高中物理教案--热学 11页

第十一章热学第1单元分子运动的三条理论Ⅰ物质的构成一、物质是由大量分子构成的分子是具有各种物质的化学性质的最小微粒，在热学中，原子、离子、分子这些微粒做热运动时，遵从相同的规律，所以，统称为“分子”水油酸分子油膜二、分子的大小：直径的数量级10－10m1、单分子油膜法粗测：（1）单层（2）球形（3）空隙1+1≠22、离子显微镜（200万倍）3、扫描隧道显微镜（几亿倍）三、几个常用的等式1、阿佛加德罗常数——1摩尔的任何物质所含的微粒数相同NA=6.02×1023mol－12、分子的个数=摩尔数×阿伏加德罗常数3、估算练习一、将1摩尔的油酸溶于酒精，制成200毫升的溶液。已知1毫升的溶液有50滴，取1滴滴在水面上，在水面上形成0.2平方米的油膜，估算油酸分子的直径解：1cm3的溶液中，酒精溶于水后，油酸体积V0＝1/200cm3＝1/200×10－6m31滴溶液中，油酸体积v＝Vo/50,得油酸分子直径为d＝v/s＝5×10－10米注：酒精的作用（1）、提高扩散速度（2）、油膜面积不致于很大，易于测量rr二、10克的氧气，在标准状况下（0℃，1atm）（1）、含有多少个氧气分子（2）、占有多大体积三、估算标准状况下，气体分子和水分子的间距1、气体\n1、同理，水的摩尔体积v＝18×10－3注：1、比较间距的大小2、边长＝间距3、水还可以看成球形模型v＝4πr3/3四、空气的摩尔质量m＝29×10－3kg/mol，当V＝45m3时，求：气体的质量M＝？解：Ⅱ分子无规则运动（热运动）的实验证明一、扩散：不同物质相互接触时彼此进入对方的现象意义：分子永不停息的做无规则的运动，而且温度越高，扩散越快。固体、液体也有扩散现象二、布朗运动1827年（英）布朗首先用显微镜观察水中的花粉时发现的，称为布朗运动。1、运动是无规则的2、颗粒体积越小越明显，质量越小越明显3、温度越高越明显4、气体中没有布朗运动原因——颗粒足够小时，来自各方向受到液体分子的撞击作用是不平衡的，颗粒越小，分子数越少，不平衡性越显著三、布朗运动与扩散的异同1、是颗粒还是分子2、是直接还是间接反映分子的运动3、成因是相同的，都是分子的无规则运动引起的练习1、空气中漂浮的灰尘的运动是不是布朗运动否：（1）、与颗粒大小有关颗粒直径10－6米（2）、空气的流动2、物体运动的速度越大，布朗运动越显著（×）Ⅲ分子间的相互作用力1、哪些现象说明分子间有空隙？扩散、布朗运动、教材彩图（石墨原子）酒精和水相混合1+1≠22、为什么分子不能紧贴在一起？——分子间有斥力3、为什么有空隙还能形成固体和液体？——分子间有引力斥力引力合力r0如果取斥力的方向为正4、分子间的引力和斥力如何变化？引力和斥力同时存在，半径r增加，引力和斥力同时减小，斥力减小的快，半径r减小，引力和斥力同时增加，斥力增加的快5、分子力何时表现出引力、斥力？分子间作用力（指引力和斥力的合力）随分子间距离而变的规律是：①rr0时表现为引力；④r>10r0\n以后，分子力变得十分微弱，可以忽略不计。对比弹簧振子的振动（类似）6、从本质上来说，分子力是电场力的表现。因为分子是由原子组成的，原子内有带正电的原子核和带负电的电子，分子间复杂的作用力就是由这些带电粒子间的相互作用而引起的。（也就是说分子力的本质是四种基本基本相互作用中的电磁相互作用）。练习：1、为什么物体可以被压缩，但又不能无限的被压缩？2、为什么气体容易被压缩，而固体和液体不容易被压缩？3、既然分子间有引力，那么打碎的玻璃为什么不能靠引力粘合在一起？第2单元物体的内能和热力学定律一、温度的宏观和微观意义是什么？如何理解？分子的无规则运动特点是多、快、乱、变，中间多，两头少，在热现象中，关心的是多个分子，而不是单个分子。（1）、分子的平均动能――所有分子的动能的平均值m～10－26kgv＝105m/s（2）、温度：宏观――表示物体的冷热程度，微观――是物体平均动能的标志（3）、温度相同，平均动能就相同，不论物体组成、结构、种类和物态(无论如何)二、什么是分子势能？分子势能与什么有关？（1）、由于分子间存在着相互作用的引力和斥力而具有的与其相对位置有关的能量，叫做分子势能。（2）、微观――与相对位置有关，宏观――与体积有关（3）分子势能与距离的变化关系和图象（类似于重力势能和弹性势能）。r0＝10－10mr＜r0引力＜斥力表现斥力r＝r0引力＝斥力合力＝0r＞r0引力＞斥力表现引力r＝10r0r＝10r0引力＝斥力＝0合力＝0r＝r0Ep最小r＞r0引力做负功Ep增加r＜r0斥力做负功Ep增加斥力引力r0EP三、什么是物体的内能，它与什么有关？