第十五章　第1课时　分子动理论　内能　固体和液体-2025物理大一轮复习讲义人教版

考情分析试题情境生活实践类雾霾天气、高压锅、气压计、蛟龙号深海探测器、喷雾器、拔罐、保温杯、输液瓶、氧气分装等学习探究类分子动理论、固体和液体的性质、气体实验定律、热力学定律、用油膜法估测油酸分子的大小、探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系第1课时分子动理论内能固体和液体目标要求1.了解分子动理论的基本观点，了解物体内能的决定因素，掌握分子间距与分子势能的关系。2.了解气体分子运动的特点，能够从微观的角度解释气体压强。3.知道晶体和非晶体的特点，了解液晶的主要性质；了解表面张力现象和毛细现象，知道它们的产生原因。考点一分子动理论(一)物体是由大量分子组成的1．分子的大小(1)分子的直径：数量级为10－10m；(2)分子的质量：数量级为10－26kg。2．阿伏加德罗常数1mol的任何物质都含有相同的分子数，通常可取NA＝6.02×1023mol－1。3．联系微观和宏观的四个重要关系微观量：分子体积V0、分子直径d、分子质量m0。宏观量：物体的体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ。阿伏加德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁。(1)一个分子的质量：m0＝eq\f(M,NA)。(2)一个分子的体积：V0＝eq\f(Vmol,NA)(注：对气体，V0为分子所占空间体积)。(3)物体所含的分子数：N＝nNA物体所含物质的量n＝eq\f(V,Vmol)或n＝eq\f(m,M)。(4)物体的体积和质量的关系Vmol＝eq\f(M,ρ)或V＝eq\f(m,ρ)。4．求解分子直径或棱长时的两种模型(1)球模型：V0＝eq\f(1,6)πd3，得直径d＝eq\r(3,\f(6V0,π))(常用于固体和液体)。(2)立方体模型：V0＝d3，得棱长d＝eq\r(3,V0)(常用于求相邻气体分子间平均距离)。1．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以估算出气体分子的直径。(×)2．已知铜的密度、摩尔质量以及阿伏加德罗常数，可以估算铜分子的直径。(√)3．某种气体单个分子的质量除以单个分子的体积，等于气体的密度。(×)例1(2023·北京市第十二中学期中)一定量某种气体的质量为m，该气体的摩尔质量为M，摩尔体积为V，密度为ρ，每个分子的质量和体积分别为m0和V0，则阿伏加德罗常数NA可表示为()A．NA＝eq\f(V,V0)B．NA＝eq\f(ρV,m0)C．NA＝eq\f(m,m0)D．NA＝eq\f(M,ρV0)答案B解析由于气体分子间的距离较大，所以气体分子的体积V0远小于摩尔体积与阿伏加德罗常数之比，即V0<eq\f(V,NA)，所以NA<eq\f(V,V0)，故A错误；阿伏加德罗常数等于气体的摩尔质量与气体分子质量之比，即NA＝eq\f(M,m0)＝eq\f(ρV,m0)，故B正确，C错误；气体密度与单个分子体积的乘积不等于单个气体分子的质量，故D错误。例2(2023·江苏连云港市期中)浙江大学高分子系制备出了一种超轻气凝胶——它刷新了目前世界上最轻固态材料的纪录。设该种气凝胶的密度为ρ(单位为kg/m3)，摩尔质量为M(单位为kg/mol)，阿伏加德罗常数为NA，求：(1)体积为V(单位为m3)的气凝胶中含有的分子数；(2)每个气凝胶分子的直径。答案(1)eq\f(ρVNA,M)(2)eq\r(3,\f(6M,πρNA))解析(1)体积为V的气凝胶质量为m＝ρV故可知含有的分子数为n＝eq\f(m,M)·NA＝eq\f(ρVNA,M)(2)1mol气凝胶的体积为Vmol＝eq\f(M,ρ)1mol气凝胶包含NA个分子，故每个气凝胶分子的体积为V0＝eq\f(Vmol,NA)，同时有V0＝eq\f(4,3)π·(eq\f(d,2))3联立解得每个气凝胶分子的直径为d＝eq\r(3,\f(6M,πρNA))。作为宏观量的摩尔质量Mmol、摩尔体积Vmol、密度ρ与作为微观量的分子直径d、分子质量m、每个分子的体积V0都可通过阿伏加德罗常数联系起来(如图所示)。(二)分子永不停息地做无规则运动1．扩散现象(1)定义：不同种物质能够彼此进入对方的现象；(2)实质：扩散现象并不是外界作用引起的，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物质迁移现象，温度越高，扩散得越快。2．布朗运动(1)定义：悬浮微粒的无规则运动；(2)实质：布朗运动反映了液体分子的无规则运动；(3)特点：微粒越小，运动越明显；温度越高，运动越明显。