《导学案》2021版高中物理(人教版-选修3-3)教师用书：7.1-物体是由大量分子组成的-讲义

实现原子级操纵和原子级加工,是目前国际科学界公认的21世纪高新技术。我国科学家在这一领域的很多方面均已取得了突破性成果。1994年初,中国科学院真空物理试验室的争辩人员成功地利用一种新的表面原子操纵方法,在硅单晶表面上直接提走硅原子,形成平均宽度为2纳米(3至4个原子)的线条。从获得的照片上可以清楚地看到由这些线条形成的字样和硅原子晶格整齐排列的背景。图示是中国科学院化学争辩所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜,在石墨表面上刻蚀出来的图象。图上的“中国”字样和中国地图图案都格外清楚逼真。图形的线宽实际上只有10纳米。这些事实已经表明,在这一领域中国已领先跨入21世纪的门槛。课时7.1物体是由大量分子组成的1.知道物体是由大量分子组成的。2.知道油膜法测分子大小的原理,并能进行测量和计算。通过油膜法试验知道科学争辩中的一种方法:利用宏观量求微观量。3.知道分子的球体模型,知道分子直径的数量级。初步生疏到微观世界是可以认知的。4.知道阿伏加德罗常数的物理意义、数值和单位。重点难点:理解和学会用单分子油膜法估算分子大小(直径)。把握运用阿伏加德罗常数估算微观量(分子的体积、直径、分子数等)的方法。油膜法测分子直径试验的操作是本节的难点。教学建议:同学在学校已接触分子运动的基本内容,而且把握了确定的化学(原子)学问,课前要求同学阅读所要学习的内容,并自行完成学问体系梳理,理清学问关系、明确认知误区。课堂教学中通过同学认为不行能(用简洁方法测分子直径)的试验引起同学的爱好,并具体介绍试验中的“放大”作用,引导同学分组争辩、协作完成探究问题,开拓思维,体会怎样通过宏观量来(间接)测量微观量。通过对分子大小的具体计算和抽象思维、抱负化模型的处理,对看不见摸不着很微小的分子(直径数量级、质量数量级)有个初步的了解。利用阿伏加德罗常数进行数量计算后,对同学怀疑之处进行点拨,师生互动过程全面突破学问重难点。导入新课:我们喝一口水大约喝下6.0×1023个水分子,假如动用全世界60亿人来数这些分子,每人每秒数一个,300万年也数不完,可见,分子是微小的,我们可以通过什么途径估测这么小的分子的大小呢?1.分子何其小(1)利用单分子油膜法测量分子直径的原理把一滴油滴到水面上,油在水面上散开形成单分子油膜,在计算分子大小时,通常可以把分子看作是一个①弹性小球,这是一个近似模型。通常认为②油膜的厚度等于油分子的直径,而油分子是一个挨一个整齐排列的。试验时测出油滴的体积V,再测出油膜的面积S,就可估算出油分子的直径d,公式d=③QUOTE。(2)试验结论测量结果表明一般分子的直径的数量级为④10-10m。如水分子直径约为4×10-10m,氢分子直径约为2.3×10-102.分子何其多(1)对阿伏加德罗常数的生疏我们在化学中已学过,1mol任何物质所包含的粒子的数目都相等,这个数叫作⑥阿伏加德罗常数,用符号NA表示。目前,它的公认值是NA=6.02×1023mol-1,在通常的计算中,可取NA=⑦6.0×1023mol-1。(2)阿伏加德罗常数的意义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⑧宏观物理量与分子质量、分子大小等⑨微观物理量联系了起来。1.现有大量小米,请你想方法估测出每粒小米的直径。甲同学用游标卡尺;乙同学用螺旋测微器;丙同学则用量筒测出确定量小米的体积V,将这些小米平摊在水平坐标纸上,使小米尽量紧挨着又不重叠,计算出小米所占的面积S,则小米的直径d=QUOTE。你觉得这三位同学的测量方法中哪种方法更适合估测微小颗粒的直径?解答:丙同学的方法更适合估测微小颗粒的直径。2.依据问题1中丙同学的估测方法,在预习了阿伏加德罗常数后再替他想个处理数据的方法,估测出小米的直径。解答:可以用量筒测出少量小米的体积V,数出小米的颗粒数N,计算出每粒小米所占的体积V0=QUOTE,再依据V0=QUOTER3=QUOTE,得每粒小米的直径D=QUOTE。3.推断下列说法的正误:(1)热学中的分子和化学中的分子指的是同一概念。(2)我们看到阳光下飘舞的微粒就是分子。(3)为了便于争辩,我们通常把固体和液体分子看作球形。