高考物理一轮复习（要点+命题导向+策略）第11章热学课件.ppt

近年高考命题热点多集中在分子动理论 分子大小与个数估算 内能及其改变方面 题型多为选择题 填空题 新考纲中新增了 固体的微观结构 晶体和非晶体 液晶的微观结构 理想气体 液体的表面张力 要在理解基本概念和规律上下功夫 要重视能量转化和守恒定律方面的问题 本章是热学的基础 知识结构分为四部分 第一部分是分子动理论 介绍了分子数 大小的估算 分子热运动和分子力 第二部分是介绍物体的内能 从分子动能和分子势能的角度 阐述物体内能的决定因素 介绍了热力学第一定律 热力学第二定律 把热传递和功结合进去 是广义的能量转化和守恒定律 使本章练习题具有综合性 第三部分是固体的微观结构 晶体和非晶体 液体的表面张力 液晶的结构 第四部分是理想气体 介绍了气体分子运动的特点及气体的微观意义 由于本章知识的微观性 故许多观点需要静下心来想象 有的要善于建立模型 善于类比 要从现象入手 多理解基本概念 逐渐深入理解其中基本论点 课时36分子动理论与内能 考点一分子动理论 基础梳理 1 物体是由大量分子组成的 1 分子模型 对于固体与液体 通常把每个分子都看成球体 是一种简化的模型 是一种近似的处理方法 对于气体分子 一般建立立方体模型 求出的立方体边长是两个相邻的气体分子之间的距离 而不是气体分子的大小 2 分子大小 可以验证分子直径的数量级一般为10 10m 3 分子数目 阿伏加德罗常数na 6 02 1023mol 1 它是联系微观物理量和宏观物理量的桥梁 4 分子质量 分子的质量很小 一般分子质量的数量级为10 26kg 2 分子的热运动 1 扩散现象 不同物质彼此进入对方的现象叫做扩散 扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的证明 2 布朗运动 反映了液体分子的无规则运动 物体的颗粒越小 布朗运动越明显 3 分子运动 分子的无规则运动和温度有关 温度越高 分子的运动越激烈 我们把分子永不停息的无规则运动叫做热运动 3 分子间的相互作用力 1 分子间有空隙 2 分子间的相互作用力 分子间总是同时存在着相互作用的引力和斥力 分子力 是引力与斥力的合力 4 分子动理论分子动理论的基本内容是 物体是由大量分子组成的 分子在做永不停息的无规则运动 分子之间存在着引力和斥力 5 统计规律由于物体是由数量极多的分子组成的 这些分子并没有统一的运动步调 单独来看 各个分子的运动都是无规则的 带有偶然性的 但从整体来看 大量分子的运动却有一定的规律 这种规律叫做统计规律 大量分子的集体行为受到统计规律的支配 疑难详析 1 布朗运动与扩散现象的关系 1 布朗运动与扩散现象是不同的两个现象 但也有相同之处 首先 它们都反映了分子永不停息地做无规则运动 其次 它们都随着温度的升高而表现得愈加明显 2 扩散是两种不同物质接触时 没有受到外界的影响而彼此能够进入对方的现象 气体 液体 固体都有扩散现象 扩散的快慢除了和温度有关外 还和物体的密度差 溶液的浓度有关 密度差 浓度差 越大 扩散进行得越快 布朗运动是悬浮在液体中的微粒所做的无规则运动 其运动的激烈程度与微粒的大小和液体的温度有关 这是两者的不同之处 2 布朗运动与分子运动的关系 1 布朗运动的研究对象是固体小颗粒 分子运动的研究对象是分子 布朗微粒中也含有大量的分子 这些分子也在做永不停息的无规则运动 2 布朗运动的产生原因是由于液体分子无规则运动的撞击 布朗运动的无规则性反映了液体分子运动的无规则性 布朗运动与温度有关 表明液体分子的运动与温度有关 温度越高越激烈 3 布朗运动的特点是永不停息 无规则 颗粒越小现象越明显 温度越高运动越激烈 在任何温度下都可以产生布朗运动 但温度越高布朗运动越明显 4 布朗运动不仅能在液体中发生 也能够在气体中发生 3 计算分子质量和分子个数的方法设物体的体积为v 摩尔体积为vmol 物体的质量为m 摩尔质量为m 一个分子的质量为m0 物体的密度为 则可以计算物体中分子的个数n 4 分子间作用力与分子间距离的关系 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小 随分子间距离的减小而增大 但总是斥力变化得较快 如图1所示 虚线分别表示引力f引 斥力f斥随距离r的变化关系 实线表示分子力f随距离r的变化关系 图1 当r r0时 f引 f斥 f 