1、所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能，也叫热力学能2、与温度T、体积V和分子个数N有关3、一切物体都具有内能\n四、内能和机械能又什么区别？1、宏观物体的机械运动对应机械能。机械能可以为零。2、微观物体对应内能。内能不可以为零。3、内能和机械能之间可以相互转化。温度计接打气筒胶塞五、做功改变物体的内能1、物体做功，物体内能增加2、对外做功，物体内能减小3、做多少功，改变多少内能六、热传递改变物体的内能1、外界向物体传递热量（吸热），物体的内能增加2、物体向外界传递热量（放热），物体的内能减小3、传递多少热量，内能就改变多少。能量的转移七、做功和热传递的实质1、做功改变内能，是能量的转化，用功的数值来度量2、热传递改变内能，是能量的转移，用热量来度量。能量的转化。八、做功和热传递的等效性——做功和热传递在改变内能上是等效的。例如：使物体升高温度，可以用热传递的方法，也可以用做功的方法，得到的结果是相同的，如果事先不知道，我们无法知道它是通过哪种途径改变的内能。1cal＝4.2J1J＝0.24cal九、区分内能、热量和温度热量是在热传递的过程中转移的内能，它只有在转移的过程中才有意义，热传递使物体的温度改变。温度不同是热传递的条件（类比：云――雨――水）例如：两物体温度不同相接触，热量从高温物体相低温物体传递，高温物体内能减少，温度降低，低温物体内能增加，温度升高。十、理想气体：（1）分子间无相互作用力，分子势能为零；（2）一定质量的理想气体的内能只与温度有关。（3）在温度不太低、压强不太大（常温常压）的条件下，实际气体可以近似为理想气体。练习1、物体平均速度大的物体的温度高（×）2、20℃的水和20℃的铜的平均动能相同（√）3、体积变大，内能变大（×）4、温度升高，所有的分子的平均动能都变大（×）5、同温度的水和氢气相比，氢气的平均速度大（√）十一、热力学第一定律——△U＝Q＋W1、表示内能的改变、做功、热传递之间的关系2、第一类永动机——不消耗能量，持续对外做功（违反能量守恒定律，不能制成）水箱水轮砂轮抽水机水箱\n【例】下列说法中正确的是A.物体吸热后温度一定升高B.物体温度升高一定是因为吸收了热量C.0℃的冰化为0℃的水的过程中内能不变D.100℃的水变为100℃的水汽的过程中内能增大解析：吸热后物体温度不一定升高，例如冰融化为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，所以A不正确。做功也可以使物体温度升高，例如用力多次来回弯曲铁丝，弯曲点铁丝的温度会明显升高，这是做功增加了物体的内能，使温度上升，所以B不正确。冰化为水时要吸热，内能中的分子动能不变，但分子势能增加，因此内能增加，所以C不正确。水沸腾时要吸热，内能中的分子动能不变但分子势能增加，所以内能增大，D正确。例1、如图示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于X轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示，F＞0为斥力，F＜0为引力，a、b、c、d为X轴上四个特定的位置。现把乙分子从a处由静止释放，则（）A、乙分子从a到b做加速运动，由b到c做减速运动B、乙分子从a到c做加速运动，到达c时速度最大C、乙分子从a到b的过程中，两分子的分子势能一直增加D、乙分子从b到d的过程中，两分子的分子势能一直增加分析：乙分子从a到b、c、d的运动过程中，先是分子的引力作用，加速度的方向跟运动方向一致，所以加速运动，到达c位置时，分子力等于零，加速度也就等于零，运动的速度是最大。从c再到d运动时，分子力为斥力，加速度的方向跟运动的方向相反，速度减小。通过分子力做功情况判断两分子的势能如何变化。（略）例2、如图示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中水面高，打开阀门K后，A中的水向B中流，最后达到平衡，这个过程中（）A、大气压力对水做功，水的内能增加B、水克服大气压力做功，水的内能减小C、大气压力对水不做功，水的内能不变D、大气压力对水不做功，水的内能增加分析：设大气压为P，A、B活塞的表面积分别为S1和S2，打开阀门后A容器中的水流到B容器中，A容器中的水面下降h1，B容器中的水面上升h2\n，根据压强与压力的关系及水的流动体积不变的原理，可以推导出，大气压力对A、B两活塞做功的代数和等于零。