现为斥力c 当r等于r2时 分子间的作用力为零d 在r由r1变到r2的过程中 分子间的作用力做负功 解题指南 根据分子势能ep与分子间距离r的关系曲线 分析出r1与r0 r2与r0间的大小关系 从而分析分子力情况 自主解答 选b c 分子间距等于r0时分子势能最小 即r0 r2 当r小于r1时分子力表现为斥力 当r大于r1小于r2时分子力表现为斥力 当r大于r2时分子力表现为引力 所以a错 b c正确 在r由r1变到r2的过程中 分子势能减小 分子力做正功 d错误 总结提升 解答本题的关键在于搞清分子间距与分子间斥力 分子间引力及对外表现的合力关系 对易错选项及错误原因具体分析如下 用油膜法估测分子的大小 例证3 2011 大纲版全国卷 在 油膜法估测油酸分子的大小 实验中 有下列实验步骤 往边长约为40cm的浅盘里倒入约2cm深的水 待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上 用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上 待薄膜形状稳定 将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上 计算出油膜的面积 根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小 用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中 记下量筒内每增加一定体积时的滴数 由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积 将玻璃板放在浅盘上 然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上 完成下列填空 1 上述步骤中 正确的顺序是 填写步骤前面的数字 2 将1cm3的油酸溶于酒精 制成300cm3的油酸酒精溶液 测得1cm3的油酸酒精溶液有50滴 现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上 测得所形成的油膜的面积是0 13m2 由此估算出油酸分子的直径为 m 结果保留1位有效数字 解题指南 解答本题时可按以下思路分析 1 先计算出1滴油酸酒精溶液的体积 进而计算出纯油酸的体积 2 根据油膜图形计算出油膜的面积 进而计算出油酸分子大小 3 根据实验原理确定实验过程的步骤 自主解答 1 实验操作开始之前要先配制油酸酒精溶液 确定每一滴溶液中含有纯油酸的体积 所以步骤 放在首位 实验操作时要在浅盘放水 痱子粉 为油膜形成创造条件 然后是滴入油酸酒精溶液 测量油膜面积 计算油膜厚度 即油酸分子直径 所以接下来的步骤是 2 油酸酒精溶液的体积百分比浓度是一滴溶液的体积是cm3 2 10 8m3 所以分子直径答案 1 2 5 10 10 总结提升 解决油膜法估测分子大小的思路 1 理解分子模型 也就是理解油酸分子在水面上形成的薄膜厚度即分子直径 2 明确溶质和溶剂的关系 正确求出纯油酸体积v 3 准确 数 出油膜的面积s 4 利用求得分子直径 1 2011 广东高考 如图所示 两个接触面平滑的铅柱压紧后悬挂起来 下面的铅柱不脱落 主要原因是 a 铅分子做无规则热运动b 铅柱受到大气压力作用c 铅柱间存在万有引力作用d 铅柱间存在分子引力作用 解析 选d 挤压后的铅分子之间的距离可以达到分子之间存在相互作用力的距离范围内 故不脱落的主要原因是分子之间的引力 故d正确 a b c错误 2 分子间的相互作用力由引力与斥力共同产生 并随着分子间距的变化而变化 则 a 分子间引力随分子间距的增大而增大b 分子间斥力随分子间距的减小而增大c 分子间相互作用力随分子间距的增大而增大d 分子间相互作用力随分子间距的减小而增大 解析 选b 分子力和分子间距离关系图象如图所示 根据该图象可判断分子间引力随分子间距的增大而减小 故a错 分子间斥力随分子间距的减小而增大 b正确 而分子力 图中实线 随分子间距的增大先减小后增大再减小 c d均错 3 做布朗运动实验 得到某个观测记录如图 图中记录的是 a 分子无规则运动的情况b 某个微粒做布朗运动的轨迹c 某个微粒做布朗运动的速度 时间图线d 按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线 解析 选d 布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动 而非分子的运动 故a项错误 既然无规则所以微粒没有固定的运动轨迹 故b项错误 对于某个微粒而言 在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的 所以无法确定其在某一个时刻的速度 也就无法描绘其速度 时间图线 故c项错误 d项正确 4 2012 武昌模拟 用r表示分子间的距离 ep表示分子势能 