普通高中教科书·物理选择性必修 第三册(粤教版2019).pdf
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- 普通高中教科书·物理选择性必修 第三册粤教版2019 普通高中 教科书 物理 选择性 必修 第三 粤教版 2019
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1、物 理普 通 高 中 教 科 书选择性必修物理普通高中教科书 选择性必修 第三册广东教育出版社广东教育出版社第三册 W U L I批准文号:粤发改价格2017434号 举报电话:12315定价:10.32元2020年12月物理选修封面-审定通过(12315).indd 32020/12/10 下午5:09 图书在版编目(CIP)数据 物理:选择性必修第三册/熊建文主编广州:广东教育出版社,2020.2(2021.12重印)普通高中教科书 ISBN 978-7-5548-2983-7 .物.熊.中学物理课高中教材.G634.71 中国版本图书馆CIP数据核字(2019)第186192号 编 写
2、单 位 广东教育出版社 主 编 熊建文 副 主 编 王笑君 姚跃涌 本 册 主 编 王笑君 本 册 副 主 编 周少娜 核心编写人员(以姓氏笔画为序)朱建平 许桂清 李朝明 吴洪文 何琴玉 张军朋 段红民 出 版 人 朱文清 责任编辑 李敏怡 李浩奇 蔡潮生 责任技编 杨启承 陈 瑾 装帧设计 何 维 梁 杰物理 选择性必修 第三册WULI XUANZEXING BIXIU DISANCE广 东 教 育 出 版 社 出 版(广州市环市东路472号12-15楼)邮政编码:510075网址:http:/广东新华发行集团股份有限公司发行广州市新思程印刷有限公司印刷(广州市番禺区沙头街大富村白仙岗4号
3、)890毫米1240毫米 16开本 8.75印张 220 000字2020年2月第1版 2021年12月第5次印刷ISBN 978-7-5548-2983-7定价:10.32元批准文号:粤发改价格2017434号 举报电话:12315著作权所有请勿擅用本书制作各类出版物违者必究如有印装质量或内容质量问题,请与我社联系。质量监督电话:020-87613102 邮箱:gjs-购书咨询电话:020-8777243813Y3436前言-印刷.indd 32022/2/23 9:23:39.1.欢迎进入物理选择性必修第三册的学习.18世纪,蒸汽机的发明,使人类摆脱了人力、畜力、水力等对生产和生活水平的约
4、束,从此人类进入了机械化工业时代随着各种机械的改进、效率的提高,人们开始构想各种永动机的制造此时的人们认为“热”是物体内所含的一种看不见、无质量的特殊物质.直到1798年,英国物理学家伦福德(Rumford,本名本杰明汤普森,B.Thompson,17531814)对钻制炮孔大量放热的现象进行研究,才让人们认识到“热”实质是运动的一种形式.英国物理学家焦耳(J.P.Joule,18181889)在18401849年间通过磁电机、桨叶搅拌、水通过多孔塞、空气压缩和膨胀等多项实验,测得大量热功当量的数据,用实验结果证明了内能和机械能及电能间的相互转化.大量的事实表明,不同形式的能量可以相互转移与转
5、化,能量守恒定律是自然界的一条基本规律,这为工业革命、科学技术的发展找到了正确的方向在物质的组成方面,我国古代学者根据自然界万物的变化,认为金、木、水、火、土是构成物质的基本元素古希腊哲学家德谟克里特(Democritus,约前460约前370)由很远就可闻到面包的香味,提出物质由不可再分割的“原子”构成1800年前后,英国物理学家、化学家道尔顿(J.Dalton,17661844)根据某些物质化合成另一种物质时,总是按相同的比例相互结合,提出了物质的原子学说1827年,英国植物学家布朗(R.Brown,17731858)在显微镜下找到了分子(原子)不停地做无规则运动的间接证据直到1981年,
6、人类首次通过扫描隧道显微镜直接观察到原子(或分子)的影像影像虽然模糊,但人们总算“看到”了原子至于对原子内部结构的认识,则经历了J.J.汤姆孙(J.J.Thomson,18561940)的“枣糕模型”、卢瑟福(E.Rutherford,18711937)的核式结构、玻尔(N.Bohr,18851962)的能级结构等一系列模型,人们在“实验假说实验验证修正假说再验证”的不断探索中,逐渐接近事物的真相今天,人们普遍认识到物质由分子和原子构成,原子由原子核与核外电子构成,原子核则由质子和中子构成这些“常识”的获得,都是千百年来不满足于对事物表象认识的思想家、科学家们艰辛努力的结果其中,科学假说及科学
7、模型既是还原事物真相的一种尝试,也是探索者们智慧的闪现,实验则是科学发展的基石和检验真理的试金石在本书中,我们将追寻先人们探索物质世界的足迹通过油膜法测定分子的大小,前 言13Y3436前言-印刷.indd 12022/2/23 9:23:38.2.了解分子动理论的基本观点;了解气体、液体和固体的基本物理性质,探寻它们的微观结构;通过热力学定律的学习,体会能量守恒定律是自然界最基本、最普遍的规律,了解到宏观自发过程的不可逆性,形成节能的意识;了解原子及原子核的构成,通过光及实物粒子的波粒二象性、量子论等内容的学习,建构起完整的、科学的物质观念,了解模型建构的方法和意义,体会和掌握测量微观量的思
8、想和方法学习物理是一个动手动脑、体验物理学魅力的过程,为此,本书设计了一系列引人入胜的栏目.“观察与思考”栏目,锻炼我们观察、描述、分析物理现象的能力.“实验与探究”栏目,使我们体会问题、证据、解释、交流等要素在开展科学探究中的重要性.“讨论与交流”栏目,使我们展示对物理问题的见解,感受思维碰撞的乐趣.“实践与拓展”栏目,使我们发散思维,在实践性的课题探索中提升创新能力,认识科学、技术、社会与环境发展的关系.“资料活页”栏目,让我们感悟物理学史上科学家们的智慧,感受前沿科技的成就.“练习”和“习题”栏目,巩固我们对物理概念与规律的理解以及解决实际问题的方法.“本章小结”栏目,通过知识结构图梳理
9、全章的知识主线,让我们回顾和整理学习成果,反思自己的学习情况.学习物理,不仅是为了记住物理概念和认识物理规律,而且还可以帮助我们形成正确的物理观念,指导我们认识自然万物;培养科学思维,辩证地分析实际生产和生活中遇到的问题;学会科学探究的方法,培养基于观察和实验探究自然规律的能力;形成正确的科学态度与社会责任意识.这些才是物理学习的要义,让我们共同努力!前言PHYSICS13Y3436前言-印刷.indd 22022/2/23 9:23:38.1.第二章 气体、液体和固体 第一节 气体实验定律()第二节 气体实验定律()第三节 气体实验定律的微观解释 第四节 液体的表面张力 第五节 晶体 第六节
10、 新材料第一章 分子动理论 第一节 物质是由大量分子组成的 第二节 分子热运动与分子力 第三节 气体分子运动的统计规律2712119202529333945第三章 热力学定律 第一节 热力学第一定律 第二节 能量守恒定律及其应用 第三节 热力学第二定律56616655目 录13Y3436目录-印刷.indd 12022/2/23 9:19:23.2.第五章 原子与原子核 第一节 原子的结构 第二节 放射性元素的衰变 第三节 核力与核反应方程 第四节 放射性同位素 第五节 裂变和聚变第四章 波粒二象性 第一节 光电效应 第二节 光电效应方程及其意义 第三节 光的波粒二象性 第四节 德布罗意波 第
11、五节 不确定性关系101751021081131181247681868993目录PHYSICS13Y3436目录-印刷.indd 22022/2/23 9:19:27第一节物质是由大量分子组成的组成物质的微粒是多种多样的,或是原子(如金属),或是离子(如盐类),或是分子(如有机物)在本章的学习中,为了简化,我们把构成物质的微粒统称为分子 那么组成物质的分子有多大?怎样描述分子的数量呢?分子的大小 图 硅晶体 表面原子的排列组成物质的分子很小,不仅用肉眼无法看到它们,而且用高倍的光学显微镜也观察不到 世纪 年代,人类首次使用可放大上亿倍的扫描隧道显微镜观察到单个的分子或原子 图 是用扫描隧道显
12、微镜获得的硅晶体表面的原子排列图 一般来说,不同物质分子大小不同,通常是 的数量级,也有一些塑料、合成纤维等高分子化合物,其分子大小的数量级可达到 分子如此小,能否通过简单的实验来估测它的大小呢?根据油酸分子的特性,人们巧妙地设计了油膜法实验来粗略测量分子的大小 当我们将油酸滴在水面上时,密度较小的油酸会在水面散开,形成极薄的一层油膜 油酸分子中较大的“头部”(烃链 )不溶于水,而很小的“尾巴”(羧基)对水有很强的亲和力 因此,油酸分子在水中会竖起来,“头部”露出水面,而“尾巴”则留在水中 若水面足够大,油膜展开得足够充分,则油酸分子就 图 单分子层 油膜示意图会一个挨一个整齐地紧密排列在水面
13、上,形成单分子层油膜,如图 所示 若将油酸分子视为球体,忽略分子间距离,则只需测算出一滴溶液中纯油酸的体积 和在水面形成的油膜面积,根据 可算出油膜的厚度,即可估测出油酸分子的直径大小 第一节 物质是由大量分子组成的利用油膜法估测油酸分子的大小图 测算 滴溶液中纯油酸的体积 如图 所示,用滴管将体积分数为 的油酸酒精溶液滴入量筒,根据溶液体积分数、滴数和体积的关系,可以测算出 滴溶液中油酸体积的平均值测量油膜面积的关键是让油膜形成明显的边界 在水平放置的浅盘(约 )中倒入约 深的水,用纱网(或粉扑)将适量痱子粉均匀地轻轻撒在水面上,如图 所示 用滴管将 滴油酸酒精溶液轻轻滴入水面中央,如图 所
14、示 油酸立即在水面散开,形成一块油膜,通过痱子粉可以清楚地看出油膜的轮廓 待油膜形状稳定后,在浅盘上盖上带有网格线的透明塑料盖板,用彩笔描出油膜的轮廓,如图 所示 估算出油膜的面积 图 图 洗净浅盘,擦去塑料盖板上的油膜轮廓线,重复实验 次 将实验数据填入自己设计的表格中,然后利用公式 计算出油酸分子的直径,并取其平均值 思考下列问题:()实验中使用酒精来稀释油酸,请分析为何要稀释油酸()上述实验产生误差的主要原因有哪些?油酸分子大小的理论值是 ,即使用高倍光学显微镜也无法直接观测,更无法直接测量 上述实验借用宏观的体积、面积来估测微观的分子直径,这是一种借宏观量来研究微观量的方法 阿伏伽德罗
15、常数如果把分子看成小球,则一般分子直径的数量级约为 例如,水分子直径约为 ,氢分子直径约为 如果我们比较水分子跟乒乓球的大小,就像比较乒乓球与地球的大小一样,可见两者相差悬殊分子很小,则构成物质的分子数目必定很大,我们能否估算这一数目究竟有多大呢?例题:已知水分子的直径约为 ,请尝试设计一个案例能让人直观地感受到水分子数目的巨大 如果要数出这些分子,需要多少年才能数完?分析:本题未明确指出究竟要计算多少水中水分子的数目,可以是一杯水、一壶水,也可以是一桶水,可任选一样来进行计算解:假设我们喝下一口水,这口水的体积约为 ,可估算这口水中水分子的数目设水分子为球体,忽略分子间隙,则水分子的数目为