(4)我们所说的纳米就是分子直径的大小。解答:(1)在化学中,分子是构成物质并保持物质化学性质的最小微粒,除分子外还有原子和离子,但在热学中,由于它们遵从相同的运动规律,故统称为分子。所以,在化学和热学中,分子指的不是同一概念,(1)错。(2)分子用肉眼是无法看到的,我们看到的飘舞的微粒是灰尘,(2)错。(3)把固体和液体分子看作球形是对分子外形的简化,也是为了便于计算分子的大小,(3)对。(4)纳米是长度单位,一纳米也比分子的直径大很多,(4)错。主题1:分子大小的估测——单分子油膜法(重点探究)问题:阅读课本中本节相关的试验,思考下列问题。(1)为什么单分子油膜法可测分子直径?(2)本试验由于是估测,对油酸分子做了哪些简化处理?你认为这种处理方法对气体是否成立?(3)如何求出单分子油膜层的厚度(即分子直径)?解答:(1)一滴油酸滴到水面上,油酸在水面上充分散开后形成单分子油膜。通常把分子看成球形,这样油膜的厚度就等于油分子的直径,而油分子又是一个挨一个地排列的。试验时测出油滴的体积V,再测出油膜的面积S,就可估算出油分子的直径d=QUOTE。(2)本试验中对油酸分子进行简化处理:①把分子看成一个个小球。②认为油酸分子是一个紧挨一个排列的。③认为油膜厚度等于分子直径。对固体、液体分子可视为球形,分子间紧密排列可忽视间隙。由于气体分子间距比较大,这种简化处理对气体不成立。(3)①先测出一滴纯油酸的体积V;②测出水面上漂移的油膜的表面积S;③单分子油膜的厚度等于油滴体积V与油膜面积S的比值,即d=QUOTE。学问链接:单分子油膜法估测分子大小试验的前提:(1)将油酸分子看作球形。(2)形成的油膜是单分子油膜。(3)不考虑油酸分子间的空隙。主题2:阿伏加德罗常数、微观量与宏观量的计算问题:阅读课本中“阿伏加德罗常数”标题下的内容,回答下列问题。(1)摩尔质量与分子质量的关系是什么?(2)摩尔体积=NA×分子体积,对于任何物质都成立吗?(3)设物体的质量、密度和体积分别为m、ρ、V,所含分子数为N,摩尔体积和摩尔质量分别为Vm、M,物质的分子质量和体积分别为m0、V0,试写出分子质量、体积和分子个数的表达式,并指出哪些量是“宏观量”,哪些量是“微观量”。解答:(1)摩尔质量=NA×分子质量。(2)不是。由于固体和液体分子间隙可忽视,故公式只对固体和液体成立,对气体不成立。对气体而言,应为摩尔体积=NA×分子占有体积。(3)分子的质量:m0=QUOTE=QUOTE。分子的体积:V0=QUOTE=QUOTE(仅适用于固、液体)。物体所含的分子数:N=QUOTE·NA=QUOTE·NA或N=QUOTE·NA=QUOTE·NA。微观量有分子体积V0、分子质量m0、分子个数N。宏观量有物体体积V、摩尔体积Vm、物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ。学问链接:阿伏加德罗常数是联系微观物理量和宏观物理量的桥梁。估算分子质量时,不论是液体、固体,还是气体,均可用m0=QUOTE。估算分子大小和分子间距时,对固体、液体与气体,应建立不同的微观结构模型。主题3:估算分子大小的两种模型问题:(1)若已知油酸分子的摩尔体积Vm,用油膜法测出分子直径d后,怎样进一步估算阿伏加德罗常数?(2)1mol气体在标准状况下体积Vm=22.4L,单个气体分子的体积可否用V0=QUOTE计算?说明理由。解答:(1)测出油酸分子的直径可求出一个分子的体积V0=QUOTEπd3,若油酸的摩尔体积为Vm,则阿伏加德罗常数NA=QUOTE。(2)不能。由于气体分子间距比较大,假如认为气体均匀分布的话,用V0=QUOTE算出的结果只能是每个气体分子所占的平均空间,而不是单个气体分子的体积。学问链接:固体和液体分子都可看成是紧密堆集在一起的。分子的体积V0=QUOTE仅适用于固体和液体,对气体来说,V0表示每个气体分子平均占有的空间体积。1.(考查油膜法原理)用油膜法测分子直径的试验中,做了科学的近似的有()。A.把在水面上尽可能集中开的油膜视为单分子油膜B.把形成油膜的分子看作紧密排列的球形分子C.将油膜视为单分子油膜,但需要考虑分子间隙D.将油酸分子视为立方体模型【解析】用油膜法估测分子的大小,要由公式d=QUOTE求解,必需有:①将分子视为球体模型,且不考虑分子间隙;②水面上的油膜为油酸单分子层。