2019-2020年高二物理分子運動論 熱和功備課資料.doc

2019-2020年高二物理分子運動論 熱和功備課資料【教學(xué)結(jié)構(gòu)】 本單元學(xué)習(xí)重點是： 一、分子運動論，分子運動論的基本內(nèi)容是：物質(zhì)由大量分子組成，分子永不停息地做無規(guī)則熱運動，分子間存在著相互作用的引力和斥力。物質(zhì)由大量分子組成，物質(zhì)由原子、分子、離子組成，在這里我們把原子、分子、離子統(tǒng)統(tǒng)看成分子、分子的線度（直徑），分子的質(zhì)量等微觀量都很小。除一些有機物大分子外，一般分子的線度（直徑）的數(shù)量級是1010m；質(zhì)量的數(shù)量級是10271026kg，1摩爾任何物質(zhì)都含有6.021023個分子，我們把6.021023mol1叫阿伏伽德羅常數(shù)，阿伏伽德羅常數(shù)是聯(lián)系微觀世界和宏觀世界的橋梁，由于分子的線度（直徑），質(zhì)量都很小，無法用常規(guī)方法直接測量，但可以通過測出相應(yīng)的宏觀量，應(yīng)用阿伏伽德羅常數(shù)間接求出有關(guān)分子的微觀量，設(shè)單個分子的體積為Vo，分子線度（直徑）為d，分子質(zhì)量為mo；物質(zhì)的體積為V、摩爾體積是Vm，物質(zhì)的質(zhì)量為M、摩爾質(zhì)量為Mm，物質(zhì)的密度為r，物質(zhì)所含分子數(shù)為n，則可用阿伏伽德羅常數(shù)N進(jìn)行以下計算。計算分子質(zhì)量mo=Mm/N。計算分子體積Vo=Vm/N=Mn/rN。計算物質(zhì)所含的分子數(shù)。由于M=rV的公式不適應(yīng)于氣體，所以上述導(dǎo)出式子中凡用過的公式的均不適應(yīng)于氣體，只適用于固體和液體。計算分子的線度（直徑），分子的模型有兩種：球模型和立方體模型，前者常用來討論分子間的相互作用及分子的運動，后者常用來討論分子占有的空間及分子的線度（直徑），當(dāng)分子看為球體模型時，分子線度（直徑）；立方體模型時。分子永不停息地做無規(guī)則運動，初中講的擴散和高中要講的布朗運動都是說明分子永不停息地做無規(guī)則運動的典型實驗現(xiàn)象，布朗運動是指懸浮在液體中的極小固體顆粒的無規(guī)則運動，不是液體分子的運動，布朗運動反映了液體分子永不停息的無規(guī)則運動，液體分子的無規(guī)則運動是產(chǎn)生布朗運動的原因。影響布朗運動的因素是：液體的溫度和懸浮顆粒的大小，液體溫度越高，懸浮顆粒越小布朗運動越明顯，由于分子的無規(guī)則運動與溫度有關(guān)，因而把大量分子的無規(guī)則運動叫熱運動，而布朗運動、擴散現(xiàn)象是熱運動的反映。分子間存在著相互作用的引力和斥力，分子間同時存在著相互作用的引力和斥力，分子間相互作用力情況與分子間距離有關(guān)，當(dāng)分子間的距離為ro時，F(xiàn)引=F斥，合力f=0，ro一般在1010m左右。當(dāng)r>ro時，分子間的引力、斥力都減小，但斥力減小的快，f引>f斥，分子力的合力表現(xiàn)為引力。當(dāng)r<ro時，分子間的引力、斥力都增大，但斥力增加的快，故f引<f斥，分子力的合力表現(xiàn)為斥力，當(dāng)分子間距離r>10ro時，分子間的引力斥力都趨近于零，分子力也認(rèn)為是零，分子間相互作用力隨分子間距離變化的關(guān)系如圖1所示，虛線分別代表引力和斥力，實線表示二者的合力。 二、物體內(nèi)能、熱力學(xué)第一定律分子動能：分子動能是指大量分子無規(guī)則運動的動能，在研究熱現(xiàn)象時，單個分子的功能沒有意義，分子的平均動能是指所有分子動能的平均值，宏觀物理量溫度是分子平均動能的標(biāo)志，分子運動的總動能是物體內(nèi)所有分子熱運動動能的總和，它與分子熱運動的平均動能和物體的分子數(shù)有關(guān)，從宏觀角度去看是與溫度和物體的摩爾數(shù)有關(guān)。