16、总分子 ()年的时间为 若每秒钟数 个,不停歇地数,数完这些水分子所需的时间为 (年)(亿年)我们在化学课中学过,的任何物质所含的分子(或原子)数目都相同,这个数目被称为阿伏伽德罗常数(),用符号 表示,在通常的计算中取 例如,水的质量是 ,氧气在 个标准大气压、的状况下,体积是 ,它们所包含的分子数都是 个阿伏伽德罗常数是一个重要的常数 它是联系摩尔质量、摩尔体积等宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量的桥梁,在定量研究热现象时常会用到它 历史上,人们曾通过测量分子的大小来估算阿伏伽德罗常数 请查阅相关资料,尝试通过分子的大小估算出阿伏伽罗常数,并将你的结果与课本中的阿伏伽德罗常数相比较
17、 第一节 物质是由大量分子组成的物质是由什么构成的?这一问题困扰了人类近两千年 战国时期的 庄子天下篇 中有“一尺之棰,日取其半,万世不竭”之说,古希腊哲学家德谟克里特则认为万物的本源是“原子”,“原子”是一种不可分割的物质微粒 图 道尔顿 年前后,英国物理学家、化学家道尔顿发现了关于原子的第一个证据 道尔顿注意到,当某些物质结合生成另一种物质时,它们总是按重量的简单比值相互结合 例如,当氢气与氧气结合生成水时,两种物质的重量比总是 如果物质无限可分,就难以理解为什么会有这样的比值,但如果物质是由原子构成的,那么就可以成为其简单的解释 道尔顿把这些实验事实总结概括并加以分析,提出了著名的原子论
18、断:所有物质均由不可分割的原子组成;任一元素的原子性质,包括重量,都完全相同;不同元素的原子重量不同;在所有的化学反应中,所有原子都保持原貌,不会消失现在看来,道尔顿关于原子的论断并不完备,然而道尔顿的原子论与德谟克里特的原子论相比较,已有较为充分的科学依据 正是这种坚持依靠证据的思维及方法,使得古代朴素的原子论思想发展成为科学的原子论意大利物理学家、化学家阿伏伽德罗(,)于 年发表文章,在物质和原子这两种物质层次之间引进一个新的层次分子,用以解释当时的许多实验事实 阿伏伽德罗认为:对化合物而言,分子即相当于道尔顿所谓的“复杂原子”;对元素单质而言,同样也包含这样一个层次,只不过由几个相同的原
19、子结合成分子 气体物质无论是元素单质还是化合物,其体积与分子数目之间存在着非常简单的关系,即相同温度和压强下,相同体积的任何气体,其中所含的分子数目总是相等的 后来,人们为了纪念阿伏伽德罗的贡献,把 任何物质中含有的微粒数目称为阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数的提出和测定,使得人们开始在原子分子水平上认识物质的结构和性质,这标志着人类对物质的探索研究步入微观领域,对自然科学的发展产生了深远的影响 在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,实验用的盛水浅盘长为 ,宽为 若将油酸分子所占空间视作立方体,其所占体积的边长为 ,将 滴体积为 的纯油酸滴在水面上()若该滴油酸形成单分子层油膜,则面积有多大?()
20、要想这 滴油酸滴在水中时,油酸的油膜能最大限度地展开,同时油膜展开后又不会占满整个盛水浅盘,则至少要将该滴油酸稀释多少倍?图 在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,所用油酸酒精溶液的体积分数为 ,用小量筒测得 滴该溶液约为 现把 滴该溶液滴入盛水的浅盘里,待水面稳定后,将带有网格线的透明塑料盖板放在浅盘上,用彩笔在塑料盖板上描出油膜的轮廓,其形状和尺寸如图 所示塑料盖板上的小方格边长为 ,试求:()油酸膜的面积()滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积()按以上实验数据估测出油酸分子的直径 环境与人类健康问题越来越受到重视,公共场所都贴有禁止吸烟的标志 在一个面积约 的办公室内,如果因一人吸烟使得办
21、公室内空气中有害气体的分子数占分子总数的万分之五,假设有害气体在室内空气中均匀分布,已知此时室内空气摩尔体积为 ,试估算:()该办公室内的人每呼吸一次,吸入的有害气体的分子数(按人正常呼吸一次吸入的气体约为 计算)()室内空气中每两个有害气体分子的间距 图 雨后,湖中荷叶上有 滴体积约为 的水珠,已知水的密度 ,水的摩尔质量 ,试估算:(结果保留两位有效数字)()该滴水珠含有的水分子数()一个水分子的直径大小 第二节 分子热运动与分子力第二节 分子热运动与分子力我们已经知道物质是由大量分子组成的,那么,物质内的分子是以怎样的方式聚集在一起的呢?它们之间是否存在相互作用?分子是处于静止状态,还是
22、在不停地运动呢?下面我们一起来追寻问题的答案扩散现象我们走进饭店,常会闻到饭菜的味道;用完的水彩画笔放在水杯中,杯中的水会慢慢变色 初中学过的知识告诉我们,这些日常生活中的现象都与分子运动有关下面我们通过实验进行观察与分析图 如图 所示,在一滤纸条上间隔一定距离各滴上一滴酚酞试剂后,将其插入水平放置的试管中,在试管开口处放上一小团棉花(棉花不与滤纸条接触)用滴管在棉花团上滴上几滴浓氨水后,用胶塞将试管封闭 注意观察试管中滤纸条的颜色变化 取两个相同的玻璃杯,在一个杯中倒入凉水,另一个杯中倒入相同体积的热水,然后在两杯中同时轻轻滴入一滴红墨水,注意观察杯中水的颜色变化情况如何解释上述实验中所出现
23、的现象呢?通过实验我们可以发现,试管中滤纸条从试管口向内逐渐变色,热水比凉水红得更快,这就说明无论是气体还是液体,都会发生物质迁移现象 实际上,这种现象在固体中也会发生 我们让一铅块和一金块相互紧密接触,经过一段足够长的时间,就会发现在接触面处的薄层中,铅块内渗入了少量的金,金块内渗入了少量的铅 这种现象就是分子本身不停运动的结果 物理学中把由于分子不停地运动而产生的物质迁移现象称为扩散()由上面的实验可知,温度越高,物质扩散得越快 扩散现象说明了物质中的分子在不停地运动着 那么,能否通过实验进一步说明,分子是在做无规则的运动呢?布朗运动年,英国植物学家布朗在用显微镜观察花粉微粒的水溶液时,发
24、现花粉在不停地做无规则的运动 下面我们也来做一下这个实验图 实验装置 在载玻片上滴一滴清水,把载玻片放在显微镜下,如图 所示,调节显微镜手轮,直到能看到清晰的水滴影像把一小滴碳素墨水滴在载玻片的水滴上,将载玻片放在显微镜下观察炭微粒的运动现象,如图 所示 观察炭微粒运动方向情况 追踪一个炭微粒的运动:在显微镜影像显示屏上固定一张透明的坐标纸,在坐标纸上追踪显示某一微粒的运动,调节节拍器的节拍周期为 秒左右,每次听到节拍器的响声,就用笔描下这个微粒此时的位置,并按顺序进行数字编号,大约取 个点 如图 所示,把这些点按时间顺序依次连接起来,得到一条折线图 显微镜中的影像图 炭微粒运动情况折线图从实
25、验中得出的折线图来看,这个微粒的运动是有规则的,还是无规则的?从实验现象可见,微粒运动的方向是不断改变的,而且是无规则的 后来,人们把悬浮在液体或气体中的微粒做的这种无规则运动叫作布朗运动()布朗运动究竟是怎么产生的?开始时,人们以为是外界因素,比如液体受到振动或对流等引起的,但是在尽量消除外界因素影响的实验条件下,布朗运动仍然存在 布朗运动的起因问题困扰了人类大半个世纪,直到 年,爱因斯坦才从理论上解释了布朗运动 第二节 分子热运动与分子力他认为,布朗运动是大量液体分子对悬浮微粒的不平衡撞击引起的,是大量液体分子不停地做无规则运动所产生的结果图 一个微粒每秒大约要受到它周围液体分子 次的碰撞
26、悬浮在液体中的微粒周围存在大量做无规则运动的液体分子,它们不停地对悬浮微粒进行撞击,如图 所示 一个微粒每秒大约要受到它周围液体分子 次的碰撞 由于液体分子运动的无规则性,在任一瞬间,从不同方向撞击悬浮微粒的液体分子数目各不相同,碰撞的冲击力也不一样 有时沿某一方向的撞击较强,微粒就顺着这一方向运动;当另一方向的撞击较强时,微粒就会改变运动方向 由于液体分子运动的无规则性,使微粒受较强撞击的方向是偶然性的,所以布朗运动是无规则的 我们观察到的悬浮微粒的无规则运动,实际上间接地反映了液体内部的分子在不停地做无规则的运动扩散现象和布朗运动的实验还表明,温度越高,分子的扩散越快,悬浮微粒运动就越激烈
27、 这表明物质的温度高低与物质内部分子无规则运动的剧烈程度直接相关,温度越高,分子的无规则运动越剧烈 可以说温度是物质内部分子无规则运动剧烈程度的量度因此,物理学中把物质内部大量分子的无规则运动称为热运动()分子力我们日常使用的樟脑丸,由于分子的热运动,最终会挥发殆尽,然而它却能聚成一个硬块且很不容易掰开,这又是为什么呢?人们猜想有可能是因为分子间存在相互吸引的力 下面通过实验验证这种引力的存在图 “粘”在一起的铅柱吊起重物取两段直径为 左右的铅柱,把它们的断面切平磨光,然后用力把两个光滑的面对齐压紧,这两段铅柱就“粘”在一起了,而且下端可以吊起 甚至更重的物体,如图 所示为什么把铅柱断面切平磨
28、光并且用力对齐压紧,两段铅柱就能“粘”在一起?以上实验表明,物质的分子间存在引力,而且该引力发生作用的距离很小 正是这种相互吸引的作用,才使得大量分子聚集在一起形成固体或液体 我们还知道,固体和液体是很难被压缩的 这说明分子之间除了有引力,还存在斥力图 分子间作用力与分子间距离关系的示意图分子间的相互作用一般不能由实验直接测定,但可以在一定的实验基础上,采用一些简化模型,如假设分子间的相互作用具有球对称性等来加以研究 研究表明,分子间同时存在着引力和斥力,通常表现出来的是它们的合力 分子间引力和斥力的大小都跟分子间的距离有关 图 中的虚曲线分别表示两个分子间的引力和斥力随其距离变化的情形,实线
29、表示引力和斥力的合力,即实际表现出来的分子力随距离变化的情形 由图中可见,当两个分子间的距离等于某一值 时,分子间的引力和斥力平衡,分子间的作用力为 对于不同物质的分子,的数值稍有不同,数量级约为 当分子间的距离小于 时,分子间的作用力表现为斥力;当分子间的距离大于 时,分子间的作用力表现为引力;当分子间的距离大于 时,分子间的作用力就已十分微弱,可以忽略不计分子间的作用力本质上是一种电磁力 分子由原子组成,原子内部有带正电的原子核和带负电的电子,分子间的作用力是由这些带电粒子的相互作用引起的世纪以后,人们通过对物质微观结构的进一步研究,逐渐建立起分子动理论(),其基本观点是物质是由大量分子组
30、成的;分子总在不停地做无规则运动,运动的剧烈程度与物质的温度有关;分子间存在相互作用的引力和斥力许多年来,人们对壁虎能轻松“走壁”的秘诀一直众说纷纭,壁虎脚底的黏着力究竟是怎样产生的呢?很多人认为,壁虎能贴在光滑的天花板上,靠的是四只脚掌上神奇的吸盘,其实情况并非如此 最新的研究表明,看上去不起眼的壁虎,居然是自然界数一数二的“应用物理大师”它脚底的力量,利用的是最基本的物理学原理分子作用力由于分子作用力过于微弱,通常没有人会注意到 比如,当我们把手贴在墙壁上时,也会产生分子作用力,但由于实际接触面积太小,人的手掌不会被吸附到墙壁上 而壁虎就不一样了,它的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛,而每
