新人教版高中物理选修3-3：知识讲解 分子动理论

分子动理论编稿：张金虎审稿：代洪【学习目标】1．扩散现象是由分子的热运动产生的。

2．知道布朗运动及产生原因。

3．知道热运动即决定其激烈程度的因素。

4．知道分子间存在间隙。

5．知道分子间同时存在着引力和斥力，其大小与分子间的距离有关。

【要点梳理】要点一、扩散现象与布朗运动1．扩散现象物理学中把由于分子的无规则运动而产生的物质迁移现象称为扩散现象。

墨水不断地扩散到清水中，这就是扩散现象．概念：扩散现象是指当两种物质相接触时，物质分子可以彼此进入对方的现象．例如：香水的香味可以传得较远，叉如堆在墙角的煤可以深入到泥土中去．要点诠释：（1）物质处于固态、液态和气态时均能发生扩散现象，只是气态物质的扩散现象最显著；常温下处于固态时扩散现象不明显．（2）在两种物质一定的前提下，扩散现象发生的显著程度与物质的温度有关，温度越高，扩散现象越显著．这表明温度越高，分子运动得越剧烈．（3）扩散现象发生的显著程度还受到“已进入对方”的分子浓度的限制，当进入对方的分子浓度较低时，扩散现象较为显著；当进入对方的分子浓度较高时，扩散现象发生得就较缓慢．扩散现象具有方向性．（4）扩散现象的本质是分子热运动的直观体现．2．布朗运动（1）定义：人们把悬浮在液体或气体中的微粒的无规则运动叫做布朗运动．悬浮在液体中的固体微粒不停地做无规则运动，称为布朗运动．要点诠释：①布朗运动是悬浮的固体微粒运动，不是单个分子的运动，但是布朗运动证实了周围液体分子的无规则运动．②固体微粒的运动是极不规则的，图示并非固体微粒的运动轨迹，而是每隔30s微粒位置的连线．③任何固体微粒悬浮在液体内，在任何温度下都会做布朗运动．（2）对布朗运动的理解布朗运动是大量液体分子对固体微粒撞击的集体行为的结果，个别分子对固体微粒的碰撞不会产生布朗运动，影响布朗运动的因素有：微粒的大小和液体温度的高低．对布朗运动的产生主要从以下三个方面理解．①布朗运动是由于液体分子对微粒的撞击不平衡而产生的．②用分子撞击理论对布朗运动现象进行解释．③布朗运动是液体分子无规则运动的表现．要点诠释：a．微粒虽然很小，但是它周围包围着大量的液体分子，这些分子做无规则运动．每一瞬间对微粒的碰撞作用力的大小和方向是不确定的．由于这种碰撞的不平衡性，导致微粒做布朗运动（如图所示）．b．布朗运动的无规则性．每个液体分子对微粒撞击时对微粒都产生冲力，由于分子的无规则运动。

每一瞬间每个分子对微粒的冲力大小和方向是不确定的，合力的大小和方向随时都在改变，而这种变化是无规则的，因而布朗运动也是无规则的．c．微粒越小，布朗运动越明显．微粒小，其包围微粒的液体分子数也少，同一时刻撞击微粒的液体分子数也少，根据统计规律，撞击微粒的液体分子越少，其合力越不平衡，在某一方向上的合力相对越大，颗粒小，其质量相对也小，运动状态容易改变．综上所述，微粒越小，布朗运动越明显．微粒大。

