人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：1 1 分子动理论的基本内容

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第1节分子动理论的基本内容学习目标要求核心素养和关键能力1.知道分子动理论的三个基本要点。2.认识物体是由大量分子组成的，能够建立两种模型进行宏观量和微观量的计算。3.理解扩散现象、布朗运动和热运动的区别及影响因素和本质。4.理解分子力的概念，知道分子力随分子间距离变化的特点。1.科学思维微观量和宏观量之间的联系和计算。2.关键能力物理建模能力。一、物体是由大量分子组成的1.物体是由大量分子组成的。2.多数分子直径的数量级为10－10m。3.在研究物体的热运动性质和规律时，把组成物体的分子、原子或者离子统称为热学上的分子。4.观察方法：用肉眼和高倍的光学显微镜都无法看到，只有用扫描隧道显微镜才能观察到。5.1mol的任何物质都有相同的粒子数。这个数量可以用阿伏加德罗常数表示，其值为NA＝6.02×1023mol－1。〖判一判〗(1)物体是由大量分子组成的，其中“分子”只包含分子，不包括原子和离子。(×)(2)阿伏加德罗常数所表示的是1g物质内所含的分子数。(×)(3)1mol任何物质都含有NA个粒子。(√)(4)知道氧气的摩尔质量和一个氧气分子的质量可以算出阿伏加德罗常数。(√)二、分子热运动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)产生原因：扩散现象不是外界作用引起的，而是物质分子无规则运动的直接结果，是物质分子无规则运动的宏观反映。(3)意义：证明了物质分子永不停息地做无规则运动。(4)应用举例：在高温条件下通过分子的扩散，在纯净半导体材料中掺入其他元素。2.布朗运动(1)定义：悬浮在液体(或气体)中固体微粒的无规则运动。1827年，英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。(2)研究对象：悬浮在液体或气体中的固体小颗粒，不是固体颗粒中的单个分子，也不是液体分子。(3)产生的原因：大量液体或气体分子对悬浮微粒撞击的不平衡造成的。(4)运动特点：①永不停息；②无规则。(5)影响因素：微粒的大小和温度的高低。①固体颗粒越小，布朗运动越明显；②温度越高，布朗运动越剧烈。(6)意义：悬浮微粒的无规则运动不是分子的运动，但是它可以间接地反映了液体或气体分子的无规则运动。3.热运动(1)定义：分子永不停息的无规则运动。(2)热运动与温度的关系：温度越高，分子热运动越剧烈。(3)温度是分子热运动剧烈程度的标志。〖判一判〗(1)扩散现象和布朗运动都与温度有关，它们都叫热运动。(×)(2)高速运动的物体，其内部分子的热运动一定更激烈。(×)(3)温度降低，分子的热运动变慢。当温度降低到0℃以下时，分子就停止运动了。(×)三、分子间的作用力1.分子间有空隙(1)气体分子的空隙：气体很容易被压缩，说明气体分子之间存在着很大的空隙。(2)液体分子间的空隙：水和酒精混合后总体积会变小，说明液体分子之间存在着空隙。(3)固体分子间的空隙：压在一起的金块和铅块，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。2.分子间的作用力(1)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。(2)当用力压缩物体时，物体内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。(3)分子间的作用力F与分子间距离r的关系。①当r＜r0时，分子间的作用力F表现为斥力；②当r＝r0时，分子间的作用力F为0，这个位置称为平衡位置；③当r＞r0时，分子间的作用力F表现为引力。〖判一判〗(1)水的体积很难被压缩，这是分子间存在斥力的宏观表现。(√)(2)气体总是很容易充满容器，这是分子间存在斥力的宏观表现。(×)(3)用力拉铁棒的两端，铁棒没有断，这是分子间存在引力的宏观表现。(√)(4)气体容易被压缩，说明气体分子之间有空隙。(√)(5)分子间的引力随距离的增大而增大，斥力随距离的增大而减小。(×)探究1微观量和宏观量间的估算问题1.阿伏加德罗常数NA(桥梁和纽带作用)阿伏加德罗常数是宏观世界和微观世界之间的一座桥梁。它把摩尔质量Mmol、摩尔体积Vmol、物质的质量m、物质的体积V、物质的密度ρ等宏观量，跟单个分子的质量m0、单个分子的体积V0等微观量联系起来。下图将这种关系呈现得淋漓尽致。