经全国中小学教材审定委员会 2005年初审通过 普通高中课程标准实验教科书 物理 选修33 人民教育出版社课程教材研究所编著 物理课程教材研究开发中心 人人“社
目录 笫七章分子动理论 1物体是由大量分子组成的 2分子的热运动 258 3分子间的作用力 4温度和温标 10 5内能 14 第八章气体 1气体的等温变化 18 2气体的等容变化和等压变化 3理想气体的状态方程 4气体热现象的微观意义 第九章物态和物态变化 固体 2液体 37 3饱和汽与饱和汽压 4物态变化中的能量交换 第十章热力学定律 50 1功和内能 2热和内能 3热力学第一定律能量守恒定律 55 4热力学第二定律 5热力学第二定律的微观解释 6能源和可持续发展 828 课题研究如何提高煤气灶的烧水效率
热学这一门科学起源于人粪对于热与 冷現象的本质的追求……(这)可能是人 类初对自然法則的追求之 王竹溪① 第七章分子动理论 晷春时节,金黃的油菜花铺满了原野。微风拂过,飘来阵阵花香。你有没有想过,为什么够闻到 这池人心瓣的香味呢?古希腊学者德漠克利特早就对此做出了解释,他认为这是由于花的原子飘到了人 们鼻子里。德漠克利特认为“只有原子和虚空是直实的” 古人的原子论仅限于思辨的范畴,没有尝试做出实验验证,随着科技的发展,特别是显微镜的发明, 人们对微观世界的观察越来越深∧,原子论的观点也逐渐为人们所接受,到了1982年,科学家制成了扫 描隧道显微镜,使人类第一次实际观察到原子的排列 ①王竹溪(1911-1983),中国物理学家,中国科学院学部委员(现称院士),北京大学教授
高中物选修3 物体是由大量分子组成的 我们在初中已经学过,物体是由大量分子组成的。一个1um大小的水珠,尺寸与细 菌差不多,其中分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍! 我们可以通过什么途径知道分子的大小呢? 实验 用油膜法估测分子的大小 1.怎样估算油酸分子的大小? 把很小的1滴油酸滴在水面上,水面上会形成一块油 油酸分子 酸薄膜,薄膜是由草层的油酸分子组成的③。尽管油酸分 子有着复杂的结构和形状,但在估测其大小的数量级时, 可以把它简化为球形,示意图如图7.1-1所示。测出油膜 图71-1水面上单 Q的厚度d、就是油酸分子的直径 分子油果的示意图 油膜的厚度等于这一小滴油酸的体积与它在水面上 摊开的面积之比。因此,要估测油酸分子的直径,就要解 分子井不是球形的,但 决两个问题:一是获得很小的一小滴油酸并测出其体积 这里把它们当做球形处理 是一种估算的方法,估算在 二是测量这淌油酸在水面上形成的油膜面积。 物理学的学习和研究中都是 2.如何获得很小的1滴油酸?怎样测量它的体积? 很有用的 请老师配制一定浓度的油酸酒精溶液,例如可以向 Q1mL油酸中加酒精,直至总量达到500mL 各实验小鉏用注射器吸取这样的油酸酒精溶液,把它一滴-滴地滴入小量筒中, 记下液滴的总滴数和它们的总体积,这样便知道l滴溶液的体积了。例如,100淌溶 液的体积是1mL,1淌体积就是10-2mL 根据上面的数据可以计算岀1滴溶液中所含纯油酸的体积。例如,上述例子中 1滴溶液含鈍油酸2×10-3mL ①在研究物质的化学性质时,我们认为组成物质的微粒是分子、原子者离子。但是,在热学中,我们研究的是它 们运动的规律,不必区分它们在化学变化中所起的不同作用,因此,本书把它们统称为分子。 ②油酸的分子式为CH2COOH,它的一部分是羧基-COOH,对水有很强的亲合力;另一部分C1,Hy对水没有亲合 而要冒出水面。因此油酸分子会一个个地直立在水上形成单分子油 2
