剑网三美人图所有过程:第一部分 分子运动论

第一部分 分子运动论  

    物质分子运动论的基本内容
    原子和分子的数量级
    分子的热运动、布朗运动
    分子间相互作用力的特点

[要点讲解]
１、热学研究对象和基本理论
    （1）凡是与温度有关的物理现象都称为热现象。热现象包括：热膨胀；热传递；物态变化；固体、液体和气体的性质等。
    以热现象为主要标志的这种运动形态称为热运动。热运动与机械运动、电磁运动、化学运动等其他运动形态有区别，但又与它们有广泛的联系。

    （2）热现象是一种宏观现象，但它可以从宏观和微观两种不同的观点着手加以研究。
     一种是用能量的观点去研究宏观热现象的规律，而不涉及物质的微观结构。从能量守恒定律出发得出研究热学的基本理论：热力学第一、第二定律。
    另一种观点是从物质内部的微观结构出发，以分子运动论的观点，用统计的方法阐明宏观物体的热现象。

2、物质的分子运动论
     分子运动论是在一定的实验基础上建立起来的一种物质的微观模型。
    物质分子运动论的基本内容是：宏观物体由大量分子组成，分子在永不停息地作无规则运动，分子间有一定的相互作用力，大量分子的综合作用决定物体的宏观性质。

（1）分子的大小
  认为宏观物体是由一些极小的粒子（分子、原子或离子）组成。同一化学性质的物体，其分子的大小、形状和相互作用完全相同。这一论点的实验基础主要是化学中的定比定律，倍比定律，元素周期以及许多原子物埋实验事实。
    物体的分子之间有一定的空隙。物体（气体、固体、液体）都可以被压缩是它的实验依据。
   目前用高分辨率的电子显微镜已能观察到某些晶体的横截面内原子结构的图象，这使宏观物体由分子、原子组成的概念得到了最有力的证明。

    原子和分子的数量级：
   组成物质的原子或分子占空间的体积是很小的。每一个分子（或原子）的体积（或直径）的大小是不可能有精确的数据，只能得出它的大致范围，这时用数量级这一概念来估计分子（或原子）的大小。
   数量级：某个量的数值写成以10为底数的指数形式时，指数的数目（不考虑10前面的数字）就是该量的数量级，例如水分子的直径是4ｘ10^-10米，它的数量级是10^-10（以米为单位）。一般分子直径的数量级都是10^-10米（或称为１埃）。
   需要指出的是：把分子看作小球，是一种分子的简化模型，实际上，分子有它复杂的内部结构，并不真是小球。如果分子视为小球，用D 表示它的直径，则分子的体积,一个分子在物体内部平均占有的体积究竟是，还是D³，在粗略计算分子的大小时，两者都可以，因为数量级相同的。

（2）分子的热运动
   认为组成物体的微粒不停息地做无规则运动，其剧烈程度与物体的温度有关。这一基本论点的实验根据是扩散现象和布朗运动。
   布朗运动：在显微镜下观察到的是悬浮在液体中的固体微粒，由于它周围液体分子无规则运动，对固体微粒有非平衡性的冲力作用，使固体微粒做无规则运动。
   布朗微粒必须足够小（其线度的数量级一般为10^-6米，约为液体分子线度数量级10^-10的万倍），才能发生布朗运动。因为对于大的微粒，任一瞬间撞击它的分子数目很大，从各个方向施于微粒的冲力基本上平衡抵消，所以大微粒运动缓慢，或根本不动。

布朗运动的几个特点：
   a、在光学显微镜下观察不到分子，布朗运动不是分子运动，而是物质固体微粒的运动。它能反映周围液体分子运动的情况。
   b、布朗运动的无规则，反映了液体分子运动的无规则。
   c、布朗运动永不停息，它不受外界因素影响，长时间不停顿。
   d、布朗微粒越小，布朗运动越明显。
   e、布朗运动随温度升高而加剧，反映了温度越高内部分子运动越激烈。

   宏观物体所表现的冷热现象，实际上是构成物体的大量分子无规则运动的宏观表现，因此，大量分子无规则运动称为分子热运动。

（3）分子间相互作用力

    认为分子间同时存在着引力和斥力的作用，而引力和斥力的大小是随分子间的距离的增大而减小的，而斥力随距离增大而减小得更快些。在某一时刻分子间的相互作用力究竟是引力还是斥力，取决于它们之间的合力，这个合力就是分子力。

   图7-1表示分子间作用力距它们之间距离的关系。图中两条虚线分别表示两个分子间斥力和引力随距离变化的情况，实线表示引力和斥力的合力，即分子力随分子间距离变化的情况。

   当分子间距离r=r₀时，引力与斥力相平衡，合力为零。这个距离r₀叫做平衡位置。不同的物质r₀略有差别，一般都在10^-10米的数量级。

当r>r₀，且r在10^-10米到10^-9米之间时，引力和斥力都随着距离的增大而减小，但斥力减小更快，因此引力较突出，分子力表现为引力。当距离r0时，引力和斥力虽然都随着距离的减小而增大，但是斥力增大得更快，因而分子力表现为斥力。当分子间距离大于10^-9米时，分子力十分微弱，可以认为不再存在分子间的相互作用。

   