31、根刚毛末端又有 根更细的分支 这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离足够近,从而产生分子间引力 虽然每根刚毛产生的力量微不足道,但累积起来就很可观 根据计算,一根刚毛产生的力能提起一只蚂蚁,而一只壁虎如果同时使用全部刚毛,则能够提起 的重物 第二节 分子热运动与分子力 图 壁虎脚底结构在壁虎脚趾微结构的启示下,科学家开始研制超级附着技术 例如,有人就模仿壁虎脚趾的微结构研制出一种柔韧的胶布,上面植入上百万根人工合成的、长度不足 的绒毛,未来可用于无人探测器,增强其越野攀爬能力 下列各种现象,能否说明分子在不停地运动?为什么?()海绵吸水()汽车疾驶而过,落叶飞扬()将香水瓶盖打开后能闻到香
32、味()洒在地上的水,过一段时间就干了()大雾天,空气悬浮着许多小水滴()堆煤的墙角,一段时间后墙体变黑()悬浮在水中的花粉碎末做无规则的运动()在一杯水中放一勺盐,过一段时间后,整杯水会变咸 微粒的直径小于 ,才能明显观察到布朗运动实验现象,一般来说,花粉的直径为 ,几乎无法观测到布朗运动 在布朗的手稿中,“”的意思是“从花粉粒中迸出的微粒”,并不是指花粉本身 请从布朗运动的产生机理出发解释:为什么直径大的花粉很难发生布朗运动,而直径小的“从花粉粒中迸出的微粒”比较容易发生布朗运动?为什么温度越高,布朗运动越激烈?俗话说“破镜难圆”,然而在光学镜头制作中有一种工艺,是将两个镜面研磨得非常光滑后
33、把它们贴放在一起,不用任何黏合剂它们就会紧紧地粘在一起 而通常焊接钢梁,是用电焊机将钢梁的断面熔化从而将钢梁连接起来 请根据分子力的特性来解释这些现象 第三节气体分子运动的统计规律世纪中叶,人们从“物质是由大量无规则运动的分子组成的”这一观点出发,对微观粒子间相互作用的性质和规律以及热现象的微观过程提出模型和假设,探究其统计规律 统计规律是大量随机事件整体表现出的规律,它表现了这些事件整体的必然联系 下面我们以气体分子运动为例探究气体分子运动的统计规律分子沿各个方向运动的概率相等在抛硬币游戏中,把一枚硬币抛起来后落到地面,硬币的正面向上还是反面向上完全是随机的 当抛币的次数非常多时,硬币正面向
34、上和反面向上的概率是相等的 这表明个别事件的出现具有随机性,但大量事件出现的概率遵从一定的统计规律 在日常生活中,还有哪些实例表现出这种统计规律?在标准状态下,气体中约有 个分子 大量分子都在做无规则运动,分子间不断发生碰撞,一个分子在 内与其他分子的碰撞次数高达 亿次 频繁的碰撞使得每个分子的速度大小和方向频繁地改变 尽管在某一时刻某个分子的速度大小和方向完全是随机的,但是对由大量分子组成的气体整体来说,气体中任一时刻都有向任一方向运动的分子,且气体分子沿各个方向运动的数目相等,即在任一时刻分子沿各个方向运动的概率是相等的 这里所说的“相等”是对大量分子运动情况的统计结果分子速率按一定的统计
35、规律分布气体分子沿各个方向运动的概率相等,就是大量分子在运动方向上整体表现出来的统计规律 那么,气体分子运动的速率分布是否也有一定的统计规律呢?我们先来观察一个实验 第三节 气体分子运动的统计规律图 如图 所示,在一块竖直放置的木板上,顶部设一漏斗形开口,木板的上半部分钉有许多规则排列的小钉子,下半部分用多块竖直的小隔板分隔出许多道等宽的狭槽,板前盖以玻璃 从木板顶部的漏斗形开口投入小球(例如小钢球),小球的直径略小于两隔板间的距离,观察小球落在狭槽内的分布情况 再连续投入大量的小球,按小球在狭槽内分布的情况,用笔在玻璃上画出一条连续的曲线 重复若干次上述实验,观察曲线形状实验结果表明,尽管单
36、个小球落入哪道狭槽内是随机的,但投入大量小球时,每次实验狭槽内小球分布的情况则是一定的,而且落入某一道狭槽内的小球数目与小球总数的比值是稳定的 这就是说,大量的小球落入狭槽时,其整体的分布遵从一定的统计规律气体分子做无规则运动,速率有的大、有的小 与上述实验类似,大量气体分子整体的速率分布也遵从一定的统计规律 研究表明,在一定的温度下,不同速率范围内的分子数在总分子数中所占的比值是确定的,表 和图 是测定氧气分子分别在 和 时速率分布的实验结果表 氧气分子的速率分布速率区间()不同温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比 图 氧气分子的速率分布曲线图 氧气分子的速率分布直方图 例题:观察表
37、和图 ,思考并回答下列问题()由图 可以发现,氧气分子的速率分布具有什么特点?()由表 可得如图 所示的 氧气分子的速率分布直方图,实验时速率区间取得越窄,图中整个 直方图锯齿形边界就越接近一条光滑曲线 该曲线有何意义?曲线与横坐标所围的面积代表什么意义?能否求得该面积的值?解:()由图 可以看到,和 氧气分子的速率分布都呈现“中间多、两头少”的分布规律,但这两个温度下具有最大比例的速率区间是不同的,时 的分子最多,时 的分子最多 的氧气,速率大的分子比例较多,其分子的平均速率比 的大()该曲线体现的是 氧气分子在不同速率分子数目的分布情况,即氧气分子速率分布情况 曲线与横坐标所围面积为所有速
38、率区间的分子数占气体总分子数的比例,故该面积的值为 通过例题,我们可以知道,在一定的温度下,氧气分子的速率分布是确定的,呈现“中间多、两头少”的分布规律 当温度升高时,分子数最多的速率区间移向速率大的一方,速率小的分子数减少,速率大的分子数增加,分子的平均速率(平均动能)增大 如图 所示的氧气分子运动速率分布曲线直观地描述了这一规律 气体分子速率分布规律也是一种统计规律早在 年,英国物理学家、数学家麦克斯韦(,)就从理论上推导出气体分子速率分布的规律 多年后,麦克斯韦的理论研究成果第一次得到实验验证 以后随着实验方法的不断改进,气体分子速率分布规律得到高度精确的实验证明 奥地利物理学家玻耳兹曼
39、(,)在麦克斯韦的基础上又得出气体分子按能量分布的规律 他们的研究成果奠定了分子动理论的基础 若对高中二年级学生的身高进行统计,是否会呈现出“中间多、两头少”的分布规律?是否所有统计的结果都会呈现出这样的分布规律呢?请用生活中的实例说明自己的观点 在一个正方体容器里,任一时刻与容器各侧面碰撞的气体分子数目是否相同?是完全相同吗?这是为什么?由气体分子的速率分布规律可知,一般的分子热运动的速率很大,大多在 之间 但是,对于放在一个面积只有 的房间里的香水,打开瓶盖后,房间里的人要过一会儿才能闻到香味,这是为什么?大量分子频繁地碰撞,使得某个分子的速度方向和大小完全是随机的,而向各个方向运动的分子
40、数量相等,那么各个速率区间的分子数为什么不相等?习题一参考下面的知识结构,请进一步梳理本章的知识 从相互作用的观点出发,你认为分子力的本质是什么?在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,你认为最关键的步骤是什么?谈谈你的想法 研究气体分子速率分布规律时采用了什么统计方法?谈谈你对这种科学研究方法的认识 下列实验能说明分子在做无规则运动的是()滴在热水中的墨水使热水很快变色 断面磨平的铅块压紧后能够吊住大钩码 铅板和金板长时间压紧在一起,铅和金会互相渗透 抽去玻璃板后,两瓶中的气体逐渐混合 扩散现象能说明()物质是由大量分子组成的 分子间存在相互作用力 分子间存在空隙 分子在做无规则的运动 下列关
41、于布朗运动的说法,正确的是()布朗运动是液体分子的无规则运动 布朗运动是指悬浮在液体中的固体分子的无规则运动 微粒越小,布朗运动越明显 做布朗运动的微粒虽然不是分子,但是它的无规则运动是液体分子无规则运动的反映 墨滴入水,扩而散之,徐徐混匀 下列关于该现象的分析正确的是()混合均匀主要是由于炭微粒受重力作用 混合均匀的过程中,水分子和炭微粒都做无规则运动 使用炭微粒更小的墨汁,混合均匀的过程会进行得更迅速 墨汁的扩散运动是由于炭微粒和水分子发生化学反应引起的 习题一 下列关于热运动的说法,不正确的是()热运动是物质受热后所做的运动 加热后物质内分子做无规则的运动 单个分子做永不停息的无规则运动
42、 大量分子做永不停息的无规则运动 温度越高,分子无规则运动越剧烈 在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,下面的假设与该实验无关的是()油膜中分子沿直线排列 油膜为单分子且都是球形 分子一个挨一个排列,它们的间隙可忽略 油膜的体积等于总的分子体积之和 为了减少“用油膜法估测分子的大小”的实验误差,下列方法可行的是()将油酸酒精溶液滴在水面上时,滴管距水面距离尽可能近些 先在浅盘内的水上撒一些痱子粉,再用滴管把油酸酒精溶液滴一滴在水面上 用牙签把水面上的油膜尽量拨弄成规则形状 油酸酒精溶液滴在水面上后,晃动水面使油酸尽可能充分扩展 计算油膜面积时,舍去所有不满一格的方格 下列关于气体分子运动的说法
43、,正确的是()某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的 某一时刻一个分子速度的大小和方向是随机的 某一时刻向任意一个方向运动的分子数目基本相等 某一温度下每个气体分子的速率不会发生变化 下列关于气体分子运动的说法,正确的是()某时刻某一气体分子向上运动,则下一时刻它向上运动的概率小于向下运动的概率 在一个正方体容器里,任一时刻与容器各侧面碰撞的气体分子数目基本相同 当温度升高时,速率大的气体分子数目增多 气体分子速率呈现“中间多,两头少”的分布规律 把萝卜腌制成咸菜通常需要几天时间,而将萝卜炒熟,使之具有相同的咸味只需几分钟 试解释造成这种差异的主要原因 在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,将
44、 的油酸溶于酒精,制成 的油酸酒精溶液,测得 的油酸酒精溶液有 滴 现取 滴该油酸酒精溶液滴在水面上,待水面稳定后,将带有网格线的透明塑料盖板放在浅盘上,用彩笔在塑料盖板上描出油膜的轮廓,其形状和尺寸如图 所示,塑料盖板上的小方格边长为 则:()油酸膜的面积是 图 ()滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 (结果保留一位有效数字)()按以上实验数据估测出油酸分子的直径约为 (结果保留一位有效数字)()某同学在实验中最终得到的计算结果比大部分同学的结果偏大,对出现这种结果的原因,下列说法可能正确的是 错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算 计算油酸膜面积时,错将不完整的方格作为完整方
45、格处理 计算油酸膜面积时,只数了完整的方格数 水面上痱子粉撒得较多,油酸膜没有充分展开 某水银温度计中含有 汞,已知汞的摩尔质量 ,密度 ,阿伏伽德罗常数 求:()温度计中汞原子个数()个汞原子的体积(以上计算结果均保留一位有效数字)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中,一滴油滴的体积非常小,但采用累积法可以测出油滴的体积 请同学们回想一下,在初中物理课中,我们是如何用毫米刻度尺,采用累积法(或叠加法)测量课本纸张的厚度与细线的直径的,其方法与用油膜厚度来确定分子大小的方法相比较,有什么异同?在对固体、液体分子的大小以及气体分子所占空间的计算中,使用模型有何不同?运用这些模型并不能对分子的大小