如果把1滴这样的溶液滴在水面,溶液宁的酒精将溶于水并很快挥发,液面上的 油膜便是这滴溶液中的純油酸形成的。 3.如何测量油膜的面积? 实验中的洄酸薄膜是无色透明的,怎样才能看清它? 先往边长30~40cm的浅盘里倒入约2cm 深的水,然后将癖子粉或细石膏粉均匀地微在水浮在水面上的律子粉## 第七章分子动理论 面上 用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液,油酸 立即在水面散开,形成一块薄膜,薄膜上没有癖子 粉,可以清楚地看出它的轮廓,如图7.1-2 待油酸薄膜形状稳定后,将事先准备好的玻 图7.1-2水面上形成一块油膜 璃板放在浅盘上,在玻璃板上描下油酸膜的形状。 将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,计算轮廓范围内正方形的个数,不足 半个的舍去,多于平个的算一个,把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得到油膜 口的面积 这样,根据1滴油酸的体积V和油膜面积S就可以算出油膜厚度d=,即油 酸分子的大小。 分子的大小把分子看做小球,这是分子的简化模型。实际上,分子有着复杂的内部结 构,并不是小球。我们通常说分子的直径有多大,只是对分子大小的一种粗略描述。知道了 分子尺度的数量级,能使我们了解分子是多么微小。油酸分子大小的数量级是10m 测定分子大小的方法有许多种。尽管用不同方法测出的结果有 差异,但数量级是一致的。测量结果表明,除了一些有机物质的大 分子外,多数分子尺寸的数量级为100m 分子如此微小,不但用肉眼无法直接看到它们,就是用高倍的 光学显微镜也看不到。直至1982年,人们研制了能放大几亿倍的 扫措隧道显微镜Φ,才观察到物质表面原子的排列,使人类第一次 实际看到单个原子。图7.1-3是我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄 的石墨表面原子,图中每个亮斑都是一个碳原子。 图7.1-3用扫描隧道显微镜 拍摄的石墨表面原予照片 阿伏加德罗常数我们在化学课中学过,1mol的任何物质都含有相同的粒子数,这个 数量用阿伏加德罗常数( Avogadro constant)表示。 ①由于发明了扫描隧道显糖,国物理学家宾尼希(G. Binnig)和端士物理学家罗雷尔( H Rohrer)共间获得1986年 诺贝尔物理学奖
高中物选修3-3 考与讨论 以水分子为例,知道了分子的大小,不难估算阿伏加德罗常数 1.已知每个水分子的直径是4×10m,每个水分子的体积约为多少? 2我们还知道水的摩尔体积是18×103m/mol,如果水分子是一个挨一个地排 列的,那么1mol水所含的水分子数是多少? 把你的估算结果与化学课本中的阿伕加德罗常数初比较 为了得到更精确的阿伏加德罗常数,科学工作者不断地用各种方法测量它。1986年利用 X射线测得的阿伏加德罗常数是 NA=6.0221367×103mol 通常可取 NA=602×102mol-l 在粗略计算中,甚至可取 NA=60×10°mol 阿伏加德罗常数是一个重要的常数。它把摩尔质量、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,物理学中定量研究热现象时经常用到它。 问题与练习 1.把一片很簿的均匀薄膜放在盐水中,把盐水密度调节为12×103kgm3时薄膜能在 盐水中悬浮。用天平测出尺寸为10cmx20cm的这种库展的质量是36g,请计算 这种簿膜的厚度 2.在做“用油膜法估测分子的大小”实验时,每10mL油酸酒精溶液中有油酸 6mL。用注射器测得75滴这枰的淙液为lmL。把I滴这枰的溶液滴入盔水 的浅盘里,把玻璃板盖在浅盘上并描画出油酸展轮廓,如图7.1-4所示,图中 正方形小方格的边长为1cm (1)1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少? (2)油酸膜的面积是多少? G)按以上数据、估算油酸分子的大小。 3.把铜分子看成球形,试估算钢分子的直径。已知的密 度为89×102kgm3,铜的摩尔质量为64×102 kg/mol 4.在标准状态下,我气分子之间的平均距离是多少?已知 氧气的摩尔质量为3.2×102 kg/mol,1mol气体处于标准 状态时的体积是224×102m3, 图7.14