3．热运动(1)分子永不停息的无规则运动叫作热运动；(2)特点：分子的无规则运动和温度有关，温度越高，分子运动越剧烈。1．扩散现象和布朗运动都是分子热运动。(×)2．温度越高，布朗运动越明显。(√)3．在布朗运动中，固态或液态颗粒越大，布朗运动越明显。(×)例3(2023·山西太原市期中)装满冷水的玻璃杯静置于桌面上，若将一滴墨水轻轻滴到水中，过一会墨水逐渐散开，直到整杯水都变黑。下列说法正确的是()A．这一现象是由于水分子的布朗运动产生B．这一现象主要是由于墨水受到重力产生C．这一现象主要是由于水的对流形成的D．将杯中的冷水换成热水，这一过程会进行的更迅速答案D解析这一现象是因为墨水中添加物的布朗运动，根本原因是分子的热运动，故A、B、C错误；温度越高，分子的热运动越剧烈，故将杯中的冷水换成热水，这一过程会进行的更迅速，故D正确。例4(2024·山东省模拟)2023年3月底受冷空气以及大风天气影响，全国各地均出现不同程度的沙尘天气，内蒙古、北京等中北部地区局部有强沙尘暴，甚至局部地区出现下“泥点”的恶劣天气，山东、河南、安徽、江苏等华东地区也都出现AQI(空气质量指数)爆表达到500的现象，AQI指数中一项重要指标就是大家熟知的PM2.5指数，PM2.5是指空气中直径小于或等于2.5μm的悬浮颗粒物，漂浮在空中，很难自然沉降到地面。对于上述天气现象下列说法正确的是()A．中北部地区出现的沙尘暴中的沙尘颗粒所做的无规则运动是布朗运动B．一团质量不变的沙尘暴从温度较低的地区吹到温度较高的地区，温度逐渐升高，风速逐渐减小，其内能逐渐减小C．PM2.5颗粒的尺寸与空气中氧气分子的尺寸数量级相同D．PM2.5颗粒在空气中的无规则运动是由于大量空气分子无规则运动对其撞击的不平衡性引起的答案D解析布朗运动是悬浮在液体或气体中的固体颗粒，受到液体或气体分子的无规则撞击所做的无规则运动，用肉眼无法观察到布朗运动，沙尘暴的运动是气流运动形成的，不是布朗运动，故A错误；内能的宏观表现是温度，温度越高，内能越大，故B错误；氧气分子尺寸的数量级为10－10m，而PM2.5颗粒直径小于或等于2.5μm，故C错误；PM2.5在空气中的运动是布朗运动，由空气中大量空气分子无规则运动对其撞击的不平衡性引起的，故D正确。(三)分子之间存在着相互作用力1．物质分子间存在空隙。2．分子间同时存在引力和斥力，且都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，斥力变化得较快。3.实际表现出的分子力是引力和斥力的合力。分子力与分子间距离的关系图线如图所示。由分子间的作用力与分子间距离的关系图线可知：(1)当r＝r0时，F引＝F斥，分子力为零；(2)当r＞r0时，F引＞F斥，分子力表现为引力；(3)当r＜r0时，F引＜F斥，分子力表现为斥力；(4)当分子间距离大于10r0(约为10－9m)时，分子力很弱，可以忽略不计。1．当分子间的距离r＝r0时，分子力为零，说明此时分子间既不存在引力，也不存在斥力。(×)2．当分子间距离r＞r0时，随着距离的增大，分子间的引力和斥力都增大，但引力比斥力增大得快，故分子力表现为引力。(×)3．当分子间的距离r＜r0时，随着距离的减小，分子间的引力和斥力都增大，但斥力比引力增大得快，故分子力表现为斥力。(√)考点二温度和内能1．温度一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。2．两种温标摄氏温标和热力学温标。摄氏温度与热力学温度的关系：T＝t＋273.15K。3．分子动能(1)分子动能是分子热运动所具有的动能；(2)分子热运动的平均动能是所有分子热运动动能的平均值，温度是分子热运动的平均动能的标志；(3)分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和。4．分子势能(1)意义：由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的能。(2)分子势能的决定因素①微观上：分子间距离和分子排列情况；②宏观上：体积和状态。5．物体的内能(1)概念理解：物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和，是状态量；(2)决定因素：对于给定的物体，其内能大小由物体的温度和体积决定，即由物体内部状态决定；(3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关；(4)改变物体内能的两种方式：做功和传热。