分子熱能：分子熱能是指由分子間相互作用和相對位置決定的能，分子勢能從微觀上看與分子間距離和分子排列情況有關(guān)，宏觀上決定于物體的體積和物態(tài)，分子勢能的變化與分子力做功情況有關(guān)，分子力做正功，分子勢能減小；克服分子力做功，分子勢能增加。當(dāng)分子間距離r>10ro時，分子力為零，分子勢能也一直減小，當(dāng)r=ro時分子勢能最小，且為負(fù)值，分子勢能隨分子間距離變?yōu)殛P(guān)系如圖2所示。物體的內(nèi)能：物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和叫物體的內(nèi)能。物體內(nèi)能是一個狀態(tài)量，物體內(nèi)能跟分子數(shù)目的多少、溫度的高低、體積大小以及物質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，做功是其它形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化；熱傳遞是物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。 三、熱力學(xué)第一定律 其內(nèi)容是：物體內(nèi)能的增量等于外界對物體所做的功和物體吸收的熱量的總和，表達(dá)式為DE=W+Q，應(yīng)用比式要注意式中各量符號，外界對物體做功，W取正值；物體對外做功，W取負(fù)值，物體吸收熱量，Q取正值；物體放出熱量，Q取負(fù)值，物體內(nèi)能增加，DE取正值；物體內(nèi)能減小，DE取負(fù)值。 四、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：能量即不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其它的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，而能的總量保持不變?！窘忸}點要】 例1：從下列哪一組數(shù)據(jù)可以計算出阿伏加德羅常數(shù)（ ） A.水的密度和水的摩爾質(zhì)量 B.水的摩爾質(zhì)量和水分子體積 C.水分子的體積和水分子質(zhì)量 D.水分子的質(zhì)量和水的摩爾質(zhì)量 分析解答：阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系宏觀量和微觀量的橋梁，所以計算它必然是性質(zhì)相同的兩個物理量，且其中一個是宏觀量，另一個是微觀量。如已知物質(zhì)分子的體積和物質(zhì)的摩爾體積，物質(zhì)的分子質(zhì)量和物體的摩爾質(zhì)量均可計算出阿伏加德羅常數(shù)，據(jù)此可以排除選項A、B、C，而D選項兩個量性質(zhì)相同，且一個是宏觀量，另一個微觀量，D選項正確。 例2：花粉在水中做布朗運動的現(xiàn)象說明（ ） A.花粉的分子在做無規(guī)則熱運動 B.水分子在做無規(guī)則的熱運動 C.水分子之間是有空隙的 D.水分子之間有分子力作用分析解答：布朗運動是小顆粒的運動，而不是分子的運動，物體小顆粒的布朗運動的起因是液體分子無規(guī)則運動撞擊小顆粒的結(jié)果，它只能間接說明水分子在做無規(guī)則的熱運動，并不能說明花粉分子在做無規(guī)則熱運動。另外，花粉顆粒的布朗運動的直接原因并不是水分子之間有空隙和分子之間的作用力所致，所以A、C、D選項錯，B選項正確。例3：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下估算分子之間的平均間距。 分析解答：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1摩爾的空氣的體積為22.4L，1摩爾空氣中有6.021023個氣體分子，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每個空氣分子平均占有的空間Vo=V/N=22.4103/6.021023=3.721026m3。