46、(或所占空间)进行准确的计算,为何还是要用这些模型?有同学说分子间的作用力像弹簧的弹力,“压,分子力就向外推;拉,分子力就往回拉”试分析分子力和弹力变化规律的异同 有人将布朗运动与股票价格行为联系在一起,建立起金融数学模型 查找相关资料,体会物理学是自然科学领域的基础学科,以及其对自然科学技术的重要影响,并谈谈自己的见解 第一节 气体实验定律()用打气筒给足球打气时,随着活塞杆的下压,会感到越来越吃力,这说明随着气体体积减小,其压强会增大;将压瘪的乒乓球放入热水中,乒乓球会自动复原,说明球内的气体在温度升高时压强也会增大 日常生活中的很多现象说明,一定质量的气体,其压强、温度、体积三个量之间存
47、在着某种关系下面我们采用控制变量法探究一定质量的气体,在温度不变时,其压强与体积之间的变化关系 图 实验装置 示意图 如图 所示,用注射器的柱塞和下端的橡皮塞把一段空气柱封闭在注射器玻璃管中,这段空气柱就是我们研究的对象 在实验过程中,空气柱的质量是不变的,只要其体积变化不太快,它的温度就不会有明显的变化,大致等于环境温度 空气柱的压强可以从注射器上方的气压计指针读出,空气柱的长度可以从注射器玻璃管侧的刻度尺读出现向下压或向上提注射器的柱塞,观察空气柱体积与压强的变化情况,能发现什么变化规律?从实验中可以发现,注射器内空气柱的体积越小,压强就越大,其体积越大,压强就越小 那么,一定质量的气体,
48、在温度不变时,其压强的大小是否跟体积成反比关系呢?玻意耳定律为了探究一定质量的气体,在温度不变时,其压强的大小与体积的大小是否成反比关系,我们通过进一步的实验记录多组数据,对其规律进行研究 第一节 气体实验定律 图 实验原理图如图 所示的实验装置可以验证一定质量的气体,在温度不变时,其压强和体积的关系 但是气压计的读数误差相对较大,因此,为了更精确地测量气体压强,我们引进压强传感器和数据采集器获取数据,并借助计算机处理数据,以提高测量精度和效率 其实验原理图如图 所示实验中,为了做到封闭气体,不让气体泄漏,可以在活塞上涂润滑油 而为了控制气体温度这一变量,活塞移动速度不能太快,且要避免用手握住
49、注射器封闭气体部分导致气体温度改变图 实验装置图实验装置如图 所示 通过改变注射器内气体的体积,可以获得对应的气体压强值并记录数据启用系统“绘图”功能,计算机将显示压强与体积的关系图线,如图 所示为某次实验得出的 图线 将气体体积 取倒数,获得压强与体 积 倒 数 的 关 系 图 线,如 图 所示 分析实验数据和 、关系图线,可以发现气体压强和体积有什么关系?图 等温过程的 图线 图 等温过程的 图线 实验表明,一定质量的气体,在温度不变的情况下,其压强与体积成反比 即 设初态时气体体积为,压强为,末态时气体体积为,压强为,则 ()这一规律是英国科学家玻意耳(,)和法国科学家马略特(,)在互不
50、知情的情况下各自独立通过实验发现的,由于马略特的发现时间较晚,因此人们习惯将其称为玻意耳定律()等温图像图 气体在温度不变的情况下发生的状态变化过程,称为等温过程()一定质量气体的等温过程在 图上是过原点的直线,在 图上是双曲线的一支,这种表示等温过程的图线称为等温线()等温线上的某一点表示气体处于某一状态,该点的坐标(,)表示气体在该状态下的状态参量 如图 所示的状态 的压强 (即为 个标准大气压,约等于 ),体积 ,状态 的压强 ,体积 ,图中箭头表示过程进行的方向,气体由状态 经等温过程变化到状态 图 气压式保温瓶结构图例题:人们使用气压式保温瓶时,只需按压保温瓶顶端,即可将水从瓶中压出
51、 如图 所示是气压式保温瓶结构图,请分析回答下列问题()保温瓶中的水越少,需按压瓶盖的次数越多,才能将水从瓶中压出,请分析其原因()已知保温瓶中水的占比,估测出水所需的按压次数,需用到什么气体实验定律?若要满足该气体定律的适用条件,应怎样选取研究对象?()若保温瓶中只有半瓶水时,希望按压两次就能出水,则还需要满足什么条件?分析:根据保温瓶的结构图可知,按压瓶盖往瓶中注入更多的空气,使得瓶中压强增大,水被挤压出保温瓶 影响按压次数的主要因素是瓶盖下方气室的体积、保温瓶内水上方的空气体积,以及出水管口距水面的高度 据此选择解决问题的定律,并明确适用条件,选取合适的研究对象解:()由气压式保温瓶的结
52、构图可知:水越少,出水管口距水面的高度越大,压出 第一节 气体实验定律 水所需的压强越大;同时,保温瓶内水上方的空气体积也越大,而瓶盖下方气室的体积一定,每次按压能压入的空气相对水上方的空气体积的比例就越小,故需按压的次数就越多()需要运用玻意耳定律来估测按压次数,因此必须满足气体质量一定、温度不变的条件通常情况下,保温瓶内水上方的空气体积远大于气室的体积,因此,气体被压缩时温度的变化非常微小,可近似看作温度不变 按压瓶盖往瓶中注入空气,瓶中气体质量必定增大,然而若将压入瓶中的空气和瓶中原有的空气看作一个整体,以其为研究对象,则满足了气体质量一定的条件,从而可运用玻意耳定律来解答本题 图 ()
53、如图 所示,设保温瓶可盛水的体积为,瓶盖下方气室的体积为,出水管口到瓶中水面的高度为,水的密度为,外界大气压为 若瓶中只有半瓶水,希望按压两次就能出水,则保温瓶内水上方的空气压强至少要达到 ,忽略不计出水管体积,根据玻意耳定律,可得 ()(),解得 即保温瓶可盛水的体积与气室体积之比满足上述关系式时,瓶中只有半瓶水,按压两次就能出水 在用如图 所示的实验装置探究玻意耳定律时,可能造成实验误差的主要原因是什么?如何改进实验方法来尽可能减小这些误差?如图 所示的各装置均处于静止状态,若已知大气压强为,重力加速度为,液体密度均为,求各段被封闭气体的压强 ()()()()图 图 如图 所示是某公司设计
54、的一款婴儿防胀气奶瓶示意图,通过奶瓶的特殊设计,宝宝用奶瓶喝奶时,能有效地减少宝宝吸入气泡,从而减少宝宝胀气、打嗝和吐奶 请尝试结合本节所学的知识对这种奶瓶的原理进行解释说明 结合自己的生活体验,列举出利用类似原理制成的其他器材 假定某足球的最大容积是 ,用一打气筒给这个足球打图 气,每一次能把体积 、压强 的空气全部打入足球 如果足球打气前内部没有空气,那么打了 次以后,足球内部空气的压强为多大?(假定空气温度不变)如图 所示是一种测定肺活量(标准大气压下,人一次呼出气体的体积)的装置,为排尽空气并倒扣在水中的开口薄壁圆筒 测量时,被测者尽力吸足空气,再通过 管用力将自己肺部的空气吹入 中,
55、使 浮起 设整个过程中呼出气体的温度保持不变,圆筒 的横截面积为,外界大气压强为标准大气压,水的密度为 若某同学使得圆筒 浮出水面的高度为,圆筒内外水面的高度差为,试求该同学的肺活量 一气象探测气球,在充有压强为 、温度为 的氦气时,体积为 ,在上升至海拔 高空的过程中,气球内氦气体积逐渐增大,此高度的大气压约等同于 高的水银柱产生的压强,气球内部因启动持续加热装置而维持其温度不变 求此时气球的体积 第二节 气体实验定律 第二节 气体实验定律()在上一节中,我们通过实验探究了一定质量的气体,在温度不变时,其压强与体积之间的变化关系 那么,一定质量的气体,在体积不变时,其压强是怎样随温度变化的呢
56、?在压强不变时,其体积又是怎样随温度变化的呢?查理定律我们先来观察一定质量的气体,在体积不变时,其压强是怎样随温度变化的图 实验装置示意图 如图 所示是一个探究气体压强与温度变化关系的实验装置示意图,实验中,往细玻璃管内注入适量的红墨水,通过红墨水的移动观察气压的改变 把瓶先后放入盛着冰水混合物的容器和盛着热水的容器中,设法保持瓶内气体的体积不变,观察红墨水的移动情况,思考该过程气体压强和温度变化的关系通过实验可以发现,保持瓶内气体体积不变,将瓶放入热水中时的瓶内压强比放在冰水混合物中时的瓶内压强大 法国物理学家查理(,)通过实验发现,当气体体积一定时,各种气体的压强都随温度的升高而均匀增大,
57、如图 ()所示,人们把此规律叫作查理定律()气体在体积保持不变的情况下发生的状态变化过程,叫作等容过程()()()()图 气体等容变化 在对实验数据的处理中,通过对图线的合理延伸,发现其新的含义,这是物理学研究中一种常用的方法由图 ()可知,在等容过程中,气体压强 与摄氏温度 呈线性关系,但不是简单的正比关系 如图 ()所示,延长直线,与横坐标相交,则交点为(,)如果以该交点为原点,建立新坐标系如图 ()所示,横坐标仍然表示温度,则此时气体压强与温度就是正比例关系了 若将这新的温度记为,它与摄氏温度 的大小换算关系为 ,人们将这一新的温度称为热力学温度(),国际单位为开尔文,简称开,符号为 由
58、图 ()可知,原点表示气体压强为 时,热力学温度为 理论和实践表明,热力学温度 (即绝对零度)是不可能实现的由此,查理定律可简化为一定质量的气体,在体积不变的情况下,其压强 与热力学温度 成正比 即设气体温度为 时,压强为,温度为 时,压强为,则()例题:汽车轮胎的气压是影响汽车节油及行驶安全的重要因素,据统计,在高速公路上有 以上的交通事故是由于轮胎发生故障引起的 汽车在高速行驶时车胎因反复形变而升温,车胎内气压随之升高 某品牌的汽车轮胎说明书上标有“最大胎压 ”该车在夏天以 的速度行驶时,车胎内气体温度可达 为保证汽车在最高限速 的高速路上安全行驶,则在 的气温下,汽车出发前给车胎充气的气
59、压上限是多少?分析:空气注入车胎后,其质量不变,忽略车胎因温度的变化而发生的体积变化,则符合查理定律的适用条件,可用该定律来解答解:设 时车胎能充的最大气压为,温度达 时的气压为,由题可知 根据查理定律,由 ,得 ,解得 即在 的气温下,汽车出发前给车胎充气,车胎气压不能超过 盖吕萨克定律我们知道了气体的等温过程和等容过程中的规律,那么,一定质量的气体,当压强不变时,气体体积与温度的关系又如何呢?第二节 气体实验定律 将如图 所示的实验装置先后放入盛着热水的容器和盛着冰水混合物的容器中,设法保持压强不变,观察玻璃管中空气柱体积的变化情况,思考气体体积与温度的关系实验表明,一定质量的气体,在压强
60、不变的情况下,其体积 与热力学温度 成正比 即设气体温度为 时,体积为,温度为 时,体积为,则()图 气体等压变化该规律由法国化学家、物理学家盖吕萨克(,)发现,人们将其称为盖吕萨克定律()气体在压强不变情况下发生的状态变化过程,称为等压过程()气体等压过程可以用图线来表示,如图 所示例题:炎热的夏天,当我们在教室开空调时,除了温度以外,教室内空气的质量其实也发生了改变 请估算降温前后教室内空气的质量变化量(已知 个标准大气压下,温度为 时,空气密度为 )分析:教室的空间不变,即空气的总体积不变 当室内温度降低时,气压会降低,因教室不是密闭空间,室外空气会进入室内,使得室内外空气的压强保持动态
61、的平衡,因此室内空气的质量增加、压强不变 在降温过程中,如果把从室外进入室内的空气与原来室内的空气看成一个整体,则可以采用盖吕萨克定律求解 可设教室为长方形,长、宽、高分别为、,设空调使室内空气从温度 降到,从而估算降温前后室内空气质量的变化量解:设教室为长方形,长、宽、高分别为 ,开空调使室内空气从温度 降到 ,室内气压近似保持为 个标准大气压 把降温过程中从室外进入室内的空气与原来室内的空气看成一个整体,则气体质量恒定 设在 、时,整个气体的体积分别为、,根据盖吕萨克定律,有 而 ,由此求得 ,设 时空气密度为,则 ,且已知 个标准大气压下,温度为 时,空气密度 ,则 而室内空气的质量变化
