物理选择性必修 第三册1 分子动理论的基本内容学案

这是一份物理选择性必修 第三册1 分子动理论的基本内容学案，共23页。学案主要包含了物体是由大量分子组成的，分子的热运动，分子间的作用力，分子动理论等内容，欢迎下载使用。
教学设计·高端引领
新课导入
如图当我们经过一片桃花林时,在不远处很快就会闻到扑鼻的花香,这说明分子在运动,那么分子的运动规律是怎样的呢?它运动的快慢与什么有关呢?用弹簧测力计在空气中称量玻璃板的重量为G,把玻璃板紧贴在水面上,用弹簧测力计向上提玻璃板,要使玻璃板离开水面,弹簧测力计的示数大于G,是什么力使弹簧测力计的示数增加的,这种力有什么特点呢?
教学建议
关于对分子动理论的理解可从以下五个方面进行教学:
1.通过宏观和微观两个方面体验物体是由大量分子组成的。
2.做好扩散的演示实验,使学生体会到不论是气体、液体还是固体的分子都会发生扩散,且扩散的速度随温度的升高而变快。
3.通过布朗运动的实验,使学生了解悬浮颗粒的无规则运动是分子无规则运动的反映,并且随温度的升高而加剧。
4.列举常见的现象,做好演示实验,使学生对分子间的作用力有一个感性认识。
5.通过弹簧模型类比分子间作用力与距离的关系,帮助学生认识分子力的特点。
必备知识·素养奠基
一、物体是由大量分子组成的
1.1 ml水中含有水分子的数量就达6.02×1023个,这足以表明,组成物体的分子是大量的。
2.用放大几亿倍的扫描隧道显微镜才能观察到物质表面原子的排列。
二、分子的热运动
(一)扩散现象
1.定义:不同种物质能够彼此进入对方的现象。
2.产生原因:扩散现象不是外界作用,也不是化学反应,而是物质分子的无规则运动产生的。
3.应用:生产半导体器件时,需要在纯净半导体材料中掺入其他元素,在高温条件下通过分子的扩散来完成。
(二)布朗运动
1.定义:悬浮微粒的无规则运动叫作布朗运动,是英国植物学家布朗在显微镜下观察到的。
2.产生布朗运动的原因:液体分子无规则运动对固体微小颗粒各个方向撞击作用的不平衡性。
3.影响布朗运动的因素:
(1)微粒越小,布朗运动越明显。
(2)温度越高,布朗运动越激烈。
(三)热运动
1.定义:分子这种永不停息的无规则运动叫作热运动。
2.温度是分子热运动剧烈程度的标志。温度越高,扩散得就越快;温度越高,悬浮颗粒的布朗运动就越明显。
三、分子间的作用力
思考 气体很容易被压缩,为什么液体和固体不容易被压缩呢?
提示:气体分子之间存在很大的间隙,分子间的作用力小;液体和固体分子之间的间隙很小,分子间的相互作用力较大。
1.分子间有空隙:
(1)气体很容易被压缩,表明气体分子间有很大的空隙。
(2)水和酒精混合后总体积减少,说明液体分子之间存在着空隙。
(3)压在一起的金块和铅块,各自的分子能扩散到对方的内部,说明固体分子之间有空隙。
2.分子间存在着相互作用力:
分子间同时存在着相互作用的引力和斥力,大量分子能聚集在一起形成固体或液体,说明分子间存在着引力;用力压缩物体,物体内要产生反抗压缩的作用力,说明分子间存在着斥力。
3.分子力与分子间距离变化的关系:
(1)r0的意义:分子间距离r=r0时,引力与斥力大小相等,分子力为零,所以分子间距离等于r0(数量级为10-10 m)的位置叫平衡位置。
(2)分子间的引力和斥力都随分子间距离r的增大而减小,但斥力减小得更快。
4.分子间存在引力和斥力的原因: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。
四、分子动理论
1.定义:在热学研究中常常以这样的基本内容为出发点,把物质的热学性质和规律看作微观粒子热运动的宏观表现。这样建立的理论叫作分子动理论。
2.基本内容: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,分子之间存在着相互作用力。
3.对于任何一个分子而言,在某时刻的运动具有偶然性;但对大量分子的整体而言,它们的运动表现出规律性。