0 当r r0时 f引和f斥都随距离的减小而增大 但f引 f斥 f表现为斥力 当r r0时 f引和f斥都随距离的增大而减小 但f引 f斥 f表现为引力 当r 10r0 10 9m 时 f引和f斥都已经十分微弱 可以认为分子间没有相互作用力 f 0 深化拓展 1 如何理解固 液 气三态分子的体积在固体和液体分子大小的估算中 每个分子的体积也就是每个分子所占据的空间 虽然采用正方体模型和球形模型计算出分子直径的数量级是相同的 但考虑到误差因素 采用球形模型更准确一些 针对气体分子来说 因为气体没有一定的体积和形状 分子间的平均距离比较大 气体分子占据的空间并非气体分子的实际体积 2 通过哪些实验可以证明分子间存在空隙在研究分子间的空隙时 注意区别宏观中的小空间与分子间的空隙 例如压缩面包时体积会减小 这只表明面包颗粒之间有气体空腔 压缩面包时把气体挤出面包 面包的体积减小 并不能证明分子间有空隙 布朗运动和扩散现象可以证明分子间有空隙 3 为什么气体容易压缩而固体 液体不容易被压缩当固体不被压缩或拉伸时 分子间的距离r r0 当固体被压缩时r r0 分子力迅速表现为强大的斥力 使人感觉很难压缩 液体的情况与固体相似 也是很难被压缩 而气体分子之间的间隙较大 分子力近似为零 所以很容易被压缩 考点二内能 基础梳理 1 分子的动能分子由于热运动而具有的动能称为分子动能 物体内所有分子动能的平均值叫分子的平均动能 温度是分子平均动能的标志 温度越高 分子的平均动能越大 2 分子的势能由于分子间存在着相互作用的分子力 分子间具有的由它们的相对位置决定的势能叫做分子势能 宏观上 分子势能的大小与物体体积有关 微观上 分子势能的大小和分子之间的距离有关 3 物体的内能物体中所有分子热运动的动能和分子势能和总和 叫做物体的内能 疑难详析 1 内能和机械能间的关系内能和机械能是两个不同的物理概念 首先说 它们对应着不同的研究对象和运动形式 机械能对应于宏观物体的机械运动 而物体的内能对应于大量分子的热运动 是大量分子的集体表现 是统计平均的结果 其次决定能量的因素不同 内能与物体的温度 体积有关 而与整个物体的运动速度和物体的相对位置无关 但机械能与物体的运动速度和跟其他物体的相对位置有关 与物体的温度 体积无关 一个物体的机械能可以是零 但是其不会没有内能 物体的内能和机械能是可以互相转化的 例如热机可以将内能转化为机械能 物体通过克服滑动摩擦力做功可以将机械能转化为内能等 2 分子势能与分子间距离的关系一般选取分子间距离r很大 r 10r0 时分子势能为零 势能是标量 其正 负表示比零势能高或低 1 r r0时 分子力表现为引力 随着分子间距离的减小 分子力做正功 分子势能减少 2 r r0时 分子力表现为斥力 随着分子间距离的减小 分子力做负功 分子势能增加 3 平衡位置处 r r0 时 分子势能最小 当取无穷远处分子势能是零时 此时分子势能为负值 深化拓展 如何认识温度 内能 热量间的关系温度 内能与热量是热学部分极易混淆的 又有着密切联系的几个概念 它们有不同的物理意义 温度是描述物体热运动状态的基本参量之一 是大量分子热运动的集体表现 是物体大量分子的平均动能的标志 对个别分子讲温度无意义 温度高表明分子的平均动能大 但此时物体内部也存在着动能很小的分子 不同物质的物体 如果温度相同 则它们分子的平均动能相同 但由于它们的分子质量不同 所以分子的平均速率不同 还要注意 分子的平均动能与宏观上物体的运动速度无关 内能是物体内所有分子动能和势能和总和 内能多的物体温度未必高 温度高的物体内能也未必一定多 热能则是内能的一种通俗而不确切的说法 热量是指热传递过程中内能的改变量 物理学中用它来量度热传递过程中内能转移的能量 一个物体的内能多少是无法测定的 而某过程中内能的转移量是可以测量的 热量就是用来测定内能变化的物理量 考点一用油膜法估测分子的大小一 实验目的学习一种估测分子大小的方法 二 实验原理把一滴油酸 油酸的分子式为c17h33cooh 滴到水面上 油酸的每一个分子可以看成由两部分组成 一部分是c17h33 另一部分是 cooh cooh对水有很强的亲和力 当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时 油酸就在水面上散开 其中的酒精溶于水 并很快挥发 在水面上形成一层纯油酸薄膜 其中c17h33一部分冒出水面 而 cooh部分留在水中 