62、量等于外界进入室内的空气质量,即 ()()则从温度 降到 ,室内空气约增加了 如图 所示,一个敞口的瓶子被放在空气中,气温为 现对瓶子加热,由于瓶子中的空气受热膨胀,一部分空气被排出 当瓶子中空气的温度上升到 时,瓶中剩余空气的质量是原来的多少?图 图 如图 所示,热气球的下端有一小口,使球内外的空气可以流通,以保持球内外压强相等 球内有温度调节器,以便调节球内空气的温度,使热气球可以上升或下降 设热气球的总体积 (忽略球壳体积),除球内空气外,热气球质量 已知地球表面大气温度 ,密度 ,如果把大气视为理想气体,它的组成和温度几乎不随高度变化,那么为使热气球从地面升起,球内气温最低要加热到多少
63、?图 如图 所示是右端开口的圆筒形容器,底面积为,活塞可以沿容器壁自由滑动 开始时,活塞把一定质量的理想气体封闭在容器内,活塞与容器底部的距离为,气体温度为,大气压强为 若给容器内气体加热,让气体膨胀,活塞缓慢移动到与容器底部距离为 处,求:()气体膨胀后的温度()气体膨胀后把活塞固定,让气体温度缓慢地变回,求此时气体的压强,并画出在此过程中气体压强 随温度 变化的图线 第三节 气体实验定律的微观解释第三节气体实验定律的微观解释玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律,这三个定律都是通过实验研究获得的,人们将这三个定律统称为气体实验定律 它们反映了一定质量的气体,温度、体积、压强三个参量之间的变化关
64、系 下面我们将从微观的角度,探寻气体参量的变化遵循气体实验定律的缘由气体压强的微观解释 图 雨点密集地落在 伞面上,对伞面施加了压力从微观分子的运动及统计规律来看,气体的压强是大量气体分子频繁碰撞器壁的结果 我们都有这样的经验:当稀疏的雨点打在伞上时,我们感到伞上各处受力是不均匀的,而且是断续的;但当密集的雨点打到伞上时,就会感到雨伞受到一个均匀的、持续的压力(如图 所示)气体压强产生的原因与此相似,单个分子对器壁的冲力是短暂的,分子运动的速率各不相同,对器壁的冲力也各不相同,但大量分子频繁地碰撞器壁,就会对器壁产生持续的、均匀的压力 所以,从分子动理论的观点来看,气体压强是大量气体分子对器壁
65、作用的宏观效果,大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力气体实验定律的微观解释由分子动理论和气体分子运动的统计规律可以知道,就大量分子而言,气体质量一定时,如果温度不变,体积越小,单位体积内气体分子数目越多,撞击器壁的分子数目越多,撞击的平均作用力越大,压强越大;如果体积不变,温度越高,气体分子热运动的平均速率越大,撞击频率越高,撞击的平均作用力越大,压强越大 据此我们能很好地解释气体实验定律一定质量的气体,温度保持不变时,气体分子热运动的平均速率一定,若气体体积减小,分子的密集程度增大,气体压强增大 反之,若气体体积增大,分子的密集程度减小,气体压强减小 这就是玻意耳定律的微观解
66、释一定质量的气体,体积保持不变时,气体分子的密集程度保持不变,若气体温度升 高,分子的热运动的平均速率增大,气体压强增大 反之,若气体温度降低,分子热运动的平均速率减小,气体压强减小 这就是查理定律的微观解释 根据以上对玻意耳定律和查理定律的微观解释,试应用分子动理论和气体分子运动的统计规律解释盖吕萨克定律理想气体气体实验定律是通过实验研究获得的,那么在实际条件下,气体是否严格遵循这些定律呢?有人做过这样一个实验:在 个标准大气压下,取空气、氢气、一氧化碳和二氧化碳各 ,分别将它们等温压缩至其压强均为 个标准大气压,测其体积,计算 的乘积,结果如表 所示表 气体压强和体积的乘积气体空气氢气一氧
67、化碳二氧化碳 观察表中数据,实际气体压缩过程是否严格遵循气体实验定律?在对气体实验定律的进一步精确实验研究中可以发现,任何实际气体都只是在压强不太大、温度不太低的情况下近似地遵循相关的定律 当压强较大、温度很低时,气体实验定律就不适用了 压强越大,单位体积内分子数目越多,这种偏离就越显著 事实上,任何气体在高压、低温下都会发生液化甚至成为固体 正因为如此,在 图线或 图线中,等容线和等压线在温度很低的一段是用虚线表示的虽然实际气体不严格遵循气体实验定律,但为了研究方便,我们可以设想有一种严格遵循气体实验定律的气体,这样的气体被称为理想气体()根据气体实验定律,可以推导出一定质量的某种理想气体,
68、其压强、体积和热力学温度三个参量满足以下关系:()第三节 气体实验定律的微观解释式中 是与、无关的常量,表明压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变 这就是一定质量的理想气体状态方程理想气体实际上是不存在的,它是对实际气体的一种理想化的简化模型 在通常的条件下,氢气、氧气、空气等气体都能很好地遵循气体实验定律,因此常把它们当作理想气体处理为何实际气体不严格遵循气体实验定律呢?人们通过理论分析确认,如果忽略分子的大小,将分子看作质点,同时忽略分子间的相互作用(除相互碰撞外),则气体将会严格遵循气体实验定律 因此,理想气体的理想化微观模型是分子有质量而没有体积,分子间除相互碰撞外,没有相互作用力
69、 而实际气体,只有在常温常压下,分子间间距较大,分子的大小及相互作用力可以忽略时,才基本遵循气体实验定律 当气体压强很大、温度很低时,单位体积内分子数很多,分子非常密集,分子的大小及分子间相互作用力不可忽略时,气体实验定律也就不适用了一定质量的某种理想气体,它在状态 时压强、热力学温度、体积三个状态参量的值分别为、,当它三个状态参量都发生变化达到状态 时,三个状态参量的值分别为、现在我们利用气体实验定律,推导压强、热力学温度、体积三个状态参量间的变化规律图 由状态 至状态,虽然三个状态参量都发生了变化,但我们可以做一些假设 如图 所示,假定气体先经过等容过程从状态 变化至状态,再经等温过程从状
70、态 变化到状态 由状态 到状态,根据查理定律,有 由状态 到状态,根据玻意耳定律,有 两式联立,消去两个方程中状态 的压强,得 由于经等容过程从状态 到状态,故 由于经等温过程从状态 到状态,故 代入上式,得 因为状态、状态 是气体的两个任意状态,所以上式表明,一定质量的某 种理想气体,从状态 变化到状态 时,尽管、都可能改变,但压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变 即 式中 是与、无关的常量上式被称为一定质量的某种理想气体的状态方程(),其揭示了理想气体状态变化的规律,并不涉及气体从一个状态变化到另一个状态的具体方式 在由气体实验定律推导理想气体状态方程的过程中,我们假定气体先经过等容
71、过程从状态 到状态,再经等温过程从状态 到状态 也可假定经过其他的变化过程来推导,结果是完全一致的 因此,理想气体的始末状态,与过程无关,只与温度、压强和体积有关图 如图 所示,一名同学将一个用水柱封闭的玻璃瓶放入热水中,发现水柱向右移动 试用分子动理论解释这个现象 试用气体压强、温度和体积的变化规律解释热气球能载人升空的原因 试举出类似的生活现象并进行解释 夏天停放在太阳底下暴晒的自行车容易“爆胎”某同学为了防止“爆胎”,给车胎打的气总是比冬天稍少一些 试用分子动理论的观点解释“爆胎”现象,分析该同学这样做的道理 第四节 液体的表面张力第四节液体的表面张力在日常生活中,有时会发现一些有趣的现
72、象:挂在草叶尖的水珠是球状的,水黾可以停在水面上而不会沉入水里,硬币能浮在水面上这些现象都发生在液体的表面图 挂在草尖上的水珠 图 水黾停在水面上 图 硬币浮在水面上表面张力下面我们利用身边的材料,通过实验探究液体的表面现象,并从微观的角度加以解释 记录以下实验中的现象,并思考这些现象说明了什么 把一根棉线的两端系在铁丝环上(棉线不要拉紧),然后把铁丝环浸入肥皂水里,再拿出来,铁丝环上就布满了肥皂水的薄膜 这时棉线圈是松弛的,如图 所示()用烧热的针先刺破棉线一侧的薄膜,观察薄膜和棉线发生的变化,并在图 中画出薄膜和棉线变化后的形状()再用烧热的针刺破棉线另一侧的薄膜,并在图 中画出棉线变化后
73、的形状 图 图 图 把一个棉线圈系在铁丝环上,使环上布满肥皂水的薄膜,这时膜上的棉线圈是松弛的,如图 所示 用烧热的针刺破棉线圈里的肥皂膜,观察棉线圈外的薄膜和棉线圈有什么变化,并在图 中画出薄膜和棉线圈发生变化后的形状图 图 上述实验表明,液体的表面就像绷紧的橡皮膜一样,总是有收缩的趋势 我们可以从液体微观结构中分子力的角度来解释从微观的角度来看,液体的表面并不是一个几何面,而是一个厚度为分子力有效作用距离(数量级为 )的薄层 位于液体表面层内的分子与液体内部分子,它们所受到的分子力是有区别的我们可以把分子力的作用范围认为是一个半径等于分子力有效作用距离的球,这个球称为分子作用球 由于分子斥
74、力的有效作用距离比分子引力的有效作用距离小得多,分子斥力作用球的半径远小于分子引力作用球的半径 图 液体表面附近 分子分布的示意图设液体内有一分子,如图 所示,由于分子 的分子作用球处于液体内部,液体内的分子均匀分布,对于分子 来说其分布是球对称的,因此液体内所有分子对分子 的斥力和引力的合力为零设在液体表面层内有一分子,如图 所示,以分子 为中心的分子作用球一部分在液体外,由于分子斥力作用球的半径远小于分子引力作用球的半径,分子 的分子斥力作用球仍处于液体内,其受到的分子斥力仍是球对称的,但分子 所受的分子引力就不再是球对称的 由于缺少了液体表面层外这部分分图 液体的表面张力子的引力,作用在
75、分子 上的全部分子引力的合力 垂直液面指向液体内 由此,液体表面层单位体积内的分子数目相对液体内部会更少,分子间距相对更大一些 因而表面层分子间的分子力表现为引力,液体的表面总是有一种收缩的趋势,就好像被绷紧的橡皮膜 设想在液体表面画一条直线,如图 所示,则直线两旁的液膜表现出使液体表面收缩的相互作用的拉力,液体表面出现的这种张力称为表面张力()第四节 液体的表面张力 尝试利用表面张力的知识解释:为什么草叶上的小水珠是球形的?为什么水黾可以停在水面上?为什么密度比水大的硬币可以被水托住而不会沉到水里?正是由于表面张力的作用,液体表面这种收缩的趋势会使得液滴的表面积尽可能地减小 在体积一定的情况
76、下,球形在所有几何体中的表面积最小,所以露珠的形状更接近于球形 难怪唐代诗人白居易()看到美丽的露珠后,情不自禁地发出“露似珍珠月似弓”的咏吟毛细现象既然草叶上的小水珠是球形的,那么将水滴在玻璃板上还会成球状吗?我们可以通过观察实验来了解 取两块小玻璃板,在其中一块玻璃板上均匀涂上石蜡 用滴管将同样大小的两滴小水珠分别滴在这两块玻璃板上,观察两块玻璃板上水滴的形状是否相同 取两支试管和两根两端开口的细玻璃管,如图 所示,在一支试图 水银的实验现象管中倒入水银(水银对人体有害,在实验操作时注意戴好防护手套与口罩),然后将一根细玻璃管紧靠试管壁插入水银中,明显可见细玻璃管中水银面与试管中的不一样高
77、 在另一支试管中倒入水,同样将另一根细玻璃管插入水中,观察管内外水面是否一样高?与图 所示的是否一致?除细玻璃管内外液面高度不同以外,还可以观察到什么现象?上述两个实验的现象有什么相似之处?如何解释这些实验现象?通过实验可知,液体与固体接触时,因材料的不同,在其接触面会出现两种不同的情况:一种是液体与固体的接触面有扩张的趋势,液体会附着在固体上,如图 所示;另一种是液体与固体的接触面有收缩的趋势,液体不会附着在固体上,如图 所示 我们将前一种现象称为浸润,后一种现象称为不浸润 图 水的浸润现象 图 水银的不浸润现象图 防水布料由上面的实验可知,水不浸润石蜡而浸润玻璃,而水银不浸润玻璃 水对不同
