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1.0《分子理论 内能》PPT课件(新人教版 选修1-２)

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 新课标人教版课件系列

《高中物理》
 
选修1-2
第一章 《分子理论  内能》
1.1《分子及其热运动》
教学目标 
1．知识方与能力要求：
（1）知道并记住什么是布朗运动，知道影响布朗运动激烈程度的因素，知道布朗运动产生的原因。
（2）知道布朗运动是分子无规则运动的反映。
（3）知道什么是分子的热运动，知道分子热运动的激烈程度与温度的关系。
（３）通过对布朗运动的观察，发现其特征，分析概括出布朗运动的原因；培养学生概括、分析能力和推理判断能力。
（４）从对悬浮颗粒无规则运动的原因分析，使学生初步接触到用概率统计的观点分析大量偶然事件的必然结果。
二、重点、难点分析
1．通过学生对布朗运动的观察，引导学生思考、分析出布朗运动不是外界影响产生的，是液体分子撞击微粒不平衡性产生的。布朗运动是永不停息的无规则运动，反映了液体分子的永不停息的无规则运动。这一连串结论的得出是这堂课的教学重点。
2．学生观察到的布朗运动不是分子运动，但它又间接反映液体分子无规则运动的特点。这是课堂上的难点。这个难点要从开始分析显微镜下看不到分子运动这个问题逐渐分散解疑。 
古希腊
德谟克利特
万物都是由极小的不可分的微粒构成的，这种微粒叫做原子。
中国
墨家学派
对物质进行分割时，分割到“端”就不能再分割下去了。
原子理论的萌芽
原子是可以再分的；
原子还能够结合成分子。
分子是具有一定化学性质的最小物质微粒。
构成物质的单元是多种多样的：
原子、离子、分子
统称为分子
科学研究表明：
一、分子的大小
怎样能看到分子？
光学显微镜？
电子显微镜？
扫描隧道显微镜？
怎样确定分子的大小？
油膜法
理想化处理:
①把滴在水面上的油酸层当作单分子油膜层  ②把分子看作球形且一个挨一个排列
一个思想:通过测量宏观量来测量微观量
 
 
除一些有机大分子外，一般物质直径的数量级：10-10m。
水分子的直径为4×10-10m，氢分子的直径为2.3×10-10m。
结论：
例1、将1cm3 的油酸溶于酒精，制成 200 cm3 的油酸酒精溶液，已知 1 cm3 溶液有50 滴，现取1 滴油酸酒精溶液滴在水面上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一单分子薄层，已测出这一薄层的面积为 0.2 m2 。由此可估测出油酸分子的直径为 多少？ 
解：V=1/50× 1/200 × 10-6m3=10-10m3
d=V/S= 10-10/0.2=5.0 × 10-10m
 