其包围微粒的液体分子数也多，同一时刻撞击微粒的液体分子数也多，这种大量分子对微粒的碰撞作用亦趋于平衡，也就是微粒受到的合力小．同时微粒大，质量也大，不易改变运动状态．综上所述，微粒越大，布朗运动越不明显．当微粒大到一定程度时，就不会发生布朗运动了．d．温度越高，微粒的布朗运动越明显．温度越高，液体分子的运动越剧烈，分子运动的速率越大，每次撞击时对微粒的冲力越大，因而同一时刻微粒受到的各个方向的冲力的合力越大，微粒的加速度也越大，而使微粒的运动变得更剧烈．另外，温度升高，分子运动的速率增大的同时，在单位时间内分子对微粒碰撞的次数也增多，而使微粒的运动变得更剧烈．综上所述，温度越高，布朗运动越明蛊．e．设想液体内部分子的运动是有规则的，在任何时刻所有分子都向着某一个确定的方向运动，小微粒在液体分子的撞击下向同一个方向运动，就不会产生无规则运动，正是由于液体分子的无规则运动，才导致布朗运动的无规则．要点二、热运动与布朗运动1．热运动及其特点定义：物理学中把物体内部大量分子的无规则运动，称为热运动．分子的无规则运动叫做热运动．我们把分子永不停息的无规则运动叫做热运动．所谓分子的“无规则运动”是指由于分子之间的相互碰撞，每个分子的运动速度无论是方向还是大小都在不断地变化．标准状况下，一个空气分子在1s内与其他空气分子的碰撞达到65亿次之多．所以大量分子的运动是十分混乱的．要点诠释：（1）不能把布朗运动叫做热运动．（2）在任一时刻，物体内既具有速率大的分子，也具有速率小的分子．速率很大和速率很小的分子的个数所占的比例相对较少，大多数分子的速率和某一平均速率相差很小．通常所说分子运动的速率，均就它们的平均速率而言．分子的平均速率是很大的，且和物体的温度以及分子的种类有关．通常情况下，气体分10m/s．子热运动的平均速率的数量级为22．对布朗运动示意图的理解实际上图中每个拐点记录的是微粒每隔一段时间（如30 s）的位置，实际中可采用闪光照相的办法记录，两位置之间的直线是人为画上的．在这30 s内，微粒仍做的是无规则运动，由此不能将示意图中的折线当作粒子的运动轨迹，每一段直线也不可认为是对应这段时间的匀速直线运动轨迹，其实在这段时间内运动还是很复杂的．如图，若在记录的零时刻布朗微粒在A点，经过30 s后到达B点，再经过30 s到C点，再过30 s到D点．其中虚线是轨迹，实线是位置连线．要点三、扩散、布朗运动、分子运动1．布朗运动与扩散的区别和联系（1）研究对象不同：布朗运动的研究对象是固体小颗粒；分子运动的研究对象是分子．布朗微粒中也含有大量分子，这些分子也在做永不停息的无规则运动．（2）布朗运动的特点：①永不停息；②无规则；③颗粒越小，现象越明显；④温度越高，运动越剧烈．（3）布朗运动的产生原因是由于液体分子无规则运动，布朗运动的无规则性反映了液体分子运动的无规则性；布朗运动与温度有关，表明液体分子的运动与温度有关，温度越高越剧烈．（4）布朗运动不仅能在液体中发生，也能在气体中发生3．布朗运动也能在气体中发生，但黑暗的屋子中射入一束阳光。