78、材料的这种浸润与不浸润的性质,在实际生活与生产中有着广泛的应用 例如,鸭子用嘴把油脂涂到羽毛上,使水不能浸润羽毛;人们采用表面经过特殊涂层处理的织物来制成防水布料,如图 所示;而医院使用脱脂棉来吸收药液等浸润与不浸润现象产生的原因与产生表面张力的原因相似 在液体与固体接触的地方也有薄薄的一层液体,其性质与液体内部不同,我们称其为附着层 附着层的液体分子既要受液体内分子力的作用,也要受固体分子力的作用 若液体内分子的引力更大,则附着层中液体分子的密度变小,液体分子间距增大,相互间的分子力表现为引力,此时附着层有收缩的趋势,表现为不浸润 若固体分子的引力更强,则附着层中液体分子的密度更大,液体分子
79、间距减小,相互间的分子力表现为斥力,此时附着层有扩张趋势,从而表现为浸润 如果先将硬币用水冲洗一下,再置于水面,会出现什么情况?在图 与图 中,浸润液体在细管中上升,不浸润液体在细管中下降,我们将这种现象称为毛细现象()毛细现象是液体的浸润(或不浸润)与表面张力现象共同作用的结果 液体浸润细管时,浸润液体的附着层沿细管壁有扩张趋势,故附着层液体顺着管壁往上升,此时管内液面弯曲,面积变大 而表面张力使液面收缩,从而拉动管中液体上升 当管中液柱的重力与表面张力 上拉的合力平衡时,液柱不再上升,如图 所示 若管的内径增大,则管中液体的体积与重力相应增大,且比液体面积增大得更快 因而管的内径越细,液体
80、上升得越高,如图 所示 液体不浸润细管时,表现出的毛细现象则与液体浸润细管情况相反,如图 所示 第四节 液体的表面张力图 浸润时,表面张力将管中液体向上拉 图 浸润液体在毛细管里上升 图 不浸润液体在毛细管里下降在自然界中,植物之所以能吸收到土壤的水分,正是由于毛细现象将地下水通过泥土中的缝隙上升至植物的根部 同样,实验室常用酒精灯也是由于毛细现象,才使棉质的酒精灯芯自动地将酒精输送到灯芯的顶端 在一块洁净的玻璃平板上倒一些滴有红墨水的清水时,我们知道,由于浸润现象,水会向四周扩展,形成一层薄薄的水层 此时,再向水层中间轻轻滴几滴酒精,能观察到什么现象?并解释该现象 在生活中,是否还有类似的现
81、象,请举例说明如果一只动物不小心从树上掉了下来,它们当然不会知道这是地球重力的作用 不过,这并不意味着动物们不会利用物理规律来适应环境 当我们掌握了相关物理知识,将会理解一些令人觉得不可思议的动物“神技”和生活习性图 红颈瓣蹼鹬红颈瓣蹼鹬是一种小型水禽,喙又细又长,以微型甲壳类生物为食 大部分水禽在收集了少量含有食物的水之后,会通过吸或用舌头将其送入喉咙,并过滤出其中的食物 而红颈瓣蹼鹬则是从水里“啄”出食物,然后用长长的喙一点点地夹食物,把食物送进喉咙红颈瓣蹼鹬为什么可以通过细长的嘴 把食物送进喉咙里呢?它既不靠吸,也不用舌头,而是靠表面张力 红颈瓣蹼鹬在进食时,喙并不会张得很大 它会先让一
82、滴含有浮游生物的水滴“粘”在它的上、下颌上,然后迅速张开喙 这时水滴散开,喙中的水滴会向后移动,离喉咙较近的那部分水带着食物进入喉咙 当喙再次合上时,就可以进行下次进食了红颈瓣蹼鹬虽然不懂物理,却会巧妙地利用水的表面张力来进食 这个例子说明了生物是如何巧妙地利用大自然的物理规律来适应环境的 水比沙的密度小,同样是刮大风,沙漠上会是漫天黄沙,而海上却仅仅是扬起少量水沫,这是为什么呢?如图 所示是我国航天员王亚平在“天宫一号”太空授课中的一幕,她从液体注射器挤出水,水最终呈现完美的球状,结合本节课内容,谈谈其成因图 图 图 如图 所示,在竖直的玻璃板上喷上水珠,水珠沿玻璃板下滑时会与沿途悬挂在玻璃
83、板上的水珠汇聚成越来越大的水珠 请你用所学的知识解释该现象 如图 所示,在一个大碗中加入大半碗的水,将三支竹筷用水浸湿后,使它们成“品”字形并在一起,将其一端立于碗中,调整好位置,可使竹筷立于水中 请动手做这个实验,并解释相关实验现象 第五节 晶体第五节晶 体固态是物质常见形态中分子聚集最紧密的一种状态 固体宏观上表现出的一些特殊性质,能否从微观结构中寻找其根源呢?晶体与非晶体固体可以分成晶体()和非晶体()两类 石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等属于晶体,具有天然规则的几何形状 例如,食盐的晶体是正立方体形的;石英的晶体(透明的石英晶体叫水晶)中间是一个六棱柱,两端是六棱锥;雪花是水蒸气在
84、空气中凝华形成的晶体,它们的形状一般是六角形的规则图案 每种晶体都有其特定的天然几何形状,矿物学上常常依据晶体的这些形状特点来鉴别矿石 图 食盐晶体 图 水晶晶体 图 雪花晶体玻璃、松香、沥青、橡胶等都是非晶体,没有天然规则的几何形状蔗糖受潮后会粘在一起形成糖块,看起来没有特定的几何形状 但是用放大镜仔细观察,会发现组成糖块的是一个个晶体颗粒 粘在一起的糖块是多晶体(),单个的晶体颗粒是单晶体()由于多晶体是由许多单晶体杂乱无章组合而成的,所以多晶体没有特定的几何形状 金属和岩石就是两种最常见的多晶体在初中的学习中我们知道,晶体有固定的熔点,非晶体没有固定的熔点 通过加热熔化的方法可判断哪种固
85、体物质是晶体,哪种是非晶体 那么,晶体与非晶体的物理性质还有什么差异呢?取一张云母片,在上面涂一层很薄的石蜡,然后用烧热的钢针去接触云母片,如图 ()所示,观察接触点周围的石蜡熔化后所成的形状,再在玻璃片上做同样的实验 最后在图 ()()中分别画出熔化了的石蜡在云母片和玻璃片上的形状,比较观察到的实验现象,并与同学交流对该实验现象的看法()烧热的钢针 ()云母片 ()玻璃片图 石蜡熔化区域的形状上述实验现象表明,云母片沿不同方向上的导热性能是不同的,而玻璃片沿不同方向的导热性能是相同的 事实上,单晶体在不同的方向上不仅导热性能不同,而且机械强度、导电性能和光的折射率等其他物理性质也不同,这类现
86、象称为各向异性()非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的,这叫作各向同性()由于多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的,所以多晶体在一般情况下是各向同性的晶体的微观结构晶体和非晶体在外形和物理性质上存在这么大的差异,人们猜想可能是由于它们的微观结构不同 同时,人们发现一些天然晶体或矿石,无论大小,都有特定的相似形状 那么,是否是微观排列相似导致特定的形状?年,法国物理学家布拉维(,)提出空间点阵的假说,认为晶体内部的微粒是有规则地排列着的 年,德国物理学家劳厄(,)利用 射线进行晶体衍射实验,证实了这种假说 图 食盐 晶体的微观结构在晶体中,晶体微粒都是按照一定的规则排列的,具有空间上的周期性
87、 如图 所示是食盐的晶体微观结构示意图,在晶体中,晶体微粒间相互作用很强,其热运动不足以克服它们相互间的作用力而远离,最终表现为在某平衡位置附近不停地振动,图中所画的点为它们振动的平衡位置在不同条件下,同种物质的微粒在空间按不同的规则排列,会生成不同的晶体 它们宏观的几何形状不同,物理性质也会不同 如 第五节 晶体图 ()所示,碳原子按图中排列就成为金刚石,原子间的相互作用力很强,因而硬度大,可用来做切割工具;碳原子按图 ()排列就成为石墨,它呈层状分布,层与层间距较大,原子间相互作用力较小,故石墨质地松软,可用来做润滑剂 年,人们制备出了由 个碳原子构成的富勒烯(又称足球烯),如图 ()所示
88、,科学家们又陆续发现了碳原子个数分别为,等多个同素异形体 它们的应用价值也在不断探索中 年,英国物理学家安德烈海姆(,)和俄罗斯物理学家康斯坦丁诺沃肖洛夫(,)成功从石墨中分离出石墨烯,如图 ()所示,两人因此获得 年的诺贝尔物理学奖图 碳的四种不同微观结构图 晶体各向异性的微观解释 如图 所示是一个平面上晶体微粒排列的情况 请观察沿不同方向单位长度上微粒的数目是否相同,并思考引起晶体各向异性的原因组成晶体的微粒是对称排列的,形成很规则的几何空间点阵,空间点阵排列成不同的形状,就在宏观上呈现为晶体不同的几何形状 而非晶体内部的微粒是无规则地均匀排列的,没有一个方向比另一个方向特殊,因此表现为各
89、向同性人类对晶体与非晶体的原子种类与排列的人工组合的研究,促进了材料科学与技术的不断发展 例如,在高纯度单晶硅中掺入某些特定的杂质会导致导电性能突变,该特性的发现促进了半导体技术的迅猛发展;单晶空心叶片在航空发动机的应用,使得发动机的使用寿命与性能大幅提升等液晶年,奥地利植物学家莱尼兹尔(,)在合成胆甾醇时发现,此类有机化合物在固态向液态转化的过程中存在着混浊的中间态 次年,德国物理学家莱曼(,)发现,这个由固态向液态转化的中间态液体具有与晶体相似的性质,故称为液态晶体,简称液晶()液晶在力学性质上与液体相同,具有流动性、连续性,可以形成液滴;在光学性质、电学性质等方面又具有明显的各向异性,因
90、而又具有晶体的某些性质 液晶刚被发现时并没有得到太大关注,直到近百年后,人们发现液晶分子的排列可以受到电的控制而改变其光学性质,从而可当作显示材料,这才重新引起人们的极大兴趣 图 长棒状(向列型)液晶液晶的分子有些是长棒状的,有些是碟状或板状的 以长棒状液晶为例,在自然状态下分子有彼此平行排列的倾向它们沿一定方向的排列比较整齐,但彼此间前后左右的位置可以变动 这好像装在铅笔盒中的许多铅笔,它们既能左右滚动,又能前后滑动,但始终保持排列的方向不变,如图 所示 图 液晶数码管长棒状液晶对外界的某些作用很敏感 在外加电压的影响下,液晶的分子不再平行排列,液晶会由透明状态变成混浊状态,去掉电压又恢复透
91、明 利用液晶的这一特性可以制作显示元件 在两电极间用液晶涂写文字或数码,加上适当电压,透明的液晶变得混浊,文字或数码就显示出来了 这就是早期的液晶数码管(如图 所示)的显示原理图 液晶显示屏随着电子技术和其他技术的迅速发展,液晶显示技术已取得了重大突破 目前,人们把大规模集成电路技术与液晶技术结合在一起,生产出高响应速度、高亮度、高对比度,色彩艳丽、节能的液晶显示屏(如图 所示),其被广泛应用于手机、电脑显示器、液晶电视机等 近年来,液晶理论在细胞生物学和分子生物学中也得到了发展,液晶的基础理论研究成为凝聚态物理学的一个重要分支 随着科学技术的进步,液晶的理论和技术已在电子工业、航空、生物、医
92、学等领域取得长足发展和广泛应用 将食糖颗粒和高锰酸钾颗粒置于放大镜下观察,注意用针翻动晶体,仔细看清晶体各个面的形状,画出观察到的晶体立体图,并跟同学相互交流观察的结果 搜集相关资料,通过具体事例描述液晶给我们生活带来的巨大变化 第五节 晶体 年底,中国首个互动体验型“新视界”落户广州塔 据了解,广州塔内的“新视界”设有三处体验区:一是在登塔大厅的一组波浪形超级大屏幕,被称为“波浪穹顶”;二是“隧道”,是现今全球最大规模的“隧道”;三是位于广州塔一层缓行通道的“显示材料科普馆”,展示主题包括显示技术的进化、时代的到来和 最尖端显示屏等,游客可以在馆内了解 的前世今生图 广州塔内的 波浪穹顶()