油酸分子直立在水面上 形成一个单分子油膜 如果把分子看成球形 单分子油膜的厚度就可以认为等于油酸分子的直径 如图2所示是单分子油膜侧面的示意图 如果事先测出油酸液滴的体积v 再测出油膜的面积s 就可以估算油酸分子的直径d 图2 三 实验器材注射器 或胶头滴管 量筒 痱子粉 或石膏粉 盛水浅盘 水 油酸酒精溶液 玻璃板 彩笔 坐标纸 四 实验步骤1 往盛水浅盘里倒入约2cm深的水 然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上 2 用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中 记下量筒内增加1ml时的滴数 3 用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液滴在水面上一滴 油酸就在水面上散开 形成一层纯油酸薄膜 4 待油酸薄膜的形状稳定后 将玻璃板放在盛水浅盘上 然后在玻璃板上用彩笔画下油酸薄膜的形状 5 将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上 数出轮廓内的小格子数 计算薄膜面积s 6 根据配制的油酸酒精溶液的浓度 算出一滴溶液中纯油酸的体积v 7 根据一滴纯油酸的体积v和薄膜面积s 计算薄膜厚度即油酸分子的大小 五 数据处理根据上面记录的数据 完成以下表格内容 六 误差分析1 油酸酒精溶液配制后长时间放置 溶液的浓度容易改变 会给实验带来较大误差 2 利用小格子数计算轮廓面积时 轮廓的不规则性容易带来计算误差 为减小误差 不足半个格子的舍去 多于半个格子的算一个 方格边长的单位越小 计算出的面积越精确 3 测量量筒内溶液增加1ml的滴数时 注意正确的观察方法 七 注意事项1 为了防止油酸滴落时外溅 且又容易形成较理想的油膜边界 滴油酸溶液时针头离水面高度为1cm较为适当 当针头靠近水面时 油滴未滴下前 会发现针头下方的粉层已经被排开 这是由于针头中的酒精挥发所致 不影响实验效果 2 画轮廓时要等待油酸面扩散后又收缩稳定时才可进行 油酸扩散后又收缩有两个原因 一是由于水面受油酸滴冲击凹陷后又恢复 二是酒精挥发后液面收缩 3 因为水和油酸都是无色透明的液体 所以要用痱子粉来显示油膜的边界 注意要从盘的中央加痱子粉 由于加粉后水的表面张力系数变小 水将粉粒拉开 同时粉粒之间又存在着排斥作用 粉会自动扩散至均匀 这样做 比将粉撒在水面上的实验效果要好 4 当重做实验时 水从盘的一侧边缘倒出 在这侧边缘会残留油酸 为防止影响下次实验时油酸的扩散和油膜面积的测量 可用少量酒精清洗 并用脱脂棉擦去 再用清水冲洗 这样可保持盘的清洁 5 本实验只要求估算分子的大小 实验结果数量级符合要求即可 题型一微观量的估算 例1 铜的摩尔质量6 35 10 2kg mol 密度为8 9 103kg m3 求 1 铜原子的质量和体积 2 1m3铜所含的原子数 3 估算铜原子的直径 答案 1 1 05 10 25kg1 19 10 29m3 2 8 4 1028个 3 2 8 10 10m 题后反思 1 由宏观量通过阿伏加德罗常数做桥梁 便可求出微观量 应用公式时一定要注意各量的物理意义 2 计算固体或液体的物质的量n摩时 常根据所给固体或液体的质量m 或体积v 利用组成物质的摩尔质量m摩 及密度 来求 即n摩 已知汞的摩尔质量为m 200 5 10 3kg mol 密度为 13 6 103kg m3 阿伏加德罗常数na 6 0 1023 mol 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 答案 1 m0 2 2 10 29m3 3 4 1022个 题型二对内能的理解 例2 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 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量炮弹的内能 试分析这种说法是否正确 解析 物体的内能和机械能是两个不同的概念 物体的内能是指物体内所有分子无规则热运动的动能和分子势能的总和 而机械能是指物体运动的动能和势能的总和 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mv2及物体的重力势能mgh的和 