2011高考物理 分子动理论讲义新人教版

20112011 高考物理高考物理 分子动理论讲义分子动理论讲义 新人教版新人教版 温故自查 1 分子是具有各种物质的 性质的最小粒子 或是 如金属 或是 如盐类 或是 如有机物 2 用油膜法测得分子直径 有机物质的大分子除外 的数量级为 m 说明分子的体积极其微小 化学 原子 离子 分子 10 10 3 一般分子质量的数量级为 kg 4 分子间有间隙 5 阿伏加德罗常数 1mol 的任何物质都含有相同的粒子数 这个数的测量值 NA mol 1 10 27 10 28 6 02 1023 考点精析 阿伏加德罗常数的应用 阿伏加德罗常数是联系宏观世界和微观世界的桥梁 在此所指的微观物理量为 分子的体积 v 分子的直径 d 分子的质量 m 宏观物理量为 物质的体积 V 摩尔体积 Vmol 物质的质量 M 摩尔质量 Mmol 物质的密度 在利用阿伏加德罗常数进行估算时 一是要正确选用公式 二是要注意建立恰当的物理 模型 1 计算分子质量 2 计算分子的体积 此公式严格来说是表示每个分子平均占有的空间 由于固体和液体的分子是紧密排列的 分子间距小 我们可以认为分 子占有的空间和分子的体积几乎是一样的 因此此公式可以计算固体和液体的分子体积 对于气体由于气体分子间隙很大 气体分子占有的空间比分子体积 大很多 此公式仅仅能表示气体分子平均占有的空间 温故自查 1 扩散现象 相互接触的物质彼此进入对方的现象 温度越高 扩散 2 布朗运动 在显微镜下看到的悬浮在液体中的 的永不停息的无规则运动 它是 而产生的 颗粒越小 运动越 温度越高 运动越 布朗运动 液体分子的运动 是分子热运动的反映 越快 固体颗粒 大量的 液体分子对固体颗粒的撞击 激烈 不是 明显 考点精析 如何理解布朗运动 1 布朗运动是指悬浮小颗粒的运动 布朗运动不是一个单一的分子的运动 单个分子是看不见的 悬浮小颗粒是千万个分子组成的粒子 形成布朗运动的原 因是悬浮小颗粒受到周围液体 气体分子紊乱的碰撞和来自各个方向碰撞效果的不平衡 因此 布朗运动不是分子运动 但它间接证明了周围液体 气体分 子在永不停息地做无规则运动 2 布朗运动在相同温度下 悬浮颗粒越小 它的线度越小 表面积亦小 在某一瞬间跟它相撞的分子数越少 颗粒受到来自各个方向的撞击力越不平衡 另 外 颗粒线度小 它的体积和质量比表面积减小得更快 因而冲击力引起的加速度更大 因此悬浮颗粒越小 布朗运动就越显著 3 相同的颗粒悬浮在同种液体中 液体温度升高 分子运动的平均速率大 对悬浮颗粒的撞击作用也越大 颗粒受到来自各个方向的撞击力越不平衡 由撞 击力引起的加速度更大 所以温度越高 布朗运动就越显著 由此可见影响布朗运动是否剧烈的因素是温度高低及颗粒的大小 温故自查 1 分子间同时存在相互作用的 和 合力叫分子力 2 特点 分子间的引力和斥力都随分子间的 增大而减小 随分子间距离的减小而增大 但斥力比引力变化更 引力 斥力 距离 快 考点精析 1 分子力随分子间距离变化的规律 分子间同时存在着引力和斥力 它们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 但斥力比引力变化得快 所以有以下几种情况 1 当 r r0时 F 引 F斥 对外表现的分子力 F 0 分子处于平衡位置 其中 r0 大约为 10 10m 2 当 r r0时 F 引 F斥 对外表现的分子力 F 为斥力 3 当 r r0时 F 引 F斥 对外表现的分子力 F 为引力 4 当分子间距离的数量级大于 10 9m 时 分子力已变得十分微弱 可以忽略不计 2 分子间的作用力跟距离的关系 F 为正值时 表示斥力 F 为负值时 表示引力 如图所示 3 分子力本质上是电磁力 分子是由原子组成的 原子内部有带正电的原子核和带负电的电子 分子间的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的 4 用分子运动论看物体的固 液 气三态分子的无规则运动将使它们散开 是分子之间的相互作用力使分子聚集在一起 1 固体中 分子的作用力比较强大 绝大部分分子被束缚在平衡位置附近做微小振动 2 液态中 分子力的作用已不能把分子束缚在固定的平衡位置附近 平衡位置是变化的 分子还不能分散远离 3 气态中 分子无规则运动剧烈 分子的作用力微弱 分子可以到处移动 温故自查 1 