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1、第六章分子和气体定律导学本章开始学习热学，你将知道： 物质是由什么组成的？ 一定质量的气体，其压强、体积与温度之间有什么关系？ 热学知识有哪些实际应用？我们在日常生活中经常遇到和气体有关的现象，例如，给自行车轮胎打气时，打气筒壁会变热；饺子煮熟后会浮到水面上；挤出钢笔后面橡胶袋中的气体后，墨水就可以自己流进去；甚至还会有不小心把生鸡蛋放入微波炉中加热，发生爆炸的经历。图6-1中是一个热气球大赛的场面，当热气球内部的气体被加热后，巨大的气球就可以缓缓升起。很多人利用热气球进行探险，有人甚至用热气球周游世界呢！图6-1图6-2我们自己可以动手做一个热气球，所用的材料就是较大的塑料袋、细线、可乐罐和
2、固体酒精等材料，如图6-2所示。气球做完后充以热空气还可以载起一定的重物。大家谈通过以上制作过程.谈谈热气球能够升起来的道理。第六章A分子阿伏加德罗常数人类很早就开始思考像木头、棉花、冰、水、泥土和黄金等物质的结构。公元前5世纪，古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克里特曾设想：如果把一块金子切成两半，接着把其中一半再切成两半这样继续下去，能分割到什么程度。可能这种分割能够永远继续下去;也可能有一个限度，不能进一步分割了。这就是说，物质要么是连续的，可以无限分割下去；要么是由不可分的粒子构成。作他们看来，第一种可能性是荒谬的，因此他们认为，物质由小得不被察觉的“atomos”(希腊文原意为“不可分
3、割的”)粒子构成。他们把这种最小的粒子称为原子。我国古代则有“一尺之椎，日取其半，万世不竭”的说法。在科技不发达的古代，对物质本原的说法，只能说是一种哲学思想，而现代物理学的物质结构理论建立在严密的实验基础之上。如图63所示，把一片叶子放在显微镜下放大6倍，我们可以看到清晰的叶脉；继续放大,可以看到它是由细胞组成的放大到50000000倍时，我们就可以看到组成叶片的分子结构图6-3(f)所示是球棒分子模型。你能想像一张光盘、一片陶瓷或一块微电子集成块不断被放大的情景吗？(a)原始大小(b)放大6倍(C)放大700倍(d)放大4 000倍 放大20 000倍放大50 000 000倍图63图6-
4、41.物体由大量分了组成图6-4所示是一张在扫描隧道显微镜下看到的硅片表面原子的图像。其实，我们通常所见的宏观物体,几乎都是由分子、原子或离子等微粒组成的。分子是能保持物质化学性质而独立存在的最小微粒。分子由原子组成，原子失去部分电子或得到多余电子时，就成为离子。分子虽然非常微小，但我们仍然可以通过简单的实验来估测出它的直径。分子的直径有多大呢？可用“油膜法”来粗略估测分子的大小。将油滴到水面上，油会在水面上散开，几乎形成单分子油膜。如果把分子看成是球形的，那么单分子油膜的厚度就可被认为等于油分子的直径，如图6-5所示。只要先测出油滴的体积，再测出油膜的面积，就可估算出油分子的直径。OQOQQ
5、oO7水图65【实验过程】1 .把已知浓度的油酸酒精溶液滴入量筒，记下滴数，测量并计算出每滴溶液中油酸的体积。2 .在蒸发皿内盛放一定量的水，再把琲子粉均匀地洒在水面上，滴入一滴油酸酒精溶液，待其散开。3 .用透明方格纸（把方格复印在透明薄膜上），测量油膜的面积，如图6-6所示。测定结果表明，分子直径的数量级是学生实验用单分子油膜估测分子的大小【实验目的】估测油酸分子的直径。【实验器材】油酸、酒精、滴管、琲子粉、量筒、刻度尺、蒸发皿。【实验结论】滴油酸的体积V=O油膜面积S=O测定结果表明，分子直径d=s=。我们在化学课中学过，1mol纯物质所含的粒子数是恒定的，即602X1()23个，这个数
6、目叫做阿伏加德罗常数，通常用符号NA表示。阿伏加德罗常数(Avogadroconstant)A=6.0210-23mol-阿伏加德罗常数是物理学中的一个基本常量,它把一定宏观物质的量与微观分子数联系了起来。因此,它就成了连接宏观与微观的一个重要桥梁。一般物体中分子的数量大得惊人，如ICm3水中含有的分子数约为3.3X1022个。假如全世界60亿人不分男女老少都来数这些分子，每人每秒数1个，也需要将近17万年的时间才能数完！示例估计一个水分子的质量。(NA取6.01023mol,)【分析】水的摩尔质量M=1.8Xl()2kgmol,1mol水中含有6.0X1023个分子，所以，用摩尔质量除以阿伏