二、阿伏加德罗常数
1、NA=6.0221367×1023mol-1，
一般取NA=6.02×1023mol-1
3、联系微观量和宏观量的桥梁
2、物体是由大量分子组成的
1cm3水中含有的分子数约为3.3×1022个，假如全世界60亿人都来数这些分子，每人每秒数1个，需要17万年左右的时间才能数完。
摩尔质量——M；摩尔体积——V
摩尔体积V=M/ρ
1个分子体积V分子=V/NA （不适合气体）
所含有的分子数＝摩尔数×NA
1个分子质量m=M/NA
例2、从下列哪组数据可以算出阿伏加德罗常数(      )
A.水的密度和水的摩尔质量
B.水的摩尔质量和水分子的体积
C.水分子的体积和水分子的质量
D.水分子的质量和水的摩尔质量
D   
 例3、一滴露水的体积大约是6.0×10-7cm3, 它含有多少个水分子? 如果一只极小的虫子来喝水, 每分钟喝进6.0×107个水分子, 需要多长时间才能喝完这滴露水.
解：露水的质量
m= 6.0×10-7×10-6m3×103kg/m3 = 6×10-10kg                              
含有的分子数n
n= (6×10-10/18×10 -3 ) ×6.02×1023=2×1016
t= 2×1016/ 6.0×107= 3.3×108  min =  630年
三、分子的热运动
分子做永不停息的无规则运动
扩散现象
温度越高，扩散越快。
硫酸铜和水的扩散
布朗运动
人们把液体或气体中悬浮微粒的无规则运动叫做布朗运动。
布朗运动产生的原因：液体（或气体）分子永不停息的无规则运动。
温度越高，微粒越小，布朗运动越明显。
布朗运动和扩散现象说明分子永不停息地做无规则热运动。
例4、关于布朗运动和扩散现象的下列说法中正确的是（       ）
A、布朗运动和扩散现象都在气体、液体、固体中发生
B、布朗运动和扩散现象都是分子的运动
C、布朗运动和扩散运动都是温度越高越明显
D、布朗运动和扩散现象都是永不停息的
CD
四、分子的动能  温度
1、定义：分子由于做无规则运动而具有的动能，叫做分子的动能． 
2、理解：
①组成物体的大量分子都有与其无规则运动相对应的动能．
②在相同的物理状态下，大量分子做无规则运动，速率有的大，有的小，因此动能也有大有小。
③ 由于碰撞，各个分子的动能还会发生变化。
3、平均动能：物体所有分子的动能平均值，叫做分子热运动的平均动能． 
4、温度
①宏观上来看，温度表示物体的冷热程度．
②微观上来看，温度高低反映分子热运动的剧烈程度，温度是分子平均动能大小的标志．
注意：
①温度是大量分子热运动平均动能的宏观表现，对个别分子而言，温度没有实际意义．
②温度相同的物质，其分子的总动能不一定相等．
思考：物体内部分子不停地运动，为什么固体和液体中分子不会飞散开，总是聚合在一起？ 
思考：布朗运动和扩散现象说明分子在永不停息地做无规则热运动，还能说明什么？
分子间是有空隙的
分子间有引力
思考：既然分子间有引力，为什么分子并没有因此而亲密无肩？
分子间有斥力
五、分子间的相互作用
1、分子间是有空隙
2、分子间有引力
3、分子间有斥力
r0
 
0
 
引力
斥力
当r=r0时，引力=斥力，分子力等于0；
当r>r0时，引力>斥力，分子力表现出引力；
当r<r0时，引力<斥力，分子力表现出斥力。
r0的数量级10-10m
例5、关于分之间作用力，下面说法中正确的是
A、两个分子间的距离小于r0时，分子间只有斥力
B、两个分子间距离大于r0时，分子间只有引力
C、压缩物体时，分子间斥力增大，引力减小
D、拉伸物体时，分子斥力和引力都减小
D
六、分子势能
1、定义：分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能，就叫做分子势能． 
2、微观上，分子势能与分子间距r有关；宏观上，分子势能与物体的体积有关。 
不考虑气体的分子势能
七、物体的内能
1、定义：物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的热力学能，也叫内能。
2、理解：
（1）任何物体都具有内能．因为一切物体都由大量分子组成，而分子在永不停息地做无规则运动 。
（2）物体的内能与物体的温度、体积以及物质的量有关． 
（3）一般来说，物体的状态发生变化，物体的内能也随着变化． 
分子动理论：
物体是由大量分子组成的，分子永不停息地做无规则热运动，分子之间存在着相互作用力。
1.2《物体的内能》
教学目的
知识与能力
（1）知道分子的动能，分子的平均动能，知道物体的温度是分子平均动能大小的标志。
（2）知道分子的势能跟物体的体积有关，知道分子势能随分子间距离变化而变化的定性规律。
（3）知道什么是物体的内能，物体的内能与哪个宏观量有关，能区别物体的内能和机械能。
（4）知道做功和热传递在改变物体内能上是等效的，知道两者的区别。　
（５）在培养学生能力方面，这节课中要让学生建立：分子动能、分子平均动能、分子势能、物体内能、热量等五个以上物理概念，又要让学生初步知道三个物理规律：温度与分子平均动能关系，分子势能与分子间距离关系，做功与热传递在改变物体内能上的关系。因此，教学中着重培养学生对物理概念和规律的理解能力。 
学方法的教育：
在分子平均动能与温度关系的讲授中，渗透统计的方法。在分子间势能与分子间距离的关系上和做功与热传递关系上都要渗透归纳推理方法。
重点、难点分析　
1．教学重点是使学生掌握三个概念（分子平均动能、分子势能、物体内能），掌握三个物理规律（温度与分子平均动能关系、分子势能与分子之间距离关系、热传递与功的关系）。
2．区分温度、内能、热量三个物理量是教学上的一个难点；分子势能随分子间距离变化的势能曲线是教学上的另一难点。　
三、教 具　
1．压缩气体做功，气体内能增加的演示实验：
圆形玻璃筒、活塞、硝化棉。
2．幻灯及幻灯片，展示分子间势能随分子间距离变化而变化的曲线。
（一）引入新课
我们知道做机械运动的物体具有机械能，那么热现象发生过程中，也有相应的能量变化。另一方面，我们又知道热现象是大量分子做无规则热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规则运动有什么关系呢？这是今天学习的问题。
（二）教学过程 
1．分子的动能、温度
物体内大量分子不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同，因此，各个分子的动能大小不同。由于热现象是大量分子无规则运动的结果，所以研究个别分子运动的动能是没有意义的。而研究大量分子热运动的动能，需要将所有分子热运动动能的平均值求出来，这个平均值叫做分子热运动的平均动能。
       学习布朗运动和扩散现象时，我们知道布朗运动和扩散现象都与温度有关系，温度越高，布朗运动越激烈，扩散也加快。依照分子动理论，这说明温度升高后分子无规则运动加剧。用上述分子热运动的平均动能来说明，就是温度升高，分子热运动的平均动能增大。如果温度降低，说明分子热运动的平均动能减小。因此从分子动理论观点来看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志
     “标志”的含义是指物体温度升高或降低，表示了物体内部大量分子热运动的平均动能增大或减小。温度不变，就表示了分子热运动的平均动能不变。其他宏观物理量如时间、质量、物质种类都不是分子热运动平均动能的标志。但是，温度不是直接等于分子的平均动能。 
 