思考(1)请在下列坐标系中定性画出分子间的作用力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线。答案(2)根据图线完成下列问题：①当r＞r0时，当r增大，分子间的作用力做负功(填“正功”或“负功”)，分子势能增大(填“减小”“不变”或“增大”)。②当r＜r0时，当r减小时，分子间的作用力做负功(填“正功”或“负功”)，分子势能增大(填“减小”“不变”或“增大”)。③当r＝r0时，分子势能最小(填“最大”或“最小”)。例5(2023·海南卷·5)下列关于分子力和分子势能的说法正确的是()A．分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力B．分子从无限远靠近到距离r0处过程中分子势能变大C．分子势能在r0处最小D．分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小答案C解析分子间距离大于r0时，分子力表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处过程中，引力做正功，分子势能减小，在r0处分子势能最小，分子间距离继续减小，分子力表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大，C正确。例6(2021·北京卷·4)比较45℃的热水和100℃的水蒸气，下列说法正确的是()A．热水分子的平均动能比水蒸气的大B．热水的内能比相同质量的水蒸气的小C．热水分子的速率都比水蒸气的小D．热水分子的热运动比水蒸气的剧烈答案B解析温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增大，故热水分子的平均动能比水蒸气的小，故A错误；内能与物质的量、温度、体积有关，相同质量的热水和水蒸气，热水变成水蒸气，温度升高，分子总动能增加，体积增大，分子间平均距离变大，分子总势能增大，故热水的内能比相同质量的水蒸气的小，故B正确；温度越高，分子热运动的平均速率越大，45℃的热水中的分子平均速率比100℃的水蒸气中的分子平均速率小，由于分子运动是无规则的，并不是每个分子的速率都小，故C错误；温度越高，分子热运动越剧烈，故D错误。考点三分子运动速率分布规律气体压强的微观解释1．气体分子运动的速率分布图像当气体分子间距离大约是分子直径的10倍时，分子间作用力十分微弱，可忽略不计；分子沿各个方向运动的机会均等；分子速率的分布规律按“中间多、两头少”的统计规律分布，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，分子速率大的分子比例较多，平均速率会增大，如图所示。2．气体压强的微观解释(1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续均匀的压力。(2)决定因素(一定质量的某种理想气体)①宏观上：决定于气体的温度和体积。②微观上：决定于分子的平均动能和分子的数密度。思考如图为同一密闭气体在不同温度时分子数百分率随气体分子速率分布的两条曲线。则：________(选填“A”或“B”)表示高温分布曲线；图中两条曲线下面积________(选填“A大”“B大”或“相等”)。答案由图可知，A线对应的最大比例的分子速率区间内分子速率较小，故说明A是温度较低的分布图像，B线对应的最大比例的分子速率区间内分子平均速率大，说明对应的温度高，故B表示高温分布曲线；在A、B两种不同情况下各分子速率区间的分子数总和不变，则图线与横轴所围面积都应该等于1，即相等。考点四固体和液体性质的理解1．固体(1)分类：固体分为晶体和非晶体两类。晶体又分为单晶体和多晶体。(2)晶体和非晶体的比较分类比较晶体非晶体单晶体多晶体外形有规则的几何形状无确定的几何形状无确定的几何外形熔点确定确定不确定物理性质各向异性各向同性各向同性典型物质石英、云母、明矾、食盐各种金属玻璃、橡胶、蜂蜡、松香、沥青转化晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化2.液体(1)液体的表面张力①作用效果：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形表面积最小。②方向：表面张力跟液面相切，跟这部分液面的各条分界线垂直。③形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力。(2)浸润和不浸润①当液体和与之接触的固体的相互作用比液体分子之间的相互作用强时，液体能够浸润固体。反之，液体不浸润固体。②毛细现象：浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管中下降。