93、即有机发光二极管,是一种由有机分子薄片组成的固态设备 根据材料特性的不同,通电之后可以发出红、绿、蓝三色光,构成基本色彩 具有不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广、构造及制程较简单等优点,甚至可以实现卷曲、折叠、透明等外观设计,极大地拓展了显示器的物理形态显示技术现已广泛应用于智能手机、电视面板、平板电脑、车载面板、智能可穿戴设备和 等领域,和液晶一样是现在主流的显示技术之一 据估算,到 年,全球 出货量将达到 亿片 我国 产业具备一定的研发及产业化能力,部分领域拥有自主技术 年 月 日,我国首条柔性显示屏生产线量产,该生产线是由我国企业完全自主设计、开发和建造,采
94、用了世界上最先进的蒸镀工艺,每年可生产 万块柔性显示屏 该生产线的量产,彻底打破了国外企业在该领域的垄断,大大增强了我国柔性显示屏的竞争力,将有力推动我国显示屏制造产业走向世界最先进行列我国在“十三五”国家重点研发计划中已经把发展印刷 技术作为重点支持项目之一 据不完全统计,年全球正在建设及规划中的 生产线有 条,其中有 条设在中国,投资金额达到 亿元 我国已成为当今世界产业发展最迅猛的国家之一 观察对比图 中金刚石、石墨、富勒烯和石墨烯的微观结构,判断下列几种说法的正误,并说明原因()它们的物理性质有很大的差异()金刚石是单晶体,富勒烯是多晶体()它们是同一物质,只是内部微粒的排列不同()由
95、于它们内部微粒排列规则不同,所以金刚石是晶体,石墨是非晶体 关于晶体与非晶体,下列说法正确的是()晶体能溶于水,而非晶体不能溶于水 晶体内部的物质微粒是有规则地排列,而非晶体内部的物质微粒是不规则地排列 晶体内部的物质微粒是静止的,而非晶体内部的物质微粒在不停地运动着 在物质内部的各个平面上,微粒数相等的是晶体,不相等的是非晶体图 如图 所示是常见的灯饰水晶球 通过其外形,你能判断出其是晶体,还是非晶体?有什么方法可以进一步验证你的判断?晶体和非晶体在熔解时有什么不同,怎样从它们的微观结构来说明这种不同?请列举出液晶显示器相对于其他显示器的优缺点 除教科书介绍的内容外,你还知道液晶有哪些应用?
96、根据液晶的特点,设计一项“应用液晶”的小发明或写一篇关于液晶的小论文 第六节 新材料第六节新材料材料的发展推动了人类文明和社会不断地进步,可以说,人类发展史就是人类不断发明和使用新材料的过程 现在,人类已进入新材料时代,各种新材料层出不穷 下面我们简单介绍一些典型的新材料半导体材料半导体材料()的导电能力介于导体与绝缘体之间 它有一个最重要的性质,如果在纯净的半导体中掺入某些微量元素作为杂质,则其导电性能将会发生显著变化,即半导体的导电性能可通过掺杂来控制 人们利用半导体这一特性制造出了各种不同用途的半导体电子器件硅、锗是目前应用最广泛的半导体材料,以上的集成电路芯片都是在单晶硅片上制作的 随
97、着集成工艺的提高,其内部元器件的工艺尺寸已缩小到几个纳米的大小,晶片上可集成超过 亿个电子元器件 电路及电子元器件的高度集成,使得各种功能组件小型化、微型化成为可能 现在一部手掌大的手机,集成了光线、距离、重力、加速度、磁场、指纹等十几种传感器,以及多个功能模块以支持通话、上网、导航、拍照等各种功能图 将单晶硅锭切成的圆晶片 图 用圆晶片制成的集成芯片 图 手机内部的集成芯片和电子元件近些年,半导体材料在太阳能发电、余热发电领域成为科学研究的热点 半导体制成的光伏材料能将太阳能直接转化为电能 目前,人们致力于降低光伏材料成本和提高发电效率,使光伏发电的成本与传统发电方式相当,从而为大规模应用创
98、造条件 半导体热电材料是将热能直接转化为电能的材料,已在航天领域得到应用 在航天探测器上,人们采用热电材料将放射性同位素衰变时放出的热量转化成电能来维持探测器电子设备的运行 由于放射性同位素的半衰期较长,故能维持航天探测器长时间的运行迄今为止,半导体材料制造的电子产品已广泛应用于我们的生产、生活中,从雷达、火箭到电脑、手机,从互联网、卫星导航到网络购物、视频聊天,都离不开半导体 正是半导体材料与技术的应用,使得微电子等信息技术在 世纪迅速崛起,开创了人类信息化的全新时代纳米材料纳米材料()是当今新材料研究最富有活力和影响力的领域 纳米技术的应用,使得人类能在原子水平操作物质,从而更加自由地搬动
99、原子和重组分子,组成具有特殊性能的新材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围()或由它们作为重要单元构成的材料,这大约相当于 个原子紧密排列在一起的尺度 与宏观物质相比,纳米材料通常硬度、韧性、延展性等力学性能更好,熔点、磁性、导热和导电性降低,对光和物质具有更好的吸收和吸附性,化学活性大大增加图 碳纳米管纳米材料具有更强的韧性和强度以及吸附性能 如碳纳米管是非常细的中空管状纳米材料,其强度是钢的 倍,而密度是钢的 ,故有人设想用碳纳米管来制造从地球到人造卫星的太空云梯 另外,碳纳米管还能够大量地吸附氢气,就好像自带许多个“纳米钢瓶”,如图 所示 研究表明,常温常压下约 的氢气能
100、从碳纳米管里释放出来 据预测,对于现在正在研制的氢气汽车,只需要携带 升左右的碳纳米管,就可以行驶 千米纳米梯度材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸)在空间上呈梯度变化,从纳米尺度连续增加到宏观尺度,能解决传统工艺和材料中的一些难题 如在航天用的发动机中,燃烧室的内表面需要耐高温,其外表面却要与冷却剂接触 当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时,就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求图 歼 隐形战机纳米材料能改变材料的表面活性和生物活性,可以用来制造冰箱、洗衣机、空调等电器的内壁或外壳,可以有效地防止微生物滋生,从而不留异味、易于清洗 在军事上,将高分子纤维与纳米氧化
101、铝、氧化硅、氧化钛复合纳米粉体以及铁氧体磁性纳米材料结合,形成的复合材料涂装在飞机上,能对雷达起到很强的隐身作用 在医学上,有科学家成功地研制了以纳米磁性材料为载体的靶向药物,可用于癌症、血栓等各种疾病的诊断与治疗 第六节 新材料作为目前发现的最薄、强度最大、导电和导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变 世纪”,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术、新产业革命超材料超材料()一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构的复合材料,是将人造单元结构以特定方式排列形成的,具有特殊电、磁特征的人造结构材料 典型的超材料
102、包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等 图 左手材料的负折射现象左手材料是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料 电磁波在其传播时,由于波矢、电场和磁场符合左手定则,因此被称为“左手材料”左手材料可用于制造高指向性天线,用于聚焦微波波束,实现“完美透镜”,或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件光子晶体能使某一频率范围的电磁波不能在其内部传播,可用于控制光子的流动,制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线等超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛,应用范围覆盖工业、军事、生活等各个方面 比如,电磁超材料可以用于慢波结构等元器件的制作 在应用于雷达领域时,利用超材料的频率选择和负折射率特性,可以制造隐身
103、涂层,实现射频隐身,提高战场生存能力 我国在超材料领域已取得了多项原创性成果,基于这些实验成果展开的产业化也在不断地加快,相信在不久的将来超材料会给人类社会的发展带来新的变革尽管新材料根据其功能或结构的差异性可以分为有机材料、合成无机材料、复合材料以及人工超结构材料等,然而,它们在分类上也可能有交叉 比如,太阳能电池材料具有人工异质结构,也是半导体材料,吸光层常常又是纳米级别 因此,太阳能电池材料可以属于人工超结构材料中的纳米材料类,也可以属于新性能复合材料,还可以属于无机功能新材料 查阅资料,了解新材料在生产和科技中的应用 石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料 其具有优
104、异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料 图 石墨烯结构 年,英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二 不断地这样操作,于是薄片越来越薄 最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯 之后,他们又在石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,因此获得 年度诺贝尔物理学奖随着石墨烯的研究与应用开发持续升温,石墨和石墨烯有关的材料在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏等各方面显现出广泛的
105、应用前景 例如,石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,使得这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作 相比之下,目前以硅为材料的晶体管在 纳米左右的尺度上就会失去稳定性 另外,石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性 鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值,人们一直致力于在不同领域尝试用不同方法来制备低成本、高质量、大面积的石墨烯材料,并逐步走向产业化随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快 我国在石墨烯研究方面具有独特的优势,且石墨储备丰富 年 月 日,我国首条全自动量产石墨烯
106、有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池,破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间,但是已成为近年科学界研究的热点 其优异的光学、电学、力学、热学性质促使研究人员不断对其进行深入研究,随着石墨烯的制备方法不断被开发,石墨烯必将在不久的将来被更广泛地应用到各个领域中 第六节 新材料 寻找生活中应用陶瓷、金属、半导体、有机高分子等材料的例子,并体会它们在物理性质上的差别 查阅资料,了解“柔性电子材料”和其主要应用,以及国际上有哪些机构在研究该材料 书法所用的墨条,其传统的制作方法