      另一方面，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应，对于个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。
我们知道，温度这个物理量在宏观上的意义是表示物体冷热程度，而它又是大量分子热运动平均动能大小的标志，这是温度的微观含义。
 2．分子势能  
分子间存在着相互作用力，因此分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能。
如果分子间距离约为10-10m数量级时，分子的作用力的合力为零，此距离为r0。
当分子距离小于r0时，分子间的作用力表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此，分子势能随分子间距离的减小而增大。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧压缩，弹性势能Ep增大。
如果分子间距离大于r0时，分子间的相互作用表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此，分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧拉伸，Ep增大。
      从以上两种情况综合分析，分子间距离以r0为数值基准，r不论减小或增大，分子势能都增大。所以说，分子在平衡位置处是分子势能最低点。如果分子间距离是无限远时，取分子势能为零值，分子间距离从无限远逐渐减少至r0以前过程，分子间的作用力表现为引力，而且距离减少，分子引力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小为负值。当分子间距离到达r0以后再减小，分子作用力表现为斥力，在分子间距离减小过程中，克服斥力做功，使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值。分子势能随分子间距离r的变化情况可以在图2的图象中表现出来。从图中看到分子间距离在r0处，分子势能最小。
     既然分子势能的大小与分子间距离有关，那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢？如果对于确定的物体，它的体积变化，直接反映了分子间的距离，也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。
3.物体的内能
（1）物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成，因此任何物体都是有内能的。
提问学生：宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志？
根据学生的回答，引导到一个确定的物体，分子总数是固定的，那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体，那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。
课堂讨论题： 
①一块铁由15℃升高到55℃，比较内能。
 