3．液晶(1)液晶的物理性质①具有液体的流动性。②具有晶体的光学各向异性。(2)液晶的微观结构从某个方向上看，其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的。1．晶体的所有物理性质都是各向异性的。(×)2．液晶是液体和晶体的混合物。(×)3．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体。(×)4．在空间站完全失重的环境下，水滴能收缩成标准的球形是因为液体表面张力的作用。(√)例7(2023·江苏徐州市三模)石墨烯中碳原子呈单层六边形结构。南京大学的科学家将多层石墨烯叠加，得到了一种结构规则的新材料，其中层与层间距约为六边形边长的两倍。则()A．新材料属于非晶体B．新材料没有固定的熔点C．低温下新材料中碳原子停止运动D．层间相邻碳原子间作用力表现为引力答案D解析新材料由多层石墨烯叠加而成，可知结构规则的新材料为晶体，晶体具有固定的熔点，故A、B错误；由分子动理论可知，分子做永不停息的无规则运动，故C错误；层与层间距约为六边形边长的两倍，远大于分子间距离，由分子力的特点可知，层间相邻碳原子间作用力表现为引力，故D正确。例8关于以下几幅图中现象的分析，下列说法正确的是()A．甲图中水黾停在水面而不沉，是浮力作用的结果B．乙图中将棉线圈中肥皂膜刺破后，扩成一个圆孔，是表面张力作用的结果C．丙图液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向同性的特点制成的D．丁图中的酱油与左边材料不浸润，与右边材料浸润答案B解析因为液体表面张力的存在，水黾才能在水面上行走自如，故A错误；将棉线圈中肥皂膜刺破后，扩成一个圆孔，是表面张力作用的结果，故B正确；液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向异性的特点制成的，故C错误；从题图丁中可以看出酱油与左边材料浸润，与右边材料不浸润(不浸润液滴会因为表面张力呈球形)，故D错误。课时精练1．已知阿伏加德罗常数为NA，某物质的摩尔质量为M(g/mol)，则该物质的分子质量和mkg水中所含氢原子数分别是()A.eq\f(M,NA)，eq\f(1,9)mNA×103 B.eq\f(M,NA)，9mNAC.eq\f(M,NA)，eq\f(1,18)mNA×103 D.eq\f(M,NA)，18mNA答案A解析该物质的分子质量为eq\f(M,NA)；mkg水中所含水分子数为eq\f(m×103g,M水)NA，一个水分子中含有两个氢原子，则所含的氢原子数为：eq\f(m×103g,M水)NA×2＝eq\f(m×103,18)NA×2＝eq\f(1,9)mNA×103个，A正确。2．(2024·重庆市模拟)关于下列四幅图像说法正确的是()A．对甲图，加热一锅水时发现水中的胡椒粉在翻滚，说明温度越高布朗运动越剧烈B．对乙图，半杯水与半杯酒精混合之后的总体积要小于整个杯子的容积，说明液体分子之间有间隙C．对丙图，自由膨胀和扩散现象都具有双向可逆性D．对丁图，扩散现象不能在固体之间发生答案B解析布朗运动用肉眼观察不到，对甲图，加热一锅水时发现水中的胡椒粉在翻滚，不是布朗运动，而是翻滚的水带动的运动，不能说明温度越高布朗运动越剧烈，选项A错误；对乙图，半杯水与半杯酒精混合之后的总体积要小于整个杯子的容积，说明液体分子之间有间隙，选项B正确；对丙图，自由膨胀和扩散现象都具有单向性，不具有双向可逆性，选项C错误；对丁图，扩散现象也能在固体之间发生，选项D错误。3．(2024·山东滨州市第一中学开学考)如图所示为济南市某日的天气预报，下列说法正确的是()A．当空气质量显示为霾时，空气中细颗粒物(如PM1～2.5)的分子在空气中做无规则的布朗运动B．从上午7点到下午1点，空气分子中速率较大的分子数量占总分子数量比例逐渐变大C．若温度降为8℃，水蒸气液化为露珠的过程中分子间引力减小，斥力增大D．若温度降为8℃，水蒸气液化为露珠的过程中分子势能一直增大答案B解析当空气质量显示为霾时，空气中细颗粒物(如PM1～2.5)即固体小颗粒在空气中做无规则运动是布朗运动，故A错误；温度是分子热运动平均动能的标志，从上午7点到下午1点，温度逐渐升高，空气分子中速率较大的分子数量占总分子数量比例逐渐变大，故B正确；若温度降为8℃，水蒸气液化为露珠的过程中分子间的距离逐渐变小，引力和斥力均增大，故C错误；若温度降为8℃，水蒸气液化为露珠的过程中分子力表现为引力，且做正功，所以分子势能一直减小，故D错误。4.食盐是我们生活中不可缺少的调味品，通过研究，我们知道了食盐的微观结构如图所示。