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 物体的机械能可以是零 但物体的内能永不为零 机械能和内能在一定条件下可相互转化 如沿粗糙水平面运动的木块 由于不断克服摩擦力做功 机械能在减少 但木块的内能却在增加 因摩擦生热 它的温度升高了 答案 不正确 题后反思 解有关 内能 的题目 应把握以下几点 1 温度是分子平均动能的标志 而不是分子平均速率的标志 它与单个分子的动能及物体的动能无任何关系 2 内能是一种与分子热运动及分子间相互作用相关的能量形式 与物体宏观有序的运动状态无关 它取决于物质的量 温度 体积及物态 关于物体内能 下列说法中正确的是 a 相同质量的两个物体 升高相同的温度内能增量一定相同b 在一定条件下 一定量0 的水结成0 的冰 内能一定减小c 一定量的气体体积增大 但既不吸热也不放热 内能一定减小d 一定量的气体吸收热量而保持体积不变 内能一定减小 解析 升高相同的温度 分子的平均动能增量相同 而物体的内能是物体内所有的分子的动能和势能的总和 分子的平均动能增量相同 分子数不同 分子的势能也不一定相同 所以内能增量一定相等是不正确的 即a错 0 的水变成0 的冰 需放出热量 因温度不变 所以分子的动能不变 分子的势能就必须减少 因而内能就一定减少 即b正确 一定质量的气体体积增大 气体对外做功 又因不吸热不放热 所以内能一定减少 即c正确 对一定量气体吸热但体积不变 即不对外做功 外界也不对气体做功 内能一定增加 即d错 答案 bc 题型三油膜法测分子直径 例3 在做用油膜法估测分子大小的实验中 将油酸溶于酒精 其浓度为每104ml溶液中有6ml油酸 用注射器测得1ml上述溶液有75滴 把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里 待水面稳定后 将玻璃板放在浅盘上 用笔在玻璃板上描出油酸的轮廓 再把玻璃板放在坐标纸上 其形状和尺寸如图3所示 坐标纸上正方形方格的边长为1cm 试求 图3 1 油酸膜的面积是多少 2 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少 3 按以上实验数据估测出油酸分子的直径 解析 1 根据图形 数得格子数为129个 那么油膜面积是s 129 1cm2 129cm2 答案 1 129cm2 2 8 10 6ml 3 6 2 10 10m题后反思 1 必须注意单位的统一 2 计算油膜面积时 必须遵循 数格子法 的原则 不足半个的舍去 大于半个的算一个 3 要注意纯油酸体积的计算方法 用油膜法估测油酸分子的大小 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45 50cm2浅盘 痱子粉 橡皮头滴管 玻璃板 彩笔 坐标纸 1 下面是实验步骤 请填写所缺的步骤ca 用滴管将浓度为0 05 油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中 记下滴入1ml油酸酒精溶液时的滴数n b 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 从低处向水面中央一滴一滴地滴入 直到油酸薄膜有足够大的面积又不与器壁接触为止 记下滴入的滴数nc d 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 用已给的和测得的物理量表示单个油酸分子的直径大小 单位 cm 解析 本题考查实验操作和理解能力 1 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 1 2009 北京高考 做布朗运动实验 得到某个观测记录如图4 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 图4 解析 本题考查布朗运动的特点和布朗运动与液体分子运动的关系 意在考查考生对热学中基本的现象的掌握情况 布朗运动是小颗粒的无规则运动 图中是每隔相等的时间间隔内颗粒的位置连线图 不是运动轨迹 从一个位置到另外的位置是怎样运动的 无从得知 答案 d 2 下列说法正确的是 a 布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