温度 两种意义 宏观上表示物体的 微观上标志物体内分子热运动的 它是物体分子 的标志 冷热程度 剧烈程度 平 均动能 2 两种温标 摄氏温标 t 单位 在 1 个标准大气压下 水的冰点作为 沸点作为 热力学温标 T 单位 K 把 作为 0K 绝对零度 0K 是的极限 只能接近不能达到 0 100 273 15 低温 考点精析 1 平衡态与状态参量 1 系统 把所研究的对象称为系统 2 物理学中描述物体状态的常用参量为压强 体积 温度 通常用体积描述其几何性质 用压强描述其力学性质 用温度描述其热学性质 3 平衡态 对于一个不受外界影响的系统 无论其初始状态如何 经过足够长的时间后 必将达到一个宏观性质不再随时间变化的状态 这种状态叫平衡 态 2 温度与温标 1 热平衡定律 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡 那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡 2 处于热平衡的系统之间有 共同特性 即温度相同 3 为了定量描述温度 需引入温标 常见温标有摄氏温标和热力学温标 4 热力学温标单位为开 热力学温度与摄氏温度的换算关系为 T t 273 15K 温故自查 1 分子的平均动能 物体内分子动能的平均值叫分子平均动能 是分子平均动能的标志 温度越高 分子平均动能 2 分子势能 由分子间的相互作用和 决定的能量叫分子势能 温度 越大 相对位置 分子势能的大小与物体的体积有关 1 当分子间的距离 r r0时 分子势能随分子间的距离增大而增大 2 当 r r0时 分子势能随分子间的距离减小而增大 3 r r0时 分子势能最小 3 物体的内能 物体内所有分子的的总和叫物体的内能 4 改变物体的内能的两种方式是 和 动能和势能 做功 热传递 考点精析 1 分子平均动能的理解 1 单个分子的动能是没有意义的 有意义的是物体内所有分子动能的平均值 即分子的平均动能 2 温度是物体分子平均动能大小的标志 如有甲乙两个物体 若甲的温度高于乙的温度 则甲物体分子的平均动能大于乙物体分子的平均动能 若温度相等 则它们分子的平均动能是相等的 至于速率的大小 还要看它们分子质量的大小才能比较 3 温度是一个 统计 概念 它的对象是组成物体的分子整体 对单个分子说温度高低是没有意义的 故说此分子的温度升高是不科学的 4 分子平均动能与物体的机械运动状态无关 物体速度大 分子平均动能不一定大 2 分子势能的理解 分子势能与分子之间的距离 宏观表现为物体的体积 有关 分子势能的大小随距离的变化如图所示 由图可知 1 当分子力为零时 即 r r0时 分子势能不是为零 而是最小 2 当 r r0 分子力表现为引力时 随着分子间的距离增大 分子需要不断克服分子力做功 分子势能增大 3 r r0 分子力表现为斥力 随着分子间距离减小 分子需要不断克服分子力做功 分子势能增大 4 分子势能的数值和其他势能一样 也具有相对意义 由图可知 选无穷远处为零分子势能时 分子势能可以大于零 可以小于零 也可以等于零 如果选 r r0处为零势能点 则分子势能只能大于等于零 但是无论选哪个位置为零分子势能点 r r0处分子势能都最小 物体体积改变 物体的分子势能必定发生改变 大多数物质是体积越大 分子势能越大 也有少数反常物质 如冰 铸铁等 体积大 分子势能反而小 3 内能的决定因素 物体的内能与物体的温度 体积 物态和分子数有关 一般说来物体的内能决定因素可从两个方面判定 微观决定因素 宏观决定因素 1 微观决定因素 分子的势能 分子的平均动能 分子的个数 2 宏观决定因素 物体的体积 物体的温度 物体所含物质的多少 即物质的量 实验目的 1 知道本实验的原理及所需的器材 了解实验注意的事项 2 会正确测出一滴油酸酒精溶液中油酸的体积及形成油膜的面积 3 会计算分子的大小 处理好实验数据 4 领会本实验方法构思的特点 理解间接测量微观量的思想 实验原理 油酸分子的一端具有亲水性 另一端具有憎水性 当把酒精稀释过的油酸滴在水面上时 油酸便在水面上散开 其中酒精溶于水 并很快挥发 在水面上形 成有自由边界的一层纯油酸薄膜 形成单分子油膜 如果将油酸看作是球状模型 测出一定体积的油酸溶液在水面上形成的油膜面积 计算出油膜的厚度 这个厚度就等于分子的直径 实验器材 盛水的容器 