【答案】AB【点评】单分子油膜法估测分子大小试验的前提:将油酸分子看作球形;形成的油膜是单分子油膜;不考虑油酸分子间的空隙。2.(考查阿伏加德罗常数的计算)某气体的摩尔质量为M,摩尔体积为Vm,密度为ρ,每个分子的质量和体积分别为m和V0,则阿伏加德罗常数NA可表示为()。A.NA=QUOTEB.NA=QUOTEC.NA=QUOTE D.NA=QUOTE【解析】每个气体分子所占空间的体积远远大于气体分子的体积,NA≪QUOTE,所以A、D选项错误。气体质量等于气体各分子质量的总和,故有NA=QUOTE=QUOTE,B、C选项正确。【答案】BC【点评】对于固体和液体分子,我们认为它们是紧密排列的,分子间没有空隙,可以应用球形模型;对于气体分子,由于分子间的间距较大,要用立方体模型,这时求出的也不是分子的大小,而是分子所占的空间体积。3.(考查对气体分子的初步生疏)要估算出气体中分子间的平均距离,只要知道下列物理量中的()。A.阿伏加德罗常数,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D.该气体的密度、体积和摩尔质量【解析】气体摩尔体积为:Vm=QUOTE,其中一个气体分子所占据的空间为:V=QUOTE,分子间距离为d=QUOTE,故B正确。【答案】B【点评】把气体分子看作立方体模型;1mol任何气体在标准状态下的体积均为22.4L。利用V=V4.(考查油膜法和阿伏加德罗常数的综合计算)利用单分子油膜法可以粗测分子的大小和阿伏加德罗常数。假如已知体积为V的一滴油在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S,这种油的密度为ρ,摩尔质量为M0,则阿伏加德罗常数的表达式为。

【解析】分子体积V'=QUOTEπd3=QUOTEπ(QUOTE)3=QUOTE,油的摩尔体积V0=QUOTE,所以阿伏加德罗常数NA=QUOTE=QUOTE。【答案】QUOTE【点评】利用宏观量(摩尔质量、摩尔体积和阿伏加德罗常数)求微观量(分子质量、分子体积)时,要留意利用密度建立摩尔质量和摩尔体积的联系。拓展一:油膜法测分子大小1.在“用油膜法估测分子大小”的试验中,所用的油酸酒精溶液的浓度为每1000mL溶液中有纯油酸0.6mL。用注射器测得1mL上述溶液为80滴,把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内,让油膜在水面上尽可能散开,测得油酸薄膜的轮廓外形和尺寸如图所示,图中正方形方格的边长为1cm。(1)试验中为什么要让油膜尽可能散开?(2)试验测出油酸分子的直径是多少?(结果保留两位有效数字)【分析】解答本题时可按以下思路进行:【解析】(1)为使油膜在水面上形成单分子油膜。(2)由图可知油膜掩盖方格数约为121个,设油酸分子的直径为d,则有QUOTE×QUOTE×10-6m3=121×1×10-4m2·d解得d=6.2×10-10m(6.1×10-10m~6.3×10-【答案】(1)为使油膜在水面上形成单分子油膜(2)6.2×10-【点拨】油膜法估测分子大小的解题技巧如下。(1)首先要精确     计算出纯油酸的体积V。(2)其次计算出油膜的面积S:数出“整”方格的个数,对剩余小方格的处理方法是不足半格的舍去,多于半格的算一个。(3)最终利用公式d=QUOTE求出的数值就是分子直径的大小。拓展二:阿伏加德罗常数的理解与应用2.已知阿伏加德罗常数、物质的摩尔质量和摩尔体积,可以计算()。A.固态物质分子的体积和质量B.液态物质分子的体积和质量C.气态物质分子的体积和质量D.气态物质分子的质量【分析】宏观量和微观量间的关系对于固体、液体和气体的适用是有区分的,要建立不同的模型分析。【解析】依据阿伏加德罗常数的概念可知,无论物质处于何种状态,分子的质量m0均等于物质的摩尔质量M除以阿伏加德罗常数NA,即m0=QUOTE。由于物质的三种状态中固态和液态均可视为分子紧密排列,但气态分子间距远大于分子本身的体积,所以,只有固态和液态物质分子的体积V0可由其摩尔体积Vm除以NA得出,即V0=QUOTE,故应选A、B、D。【答案】ABD【点拨】(1)估算固体或液体分子(或原子)的直径和质量,要理解下列两个要点:①忽