其中密度ρ＝eq\f(m,V)＝eq\f(Mmol,Vmol)，但要切记ρ＝eq\f(m0,V0)是没有物理意义的，NA＝eq\f(Vmol,V0)只适用于固体和液体。2.微观量与宏观量的关系(1)分子质量：m0＝eq\f(Mmol,NA)＝eq\f(ρVmol,NA)。(2)分子体积：V0＝eq\f(Vmol,NA)＝eq\f(Mmol,ρNA)(适用于固体和液体)。(对于气体，V0表示每个气体分子所占空间的体积)(3)物质所含的分子数：N＝nNA＝eq\f(m,Mmol)NA＝eq\f(V,Vmol)NA。3.两种模型(1)球体模型固体和液体可看作一个一个紧挨着的球形分子排列而成，忽略分子间空隙，如图甲所示。d＝eq\r(3,\f(6V0,π))＝eq\r(3,\f(6Vmol,πNA))(V0为分子体积)。(2)立方体模型气体分子间的空隙很大，把气体分成若干个小立方体，气体分子位于每个小立方体的中心，每个小立方体是每个气体分子平均占有的活动空间，忽略气体分子的大小，如图乙所示。d＝eq\r(3,V0)＝eq\r(3,\f(Vmol,NA))(V0为每个气体分子所占据空间的体积)。〖例1〗(2021·江苏徐州市高二期末)2020年12月17日，“嫦娥五号”返回器带着1.731kg的月球土壤顺利在内蒙古预定区域着陆。月球土壤中的氦－3蕴藏量大，它是一种目前已被世界公认的高效、清洁、安全的核聚变原料。若每千克月球土壤中含有氦－3的质量为m，氦－3的摩尔质量为M，阿伏伽德罗常数为NA(均为国际单位)，求：(1)每个氦－3分子的质量m0；(2)“嫦娥五号”返回器带回的1.731kg月球土壤中含有氦－3分子总个数。〖答案〗(1)eq\f(M,NA)(2)1.731eq\f(mNA,M)〖解析〗(1)每个氦－3分子的质量m0＝eq\f(M,NA)。(2)每千克月球土壤中含有质量为m的氦－3，则1.731kg月球土壤中含有氦－3的质量为1.731m，则“嫦娥五号”返回器带回的1.731kg月球土壤中含有氦－3分子总个数N＝eq\f(1.731m,M)NA＝1.731eq\f(mNA,M)。〖例2〗(2021·南京市中华中学高二期末)估算法是根据生活和生产中的一些物理数据对所求物理量的数值和数量级大致推算的一种近似方法。在标准状况下，水蒸气的摩尔体积V＝22.4×10－3m3/mol，NA＝6.02×1023mol－1，水的摩尔质量M＝18g/mol，水的密度ρ＝1×103kg/m3。请进行下列估算：(1)水蒸气分子的平均间距约为多少？(2)水分子的直径约为多少？(以上结果均保留1位有效数字)〖答案〗(1)3×10－9m(2)4×10－10m〖解析〗(1)对气体分子来说，由于分子不是紧密排列，分子的体积远小于它所占有的空间的体积，所以分子所占有的空间的体积通常以立方体模型来计算。气体分子间的平均距离为L＝eq\r(3,\f(V,NA))＝eq\r(3,\f(22.4×10－3,6.02×1023))m＝3×10－9m。(2)固体和液体，认为分子紧密排列，通常把分子看作球体；则分子体积为摩尔体积Vmol除以阿伏伽德罗常数即V0＝eq\f(Vmol,NA)＝eq\f(M,ρNA)又分子直径为d的球体体积公式V0＝eq\f(1,6)πd3所以d＝eq\r(3,\f(6M,πρNA))＝eq\r(3,\f(6×18×10－3,3.14×1.0×103×6.02×1023))m＝4×10－10m。〖针对训练1〗(多选)设某种液体的摩尔质量为μ，分子间的平均距离为d，已知阿伏加德罗常数为NA，下列说法正确的是()A.假设分子为球体，该物质的密度ρ＝eq\f(3μ,4πd3NA)B.假设分子为正方体，该物质的密度ρ＝eq\f(μ,d3NA)C.假设分子为正方体，该物质的密度ρ＝eq\f(3μ,4πd3NA)D.假设分子为球体，该物质的密度ρ＝eq\f(6μ,πd3NA)〖答案〗BD〖解析〗分子为正方体时，1mol该物质的体积为d3NA，则ρ＝eq\f(μ,d3NA)，选项B正确，C错误；分子为球体时，1mol该物质的体积为eq\f(1,6)πd3NA，则ρ＝eq\f(μ,\f(1,6)πd3NA)＝eq\f(6μ,πd3NA)，选项D正确，A错误。探究2分子热运动■情境导入如图为研究溴蒸气的扩散现象、硫酸铜溶液的扩散现象的实验图。(1)甲、乙两个实验现象的产生是由外界作用(如对流、重力作用等)引起的吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)扩散现象产生的实质是什么？__________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)甲、乙两实验还说明了什么问题？