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i s j n ) 邿主晐 第一章 分子动理论 1 第三册 选择性必修 普通高中教科书 物理 2 高中物理选择性必修第三册 第一章 分子动理论 3 1 2 7 10 14 18 19 23 26 31 36 45 46 50 54 59 66 67 71 78 84 92 100 101 108 115 119 126 132 136 目 录 第一章 分子动理论 1. 分子动理论的基本内容 2. 实验：用油膜法估测油酸分子的大小 3. 分子运动速率分布规律 4. 分子动能和分子势能 第二章 气体、固体和液体 1. 温度和温标 2. 气体的等温变化 3. 气体的等压变化和等容变化 4. 固体 5. 液体 第三章 热力学定律 1. 功、热和内能的改变 2. 热力学第一定律 3. 能量守恒定律 4. 热力学第二定律 第四章 原子结构和波粒二象性 1. 普朗克黑体辐射理论 2. 光电效应 3. 原子的核式结构模型 4. 氢原子光谱和玻尔的原子模型 5. 粒子的波动性和量子力学的建立 第五章 原子核 1. 原子核的组成 2. 放射性元素的衰变 3. 核力与结合能 4. 核裂变与核聚变 5. “基本”粒子 课题研究 索引 4 高中物理选择性必修第三册 第一章 分子动理论 1 第一章 分子动理论 1 暮春时节，金黄的油菜花铺满了原野。

你 有没有想过，为什么能够闻到这沁人心脾的香 味呢？古希腊学者德谟克利特早就对此作出了解 释，他认为这是由于花的原子飘到了人们鼻子里 德谟克利特认为“只有原子和虚空是真实的” 这些“花的原子”究竟是怎么运动的？经过 很长一段探索历程之后，人们逐渐认识到，这种 运动也是自然界中普遍存在的一种运动形式 热运动热学就是研究物质热运动规律及其应用 的一门学科，是物理学的一个重要组成部分 2 高中物理选择性必修第三册 分子动理论的基本内容1 热学这一门科学起源于人类对于热 与冷现象的本质的追求 （这） 可能是 人类最初对自然法则的追求之一 王竹溪 如果我们把地球的大小与一个苹果的 大小相比，那就相当于将直径为1 cm的球 与分子相比可见，分子是极其微小的 我们曾经研究过物体的运动，那么， 构成物体的微小分子会怎样运动呢？ 问题？ 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需 要指出的是：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、原子或者离子但是，在研究物体的热 运动性质和规律时，不必区分它们在化学变化中所起的不 同作用，而把组成物体的微粒统称为分子 我们知道， 1 mol 水中含有水分子的数量就达6.021023 个。

这足以表明，组成物体的分子是大量的人们用肉眼 无法直接看到分子，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描隧道显微 镜，才观察到物质表面原子的排列图1.1-1是我国科学 _______________________ 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 1 mol 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表示， 即 NA 6.022 140 761023 mol-1 扫描隧道显微镜是一种可以探测物质表面结构的仪器，它通过移动着的探针 与物质表面的相互作用，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息，获得具 有原子尺度分辨力的表面形貌信息 图 1.1-1 石墨表面原子的照片 1 cm ? ?? 碳原子 第一章 分子动理论 3 家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面的原子，图中每个亮 斑都是一个碳原子 分子热运动 扩散 从许多实验和生活现象中我们都会发现，不同 种物质能够彼此进入对方在物理学中，人们把这类现象 叫作扩散（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。

例如，图1.1-2中酱油里 的色素分子扩散到了鸡蛋清内扩散现象是物质分子永不 停息地做无规则运动的证据之一 扩散现象在科学技术中有很多应用例如，在生产半 导体器件时，需要在纯净半导体材料中掺入其他元素这 一过程可以在高温条件下通过分子的扩散来完成 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 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 图 1.1-2 酱油的色素分子扩散到 蛋清中 如图 1.1-3，取 1 滴用水稀释的碳素 墨汁，滴在载玻片上，盖上盖玻片，放在 高倍显微镜下观察小炭粒的运动情况 调节显微镜的放大倍数，如调节至 400 倍或 1 000 倍，观察悬浊液中小 炭粒的运动情况目镜中观察 的结果可以通过显示器呈现 出来 改变悬浊液的温度重复 上述操作，观察悬浊液中小炭粒 的运动情况 用显微镜观察炭粒的运动 演 示 图 1.1-3 观察布朗运动的实验装置 4 高中物理选择性必修第三册 图 1.1-4 三颗微粒运动位置的连线 图1.1-5 液体分子沿各方向对微粒 的撞击 分子的无规则运动无法 直接观察。

悬浮微粒的无 规则运动并不是分子的运 动，但这一现象可以间接 地反映液体分子运动的无 规则性 为什么花粉微粒的运动是无规则的？为什么微粒越小，它的无规则运动越 明显？ 思考与讨论 微粒 液体分子 从实验结果可以看出，小炭粒的运动是无规则的，温 度越高，小炭粒的运动越明显 如果在显微镜下追踪一颗小炭粒的运动，每隔30 s 把 炭粒的位置记录下来，然后用线段把这些位置按时间顺序 依次连接起来，便可以得到一条类似于图1.1-4中某一颗微 粒运动的位置连线这表明微粒的运动是无规则的实际 上，就是在30 s内，微粒的运动也是极不规则的 当时布朗观察的是悬浮在水中的花粉微粒他起初认 为，微粒的运动不是外界因素引起的，而是其自发的运动 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作布朗运动（Brownian motion） 如图 1.1-5，在显微镜下看起来连成一片的液体，实际 上是由许许多多分子组成的，液体分子不停地做无规则运 动，不断地撞击微粒。