分子的热运动 切物质的分子都在不停地做无规则的运动,这是我们在初中已经学过的知识。本节我 们通过具体的实验证据来说明这个结论。 第七章分子动理论 一敞 1.在广口瓶中滴几滴溴,它会逐渐基发,变为气体。几分钟后观察瓶中气体的颜色。 2.在烧杯中盛多半杯清水,然后用长颈斗慢慢地把蓝色硫酸铜溶液注入,使它留在杯底.不 要动液体。几十分钟后观察两种液体分界面的变化 图72-1溴蒸汽的扩散 图72-2液体的扩做 扩散现象从实验和生活现象中我们都会发现,不同物质 能够彼此进入对方。物理学把这类现象叫做扩散( diffusion)。 扩散现象并不是外界作用(例如对流、重力作用等)引起 的,也不是化学反应的结果,而是由物质分子的无规则运动产 生的。图723中,酱油中的色素扩散到了鸡蛋里面,这是人 力无法阻挡的。又如,把金片和铅片压在一起,不管金片放在 上面还是放在下面,金都会扩散到铅中,铅也会扩散到金中。 扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的证明 图723音油在蛋清中的扩散 扩散现象在科学技木中有很多应用。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,这就是在高温条件下 通过分子的扩散来完成的。 布朗运动19世纪初,一些人观察到,悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。1827 年,英国植物学家布朗( R Brown.1773-1858)首先在显微镜下研究了这种运动。下面 我们做一个类似的实验
高中物选修3-3 如图724,把墨汁用水稀释后取出一滴放在高倍显微镜下观察,可以看到悬浮在 液体中的小炭粒在不停地做无规则运动。 在显微镜下追踪一个小炭粒的运动,每隔30s把炭粒的位置记录下耒,然后用 直线把这些位置按时间順序依次连接起来,就得到类似图7.25所示的微粒运动的位 置连线。可以看出,微粒的运动是无规则的 实际上,就是在短短的30s内,微粒的运动也是极不规则的。 显做镜物镜 数物玻璃 悬性液 甲实验袋置 乙显镜下看到的做权# 图725显微镜下看到的 图724实验装置示意图 三颗微粒运动位置的连线 当时布朗观察的是悬浮在水中的花粉。他起初认为,花粉的运动不是外界因素引起的, 而是花粉自发的运动。 是不是因为植物有生命才产生了这样的运动?布朗用当时保存了上百年的植物标本,取 其微粒进行实验,他还用了一些没有生命的无机物粉末进行实验,结果是,不管哪一种微粒, 只要足够小,就会发生这种运动;微粒越小,运动就越明显。这说明微小颗粒的运动不是生 命现象。后人把悬浮微粒的这种无规则运动叫做布朗运动( Brownian motion) 布朗运动是怎样产生的?在显微镜下看起来连成一片的 液体 液体,实际上是由许许多多分子组成的。液体分子不停地做 分子 无规则运动,不断地撞击微粒。图7.2-6描绘了一颗微粒受到 布朗 周围液体分子撞击的情景。悬浮的微粒足够小时,来自各个 粒。 方向的液体分子撞击作用的不平衡性便表现出来了。在某 瞬间,微粒在某个方向受到的撞击作用较强;在下一瞬间,徽 图726微粒很小时,分子 粒受到另一方向的撞击作用较强,这样,就引起了微粒的无 沿各方向对它的撞击不平衡 规则运动。 悬浮在液体中的微粒越小,在某一瞬间跟它相撞的液体分子数越少,撞击作用的不平衡 性就表现得越明显,因而布朗运动越明显。如果悬浮在液体中的微粒很大,在某一瞬间跟它 相撞的分子数很多,各个方向的撞击作用接近平衡,这时就很难观察到布朗运动了。 6