①甲实验说明了__________________________________________________________________________________________________________________________。②乙实验说明了____________________________________________________________________________________________________________________________。(4)扩散现象能在固体中发生吗？试举例说明。____________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)把一碗小米倒入一袋玉米中，小米进入玉米的间隙中，这一现象是否属于扩散现象？____________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)扩散现象说明了什么问题？①________________________________________________________________________________________________________________________________________。②________________________________________________________________________________________________________________________________________。〖答案〗(1)扩散现象不是由外界作用(如对流、重力作用等)引起的，也不是化学反应的结果。(2)分子的无规则运动。(3)①扩散现象可以在气体中发生。②扩散现象可以在液体中发生。(4)扩散现象可以在固体中发生，如石头和煤长时间埋在一起，由于扩散变成了黑色的煤矸石。(5)扩散现象是指由于分子的无规则运动，不同物质的分子彼此进入对方的现象。但上述现象中不是分子运动的结果，而是两种物质的混合，所以不属于扩散现象。(6)①分子间有间隙。②组成物质的分子在不停地运动着。■归纳拓展1.扩散现象和布朗运动的比较物理现象异同点扩散现象布朗运动区别定义不同物质能够彼此进入对方的现象悬浮在液体(或气体)中的固体微粒的无规则运动原因物质分子永不停息地做无规则运动直接原因：大量液体(或气体)分子对悬浮微粒的撞击而导致的不平衡性根本原因：液体(或气体)分子的无规则运动影响因素(1)温度：温度越高扩散越快(2)浓度差：从浓度大处向浓度小处扩散(3)还与物质的状态、物质的密度差有关(1)温度：温度越高，布朗运动越显著(2)固体微粒的大小：微粒越小，布朗运动越明显现象本质是分子永不停息的无规则运动是固体颗粒的运动，是液体或气体分子无规则运动的宏观反映相同点①产生的根本原因相同，也就是分子永不停息地做无规则运动；②它们都随温度的升高而表现得越明显2.布朗运动和热运动的区别与联系布朗运动热运动不同点研究对象悬浮于液体中的微粒分子观察难易程度可以在显微镜下看到，肉眼看不到一般显微镜下看不到相同点①无规则；②永不停息；③温度越高越激烈联系周围液体(气体)分子的热运动是布朗运动产生的原因，布朗运动反映了分子的热运动〖例3〗(2021·江苏泰州中学高二月考)关于扩散现象与布朗运动，下列说法正确的是()A.扩散现象与布朗运动都是分子的无规则运动B.扩散现象与布朗运动都能说明分子在永不停息的运动C.扩散现象只能在液体和气体中发生D.液体中的悬浮颗粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，布朗运动越明显〖答案〗B〖解析〗扩散现象是分子的无规则运动，布朗运动是微小颗粒的无规则运动，故A错误；扩散现象能说明分子在永不停息的运动，布朗运动间接反映了分子的无规则运动，故B正确；扩散现象能在液体、固体和气体中发生，故C错误；液体中的悬浮颗粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，所受撞击越均衡，布朗运动越不明显，故D错误。〖针对训练2〗气溶胶粒子是悬浮在大气中的微小颗粒，气溶胶中的粒子具有很多动力学性质、光学性质，比如布朗运动，光的反射、散射等。关于封闭环境中气溶胶粒子，下列说法正确的是()A.在空气中会缓慢下沉到地面B.在空气中会缓慢上升到空中C.在空气中做无规则运动D.