关键能力·素养形成
一 阿伏加德罗常数的理解
1.分子的简化模型:实际分子的结构是很复杂的,且形状各异。但如果我们只关心分子的大小,而不涉及分子内部的结构和运动,既可以把分子看成球体,也可以把分子看成立方体。具体分析如下:
(1)球体模型:固体和液体可看作一个紧挨着一个的球体分子排列而成的,忽略分子间空隙,如图甲所示。
(2)立方体模型:气体分子间的空隙很大,把气体分成若干个小立方体,气体分子位于每个小立方体的中心,每个小立方体是平均每个分子占有的活动空间,忽略气体分子的大小,如图乙所示。
2.分子大小的估算:
(1)对于固体和液体,分子间距离比较小,可以认为分子是一个个紧挨着的,设分子体积为V,则分子直径d=(球体模型)。
(2)对于气体,分子间距离比较大,处理方法是建立立方体模型,从而可计算出两气体分子之间的平均间距d=(立方体模型)。
3.阿伏加德罗常数的应用:
(1)微观量:分子质量m0,分子体积V0,分子直径d。
(2)宏观量:物质的质量M、体积V、密度ρ、摩尔质量MA、摩尔体积VA。
(3)微观量与宏观量的关系:
①分子质量:m0==。
②分子体积:V0==(适用于固体和液体)。
③物质所含的分子数:N=nNA=NA=NA。
④阿伏加德罗常数:NA====(只适用于固体、液体)。
⑤气体分子间的平均距离:d==(V0为气体分子所占据空间的体积)。
⑥固体、液体分子直径:d==(V0为分子体积)。
4.物体是由大量分子组成的,分子的大小很小:
(1)分子直径的数量级为10-10 m。
(2)分子体积的数量级一般为10-29 m3。
(3)分子质量的数量级一般为10-26 kg。
(4)分子如此微小,用高倍光学显微镜也看不到,直到1982年人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜,才观察到物质表面原子的排列。
【思考·讨论】
阿伏加德罗常数是一个重要常数,NA=6.02×1023 ml-1,它是联系宏观世界与微观世界的桥梁。
(1)为什么说阿伏加德罗常数NA是联系宏观世界与微观世界的桥梁?
提示:阿伏加德罗常数把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量联系起来了,所以说阿伏加德罗常数NA是联系宏观世界与微观世界的桥梁。
⇔NA⇔
(2)摩尔体积=NA×一个分子的体积,对所有物质都成立吗?
提示:不都成立,固体和液体可看作一个紧挨着一个的球形分子排列而成的,不考虑分子间距离,近似成立,对于气体来说,分子间距离比较大,气体摩尔体积=NA×一个气体分子占据的体积。
(3)结合阿伏加德罗常数的意义,说说如何求出单个水分子的质量。
提示:用M表示水的摩尔质量,用m表示单个水分子的质量,NA表示阿伏加德罗常数,则有m=。
【典例示范】
很多轿车中设有安全气囊以保障驾乘人员的安全,轿车在发生一定强度的碰撞时,利用三氮化钠(NaN3)爆炸产生气体(假设都是N2)充入气囊。若氮气充入后安全气囊的V=56 L,囊中氮气密度ρ=2.5 kg/m3,已知氮气摩尔质量M=0.028 kg/ml,阿伏加德罗常数NA=6×1023 ml-1,试估算:
(1)囊中氮气分子的总个数N;
(2)。(结果保留一位有效数)
【审题关键】
【解析】(1)设N2的物质的量为n,则n=
氮气的分子总数N=NA
代入数据得N=3×1024个
(2)每个分子所占的空间为V0=
设分子间平均距离为a,则有V0=a3,即a==
代入数据得a≈3×10-9 m。
答案:(1)3×1024个 (2)3×10-9 m
【规律方法】微观量的求解方法
(1)阿伏加德罗常数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、液体分子模拟为球体或小立方体,气体分子所占据的空间则建立立方体模型。
【素养训练】