但是水的重力势能发生了变化，水的重力势能变了，根据能量守恒定律可知，水减小的机械能将转化为水的内能。例3、一颗质量为10g的子弹以400m/s的速度水平射入置于光滑水平桌面上的质量为1kg的木块后又从木块中穿出，木块从桌边滑出后着地点与桌边的水平距离为1．4m，已知桌面高为０．8m，取g=10m/s2,设子弹射穿木块过程中系统损失的机械能全部转化为系统的内能，求在这一过程中系统内能的增加量。分析：运用能量守恒观点求解。（略）十二、热力学第二定律1、第一种表述：如果没有其他变化，不可能使热量由低温物体传到高温物体。(克劳修斯表述)(其他变化――是指从单一热源吸热并把它用来做功以外的任何变化。)实质：热传递具有方向性，不可逆2、第二种表述：如果没有其他变化，不可能从单一热源吸收热量全部用来做功。即第二类永动机不可能制成。（开尔文表述）实质：机械能向内能转化有方向性3、两种表述是等价的4、第二类永动机――没有冷凝器，只有单一热源。它从单一热源吸收热量，全部做功，而不引起其他变化。这种永动机不可能制成，虽然不违反机械能守恒定律，但违反了机械能和内能转化的方向性。（注：单一热源指温度均匀且恒定的热源）5、一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，是不可逆的。高温外界帮助低温单一热源对外做功冷凝器十三、热力学第三定律和第零定律第3单元气体、固体和液体（一）气体一气体的状态参量0℃273K－273℃0K(1)温度（T）1、意义：微观――是分子平均动能的标志宏观――物体的冷热程度2、单位：摄氏温度（t）摄氏度℃开氏温度（热力学温度T）开尔文K（补：摄氏――摄尔修斯华氏温度――华伦海特勒氏――勒奥默）T＝t＋273.153、就每一度来说，它们是相同的（2）体积（V）与液体和固体的体积不同，气体的体积是\n指气体分子所能达到的空间，也就是气体所充满容器的容积，无论气体的分子个数多少，无论气体的种类。理解：r大力小容易扩展填充整个容器单位：m3dm3或Lcm3mm3(3)、压强（p）水h单位面积上受到的正压力1、液体和大气压强的产生原因――重力h是某点距液面的距离压强与深度有关，向各个方向都有压强2、容器内气体压强的产生原因――碰撞大量的气体对器壁的频繁撞击，产生一个均匀的，持续的压力（举例：雨伞），这个压力就产生了压强。压强与深度无关，在各处都相等，向各个方向都有压强3、单位1Pa＝1N/m21atm＝101325Pa＝105Pa1atm＝760mmHg1mmHg＝133.322Pa（4）、状态的改变对应一定质量的气体，如果三个参量有两个或三个都发生了变化就说气体的状态改变了（只有一个发生变化是不可能的），如果都不改变，就说它处于某一个状态。二、玻意尔定律1、内容：——一定质量气体，在等温变化过程中，压强和体积成反比mT恒定pV反比即pVT1T2pVp1p2V1V2MN等温线2、p～V图1、等温线2、状体M经过等温变化到状态N。3、矩形的面积相等4、同质量的某种气体T1＞T2三、查理定律1、内容：一定质量的气体，等容变化过程中，压强和热力学温度成正比mV恒定pT正比即\nMpT等容线NpTV1V22、图象读图：1、等容线2、有M到N经历了等容变化3、V1＜V23、查理定律的另一种表述内容：一定质量的气体，在等容变化过程中，温度升高（或降低）1℃，增加（或减小）的压强等于0℃时压强的1/273。θpt（℃）－273p0零上，t取正，零下，t取负。读图：1、pt－p0表示压强增量2、p0表示0℃时的压强。3、k＝tanθ＝p0/2734、理解虚线的意义例题：AP1BP21、初温相同，升高相同的温度，水银注的位置如何变化？解一：解二：极限法2、温度相同的热水ABt1V1t2V2t1＝90℃V1＝2Lt2＝60℃V2＝1L，当A的水温降到30℃时，为保持水银注不动，B的温度应降到多少度？三、盖·吕萨克定律1、内容：一定质量的气体，在等压过程中，气体的体积与热力学温度成正比mp恒定VT正比即2、图象VT等压线MNp1p2VT\n读图：1、等压线2、由M到N经历了等压过程3、p1＜p24、理解虚线的意义1、盖·吕萨克定律的另一种表述内容：一定质量的气体，在等压变化过程中，温度升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积为0℃时体积的1/273。