在阳光中看到的灰尘浮动不是灰尘颗粒在做布朗运动布朗运动的研究颗粒的直径数量级在7610m 10m －－～之间，人的肉眼看不到，只能借助高倍显微镜观察．反之人能用眼睛观察到的灰尘颗粒并不能发生明显的布朗运动．要点诠释：布朗运动是大量液体或气体分子对固体微粒撞击的集体行为的结果．个别分子对固体颗粒的碰撞不会产生布朗运动，影响布朗运动的因素有二，即颗粒的大小和液体或气体温度的高低．悬浮颗粒越小，其惯性越小，另外颗粒越小，表面积亦越小，在某一瞬间跟它相撞的分子数越少．颗粒受到来自各方向的冲力越不平衡；温度越高，周围液体或气体分子对固体颗粒的撞击力越大，所以布朗运动越剧烈．要点四、分子力1．说明分子间有间隙的宏观现象（1）气体很容易被压缩，表明气体分子间有很大的空隙．（2）水和酒精混合后总体积减小，说明液体分子之间有空隙．（3）压在一起的金片和铅片的分子，能扩散到对方的内郎，说明固体分子之间有空隙．（4）课本中的彩图“扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子结构照片”中的亮斑是碳原子，其黑色背景显示了固体分子间也有空隙．（5）物体的热胀冷缩现象正是由于物体分子间的空隙增大或缩小而造成的，这是气体、液体和固体所共有的现象．要点诠释：①我们在第一节中对分子大小估测时，把固体或液体分子看做是一个挨一个紧密排列的，其实那是为了研究方便而做的一种理想化模型，对估测数量级的影响不大，其真实的分子间是有空隙的．②扩散现象和布朗运动表明分子永不停息地做无规则运动，同时也反映了分子间有空隙．假若分子间无空隙，则无规则运动无法实现．2．分子间存在分子力（1）分子间存在分子力分子间同时存在着相互作用的引力和斥力；分子力是分子间合力．要点诠释：①从宏观现象上分析：以固体物质为例，物体在被拉伸时需要一定的外力，这表明组成物质的分子之间存在着相互的引力作用，所以要使物体被拉伸，一定需要有外力来克服分子之间的引力；同时物体在被压缩时也需要一定的外力，这表明组成物质的分子之间还存在着相互作用的斥力，因此要使物体被压缩，一定需要有外力来克服分子之间的斥力．②从微观现象上分析：分子间虽然有空隙，大量分子却能聚集在一起形成固体或液体，说明分子之间存在着引力．分子间有引力，而分子间又有空隙，没有紧紧吸在一起，这说明分子间还存在着斥力．（2）分子之间的作用力及其变化①分子力：分子之间同时存在着相互的引力和斥力，这两个力的合力即为所表现出的分子之间的作用力．②分子间作用力的变化：分子间的作用力与分子间的距离有关．当分子间距离0r r =（0r 为1010m －）时，引力和斥力相等，此二力的合力为零，即分子间呈现出没有作用力，此时分子所处的位置称为平衡位置．要点诠释：a ．分子间距为0r 时，并不是分子间没有引力和斥力；当分子间距为0r 时，分子并不是静止不动．b ．当分子之间距离0r r ＜时，分子之间的引力和斥力同时增大，但斥力增大得更快一些，故斥力大于引力，此时分子之间呈现出相互的斥力作用（此时引力仍然存在）．c ．当分子之间距离0r r ＞时，分子之间的引力和斥力同时减小，但斥力减小得更快一些，故引力大于斥力，此时分子之间呈现出相互的引力作用（此时斥力仍然存在）．可见，分子之间的引力和斥力总是同时存在的，且当分子之间距离变化时，引力和斥力同时发生变化，只是斥力变化得更“快一些”．要点诠释：Ⅰ．分子之间发生相互作用力的距离很短，当分子之间的距离超过分子直径的10倍时，可认为分子之间的作用力为零．Ⅱ．分子力与万有引力的产生机理不同，两者不可相提并论（3）分子力变化的图象分子间相互作用力同时存在着引力和斥力，有时表现为引力，有时表现为斥力，怎样把分子力的规律清晰地理出个头绪来呢？借助分子力随分子间距离变化而变化的F r -图象，可以比较直观地反映出它们间的联系，如图所示，分子斥力或分子引力都随分子间距离增大而减小，但分子斥力的变化率较大，分子引力的变化率较小．因此，当距离0r r ＜时，分子力合力表现为斥力；当距离0r r ＞时，分子力合力表现为引力；当距离0r r =时，分子力合力为零．（4）分子力的本质根据现代分子结构理论，分子由原子组成，原子又是由带正电的原子核和绕核运动的带负电的电子形成的电子云组成的，可见，分子是一个复杂的带电系统，毫无疑问，分子间的作用力应属于电磁力．要点诠释：分子间的相互作用不是万有引力．要点五、分子动理论（molecular kinetic theory ）1．分子动理论（1）分子动理论内容：①物体是由大量分子组成的；②分子在永不停息地做无规则运动；③分子之间存在着引力和斥力．（2）热学学习包括两个方面：一方面是热现象的宏观理论，另一方面是热现象的微观理论．2．分子力的特点和规律——图解法分析分子受力在分析分子问的作用力时，可设分子甲在O 点，分子乙在r 轴上移，这样，物理情景和物理过程相对清楚一些，如图．分析解答相关问题的基本方法：（1）解答与分子力相关的试题时，首先应认真审题，确定题目要求分析判断的是分子间的相互作用力即合力还是分子间相互作用的引力和斥力．否则很容易出错．（2）根据图象和分子力、分子间的引力和分子间的斥力随分子间距离的变化规律进行判断．（3）若讨论的是分子间的引力和斥力问题，应记住它们都是随分子间距离的增大而减小，斥力减小得更快些．（4）若讨论的是分子间的相互作用力即合力时，由图象可知，当分子间的距离由00r →增大时，分子间的相互作用力减小；当分子间的距离由0r →∞增大时，分子间的相互作用力是先增大后减小．（5）结合动力学即牛顿第二定律和运动学规律分析分子运动问题时，若乙分子由无穷远处沿直线向甲分子运动过程中，在0010r r →的过程中，加速度的大小是先增大后减小。