高考物理 分子动理论知识和试题解析

问题1：什么是分子动理论？答：分子动理论是从物质的微观结构来研究宏观的热现象时形成的理论体系。如图所示，在初中物理人教版九年级全一册第十三章《内能》第一节和北师大版八年级全一册第七章《热现象》第五节中我们已经了解到分子动理论包含三个基本内容：①物质是由大量分子组成的。②组成物质的分子在做永不停息的无规则运动。③分子之间存在着相互作用的引力和斥力。问题2：关于分子动理论，在初中物理学习中已经get了哪些知识点？答：初中阶段，关于分子动理论的的三个基本内容，我们有如下的了解。在“物质是由大量分子组成的”方面，我们明确了“分子”的具体含义：在研究热现象时，我们把组成物质的分子、原子和离子等微观粒子统称为“分子”。在“组成物质的分子在做永不停息的无规则运动”方面：我们通过如图所示实验证明了气体、液体和固体都能发生扩散现象；扩散现象表明一切物质的分子都在不停地做无规则的运动；我们还通过实验证明了温度越高，扩散现象越明显，也就表明分子运动越剧烈。在“分子间存在着相互作用的引力和斥力”方面，我们通过如图所示的实验证明了分子之间存在相互作用的引力；又通过固体和液体很难被压缩说明分子之间存在相互作用的斥力。问题3：关于分子动理论的三个基本内容在高中阶段有怎样的进阶？答：高中阶段的学习中，对于分子动理论的三个基本内容进阶的角度如下：对于“物质是由大量分子组成的”这一内容，我们将探究组成物质的分子到底有多大？（本章的第二节中将详细介绍如何利用测量分子的直径）。关于“大量”一词的理解，我们将寻找一种方法定量量度组成物质的分子到底有多少。对于“分子在做永不停息的无规则运动”这一内容，我们将介绍另一个证明分子在做无规则运动的第二个实验证据—布朗运动。对于“分子间存在着相互作用的引力和斥力”我们将进一步了解分子间引力和斥力的变化规律以及其产生机制。

问题4：如何定量计算组成物质的分子到底有多少？答：量度组成物质的分子到底有多少需要引入一个重要的物理量—阿伏伽德罗常数（符号为NA，单位为

mol-1）。1811年，意大利化学家阿伏伽德罗在研究气体的性质时提出：在相同温度和压强下，相同体积的任何气体所含有的分子数都相同。后来人们就把1mol

任何物质中包含相同的粒子数，称为阿伏加德罗常数。阿伏伽德罗常数NA和光速c、万有引力常量G、以及本书后续学习中的普朗克常数h等都是物理学中的重要常数，其具体数值需要利用实验来测定，目前公认的值为：NA=6.02×1023

/mol知道了阿伏伽德罗常数以后，我们就可以计算组成某种物质的一个分子的质量有多大。比如水的摩尔质量为M=18g/mol，因此一个水分子的质量我们还可以计算组成某种物质的一个分子所占的体积。已知水的密度

ρ=1.0×103kg/m3，结合水的摩尔质量可知水的摩尔体积V=M/ρ，假设水分子是紧密排列的，则一个水分子所占的体积上述计算结果说明分子直径的数量级约为10-10m，这一结果的科学性将通过我们下节课的实验得到证实。知道了阿伏伽德罗常数，我们还可以定量计算物质中含有多少分子。比如1瓶矿泉水中含有500g水，因为水的摩尔质量为18g/mol，所以一瓶矿泉水中含有的水分子个数为：以上几个问题的定量推演表明阿伏伽德罗常数是微观世界的重要常数，是联系微观世界和宏观世界的桥梁。分子数量（（1023）之大使得人们无法对组成物质的每一个分子进行分析和研究，因此研究热现象时选择由大量分子组成的集合体作为研究对象，这样的集合体被称作做热力学系统。问题5：什么是布朗运动？

答：如图所示，把碳素墨水用纯净水稀释成悬浊液，并取一小滴放在载玻片上，盖上盖玻片，放在显微镜下观察。选择其中几个碳粒每隔一定时间记录其位置，得到的位置连线如图所示。虽然图中的连线不代表炭粒的运动轨迹，但这样的连线表明炭粒的运动是不规则的。以上的实验现象最早由英国植物学家布朗在1827年发现，布朗在用显微镜观察在水中的花粉时，发现了花粉颗粒在水中做无规则运动，因此人们把类似的悬浮在液体或者气体中的固体颗粒的无规则运动称为布朗运动。对布朗运动进行更多的实验可以发现：颗粒越小，布朗运动越明显；温度越高，布朗运动越明显。问题6：为什么布朗运动间接反映了液体分子在做永不停息的无规则运动？答：布朗运动最初被认为是由外界影响引起的，但进一步实验发现即使排除了外界干扰，布朗运动依然存在并能持续进行。这样的实验结果表明外界影响不是产生布朗运动的本质原因。

1877年，德绍尔克思（J.Desaulx）提出布朗运动是颗粒的运动是受到了液体分子四面八方的撞击的不平衡引起的，如图所示。颗粒越小，某一瞬间跟颗粒撞击的分子数越少，不平衡就越明显，布朗运动就越剧烈。只有液体分子的无规则运动才能使任意很短时间内从不同方向撞击颗粒的分子数不同，从而引起上述撞击作用的不平衡。因此虽然布朗运动不是颗粒分子的运动，但反映了液体内部分子的运动及其无规则性。上述定性分析过程在1905年由爱因斯坦给出了定量的理论分析并由佩兰于1908年通过实验证实。扩散现象和布朗运动均表明分子无规则运动的剧烈程度与温度有关，温度越高，分子运动的越剧烈，因此分子的无规则运动又被称为“热运动”。分子运动的无规则性同样使得研究单个分子的运动意义不大，这也是热现象中选择一个“热力学系统”作为研究的原因之一。那么该采用怎样的方法研究大量分子组成的热力学系统呢，这个问题将在本章的第三节中详细介绍。问题7：为什么分子间存在相互作用的引力和斥力？答：分子是由原子组成的，我们以原子为例分析分子间的引力和斥力是如何产生的。通过化学的学习我们知道，原子中有一个带正电的核，核外有带负电的电子，整个原子呈电中性。分子间的作用力是原子核与电子之间的电磁相互作用引起的。众所周知，电磁相互作用的大小与距离有关。如图所示，当两个原子相距较远时，可以认为相互之间没有力的作用。当两原子接近时，原子1的原子核对原子2的电子有吸引的作用，原子2的原子核对原子1的电子也有吸引的作用，于是两原子之间产生了引力。当两原子相当靠近时，两原子核之间的斥力大于原子核对对方电子的引力，于是两原子之间就产生了斥力。问题8：分子间相互作用的引力和斥力与分子间距离具有怎样的关系？答：分子力很复杂，不能用实验测定。在实验基础上，通过简化模型来进行研究的结果表明分子间引力和斥力随分子间距离的变化关系为（此关系高中阶段不作要求，仅供参考）：分子间的引力和斥力都随着分子间距离的增大而减小，但斥力比引力变化的更快，通常说的分子力是引力和斥力的合力。用图像表示引力和斥力及其合力—分子力随分子间距离的变化规律，如图所示。根据图像可知：当r＝r0时，引力和斥力大小相等，分子力F为0，因此r0这个位置被称为平衡位置；当r<

r0

时，斥力大于引力，分子力F表现为斥力；当r

>

r0

时，斥力小于引力