则下列说法正确的是()A．食盐晶体是正六面体形B．食盐所有的物理性质都具有各向异性C．食盐颗粒受潮粘连成食盐块时，形状不规则，是非晶体D．食盐在熔化时，要吸收热量，温度保持不变，所以内能也不变答案A解析食盐晶体是正六面体形，选项A正确；食盐具有各向异性，但并非所有的物理性质都具有各向异性，选项B错误；食盐颗粒受潮粘连成食盐块时，形状不规则，但仍是晶体，选项C错误；食盐在熔化时，要吸收热量，温度保持不变，所以内能增加，选项D错误。5．(2023·北京卷·1)夜间由于气温降低，汽车轮胎内的气体压强变低。与白天相比，夜间轮胎内的气体()A．分子的平均动能更小B．单位体积内分子的个数更少C．所有分子的运动速率都更小D．分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更大答案A解析夜间气温低，分子的平均动能更小，但不是所有分子的运动速率都更小，故A正确，C错误；由于汽车轮胎内的气体压强变低，轮胎会略微被压瘪，则单位体积内分子的个数更多，分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更小，B、D错误。6．(2023·浙江宁波市模拟)图甲是三颗微粒做布朗运动的位置连线图，图乙是氧气分子速率分布图，图丙是静止在水面上的硬币，图丁是弹簧测力器向上拉一块贴在水面的玻璃，下列说法正确的是()A．甲图中，微粒越大，单位时间内受到液体分子撞击次数越多，布朗运动越明显B．乙图中，温度升高，所有氧分子的速率都增大C．丙图中，硬币能浮在水面上，主要是因为水的浮力D．丁图中贴于水面上的玻璃很难被拉起是因为分子引力的缘故答案D解析微粒越小，布朗运动越明显，故A错误；温度越高，氧气分子的平均速率增大，不是每一个分子速率都增大，故B错误；硬币浮在水面上，主要是因为水的表面张力，故C错误；贴于水面上的玻璃很难被拉起是因为分子引力的缘故，故D正确。7．神舟十二号航天员刘伯明曾在太空中用毛笔写下“理想”二字。在太空舱内使用的毛笔、墨汁和纸张都是特制的，毛笔笔尖内部存在毛细管能够吸墨，笔尖与纸张接触时，墨汁就从笔尖转移到纸上。在太空舱内()A．使用普通中性笔也能流畅书写B．墨汁分子间不存在作用力C．墨汁不浸润毛笔笔尖D．墨汁浸润纸张答案D解析由于太空中处于完全失重状态，使用普通中性笔不能流畅书写，故A错误；由于分子间相互作用不受重力影响，则墨汁分子间存在相互作用力，故B错误；空间站仍能用毛笔的原理就是毛细现象，则墨汁浸润毛笔笔尖、浸润纸张，故C错误，D正确。8．(多选)若以μ表示氮气的摩尔质量，V表示在标准状况下氮气的摩尔体积，ρ是在标准状况下氮气的密度，NA为阿伏加德罗常数，m、V0分别表示每个氮分子的质量和体积，下面四个关系式中正确的是()A．NA＝eq\f(Vρ,m) B．ρ＝eq\f(μ,NAV)C．m＝eq\f(μ,NA) D．V0＝eq\f(V,NA)答案AC解析摩尔质量为μ＝m·NA＝ρ·V，可得NA＝eq\f(Vρ,m)，m＝eq\f(μ,NA)，ρ＝eq\f(μ,V)，故A、C正确，B错误；因为氮气分子间距很大，故可知NAV0≠V，即V0≠eq\f(V,NA)，故D错误。9．(2023·河北省联考)如图甲、乙、丙、丁所示分别是关于熔化现象及分子动理论的四幅图像，下列说法正确的是()A．从甲图看出晶体在熔化过程中没有固定的熔点，而非晶体在熔化过程中有固定的熔点T0B．从乙图看出0～r0范围内，随着r的增大，分子势能减小，分子力减小C．从丙图看出当温度升高时，分子速率分布曲线出现峰值时的分子速率向速率小的一方移动D．从丁图看出，在一定的温度下，气体分子的速率分布是确定的，呈现“两头多、中间少”的分布规律答案B解析从甲图看出晶体在熔化过程中有固定的熔点T0，而非晶体在熔化过程中没有固定的熔点，故A错误；从乙图看出0～r0范围内，随着r的增大，分子势能减小，分子力减小，故B正确；从丙图看出当温度升高时，分子速率分布曲线出现峰值时的分子速率向速率大的一方移动，故C错误；从丁图看出，在一定的温度下，气体分子的速率分布是确定的，呈现“中间多，两头少”的分布规律，故D错误。10.(2023·北京市顺义区模拟)如图所示是两分子系统的分子势能Ep与两分子间距离r的关系图像，下列说法正确的是()A．当r＝r1时，分子间的作用力为零B．当r＞r1时，分子间的作用力表现为引力C．当r由r1变到r2的过程中，分子势能逐渐变大D．当r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做正功答案D解析由图像可知，分子间距离为r2时分子势能最小，此时分子间的距离为平衡距离。r＝r1时两分子之间的距离小于平衡距离，可知r＝r1时分子间