有溶液刻度并能使油滴溶液一滴一滴下落的滴管或注射器 一个量筒 按一定的比例 一般为 1 200 稀释了的油酸溶液 带有坐标方格的透明 有机玻璃盖板 面积略大于容器的上表面积 少量痱子粉或石膏粉 彩笔 实验步骤 1 用注射器或滴管将一定容积的油酸溶液一滴一滴地滴入量筒 记下量筒内增加一定体积的滴数 求出一滴油酸溶液中所含纯油酸的体积 V 2 向容器中倒入约 2cm 深的水 将痱子粉均匀地撒在水面上 3 小心地将一滴油酸溶液滴到水面上 让它在水面上自由地扩展为油酸膜 4 轻轻地将有机玻璃盖板放到容器上 用彩笔将油酸膜的形状画在玻璃板上 5 利用坐标方格计算出油膜的面积 S 再根据一滴溶液中纯油酸的体积和油膜的面积求出油膜的厚度 D 即为所测分子的直径 数据处理 计算分子直径时 注意加的不是纯油酸 而是酒精油酸溶液 在利用公式 计算时 式中的 V 不是溶液的体积 而应该进行换算 计算出 1 滴酒精油 酸溶液中纯油酸的体积 方法是 设 n 滴酒精油酸溶液是 1mL 则每 1 滴的酒精油酸溶液的体积是事先知道配制溶液的比例是 则 1 滴溶液中的纯油 酸体积 式中的 S 是滴入水中后纯油酸形成的油膜面积 其大小用数坐标纸上对应的格数来计算 以 1cm 为边长的坐标纸上占了多少个格 其面积就是 多少平方厘米 数格时 不足半个格的舍去 多于半格的算 1 个格 这样就可粗略地计算出油酸分子的直径 注意事项 1 痱子粉不要撒得太多 只要能够帮助看清油膜边界即可 2 滴入油酸溶液时 一定要细心 不要一下滴得太多 使油膜的面积过大 3 待测油酸面扩散后又收缩 要在稳定后再画轮廊 扩散后又收缩有两个原因 第一是水面受油酸滴冲击凹陷后恢复 第二是酒精挥发后液面收缩 4 利用坐标纸求油膜面积时 以边长 1cm 的正方形为单位 计算轮廓内正方形的个数时 大于半个的均算一个 5 当重做实验时 水从盘的一侧边缘倒出 在这侧面会残留油酸 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 误差分析 1 由于我们是采用间接测量的方式测量分子的直径 实验室中配制的酒精溶液的浓度 油酸在水面展开的程度 油酸面积的计算都直接影响测量的准确程 度 2 虽然分子直径的数量级应在 10 10m 但中学阶段 对于本实验只要能测出油酸分子直径的数量级在 10 9m 上即可认为是成功的 命题规律 利用阿伏加德罗常数是联系微观量和宏观量的桥梁 运用相应的公式求解或估算有关物理量 考例 1 2008 北京 假如全世界 60 亿人同时数 1g 水的分子个数 每人每小时可以数 5000 个 不间断地数 则完成任务所需时间最接近 阿伏加德罗常数 NA取 6 1023mol 1 A 10 年 B 1 千年 C 10 万年 D 1 千万年 解析 1g 水的物质的量为 mol 1g 水的分子数为 NA 完成任务所需时间年 105年 C 正确 A B D 错误 答案 C 2009 烟台模拟 某学校物理兴趣小组组织开展一次探究活动 想估算地球周围大气层空气的分子个数 一学生通过网上搜索 查阅得到以下几个物理量数据 已知地球的半径 R 6 4 106m 地球表面的重力加速度 g 9 8m s2 大气压强 p0 1 0 105Pa 空气的平均摩尔质量 M 2 9 10 2kg mol 阿伏加德罗常 数 NA 6 0 1023mol 1 1 这位同学根据上述几个物理量能估算出地球周围大气层空气的分子数吗 若能 请说明理由 若不能 也请说明理由 2 假如地球周围的大气全部液化成液态且均匀分布在地球表面上 估算一下地球半径将会增加多少 已知液化空气的密度 1 0 103kg m3 解析 1 能 因为大气压强是由大气重力产生的 把查阅得到的数据代入上式得 m 5 2 1018kg 所以大气层空气的分子数为 n NA 1 1 1044个 2 可求出液化后的体积为 设大气液化后液体分布在地球表面上时 地球半径增加 h 答案 1 能 1 1 1044个 2 10m 命题规律 对布朗运动的理解和通过布朗运动 扩散现象说明分子的热运动 考例 2 2009 湖北省黄岗中学月考 关于分子热运动和布朗运动 下列说法中正确的是 A 悬浮微粒越大 同一时刻与之碰撞的液体分子越多 布朗运动越显著 B 布朗运动是分子无规则运动的反映 C 当物体的温度达到 0 时 物体分子的热运动就会停止 D 布朗运动的剧烈程度和温度有关 所以布朗运动也叫热运动 解析 