用r0表示分子引力与斥力平衡时的分子间距 设r 时 ep 0 则 a 当10r0 r r0时 ep随着r的增大而增大b 当r r0时 ep随着r的减小而增大c 当10r0 r r0时 ep不随r的变化而变化d 当r r0时 ep最小且ep最小值为0 解析 选a b 考查分子势能与分子力做功的关系 通过分析分子力做功来判定分子势能的变化 当r r0时分子力表现为斥力 随着r减小 分子力做负功 分子势能增大 同理r r0时 分子力表现为引力 随着r增大 分子力做负功 分子势能增大 故a b正确 c错误 r r0时ep最小为负值 d错误 5 1 气体内能是所有气体分子热运动动能和势能的总和 其大小与气体的状态有关 分子热运动的平均动能与分子势能分别取决于气体的 a 温度和体积b 体积和压强c 温度和压强d 压强和温度 2 1g100 的水和1g100 的水蒸气相比较 下列说法是否正确 分子的平均动能和分子的总动能都相同 它们的内能相同 解析 1 选a 由于温度是分子平均动能的标志 所以气体分子的动能宏观上取决于温度 分子势能是由分子间作用力和分子间距离共同决定的 宏观上取决于气体的体积 因此选项a正确 2 温度相同则说明它们的分子平均动能相同 又因为1g水和1g水蒸气的分子数相同 因而它们的分子总动能相同 所以 说法正确 当100 的水变成100 的水蒸气时 该过程吸收热量 内能增加 所以1g100 的水的内能小于1g100 的水蒸气的内能 故 说法错误 答案 1 a 2 见解析 6 1 一颗炮弹在空中以某一速度v飞行 有人说 由于炮弹中所有分子都具有这一速度v 所以分子具有动能 又由于分子都处于高处 所以分子又具有势能 因此分子的上述动能和势能的总和就是炮弹的内能 试分析这种说法是否正确 2 也有人说 炮弹飞行时 与空气摩擦造成炮弹温度升高 所以炮弹内每个分子的温度都升高 每个分子的动能都增大 试分析这种说法是否正确 解析 1 不正确 物体的内能是指物体内分子无规则热运动的动能和分子间由于相互作用而具有的分子势能的和 它和整个物体宏观有序运动的动能及物体的重力势能mgh即机械能是完全不同的两个概念 是两种形式的能量 物体具有内能的同时 还可具有机械能 物体的机械能可以为零 但物体的内能不可能为零 机械能和内能在一定条件下可相互转化 2 不正确 炮弹飞行时 由于不断克服摩擦力做功 机械能在减少 因摩擦生热 它的温度升高 但温度是宏观量 对单个分子而言 温度无意义 随着温度升高 炮弹内分子的平均动能增大 但对个别分子 其动能不一定增大 答案 见解析 总结提升 物体的内能与机械能的比较 7 1 首先在显微镜下研究悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动的科学家是英国植物学家 他进行了下面的探究 把有生命的植物花粉悬浮在水中 观察到了花粉在不停地做无规则运动 把保存了上百年的植物标本微粒悬浮在水中 观察到了微粒在不停地做无规则运动 把没有生命的无机物粉末悬浮在水中 观察到了粉末在不停地做无规则运动 由此可说明 2 下列说法中正确的是 a 布朗运动是分子无规则运动的反映b 气体分子间距离减小时 分子间斥力增大 引力也增大c 导热性能各向同性的固体 一定不是单晶体d 机械能不可能全部转化为内能 解析 1 英国植物学家布朗在显微镜下研究了液体中花粉的运动 通过这些研究可以证明微小颗粒的运动不是生命现象 2 布朗运动是分子无规则运动的反映 a正确 气体分子间距减小 分子间引力和斥力都增大 b正确 单晶体具有各向异性 但并不是在各种物理性质上都表现为各向异性 c错误 机械能可以全部转化为内能 d错误 答案 1 布朗微小颗粒的运动不是生命现象 2 a b 8 用油膜法估测分子的大小 实验器材有 浓度为0 05 体积分数 的油酸酒精溶液 最小刻度为0 1ml的量筒 盛有适量清水的浅盘 痱子粉 胶头滴管 玻璃板 彩笔 坐标纸 最小正方形边长为1cm 则 1 下面给出的实验步骤中 正确排序应为 填序号 为估算油酸分子的直径 请补填最后一项实验步骤da 待油酸薄膜的形状稳定后 将玻璃板放在浅盘上 用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上b 用滴管将浓度为0 05 的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中 记下滴入1ml油酸酒精溶液的滴数nc 将痱子粉均匀地撒在浅盘内水面上 用滴管吸取浓度为0 05 的油酸酒精溶液 从低处向水面中央滴入一滴d 2 利用以上测量数据 写出单个油酸分子直径的表达式为 解析 1 根据实验原理可得 给出的实验步骤的正确排序为bca 步骤d应为将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上 以坐标纸上边长为1cm的正方形为单位 计算轮廓内正方形的个数 算出油酸薄膜的面积s 2 每滴油酸酒精溶液的体积为1滴油酸酒精溶液所含纯油酸的体积为所以单个油酸分子的直径为