我们无法直接看见分子的无规则运动。悬浮微粒的无规则运动并不是分子的运动,但是 微粒运动的无规則性,间接地反映了液体分子运动的无规则性。 说一说 图725是法国物理学家佩兰( J. B. Perrin)在1908年研究布朗运动时对三个运动微粒位置变 化的真实记录。根据这个实验事实.你能不能否定布朗运动是由外界因素(例如振动,对流等)引 起的说法? 第七章分子动理论 热运动在扩散现象中,我们会发现,温度越高,扩散得越快。观察布朗运动时也会发 现,温度越高,悬浮微粒的运动就越明显。这些事实表明,分子的无规则运动与温度有关系, 温度越高,这种运动越激烈。因此,我们把分子永不停息的无规则运动叫做热运动( thermal motion)。 问题与练习 1.请你蘧过一个日常生活中的扩散现皋来说明:温度越高,分子运动越激烈 2.以下美于布期运动的说法是否正确?说明道理。 (1)布朗运动就是分子的无规则运动。 (2)布朗运动证明、红成因体小顆粒的分子在做无规則运动 ③3)一锅水中搬一点胡椒粉,加热时发现水中的胡椒粉在翻滚。这说明温度越高布 期运动越澈烈。 (4)在显徹镜下可以观察到煤油中小粒灰尘的布期运动,这说明煤油分子在做无规 则运动。 3.小张在显徽镜下观察水中悬浮的微粉笔末妁运动。 他把小顆粒毒隔一定时间的位置记录在坐标纸上(图 7.2-7),于是得出结论:圈休小顆粒的无规則运动证明 水分子的运动是无规剧的。小李不同意小张的结论, 他认为:“小颗粒沿着笔直的折线运动,说明水分子在 般时间内的运动是视则的,否刚小颗粒怎么会沿直线 运动?”对此,請说说你的看法。 图72-7小张的观测记录
高中物选修3 3 分子间的作用力 取一枝长约1m的玻璃管,注入半管清水,再注入酒精,使液面几乎达到管口。 上下几次顛倒玻璃管,观察管中液体体积的变化。 这个实验说明了什么? 分子间的作用力气体很容易被压缩,说明气体分子之间存在 着很大的空隙。水和酒精混合后总体积会减小,说明液体分子之间 存在着空隙。压在一起的金片和铅片,各自的分子能扩散到对方的 内部,说明固体分子之间也存在着空隙 分子间虽然有空隙,大量分子却能聚集在一起形成固体或液体, 说明分子之间存在着引力。用力拉伸物体,物体内要产生反抗拉伸 的弹力,说明分子间存在着引力。把两块纯净的铅压紧,它们会“粘 在一起,甚至下面吊一个重物也不能把它们拉开,这也说明分子间 存在引力。 分子间有空隙,但是用力压缩物体,物体内会产生反抗压缩的 图73-1压紧的铅 弹力,这说明分子之间还存在着斥力。 块会“粘”存一記 深入的研究表明,两个邻近的分子之间的 确同时存在着引力和斥力,引力和斥力的大小 都跟分子间的距离有关,它们随分子间距离变 斥 化的关系如图7.3-2所示。图中的横坐标r表示 力 两个分子间的距离,纵坐标F和F4的绝对值 分别表示其中一个分子所受斥力和引力的大小。 图中上面的曲线表示F随r变化的关系,下面 的曲线表示F4随r变化的关系。 力 从图732可以看到,Fn和F都随着r的 增大而减小,但Fn比F减小得更快。当两个 图732分子间的作用力与距离的关系 分子的距离为r0时,其中一个分子所受的引力 与斥力相等,那么这个分子所受的合力为0。当 惯上斥力正值表示,引切以负值表示 分子间的距离小于r0时,作用力的合力表现为所以F和F分在横出的上方和下方 斥力;当分子间的距离大于r时,作用力的合 在下面的思考与讨时论中,可以按照这个 力表现为引力。 规则判断得出的台力是斥力还是引力 8