微粒越大 布朗运动越不显著 A 错误 布朗运动间接反映了液体分子运动的无规则性 B 正确 热运动在 0 不会停止 C 错误 热运动是分子的 无规则运动 布朗运动是悬浮微粒的运动 D 错误 答案 B 总结评述 布朗运动是肉眼直接看不到的 凡是肉眼直接看到的都不是布朗运动 像我们看到的空气中尘埃的运动就不是布朗运动 布朗运动不是分子的 运动 扩散是分子的运动 关于布朗运动的实验 下列说法正确的是 A 上图记录的是分子无规则运动的情况 B 上图记录的是微粒做布朗运动的轨迹 C 实验中可以看到 微粒越大 布朗运动越明显 D 实验中可以看到 温度越高 布朗运动越激烈 解析 布朗运动是指悬浮在液体中的微粒不停地做无规则的运动 它是分子无规则热运动的反映 而分子无规则热运动是产生布朗运动的原因 温度越高 分子运动越激烈 因而布朗运动也越激烈 可见 A 错误 D 正确 微粒越小 某一瞬间 跟它相撞的分子数越少 撞击作用的不平衡性表现得越明显 即布 朗运动越显著 故 C 错误 图中每个拐点记录的是微粒每隔 30s 的位置 在 30s 内微粒做的也是无规则运动 而不是直线运动 故 B 错误 正确答案为 D 答案 D 命题规律 根据分子间的作用力与分子间距离的关系图线 确定分子间作用力随分子间距离的变化情况 同时判定分子力做功的情况 确定分子势能的变 化 考例 3 分子动理论较好地解释了物质的宏观热学性质 据此可判断下列说法中错误的是 A 显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停地做无规则运动 这反映了液体分子运动的无规则性 B 分子间的相互作用力随着分子间距离的增大 一定先减小后增大 C 分子势能随着分子间距离的增大 可能先减小后增大 D 在真空 高温条件下 可以利用分子扩散向半导体材料掺入其他元素 解析 显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停地做无规则运动 这是布朗运动 它间接反映了液体分子运动的无规则性 A 正确 在 rr0时 r 增大 分子间的相互作用力是先变大到最大 然后开始变小 最后为零 故 B 错误 分子间距离从小于 r0变到大于 r0的过程中 分子势能就是先减小后增大 C 正确 利用分子扩散可以向半导体材料掺入其他元素 D 正确 答案 B 下列关于分子势能的说法正确的是 A 当分子距离是 r0时 分子具有最大势能 距离增大 或减小时势能都变小 B 当分子距离是 r0时 分子具有最小势能 距离增大或减小时势能都变大 C 分子距离越大 分子势能越大 分子距离越小 分子势能越小 D 分子距离越大 分子势能越小 分子距离越小 分子势能越大 解析 分子间显引力时 距离越大分子势能越大 分子间显斥力时 距离越小分子势能越大 分子距离为 r0时 分子势能最小 答案 B 命题规律 根据分子平均动能 分子势能概念的理解以及内能的决定因素 判断有关说法或观点是否正确 考例 4 关于物体的内能 下列说法正确的是 A 热水的内能一定比冷水的大 B 当温度等于 0 时 分子动能为零 C 分子间距离为 r0时 分子势能为零 D 温度相等的氢气和氧气 它们的分子平均动能相等 解析 物体内能的多少除了与温度有关之外 还与物体的质量 体积等因素有关 仅根据某一个方面不能比较两个物体内能的大小 因此热水的内能不一 定比冷水大 选项 A 的说法错误 0 是人为规定的一个温度标准 即使在零摄氏度以下 分子也在不停地做无规则运动 因此零摄氏度时分子动能不会等于零 选项 B 的说法错误 分子势能是相对的 零势能点的选取是任意的 在理论分析和计算中都以无穷远为零势能点 因此当分子间距离为 r0时 分子势能不一定为零 选项 C 的说 法错误 选项 D 的说法是正确的 因为 温度是分子平均动能的标志 这个结论在中学的知识范围内还不能严格的证明 要把它作为一个结论记住 这是一个非常 有用的结论 在很多问题中要利用它进行判断 答案 D 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是炮弹的内能 试分析这种说法是否正确 解析 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 它与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