3、研究热学的一些方法

（1）统计的方法
    热现象是物质中大量分子热运动的集体表现。组成物质的分子数目是非常大的，这样多的分子永远处于杂乱的热运动状态中，所以要想追踪每一个分子，对它们的运动一一进行描写，实际上是根本不可能的。由此可见，分子的热运动是一种比较复杂的物质运动形态。因此我们不能用单纯的力学方法来解决。
    对布朗运动的分析、气体压强公式的推导过程都运用了统计的方法。

（2）估算数量级的方法
    热现象是大量分子无规则运动的表现，研究分子运动都是对大量分子而言的，我们不能对分子做精确的统计，也无必要。统计数字的精确程度要求不高（一般只要求一、二位有效数字）常用数量级来表示一些物理量的数值。

（3）建立理想化模型的方法
    当人们对客观事物认识不很清楚时，根据已经掌握的规律，常常把研究客体想象为具有已知特点某种样式，称为模型。还有时把某自然现象中突出主要因素，排除次要因素，把这现象按照主要因素构成的模型，便于该自然规律研究，称为理想化模型。热学中常常用建立一些理想模型来研究。如把原子、分子看成球形体模型。忽略气体分子的大小、忽略分子间作用力，构成理想气体模型，等等。

（4）由宏观量求微观量的方法
    人们对自然界的认识是从宏观物体的研究逐步深入到微观结构的。在一百多年以前人们直接测量物质的微观量是不可能的，唯一的方法是用可测量的宏观量运用统计的方法间接地求出物质的微观量。这是人们认识微观世界的重要方法，至今在一般实验条件下，要测量物质的微观量时仍然沿用这种方法。因此中学学习物理过程要学会这种重要方法。
    单分子层油膜的实验方法是人们最早估算分子大小数量级的一种方法。
    由宏观量求微观量的过程经常要用到阿佛伽德罗常数。阿佛伽德罗常数是微观世界的一个重要常数，它是联系微观世界和宏观世界的桥梁。

例题1 、计算一铜块中每个铜分子所占的体积和直径。已知铜的密度ρ=8.9×10³千克/米³，铜的摩尔质量是M=64×10^-3千克/摩尔。
    分析：假设是1摩尔的铜。根据铜摩尔质量和铜密度，可求出摩尔体积。我们认为铜块内部分子是一个挨着一个紧密排列着的。然后利用阿伏伽德罗常数就可求出每一个铜分子的体积。
    解：1摩尔铜的体积为V
        阿伏伽德罗常数为No， No=6.02×10²³/mol
        每个铜分子的体积为v
        如果把铜分子看成小正立方体，小立方体的边长认为是铜原子的直径d。因此
        （米）

例题2、气体分子的直径约2×10^-10米。试估算标准状态下气体中邻近分子之间的平均距离与分子的直径的比值（取2位有效数字。）
    解：1摩尔气体在标准状态下的体积是V=22.4×10^-3m³
        假设认为气体分子都是正立方体而且紧密排列着。每个分子的体积为V，
        气体分子之间的距离就是这小立方体的边长l，
        依题意气体分子的直径d=2×10^-10m
        气体分子之间的距离与分子直径的比值

[能力训练]

A级

A．图中记录的是液体分子无规则运动的情况
B．图中记录的是微粒做布朗运动的轨迹
C．图中I记录的是颗粒较大的运动情况
D．图中任意直线并不表示布朗微粒做直线运动

2．已知金钢石的密度是3.5×10³千克/米³，有一小块金钢石其体积是5.7×10^-8米³。试计算这小块金钢石中含有碳分子数目和估算碳分子的直径。

3．估算在标准状态下氧气的分子质量和它们之间的距离。氧气的摩尔质量是3.2×10^-2千克/摩尔。

4．只要知道下列哪一组物理量，就可以估算出气体分子间的平均距离？
   A．阿伏伽德罗常数、该气体的摩尔质量和质量
   B．阿伏加德罗常数、该气体的摩尔质量和密度
   C．阿伏加德罗常数、该气体的质量和体积

 

5．把一滴质量是1.0毫克的松节油滴在水面上，形成面积为3米²的单分子油膜，若把松节油的密度认为是1.0×10³千克/米³。如果认为松节油分子是球形，试估算分子的直径（取1位有效数字）。

B级

1．已知地球的半径r=6.4×10⁶m，空气的摩尔质量M=29×10^-3Kg/mol，空气的密度ρ=1.2Kg/m³。估算地球大气的总质量，大气层中分子的总数，大气层的厚度。

能力训练答案：

A级 1．正确选项（D）显微镜观察到的不是水分子的运动。题中所画的许多折线组合不是悬浮固体颗粒运动轨迹，折线的每一直线是每30秒时刻记录的布朗颗粒的位置，人为画出的连线。而在这30秒内布朗颗粒运动情况是不知道的。

2．这块金刚石的质量为m, m=ρv=3.5×10³×5.7×10^-8=2.0×10^-4（Kg）碳原子数目n，n=(m/M) ×N=（2.0×10^-4/12×10^-3）×6.0×10²³=1.0×10²²（个）每个碳原子的直径d，

3．（5.3×10^-26千克，3.3×10^-9米）

4．正确选项是B

5．松节油分子的直径

B级：

1．大气层的大气质量为m

   
    大气的总分子数
    大气层的厚度