1.为了节约用水,某公园专门设计了雨水回收系统,平均每年可以回收雨水10 500 m3,相当于100户居民一年的用水量,请你根据上述数据估算一户居民一天的平均用水量与下面哪个水分子数目最接近(设水分子的摩尔质量为M=1.8×
10-2 kg/ml)( )
A.3×1031个 B.3×1028个 C.9×1027个 D.9×1030个
【解析】选C。每户居民一天所用水的体积V= m3≈0.29 m3,该体积所包含的水分子数目n= NA=×6.02×1023个≈9.7×1027个,选项C正确。
2.据统计“酒驾”是造成交通事故的主要原因之一,交警可以通过手持式酒精测试仪很方便地检测出驾驶员呼出的气体中的酒精含量,以此判断司机是否饮用了含酒精的饮料,当司机呼出的气体中酒精含量达2.4×10-4 g·L-1时,酒精测试仪开始报警。假设某司机呼出的气体刚好使酒精测试仪报警,并假设成人一次呼出的气体体积约为300 mL,试求该司机一次呼出的气体中含有酒精分子的个数(已知酒精分子的摩尔质量为46 g·ml-1,NA=6.02×1023 ml-1)。
【解析】该司机一次呼出气体中酒精的质量为m=2.4×10-4×300×10-3 g=7.2×10-5 g,一次呼出酒精分子的个数为N=·NA=×6.02×1023个≈9.42×1017个。
答案:9.42×1017个
二 扩散现象和布朗运动的理解
1.影响扩散现象明显程度的三个因素:
(1)物态:
①气态物质的扩散现象最快、最显著。
②固态物质的扩散现象最慢,短时间内非常不明显。
③液态物质的扩散现象明显程度介于气态与固态之间。
(2)温度:同种物质,扩散现象发生的明显程度与物质的温度有关,温度越高,扩散现象越显著。
(3)浓度差:两种物质的浓度差越大,扩散现象越显著。
2.布朗运动与分子热运动的关系:
(1)布朗运动是无规则的,反映分子运动是无规则的;
(2)布朗运动是永不停息的,反映分子运动是永不停息的;
(3)温度越高布朗运动越激烈,反映温度越高,分子的运动越激烈。
3.布朗运动与扩散现象的异同点:
【思考·讨论】
在显微镜下追踪一颗在水中做布朗运动的花粉,每隔30 s把花粉的位置记录下来,得到某个观测记录如图,画出的轨迹是花粉的运动轨迹吗?
提示: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,只是反映了分子的无规则运动。对于某个花粉而言在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的,运动是无规则的,所以微粒没有固定的运动轨迹,图上只是每隔30 s花粉颗粒位置的连线而不是花粉的运动轨迹。
【典例示范】
如图所示,描绘了一个微粒受到它周围液体分子撞击的情景,每个液体分子撞击时都给微粒一定的冲力,试解释:
(1)体积很小的微粒做无规则运动;
(2)较大的悬浮微粒不做布朗运动。
【解析】(1)由于微粒的体积很小,在某一瞬间和它相撞的分子数目也比较少,如果从某一个方向撞击的分子数多于从其他方向撞击的分子数,微粒受到的分子冲力就不平衡,它将在冲力大的方向产生加速度,下一瞬间,在另外一个方向上受到的冲力大一些,微粒又在那个方向产生加速度。这样,就引起了微粒无规则的运动。做布朗运动的微粒虽然不是分子,但是它的无规则运动是液体分子无规则运动的反映。
(2)如果悬浮微粒比较大,虽然它也受到周围液体分子的碰撞,由于同时跟它碰撞的分子数较多,来自各个方向的冲击力的平均效果可以认为是相互平衡的。而且微粒的质量较大,受到很小的冲击力,也很难改变原有的运动状态,所以较大的悬浮微粒不做布朗运动。
答案:见解析
【素养训练】
1.如图所示是用显微镜观察到的悬浮在水中的一个花粉微粒的布朗运动等时间间隔位置的连线,以微粒在A点开始计时,每隔30 s记下一个位置,依次得到B、C、D、E、F、G、H、I、J、K各点。则在第75 s末时微粒所在的位置是( )
A.一定在C、D连线的中点
B.一定不在C、D连线的中点