取立方體模型，則分子的平均間距為，開三次方很困難，可以代入數(shù)值用逼近法求得。 點評：氣體分子的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子的直徑（線度），氣體占有的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體分子占有體積的總和。為估算氣體分子的平均距離，可設(shè)想每個氣體占有相等的空間，而分子位于其對稱中心，為了使空氣分子占有空間的總和跟氣體充滿的空間一致，可將空間均勻分成與分子數(shù)相同的立方體（相當(dāng)分子的立方體模型），則立方體的邊長即為分子間距。例4：水的密度r=1.0103kg/m3，水的摩爾質(zhì)量Mm=1.8102kg/mol，試求：(1)1cm3的水中有多少個水分子。(2)用立方體模型估算水分子的直徑。分析解答：水的摩爾體積Vm=Mm/r=1.8102/1.0103=1.8105(m3/mol)1cm3水中所含分子數(shù)為n=VN/Vm=11066.021023/1.8105=3.31022個，建立水分子的立方體模型，設(shè)邊長為L，則有Vm/N=Vo=L3，。 例5：兩個分子甲和乙相距較遠(yuǎn)（此時分子力可以忽略），設(shè)甲分子固定不動，乙分子逐漸向甲靠近直到不能再靠近，在這個過程中，下列說法正確的是（ ） A.分子力總對乙做正功，分子勢能不斷減小 B.乙總是克服分子力做功，分子勢能不斷增大 C.乙先是克服分子力做功，然后分子力對乙做正功，分子勢能先增大后增小 D.先是分子力對乙做正功，然后乙克服分子力做功，分子勢能先減小后增大 分析解答：分子勢能是由分子間相互作用力和分子間距決定的能量。本題所給出的甲、乙兩分子相距較遠(yuǎn)時，分子力可忽略，此時分子力為零，分子勢能也為零，甲固定不動，乙向甲靠近直到r=ro的過程中，由于r>ro，分子力合力為引力，分子力做正功，分子勢能越來越小，且比零小，為負(fù)值。r=ro時分子勢能最小，乙分子從r=ro到不能再靠近甲的過程中，由于r<ro分子力合力為斥力，分子力做負(fù)功，分子勢能增加。（可參考圖2），所以先是分子力對乙做正功，然后乙克服分子力做功，分子勢能先減小后增大，選項D正確。 點評：判斷分子勢能大小的變化，跟判斷重力熱能一樣，首先確定零勢能點，其次看分子力做功，分子力做正功，分子勢能減小，克服分子力做功，分子勢能增大。 例6：下列說法中正確的是（ ） A.1kg100的水比1kg70的水內(nèi)能大 B.1kg100的水比2kg100的水內(nèi)能小 C.1kg100的水比1kg100的水蒸氣內(nèi)能小 D.標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1kg氫氣和1kg氧氣的內(nèi)能相同。 分析解答：物體內(nèi)能是物體內(nèi)所有分子動能和勢能的總和。它與物體的摩爾數(shù)，溫度、體積和物態(tài)有關(guān)。比較兩個物體內(nèi)能大小應(yīng)抓著相同因素，比較不同因素，A選項都是1kg的水，分子個數(shù)相同，只是溫度不同，分子動能不同。前者100，后者70，故前者內(nèi)能大。B選項中，1kg水比2kg水分子個數(shù)少，1kg水內(nèi)能小。C選項中同時1kg水，溫度均為100，但前者是水，后者是水蒸汽，同溫度的水氣比成同溫度的水蒸所要吸熱，使其分子勢能增大，所以1kg100的水比1kg100蒸氣內(nèi)能小。D選項中，其它因素相同，只是分子數(shù)不同，摩爾數(shù)不同。1kg氫氣摩爾數(shù)為1kg/0.002kg/mol，1kg氧氣摩爾數(shù)為1kg/0.032kg/mol，氫氣摩爾數(shù)大，分子個數(shù)多，內(nèi)能大。故選項A、B、C正確。 點評：物體內(nèi)能無法計算，物體內(nèi)能大小可以比較，比較時抓相同因素，比較不同因素。