在某一瞬间，微粒在某个方向受到 的撞击作用较强；在下一瞬间，微粒受到另一方向的撞击 作用较强，这样就引起了微粒无规则的运动 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，并 且微粒越小，它的质量越小，其运动状态越容易被改变， 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 热运动 在扩散现象中，温度越高，扩散得越快观 察布朗运动，温度越高，悬浮微粒的运动就越明显可见， 分子的无规则运动与温度有关系，温度越高，这种运动越 剧烈因此，我们把分子这种永不停息的无规则运动叫作热 运动（thermal motion） 温度是分子热运动剧烈程度的标志 第一章 分子动理论 5 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 空隙固体或液体不容易被压缩，那么，分子之间还会有 空隙吗？ 水和酒精混合后的总体积变小了这表明液体分子间 存在着空隙再如，压在一起的金块和铅块，各自的分子 能扩散到对方的内部，这表明固体分子之间也存在着空隙 分子间有空隙，大量分子却能聚集在一起，这说明分子之 间存在着相互作用力。

当用力拉伸物体时，物体内各部分之间要产生反抗拉 伸的作用力，此时分子间的作用力表现为引力 当用力压缩物体时，物体各部分之间会产生反抗压缩 的作用力，此时分子间的作用力表现为斥力 分子之间的引力或斥力都跟分子间距离有关，那么， 它们之间有怎样的关系呢？ 研究表明，分子间的作用力F跟分子间距离r的关系如 图1.1-7所示 当r r0 时，分子间的作用力F 表现为引力 那么，分子间为什么有相互作用力呢？ 我们知道，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 做一做 向 A、B 两个量筒中分别倒入 50 mL 的水和酒精（图 1.1-6 甲），然后再将 A 量筒中的水倒入 B 量筒中，观察混合后 液体的体积（图 1.1-6 乙）它说明了什 么问题？ 图 1.1-7 分子间作用力与分子间 距离的关系 图 1.1-6 观察液体混合后体积的变化 甲 乙 r O F r0 AB 6 高中物理选择性必修第三册 分子动理论 我们已经知道：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这 就是分子动理论的基本内容。

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（molecular kinetic theory） 由于分子热运动是无规则的，所以，对于任何一个分 子而言，在每一时刻沿什么方向运动，以及运动的速率等 都具有偶然性；但是对于大量分子的整体而言，它们的运 动却表现出规律性在本章第3节我们将研究分子运动速 率的分布规律 固体小颗粒的无规则运动证明水分子的运动是 无规则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，说明水分子在短时 间内的运动是规则的，否则小颗粒怎么会沿直 线运动？”对此，说说你的看法 5. 请描述 ： 当两个分子间距离由 r0逐渐增 大，直至远大于 r0时，分子间的作用力表现为 引力还是斥力？当两个分子间距离由 r0逐渐减 小，分子间的作用力表现为引力还是斥力？ 1. 把铜块中的铜分子看成球形，且它们 紧密排列，试估算铜分子的直径铜的密度为 8.9103 kg/m3，铜的摩尔质量为6.410-2 kg/mol 2. 标准状态下氧气分子间的平均距离是多 少？氧气的摩尔质量为 3.210-2 kg/mol，1 mol 气体处于标准状态时的体积为 2.2410-2 m3。

3. 以下关于布朗运动的说法是否正确？说 明理由 （1）布朗运动就是分子的无规则运动 （2）布朗运动证明，组成固体小颗粒的分 子在做无规则运动 （3）向一锅水中撒一点胡椒粉，加热时发 现水中的胡椒粉在翻滚这说明温度越高布朗 运动越剧烈 （4）在显微镜下可以观察到煤油中小粒灰尘 的布朗运动，这说明煤油分子在做无规则运动 4. 小张在显微镜下观察水中悬浮的细微粉 笔末的运动他把小颗粒每隔一定时间的位置 记录在坐标纸上（图 1.1-8） ，于是得出结论 ： 练习与应用 图 1.1-8 第一章 分子动理论 7 分子十分微小以水为例，一个直径为10-3 mm 左右的 水珠，它的大小与细菌差不多，用肉眼无法观察，就是在 这样小的水珠里，分子的个数竟比地球上人口的总数还多 上好几倍！ 那么，通过什么途径可以知道分子的大小呢？下面我 们通过一个实验来估测分子的大小 实验思路 为了估测油酸分子的大小，我们把 1滴油酸滴在水 面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子 （C17H33COOH）中的烃基 C17H33- 组成的 尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间也存在 着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理， 并认为它们紧密排布（图1.2-1） 。

测出油膜的厚度d，它 就相当于分子的直径 实验中，为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜， 我们需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中这样的油酸 酒精溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并。