C.一定在C、D连线上,但不一定在C、D连线的中点
D.不一定在C、D连线上
【解析】选D。在60 s到90 s时间内,微粒由C运动到D,但C、D连线并不是其轨迹,所以第75 s末时微粒可能在C、D连线上,也可能不在C、D连线上,故D选项正确。
2.(多选)下列语句中,描述分子热运动的是( )
A.酒香不怕巷子深 B.踏花归去马蹄香
C.影动疑是玉人来D.风沙刮地塞云愁
【解析】选A、B。酒香在空气中传播,马蹄上的花香在空气中传播都属于扩散现象,是由分子无规则运动引起的,A、B正确;影动是由光学因素造成的,与分子热运动无关,C错误;风沙刮地是沙子在自身重力和气流的作用下所做的运动,不是分子的运动,D错误。
【补偿训练】
用显微镜观察液体中悬浮颗粒的布朗运动,所得到的结论正确的是( )
A.布朗运动是分子的运动
B.悬浮颗粒越大,布朗运动越激烈
C.液体温度越低,布朗运动越激烈
D.布朗运动是液体分子无规则运动的反映
【解析】选D。布朗运动是固体颗粒的无规则运动,不是分子的运动,是液体分子无规则运动的反映,A错误,D正确;悬浮颗粒越小、液体温度越高,布朗运动越激烈,B、C错误。
三 对分子力的认识
1.分子力的性质:根据现代分子结构理论,分子由原子组成,原子又是由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子形成的电子云组成的,可见,分子是一个复杂的带电系统,毫无疑问,分子间的作用力应属于电磁力。
2.分子力的特点:
(1)分子间总是同时存在引力和斥力,实际表现出来的是它们的合力。
(2)分子间作用力随分子间距离而变化,当分子间的距离大于r0时,引力和斥力都随分子间距离的增大而减小,但斥力的变化比引力的变化要快。
(3)分子力是短程力,分子间的距离超过分子直径的10倍,即1 nm 的数量级时,可以认为分子间作用力为零,气体分子间的作用力可忽略不计。
3.分子力的规律:
(1)图像表示(如图所示):
①当r=r0时,F引=F斥,F=0。
②当rr0时,F引和F斥都随分子间距离的增大而减小,但F斥减小得更快,分子力表现为引力。
④当r≥10r0(10-9 m)时,F引和F斥都十分微弱,可认为分子间无相互作用力(F=0)。
(2)模型表示:
分子间的相互作用力像弹簧连接着的两个小球间的相互作用力。小球代表分子,弹簧的弹力代表分子斥力和引力的合力。如表所示:
①当弹簧处于原长时(r=r0),象征着分子力的合力为零。
②当弹簧处于压缩状态时(rr0),象征着分子力的合力为引力。
4.分子力的宏观表现:
(1)当外力欲使物体拉伸时,组成物体的大量分子间将表现为引力以抗拒外界对它的拉伸。
(2)当外力欲使物体压缩时,组成物体的大量分子间将表现为斥力以抗拒外界对它的压缩。
(3)大量的分子能聚集在一起形成固体或液体,说明分子间存在引力。固体有一定形状,液体有一定的体积,而固体、液体分子间有间隙,却没有紧紧地吸在一起,说明分子间还同时存在着斥力。
【思考·讨论】
1.一段小铅柱,用刀切成两段,然后把两个断面对接,稍用力就能使两段铅柱接合起来,一端挂几千克的重物,也不会把铅柱拉开,而玻璃碎了却不能重新接合,为什么?
提示:这是因为,第一,分子间有力的作用;第二,分子间的作用力与分子间的距离有关。铅柱切口很平时,稍用压力就能使两断面分子间距离达到引力作用的距离,使两段铅柱重新接合起来。玻璃断面凹凸不平,即使用很大的力也不能使两断面间距接近分子引力作用的距离;绝大多数的分子距离远大于10-9 m,分子力已近似为零了,总的分子引力非常小,所以碎玻璃不能接合,若把玻璃加热,玻璃变软,亦可重新接合。
2.当物体被拉伸时,分子间的作用力表现为引力,物体“反抗”被拉伸,这时分子间还有斥力吗?
提示:有。这是因为分子间的引力和斥力总是同时存在的,分子间表现为引力,只不过是引力大于斥力,对外表现出引力。
3.分子间存在空隙,大量分子却能聚集在一起形成固体、液体,那么分子是依靠什么聚集在一起的呢?