例7：如圖3所示，容器A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定，A、B的底部由節(jié)有閥門k的管道相連，整個裝置與外界絕熱，原先，A中的水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達(dá)到平衡，在這個過程中（ ） A.大氣壓對水做功，水的內(nèi)能增加 B.水克服大氣壓做功，水的內(nèi)能減小 C.大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能不變 D.大氣壓對水不做功，水的內(nèi)能增加 分析解答：本題主要考察能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，打開閥門k，使A中的水逐漸向B中流，最后水面持平，相當(dāng)于如圖4所示的，A端SAhA體積的水移到B端，當(dāng)然SAhA=SBhB，這部分水的重心降低，重力對水的正功，重力勢能減小了，大氣壓力做功情況是大氣壓時A容器中SAhA的水做正功，對B容積中SBhB的水做負(fù)功。所以，大氣壓力對水做的總功為PoSAhAPoSBhB，由于SAhA=SBhB，所以大氣壓力對水做的總功為零，由于系統(tǒng)絕熱，與外界沒有熱交換，大氣壓對水做的總功為零，只有水重力做功，重力熱能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項D正確。【課余思考】知道哪些物理量能夠計算出阿伏加德羅常數(shù)。比較，分析分子力和分子勢能的兩個圖象。【同步練習(xí)】用油膜法測出油分子直徑后，要測定阿伏加德羅常數(shù)，只需要知道油滴的（ ） A.摩爾質(zhì)量B.摩爾體積C.體積D.密度兩個分子從靠近的不能再近的位置開始，使它們之間距離增大，直到大于分子直徑的10倍以上，這一過程中關(guān)于分子間的相互作用力情況，下列說法中正確的是（ ） A.分子間的引力和斥力都在減小 B.分子間斥力在減小，引力在增大 C.分子間相互作用的合力在逐漸增小 D.分子間相互作用的合力先減小后增大，再減小到零如圖5所示是用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉微粒運動時，描下的一條運動路線，A是微粒在開始計時的位置，B、C、D是以后每隔30S微粒所在的位置，則在75S末微粒所在的位置（ ） A.一定在C、D連線的中點 B.一定不在C、D連線的中點 C.若在C、D連線上，一定在其中點 D.可能在C、D連線的中心關(guān)于熱量、功和物體的內(nèi)能，下述正確的是（ ） A.它們有相同的單位，實質(zhì)也相同 B.物體的內(nèi)能由物體的狀態(tài)決定，而熱量和功由物理過程決定 C.熱量和功在改變物體內(nèi)能方面是等效的，但它們反映的物理過程是不同的 D.對于一個物體，它的內(nèi)能決定于它從外界吸收的熱量與對外做功的代數(shù)和在光滑的水平面上有一個木塊保持靜止?fàn)顟B(tài)，子彈水平射穿木塊，則下列說法中正確的是（ ） A.做功使木塊內(nèi)能改變 B.子彈損失的機械能，等于子彈與木塊增加的機械能 C.子彈損失的機器能，等于木塊增加的機械能與內(nèi)能的總和 D.子彈與木塊組成的系統(tǒng)總動量守恒【同步練習(xí)答案】 B；A、D；D；B、C；A、D【單元點評】 熱學(xué)研究的對象是由大量微觀粒子組成的系統(tǒng)，微觀世界的結(jié)構(gòu)和運動是根據(jù)大量宏觀實驗和觀察，經(jīng)過推理總結(jié)出來的，要注意聯(lián)系宏觀量和微觀量的橋梁阿伏伽德羅常數(shù)。 物體內(nèi)能的具體數(shù)值是無法確定的，但兩物體內(nèi)能的多少是可以比較的，物體內(nèi)能的改變量是可以計算的，做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式，一般情況下物體內(nèi)能變化時，往往同時存在做功和熱傳遞，物體內(nèi)能改變過程遵循的規(guī)律是熱力學(xué)第一定律。