分子热运动

第十一章 分子热运动 能量守恒

我们通常把中学物理知识分为五大块：力学、热学、电磁学、光学和原子物理。随着第十章的结束，我们就完成了力学的新课学习。热学包括第十一、第十二两章内容，从知识份量上来，远远少于力学。事实上，中学热学知识的深度也远远小于力学，如果把大学（普通）物理的深度比做十分，中学的力学可能已经到了五至六分，而热学则不到一分，可以说只是了解一些皮毛而已。这是因为热学的研究需要深入微观空间，不象力学一样直观、表象，所以要常常用到一些特殊的方法，涉及的数学工具也比较深奥。这就意味着，知识内容虽少，理解的难度依然存在，不能认为就很轻松。在学习方向方面，我们不是重在定量的训练（过去的教材中关于气体知识的运算量较大，从本届起也砍掉了），而是要定性地建立一些有用的观念（如守恒的观念、统计的观念、熵增大的观念等），为高一级学校的学习做好思想方面的准备。
从两个章节的授课安排来看，下一章主要是阅读知识，相对的重点落在第十一章。
第十一章分三个单元：分子动理论（第1 ~ 3节）、内能介绍（第4节）、热力学两个定律（第5、6、7节）。
热学的知识和其它领域相对独立，但仍然和我们的生产生活、科学技术密切相关，希望大家给予一定的重视。

§11~1 物体是由大量分子组成的

【目的】
1、知道物体是由大量分子组成的，知道分子的模型、大小、质量
2、知道用油膜法测定分子大小的原理
3、理解阿伏加德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁，并会用阿伏加德罗常数进行相关的计算
【重点】
知道物体是由大量分子组成的，知道分子的模型、大小、质量
【教学难点】
结合阿伏加德罗常数对分子大小、质量进行计算时，分子的排列模式处理（是球形还是立方体）
【教具】
投影仪、扫描隧道显微镜拍摄的石墨照片、电子显微镜拍摄的硅原子照片
【教学过程】
○、引入
看到今天的标题，我们就会想到化学中关于物质组成的知识。事实上，今天的课差不多就是这部分知识的复习，只是某些素材和研究的途径略有不同。
一、分子的大小
人们在认识物质组成方面的历史，我们已经知道得比较多了，这里不在赘述。
设问：什么是分子？
学生：分子是物质保持化学性质的最小单位，它可以包括单个或多个原子。
我们下面从物理学的角度介绍一下人们认识分子组成的典型事实——
1、相关事实
扫描隧道显微镜观察（教材彩图2）→根据放大率反推分子大小
*电子显微镜（照片）→根据放大率反推分子大小
单分子油膜法
a、原理…，以油酸分子呈立方体排列“估算”→关系：d =
b、操作：油酸→稀释→滴入→酒精溶解→撒石膏粉（或痱子粉）取膜→面积计算
例题：将1cm3的油酸溶于酒精，制成200cm3的的油酸酒精溶液。已知1cm3溶液有50滴，现取其1滴，将它滴在水面上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一单分子薄层。现已测得这个薄层的面积为0.2m2 ，试由此估算油酸分子的直径。
解：d = = = 5×10-10 m
答：略。
用不同的途径测量，发现不同的分子，其大小虽然各不相同，但它们的数量级是相同的——
2、分子的大小：10-10 m数量级
10-10 m在波动光学中也称之为1埃（ ），它是纳米的十分之一。
过渡：分子的线度是如此之小，那么组成物体的分子个数必然是巨大的。分子的线度和组成物体的分子个数除了实验测量之外，还有没有理论的方法寻求呢？
二、阿伏加德罗常数
（化学知识复习）一摩尔的任何物质都含有相同的…
1、阿伏加德罗常数：1mol的任何物质所含的粒子数，即：NA = 6.02×1023 mol－1（精确值为6.0221367×1023 mol－1）
显然，有了阿伏加德罗常数、摩尔质量，我们就能将宏观量和微观量联系起来进行计算。阿伏加德罗常数是联系宏观世界和微观世界的重要纽带。
2、分子大小和质量的计算
当然，在计算方面，除了重复化学科目已经做过的一些处理外，还有一个分子怎么排布的问题。有关这方面的详细知识，在下一章会具体介绍。今天，我们会用到一些相对“模糊”的处理。具体怎么个模糊法，看下面的例题——
例题：已知金刚石的密度ρ= 3.5×103 kg/m3 ，碳的摩尔质量为12×10-3 kg/mol。现有一块体积V = 5.7×10-8 m3的金刚石，它含有多少个碳原子？如果认为碳原子是紧密地排列在一起的，试求碳原子的直径。
解：第一问很常规，属化学知识复习。
N = n NA = NA = = ×6.02×1023 = 1.00×1022
解第二问，可以先求每个碳原子所占据的空间
v = = = = = = 5.70×10-30 m3
如果认为碳原子呈立方体排列，碳原子的直径d = = 1.79×10-10 m
如果认为碳原子呈球形排列，则 v = π（ ）3 ，故，碳原子的直径d = = 2.22×10-10 m
这两种算法导致的结果差异较大，第二种看起来似乎更精确，但只要稍做思考，就会发现这样的问题：如果把每个分子所占的空间作为每个分子的体积，那么，分子之间的间隙不是不存在了吗？。所以，第一种算法事实上更为符合事实。
从本题的第一问可以看到，57mm3的钻石（相当于钻戒上的一颗小钻石）所含的碳原子居然有1022个！这个数字是庞大的，也就是说，物体是由大量分子组成的。建立起这样的观念非常重要。
第二问则告诉我们，遇到分子间距和质量的问题，除了化学的知识复习之外，还要进行物理的思考…
三、小结
本节我们学习了两部分内容…。知识的重点还在对化学知识的复习，建立起“物体是由大量分子组成的”这样的观念。在分子的排布方面，我们可以相机行事，具体问题具体分析。分子所占的空间和分子本身的大小是有差距的，这样的情形在气体中将会更加明显。
四、作业布置
教材P71第（1）（2）（3）（4）题，上作业本
《优化设计》P58第1、2、3、4、5、6题，做在书上
【板书设计】
注意“教学过程”的灰色部分，即是板书计划。
【教后感】
分量非常合适，计划贯彻也很到位。主要还是备课细致，每个环节都想到了。具体教学的过程中，非常理智，语言都差不多按教案设计的内容“发言”，完全没有随意性。
要说缺点，教学过程平淡了一些，差了一点激情。
此外，关于分子排布和分子之间有间隙的问题，没有作业题照应，巩固就成了问题。

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