②质量是lkg50℃的铁块与质量是0．lkg50℃的铁块，比较内能。
 
③质量是lkg100℃的水与质量是lkg100℃的水蒸气，比较内能。
（2）物体机械运动对应着机械能，热运动对应着内能。任何物体都具有内能，同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹，除了具有内能，还具有机械能——动能和重力势能。
提问学生：一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气，当汽车以60km／h行驶起来后，气瓶内氧气的内能是否增加？
通过此问题，让学生认识内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和，而不是分子定向移动的动能。另一方面，物体机械能增加，内能不一定增加。
4．物体的内能改变的两种方式
（1）列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用△U表示物体内能的变化，那么有W=△U。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。
演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。
以上实例说明做功可以改变物体的内能。 
（2）在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是△U，那么，Q=△U。
热量的计算公式有：Q=mc△t，Q=ML，Q=mλ（后面的两个公式分别是物质熔化和汽化时热量的计算式）。热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。
所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。
（3）做功和热传递对改变物体的内能是等效的。
一杯水可以用加热的方法（即热传递方式）传递给它一定的热量，使它从某一温度升高到另一温度。这过程中这杯水的内能有一定量的变化。也可以采取做功的方式，比如用搅拌器在水中不断搅拌，也可以使这杯水从相同的初温度升高到同一高温度，这样，水的内能会有相同的变化量。两种方式不同，得到的结果是相同的。除非事先知道，否则我们无法区别是哪种方式使这杯水的内能增加的。
因此，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。
（4）虽然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，但是这两种方式的物理过程有本质的区别。做功使物体内能改变的过程是机械能转化为内能的过程。而热传递的过程只是物体之间内能的转移，没有能量形式的转化。
课上练习：
1．判断下面各结论是否正确？
（1）温度高的物体，内能不一定大。
（2）同样质量的水在100℃时的内能比60℃时的内能大。
（3）内能大的物体，温度一定高。
（4）内能相同的物体，温度一定相同。
（5）热传递过程一定是从内能大的物体向内能小的物体传递热量。
（6）温度高的物体，含有的热量多，或者说内能大的物体含有的热量多。
（7）摩擦铁丝发热，说明功可以转化为热量。
答案：（1）、（2）是对的。
2．在标准大气压下，100℃的水吸收热量变成同温度的水蒸气的过程，下面的说法是否正确？
（1）分子热运动的平均动能不变，因而物体的内能不变。
（2）分子的平均动能增加，因而物体的内能增加。
（3）所吸收的热量等于物体内能的增加量。
（4）分子的内能不变。
 
答案：以上四个结论都不对。
（三）课堂小结
（1）这节课上新建立了三个物理概念：分子热运动的平均动能、分子势能、内能。要知道这三个概念的确切含义，更为重要的是能够区分温度、内能、热量，知道内能与机械能的区别和联系。
（2）要掌握三个物理规律：分子热运动的平均动能与温度的关系、分子间的相互作用力与分子间距离的关系、做功与热传递在使物体内能改变上的关系。
1.3《固体和液体》
教学目标
知识与能力：
分子的三种不同的聚集状态
固体和液体的共同特点：
晶体与非晶体有什么区别？
液体的宏观性质介于气体和固体之间。
液体的表面好像张紧的橡皮膜，具有收缩的趋势。
教学重点：固体和液体的共同特点：
晶体与非晶体有什么区别？
教学难点：晶体与非晶体有什么区别？
分子的三种不同的聚集状态
固态
液态
气态
凝聚态
固体和液体的共同特点：分子间的距离与分子本身的大小具有相同的数量级，因而分子间有较强的相互作用。
固体
晶体
非晶体
石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精等
玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等
晶体
食盐
明矾
味精
硫酸铜
云母
石英
玻璃
橡胶
煤沥青
松香
蜂蜡
非晶体
晶体与非晶体有什么区别？
有规则的几何形状
没有规则的几何形状
晶体
物理性质
外形
非晶体
各向异性
各向同性
有确定的熔点
没有确定的熔点
晶体的物理性质（导热性能、机械强度、导电性能等）可能与方向有关。
食盐
石英
方解石
单晶体
多晶体
晶体和非晶体，并不是绝对的。
晶体→非晶体
 