受到的空气分子作用力的合力始终等于其所受到的重力〖答案〗C〖解析〗由于气体分子对气溶胶粒子撞击的不平衡性，气溶胶粒子在空气中要做无规则的布朗运动，不会在空气中缓慢下沉，也不会在空气中缓慢上升，故A、B错误，C正确；空气分子对气溶胶粒子撞击的不平衡性造成了布朗运动，但空气分子对它的作用力和重力的大小无法比较，且空气分子对它撞击的方向也是无规则的，故D错误。探究3分子间的作用力1.分子间作用力的理解分子间的作用力是分子引力和分子斥力的合力，且分子引力和分子斥力是同时存在的。2.分子力与分子间距离变化关系(1)r0的意义分子间距离r＝r0时，引力与斥力大小相等，分子力为零，所以分子间距离等于r0(数量级为10－10m)的位置叫平衡位置。(2)分子间的引力、斥力和分子力随分子间距离变化的图像如图所示。在r轴上方，分子间的作用力表现为斥力；在r轴下方，分子间的作用力表现为引力。①分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小且斥力变化得快。②实际表现的分子力是引力和斥力的合力。③当r＜r0时，分子力随分子间距离的增大而减小；当r＞r0时，分子力随分子间距离的增大先增大后减小。〖例4〗(多选)关于分子间的相互作用力，以下说法中正确的是()A.当分子间距离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B.分子间既存在引力也存在斥力，分子力是它们的合力C.分子力随分子间距离的变化而变化，当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D.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〖答案〗BD〖解析〗分子之间的作用力如图所示，分子间既存在引力也存在斥力，分子间距离为r0时分子的斥力等于引力，它们的合力，即分子力为零，但并不是分子间无引力和斥力，A错误，B正确；当r＞r0时，随着距离的增大，分子间的引力和斥力都减小，但斥力比引力减小得快，故分子力表现为引力，C错误；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，D正确。〖针对训练3〗(多选)一分子固定在原点O处，另一分子可在x轴上移动，这两个分子间的分子引力和分子斥力大小随其间距x的变化规律如图所示，曲线ab与cd的交点e的坐标为(x0，f0)，则()A.x＝x0时分子力大小为2f0B.x＜x0的情况下，x越小，分子力越大C.x＞x0的情况下，x越大，分子力越小D.x＞x0的情况下，x增大，分子力做负功〖答案〗BD〖解析〗分子引力与分子斥力方向相反，x＝x0时分子引力与分子斥力恰好平衡，分子力为零，x＜x0的情况下，分子斥力比分子引力变化得快，分子力表现为斥力，x越小，分子力越大，选项A错误，B正确；x＞x0的情况下，分子力表现为引力，x从x0开始逐渐增大，分子力先增大后减小，选项C错误；x＞x0的情况下，x增大，因分子力为引力，故分子力做负功，选项D正确。探究4分子动理论1.分子动理论的内容①物体是由大量分子组成的。②分子在永不停息地做无规则运动。③分子之间存在着相互作用力。2.分子在无序运动中不断发生碰撞，每个分子的运动速度不断地发生变化，在某一特定时刻，某个特定分子究竟具有多大的速度完全是偶然的，不能预知。但对大量分子组成的整体而言，它们的运动却表现出规律性。〖例5〗将下列实验事实与产生的原因对应起来。A.水与酒精混合体积变小 a.固体分子也在不停地运动B.固体很难被压缩 B.分子运动的剧烈程度与温度有关C.细绳不易拉断 c.分子间存在着空隙D.糖在热水中很快溶解 D.分子间存在着引力E.冰冻食品也会变干 e.分子间存在着斥力它们的对应关系分别是①________，②________，③________，④________，⑤________。(在横线上填上实验事实与产生原因的符号)〖答案〗①Ac②Be③Cd④Db⑤Ea〖解析〗热现象的微观本质都是通过物体所发生的一些宏观现象，通过分析推理而获得，因此实验事实和微观本质的对应是认识热现象的基本方法。1.(微观量和宏观量间的关系)(多选)(2021·吕叔湘中学高二期中)若以M表示氧气的摩尔质量，ρ表示标准状况下氧气的密度，NA表示阿伏加德罗常数，则()A.每个氧气分子的质量为eq\f(M,NA)B.在标准状况下每个氧气分子的体积为eq\f(M,ρNA)C.单位质量的氧气所含氧气分子数为eq\f(NA,M)D.在标况下单位体积的氧气所含氧分子个数为eq\f(NAM,ρ)〖答案〗AC〖解析〗氧气分子的质量等于每摩尔氧气的总质量与每摩尔氧气分子总数的比值，等于eq\f(M,NA)，A正确；气体分子不是一个挨着一个的，无法求出分子的体积，B错误；单位质量的氧气所含氧气分子数等于每摩尔分子总数与每摩