零上，t取正，零下，t取负。图象：θVt（℃）－273V0读图：1、Vt－V0表示体积增量2、V0表示0℃时的体积。3、k＝tanθ＝V0/273五、理想气体状态方程一定质量的某种气体，压强p与体积V成反比，与热力学温度T成正比，即适用条件：一定质量的理想气体注：p和V的单位要统一，T的单位用热力学单位。练习水银注，空气注，p0＝75cmHg，初温t＝27℃，50cm，10cm，30cm，20cm，A管加热，B管恒温，要使两管上部水银面相同，求：A管的温度升高到多少？5030102035ABABx解：B初B末\nA初A末方程：得Ta′＝470K六．气体定律的微观解释（二）固体一．晶体和非晶体　　固体可分为晶体和非晶体两大类例如各种金属、食盐、明矾、云母、硫酸铜、雪花、方解石、石英等都是晶体；玻璃、松香、沥青、蜂蜡、橡胶、塑料等都是非晶体。晶体与非晶体的区别主要表现在：　　（1）晶体具有天然的规则的几何形状，而非晶体无此特点。例如：食盐粒都是正方体，硫酸铜也是正方体，雪花都是六角形的、明矾外形的八面体，水晶石为六面棱柱。（2）晶体在不同方向上物理性质不同，而非体各方向上物理性质相同。　　例如，将石蜡均匀涂在云母片上和玻璃板上，用烧红的钢针接触没有涂蜡的另一面。会看到云母上的石蜡熔化后的部分为椭圆形，玻璃板的导热性各方向相同。　　又如，硫酸铜具有单向导电性，方解石发生双折射现象，也表明它们分别在电学性质、光学性质上各方向不同。　　又如，晶体溶化有溶点，而非晶体是缓慢变为液体的过程，无熔点。晶体又可分为单晶体和多晶体，上述的两条晶体的特点一般说是原晶体的特点，多晶体中小晶粒的排列无规则、杂乱无章，各向异性的物理性质无从显示出来。二、晶体的空间点阵　单晶体和非晶体性质上的不同，可以从它们的微观结构不同做出说明。组成单晶体的微粒（分子、原子或离子）在空间是按照一定的规律排列的。彼此相隔一定的距离排列成整齐的行列。通常把这样的微观结构称为空间点阵。　　例如食盐的空间点阵如右图所示，这正是盐粒不管大小都是正方体的原因所在。方解石对光产生双折射现象的原因，是因为它在各个方向上的折射率不同所致。云母片各方向上导热性质不同，是由其空间点阵决定的。云母片中微粒排列情况与课本P57上图15-2类似。（三）液体一．液体的表面现象液体表面具有收缩趋势的微观解释液体与气体接触的表面形成一薄层，叫表面层。由于表面层上方是气体，所以表面层内的液体分子受到周围分子作用力小于液体内部分子，表面层里的分子要比液体内部分子稀疏一些，这样表面层分子间引力比液体内部更大一些。在液体内部分子间引力和斥力处于平衡状态，而表面层内由于分子引力较大，因此表面层有收缩的趋势。\n二．浸润和不浸润（1）说明浸润和不浸润的定义液体与固体接触时，液体与固体的接触面扩大而相互附着的现象叫做浸润。如果接触面趋于缩小而不附着，则叫做不浸润。（2）浸润和不浸润的微观解释液体与固体接触处形成一个液体薄层，叫做附着层。附着层里的分子既受固体分子的吸引，又受到液体内部分子的吸引。如果受到固体分子的吸引力较弱，附着层的分子就比液体内部稀疏，在附着层里分子间吸引力较大，造成跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润。反之，如果附着层分子受固体分子吸引力相当强，附着层分子比液体内部更密集，附着层就出现液体相互推斥的力，造成跟固体接触的液体表面有扩展的趋势，形成浸润。三．毛细现象（1）毛细现象的定义：浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象，叫做毛细现象。（2）毛细现象的解释：解释浸润液体在毛细管里上升的现象。浸润液体与毛细管内壁接触的附着层有扩展的趋势，造成液体与空气接触面弯曲，呈凹形弯曲，液面与管壁接触的附近的表面张力是沿液面切线方向向上的。表面张力有使液面收缩趋势，造成管内液柱上升。直到表面张力向上的拉引作用与管内升高的液柱重力平衡，管内液体停止上升，液柱稳定在一定的高度，如图所示。细管越细，即管截面积小，那么液柱上升高度就越大。可用相似的分析方法，解释不浸润液体在毛细管里下降的现象。（4）举例说明毛细现象的应用：纸张、棉花脱脂后能够吸水的原因在于其内部有许多细小的孔道，起到毛细管作用。田间农作物的重要管理措施是锄地松土，防止土地板结，其目的是破坏土壤里的毛细管，使地下水分不会快速引上而蒸发掉。