非晶体→晶体
有的物质能够生成几种不同的晶体。
二、液体
液体的宏观性质介于气体和固体之间。
一方面像固体，具有一定的体积，不易压缩
像气体没有一定的形状，具有流动性
液体分子的间距接近于固体，液体分子也是密集在一起的。
液体分子的热运动与固体类似，在平衡位置附近微小的的振动。但是液体分子在振动的同时平衡位置也在变化。
为什么液体中的扩散比固体中快得多？
液体的表面好像张紧的橡皮膜，具有收缩的趋势。
液体的表面张力使液面具有收缩的趋势。
（1）
（2）
F1
F2
体积相等的各种开关的物体中，球形物体的表面积最小，所以露珠等都因表面张力而呈球形。
1.4 《气体》
教学目标
1、气体分子运动的特点
2、气体的压强
3、理想气体的状态方程
一、气体分子运动的特点
容易压缩，气体分子间有很大的空隙；
相互作用力十分微弱，气体分子可以自由地运动；
气体分子运动速率大。
二、气体的压强
气体有压强。
气体的压强指的是气体对容器器壁的压强。
单位：帕斯卡
产生原因：大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生。
气体的压强是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。
影响气体压强的大小的两个因素：
宏观上
微观上
气体分子的平均动能
分子的密集程度
温度
体积
统计规律
统计规律在研究热现象时具有重要的作用。
三、理想气体的
状态方程
（一）理想气体
      假设这样一种气体，它在任何温度和任何压强下都能严格地遵循气体实验定律,我们把这样的气体叫做“理想气体”。
理想气体具有以下特点:
1.气体分子是一种没有内部结构,不占有体积的刚性质点.
2.气体分子在运动过程中,除碰撞的瞬间外,分子之间以及分子和器壁之间都无相互作用力.
3.分子之间和分子与器壁之间的碰撞,都是完全弹性碰撞.除碰撞以外,分子的运动是匀速直线运动,各个方向的运动机会均等.
理想气体是不存在的.
在常温常压下,大多数实际气体,尤其是那些不易液化的气体都可以近似地看成理想气体.
在温度不低于负几十摄氏度,压强不超过大气压的几倍时,很多气体都可当成理想气体来处理.
理想气体的内能仅由温度和分子总数决定 ,与气体的体积无关.
（二）推导理想气体状态方程
      对于一定质量的理想气体的状态可用三个状态参量p、V、T来描述，且知道这三个状态参量中只有一个变而另外两个参量保持不变的情况是不会发生的。换句话说：若其中任意两个参量确定之后，第三个参量一定有唯一确定的值。它们共同表征一定质量理想气体的唯一确定的一个状态。
       假定一定质量的理想气体在开始状态时各状态参量为（p1，V1，T1），经过某变化过程，到末状态时各状态参量变为（p2，V2，T2），这中间的变化过程可以是各种各样的.
假设有两种过程：
第一种：从（p1，V1，T1）先等温并使其体积变为V2，压强随之变为pc，此中间状态为（pc，V2，T1）再等容并使其温度变为T2，则其压强一定变为p2，则末状态（p2，V2，T2）。
第二种：从（p1；V1，T1）先等容并使其温度变为T2，则压强随之变为p′c，此中间状态为（p′c，V1，T2），再等温并使其体积变为V2，则压强也一定变为p2，也到末状态（p2，V2，T2）。
    根据玻意耳定律和查理定律，分别按两种过程，自己推导理想气体状态过程。（即要求找出p1、V1、T1与p2、V2、T2间的等量关系。）
（三）理想气体的状态方程
     一定质量的理想气体的压强、体积的乘积与热力学温度的比值是一个常数。
使用条件:
一定质量的某种理想气体.
恒量由两个因素决定:
1.理想气体的质量.
2.理想气体的种类.
气体的物质的量决定
    不同种类的理想气体,具有相同的状态,同时具有相同的物质的量,这个恒量就相同.
例题一:见课本P.29
例题 二:?一水银气压计中混进了空气，因而在27℃，外界大气压为758毫米汞柱时，这个水银气压计的读数为738毫米汞柱，此时管中水银面距管顶80毫米，当温度降至-3℃时，这个气压计的读数为743毫米汞柱，求此时的实际大气压值为多少毫米汞柱？
引导学生按以下步骤解答此题：
（1）该题研究对象是什么？
混入水银气压计中的空气
（2）画出该题两个状态的示意图：
（3）分别写出两个状态的状态参量：
p1=758-738=20mmHg? V1=80Smm3（S是管的横截面积）T1=273+27=300 K
p2=p-743mmHg 
V2=（738+80）S-743S=75Smm3
T2=273+（-3）=270K
解得? p=762.2 mmHg
 

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