提示:大量的分子能聚集在一起形成固体或液体,说明分子间存在引力。
【典例示范】
有甲、乙两个分子,甲分子固定不动,乙分子由无穷远处逐渐向甲靠近,直到不再靠近为止,在这整个过程中( )
A.分子力总对乙做正功
B.乙总是克服分子力做功
C.先是分子力对乙做正功,然后乙克服分子力做功
D.乙先克服分子力做功,然后分子力对乙做正功
【解析】选C。乙分子从无穷远逐渐向甲靠近过程中,当甲、乙两分子间距大于r0时,分子力表现为引力,分子力对乙做正功;当分子间距小于r0时,分子力表现为斥力,分子力对乙做负功。所以本题正确答案是C。
【误区警示】分析有关分子间作用力问题时,要注意抓住以下三点:
(1)分子间的引力和斥力同时存在。
(2)分子间的引力和斥力随分子间距离变化时,同时增大或减小,斥力变化快。
(3)分子间作用力的合力随距离的变化要看分子间距离在哪个范围内。
①rr0时,随r增大,分子力先增大后减小。
【素养训练】
1.关于分子间的作用力,以下说法中正确的是(其中r0为分子处于平衡位置时分子之间的距离)( )
A.两个分子间距离小于r0时,分子间只有斥力
B.两个分子间距离大于r0时,分子间只有引力
C.压缩物体时,分子间斥力增大,引力减小
D.拉伸物体时,分子斥力和引力都减小
【解析】选D。分子间的引力和斥力是同时存在的,当r>r0时,它们的合力表现为引力;当rr0,还是r B.r>
C.r>D.r,可解得r>,故B项正确。
【补偿训练】
对下列现象的解释错误的是( )
A.两块铁经过高温加压将连成一整块,这说明铁分子间有吸引力
B.一定质量的气体能充满整个容器,这说明在一般情况下,气体分子间的作用力很微弱
C.电焊能把两块金属连接成一整块是分子间的引力在起作用
D.破碎的玻璃不能把它们拼接在一起是因为其分子间斥力作用的结果
【解析】选D。高温下铁分子运动非常激烈,两铁块上的铁分子间距很容易充分接近到分子力起作用的距离内,所以两块铁经过高温加压将很容易连成一整块,电焊也是相同的原理,所以A、C项正确;通常情况下,气体分子间的距离大约为分子直径的10多倍,此种情况下分子力非常微弱,气体分子可以无拘无束地运动,从而充满整个容器,所以B项正确;玻璃断面凹凸不平,即使用很大的力也不能使两断面间距接近到分子引力作用的距离,所以碎玻璃不能拼接,若把玻璃加热,玻璃变软,可重新拼接,所以D项错误。本题选错误的,故选D。
情境:中国是礼仪之邦,接待客人时常常会泡上一杯热茶,某同学用热水泡茶时发现茶叶很快就会沉入水底,他想如果用冷水来泡茶情况又是怎样的呢?为此他做了用不同温度的水泡茶的实验,并测出了茶叶从加水到下沉所需的时间,结果如表所示。
问题:(1)茶叶放入水中为什么会下沉呢?
提示:茶叶吸水膨胀,它的重力增大,由于重力大于浮力,所以下沉。
(2)从实验数据能得出什么结论?
提示:由表可知,温度越高,分子运动越快,茶叶从加水到下沉的时间越短。
课 程 标 准
素 养 目 标
1.了解分子动理论的基本观点及相关的实验证据。
2.通过实验,了解扩散现象,观察并能解释布朗运动。
3.利用显微镜观察布朗运动。
1.知道物体是由大量分子组成的。(物理观念)
2.知道扩散现象及影响扩散快慢的因素有哪些。(物理观念)
3.理解布朗运动及布朗运动产生的原因。(物理观念)
4.知道分子力随分子间距离变化而变化的定性规律。(物理观念)
5.知道分子动理论的内容。(物理观念)
6.通过对布朗运动的实验现象及成因的分析,体会并归纳其中的科学的研究方法。(科学思维)
7.通过科学家们对布朗运动成因的研究历程的介绍,培养相应的科学精神。(科学态度与责任)
序号
信息提取
①
气囊的容积就是N2的体积
②
氮气分子间的平均距离不是分子直径
③
计算结束后,要注意结果保留一位有效数字
项目
扩散现象
布朗运动
不
同
点
①扩散现象是两种不同的物质相互接触时彼此进入对方的现象
②扩散快慢除和温度有关外,还受到“已进入对方”的分子浓度的限制,当进入对方的分子浓度较低时,扩散现象较为显著,当进入对方的分子浓度较高时,扩散现象不明显,但扩散不会停止
①布朗运动是悬浮在液体或气体中的微粒所做的无规则运动,而不是液体或气体分子的运动
②布朗运动的激烈程度与液体(或气体)分子撞击的不平衡性有关,微粒越小,温度越高,布朗运动越明显
③布朗运动永不停息
相
同
点
①产生的根本原因相同,都是分子永不停息地做无规则运动的反映
②它们都随温度的升高而表现得更激烈
r=r0,F=0
rr0,F表现为引力
温度/℃
20
40
60
80
100
时间/min
220
130
25
10
4