7、加德常数可得出一个水分子的质量。【解答】一个水分子的质量=l湛kg=3.0Xl(Po【讨论】通过上面的计算可知，水分子的质量很小。除了包含几千个原子的有机大分子外，一般分子的质量都很小。用同样的方法可以算出氧分子的质量是5310-26kg,氢分子的质量是3.3510-27kgo拓展联想有趣的大分子有些分子的尺寸会比较大，如图6-7(a)中的巴基球C60和图6-7(b)中的DNA分子都是大分子，细菌的DNA连成一条直线时，其长度可达毫米量级。(a)(b)图6-7组成物质的分子处于怎样状态呢？虽然肉眼看不到分子，但我们可以通过常见的一些现象分析出它们运动的特点。如图6-8所示，取两杯温度不同、体积
8、相同的清水，分别滴入一滴红墨水，观察发生的变化。我们发现,水温越高,红墨水扩散到整杯水所用的时间越短。这说明墨水扩散的快慢与温度相关。从微观角度看，墨水的扩散实际上是墨水微粒在水中被水分子撞击而不断移动的过程。这个实验说明温度越高，水分子运动越剧烈，被撞击的墨水微粒就扩散得越快。历史上有名的布朗运动实验，则更好地说明了构成物体的分子在永不停息地做无规则运动，这种运动常叫做热运动。2 .分子不停息地运动构成物体的分子永不停息地做无规则运动,这种大量分子无规则运动的激烈程度跟温度有关，所以把分子的这种运动叫做热运动。历史回眸布朗运动1827年，英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉，发现花粉
9、颗粒不停地做无规则的运动，这种运动后来被叫做布朗运动。除了花粉外，对于液体中有一定大小的其他悬浮颗粒，也可以观察到布朗运动，见图6-9。为什么会发生布朗运动呢？经过研究发现，悬浮在液体中的颗粒不断地受到液体分子的撞击。当颗粒足够小时，它受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用不能完全抵消。在某一瞬间，颗粒在某个方向受到的撞击作用强，致使颗粒的运动状态发生变化。在下一瞬间，颗粒在另一方向受到的撞击作用强，致使颗粒的运动状态再一次变化。这样，就引起了颗粒永不停息的无规则的布朗运动。载物玻璃悬浊液(a)图6-9可见，液体分子永不停息的无规则运动是产生布朗运动的原因。虽然我们至今很难直接看见单个分子的运
10、动，但由于做布朗运动的颗粒是由成千上万个分子组成的。因此，颗粒的布朗运动是可以被观察到的。布朗运动的无规则性，反映了液体内部分子运动的无规则性。1905年爱因斯坦发表了关于布朗运动理论的论文，用统计物理学观点解释了布朗运动。分子之间有相互作用吗?既然分子在不停地做无规则热运动，可我们观察到的固体和液体为什么还是比较稳定地存在着呢？可以想像,如果分子之间没有相互吸引作用，不可能存在相对稳定的固态和液态。而当我们去挤压固体、液体或者拉伸固体时，它们的体积很难被改变。可见，当分子间距相对较大时，分子间的作用表现为相互吸引；当分子之间的距离减小时，分子间的作用表现为排斥作用。此外，当分子间距离大到一定
11、程度，分子间的作用力就迅速减小到可以忽略。3 .分子之间存在相互作用力组成物质的分子之间存在相互作用力.自主活动用细线将一块玻璃片水平地悬挂在弹簧测力计下端，并使玻璃片贴在水面上，如图6-10所示，然后用手缓慢提起弹簧测力计，在使玻璃片脱离水面的一瞬间，观察弹簧测力计示数的变化，并解释这一变化。构成物体的分子都在永不停息地运动,那么每个分子的运动速率是否相同？图 6-10以气体为例，气体的大量分子做无规则运动，但每个分子的速度大小（即速率）是不同的。对同一个分子而言,速率也时大时小，每个分子具有多大的速率完全是偶然的，但大量分子的速率分布却有一定的规律性。研究表明，这种大量分子速率分布的规律性
12、是一种统计规律（图6-11）o4 .分子速率分布的统计规律气体的大多数分子，其速率都在某个数值附近，离开这个数值越远，分子数越少。热现象是大量分子热运动统计平均的结果，讨论个别分子的运动是没有意义的。统计规律性可以用实验来演示。图6-12所示的装置称为伽耳顿板，其上部规则地布有许多铁钉，下部用隔板分割成许多等宽的竖直狭槽，大量小球可通过漏斗形入口落下，装置前有玻璃板覆盖，使小球最终落在槽内。重复实验多次，发现某个小球落入哪个槽内完全是偶然的，但大量小球在槽内的分布却是有规律的。越接近漏斗入口处的槽内，小球越多。这种大量偶然事件的整体表现所显示的规律性，叫做统计规律。统计的方法和观点实际上是一种系统的方法和观点。由于物体是由大量分子组成的，是一个非常复杂的系统，比如一杯水就是由无数水分子组成的，从微观角度看，每一个水分子都处在剧烈的运动状态中，每个水分子的运动速度都在不断变化；但从宏观角度看，这杯水的温度却基本保持不变。我们虽然不能掌握每一个分子运动的全部信息，但我们却能从统计的角度理解大量分子的宏观表现。