107、通常是以松枝或油脂等材料不完全燃烧所产生的烟雾颗粒作为主要原料 这些烟雾能在空气中随气流袅袅升起,也会消散在空气中,其颗粒非常细小,直径 ,是人类最早利用的纳米材料 纳米材料在大自然中也有很多的应用,请查阅相关资料,向同学们介绍大自然是如何巧妙应用纳米材料的 石墨烯特有的物理学特性使其有望被广泛应用于晶体管、触摸屏、复合材料等众多领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破 英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫因从事石墨烯的研究并揭示其性质而获得年的诺贝尔物理学奖 请查阅相关资料,了解石墨烯除了具有高强韧性的物理性质外,还有哪些特性,在哪些方面具有开发的潜能 参
108、考下面的知识结构,请进一步梳理本章的知识 我们做实验时的气体实际上都不是理想气体,为什么还要建立理想气体模型?气体实验定律以及液体的表面张力可以用来解释生活中的哪些现象?谈谈新材料对人类生活和社会发展产生的影响 习题二 下列关于气体、液体和固体性质的说法,正确的是()把一枚针轻放在水面上,它会浮在水面,这是由于水表面存在表面张力的缘故 水在涂有油脂的玻璃板上能形成水珠,而在干净的玻璃板上却不能,这是因为油脂使水的表面张力增大的缘故 在绕地球飞行的空间站中,自由飘浮的水滴呈球形,这是表面张力作用的结果 在毛细现象中,毛细管中的液面有的升高,有的降低,这与液体的种类和毛细管的材质有关 当两薄玻璃板
109、间夹有一层水膜时,在垂直于玻璃板的方向很难将玻璃板拉开,这是由于水膜具有表面张力的缘故 木船浮在水面上是由于表面张力 大块塑料粉碎成形状相同的颗粒,每个颗粒即为一个单晶体 晶体具有天然的规则的几何形状,是因为物质微粒是规则排列的 玻璃、石墨和金刚石都是晶体,木炭是非晶体 下列相关说法正确的是()制作 灯的核心材料是半导体材料 制作手机中央处理器的材料是半导体材料 石墨烯是一种纳米材料,它的物质组成只有碳这一种元素 同种物质,当它以纳米材料的形态出现时,其物理性质可能会有很大的不同 下列现象是由于液体的表面张力而引起的是()液体与固体、气体不同,它在不同容器内,尽管形状不同,但体积相同 两滴水银
110、相互接触,立即合并成一滴 新的棉织品水洗后都要缩水 小昆虫能在水面上自由走动 图 如图 所示是一定质量理想气体的压强 与体积 的关系图像,它由状态 经等容过程到状态,再经等压过程到状态 设、状态对应的温度分别为、,则下列关系式中正确的是(),图 如图 所示的是医院用于静脉滴注的示意图,倒置的输液瓶上方有一气室,密封的瓶口处的软木塞上插有两根细管,其中 管与大气相通,管为输液软管,中间又有一滴壶,而其 端则通过针头接入人体静脉()若气室、滴壶 中的压强分别为、,则它们与外界大气压强 的大小顺序应为 ()在输液瓶悬挂高度与输液软管内径确定的情况下,药液滴注的速度是 (选填“越滴越慢”“越滴越快”或
111、“恒定”)()在输液过程中(瓶中尚有液体),下列说法正确的是()瓶中上方气体的压强随液面的下降而增大;瓶中液面下降,但 中气体的压强不变;滴壶 中的气体压强随瓶中液面的下降而减小;在瓶中药液输完以前,滴壶 中的气体压强保持不变 如图 ()所示为一种减震垫,上面布满了圆柱形薄膜气泡,每个气泡内充满体积为、压强为 的气体 当平板状物品平放在气泡上时,如图 ()所示,气泡被压缩 若气泡内气体温度保持不变()下列关于圆柱形薄膜气泡内气体压强的说法,正确的是()气泡内压强 大于大气压强 该压强是由气体的重力产生的 该压强是由分子的斥力产生的 该压强是由大量分子的碰撞产生的()当体积压缩到 时,气泡与物品
112、接触面的面积为,求此时每个气泡内气体对接触面处薄膜的压力()当物品放在气泡上后,气泡内气体的压强增加了,求放上物品前后此气泡内气体体积的变化量()()图 如图 ()所示,左端封闭、内径相同的 形细玻璃管竖直放置,左管中封闭有长为 的空气柱,两管水银面相平,水银柱足够长 已知大气压强 ()若将装置翻转,使 形细玻璃管竖直倒置(水银未溢出),如图 ()所示 当管中水银静止时,求左管中空气柱的长度 习题二()()图 ()若将图 ()中的阀门 打开,缓慢流出部分水银,然后关闭阀门,右管水银面下降了 ,求左管水银面下降的高度 用如图 所示的装置测量某种矿物质的密度,操作步骤和实验数据如下:打开阀门,使管
113、、容器、容器 和大气相通上下移动管,使水银面与刻度 对齐;关闭阀门,向上举管,使水银面达到刻度 处这时测得、两管内水银面高度差 ;图 打开阀门,把 的矿物质投入容器 中,使水银面重新与刻度 对齐,然后关闭;向上举管,使水银面重新到达刻度 处,这时测得、两管内水银面高度差 已知管 和容器 的总体积为 ,求该矿物质的密度 某同学制作了一个如图 所示的简易温度计,其中,一根两端开口的玻璃管水平穿过玻璃瓶口处的橡皮塞,玻璃管内有一段长度可忽略的水银柱 当温度为 图 时,水银柱刚好处在瓶口位置,此时该装置密封气体的体积 已知大气压强为 ,玻璃管内部横截面积为 ,瓶口外玻璃管的长度为 ()求该温度计能测量
114、的最高温度()玻璃管上所标记的温度均匀吗?()若要提高此温度计测量的范围,应该如何改进?图 如图 所示,一水平放置的薄壁气缸,由截面积不同的两个圆筒连接而成,质量均为 的活塞、用一长度为 、质量不计的轻细杆连接成整体,它们可以在筒内无摩擦地左右滑动且不漏气 活塞、的面积分别为 和 ,气缸内 和之间封闭有一定质量的理想气体,的左边及 的右边都是大气,大气压强始终保持为 当气缸内气体的温度为 时,活塞处于图示位置平衡 求:()此时气缸内理想气体的压强为多大?()当气缸内气体的温度从 缓慢降至 时,活塞、将向哪边移动?移动的位移为多大?如图 ()所示,竖直放置的气缸内壁光滑,横截面积为 ,活塞的质量
115、为 ,厚度不计 在、两处设有限制装置,使活塞只能在、之间运动,下方气缸的容积为 ,、之间的容积为 ,外界大气压强 开始时活塞停在 处,缸内气体的压强为 ,温度为 ,现缓慢加热缸内气体,直至 求:()活塞刚离开 处时气体的温度()缸内气体最后的压强()在图 ()中画出整个过程的 图线()()图 图 某种喷雾器贮液筒的总容积为 ,若装入 的药液后将加水口密封盖盖好,如图 所示 拉压一次与贮液筒相连的活塞式打气筒,可以把 压强为 的空气打进贮液筒 设打气过程气体温度不变,求:()关闭阀门,用打气筒向贮液筒内再打气两次,当液面上方气体温度与外界温度相等时,气体压强为多大?并从微观上解释气体压强变化的原
116、因()要使贮液筒中液面上方的空气压强达到 ,打气筒要拉压多少次?()在贮气筒内气体压强达 时停止打气,打开喷雾阀门使其喷雾,直至内外气体压强相等,这时筒内还剩多少药液?()为了保证打气后,即使打开喷雾阀门不再打气也能把药液喷光,那么至少要拉压多少次打气筒?当某一地区受到高温辐射后,就会形成热气团,热气团在上升至高空的过程中,会发生哪些变化?请通过请教老师、上网查阅等方式,结合本章的知识,写一篇证据充分、分析合理、结论基本正确的科普报告 书第一节热力学第一定律我们知道,宏观物体因机械运动而具有动能,因高度而具有重力势能,因发生弹性形变而具有弹性势能 在微观领域,物体内部的分子也存在动能和势能物体
117、的内能 图 两分子间的势能和分子间距的关系弹簧具有弹性势能,弹簧没有形变时,弹力为零,弹性势能最小;拉伸或压缩弹簧时,必须克服弹簧的弹力做功,弹簧的弹性势能增大 类似地,由于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,取无穷远处分子间势能为零,则两分子间的势能和分子间距的关系如图 所示 当分子间的距离为平衡间距时,分子间的作用力为零,分子势能最小;改变分子间距,则必须克服分子间的引力或斥力做功,分子势能增大 另外,物体内部的分子由于做热运动还具有分子动能 我们把物体中所有分子的动能和分子势能的总和,叫作物体的内能()显然,物体的内能跟物体的温度和体积都有关系 温度变化,分子动能
118、改变,因而物体的内能发生变化;体积变化时,分子间距改变,分子势能发生变化,因而物体的内能发生变化 那么,用什么方式能使物体的温度、体积发生变化,从而改变物体的内能呢?改变物体内能的两种方式 图 火柴头内能增加,温度升高日常生活和生产中做功改变物体内能的例子很多 例如,擦火柴时,我们克服摩擦力做功,火柴头内能增加,温度升高,引发一系列化学反应使火柴燃烧起来,如图 所示;用锯子锯木头,我们克服摩擦力做功,锯条和木头温度升高,内能增加 这类“摩擦生热”的现象,实际上是因为做功而改变物体的内能 下面观察两个气体做功使内能改变的实验 第一节 热力学第一定律 如图 所示,在一个厚壁的玻璃筒里放一小块浸有乙
119、醚的棉花,迅速压下活塞,能观察到什么现象?图 观察玻璃筒中棉花的变化 图 观察容器中温度变化 如图 所示,在长圆柱形厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另一端用卡子卡住一个可移动的胶塞 用打气筒慢慢向容器打气,增大容器内的压强 当容器内的压强增大到一定程度时,打开卡子,气体冲开胶塞,可以从灵敏温度计观察到容器的温度会发生什么变化?思考并解释观察到的实验现象上述实验中的气体由于压强不大,温度在常温范围内,因此均可视为理想气体 理想气体分子间距较大,可忽略分子间的相互作用力,即忽略分子间势能 所以理想气体内能只跟温度有关,与体积无关 上述实验表明,气体被压缩时,活塞对筒内的气体做功
120、,气体的温度升高,内能增加;气体膨胀对外做功,气体的温度下降,内能减小 气体被压缩或膨胀时做功,气体的内能就发生变化做功可以改变物体的内能 但是,做功并不是改变物体内能的唯一方式 例如,将灼热的小铁块放入一盆水中,铁块的温度降低,内能减少;水的温度升高,内能增加 这个过程是通过热传递来实现的 由此可见,热传递也可以改变物体的内能,热传递过程中物体内能变化的量称为热量()习惯上我们所说的“物体吸热(或放热)多少”,实际上是指热传递使物体的内能增加(或减少)多少做功和热传递都可以改变物体的内能,二者是等效的 那么,做功和热传递有什么区别呢?我们可以用加热(热传递)的方法使一根铁棒的温度升高,也可以
121、用摩擦生热(做功)的方法使它升高同样的温度 所以,对于改变物体的内能来说,热传递和做功是等效的,都是改变物体内能的方式 但二者仍有区别,做功的实质是内能与其他形式的能之间的转化,而热传递则是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移热力学第一定律及其应用既然做功和热传递都可以改变物体的内能,那么,功、热量和内能的改变量之间又有什么关系呢?一个物体,如果它和外界不发生热传递,则外界对物体所做的功 等于物体内能的增加量;如果外界对物体没有做功,则物体吸收的热量 等于物体内能的增加量;如果外界同时对物体做功和进行热传递,则物体内能的增加量 就等于物体吸收的热量 和外界对物体做的功 之和 即 ()式
122、()表示功、热量和内能改变量间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律()我们知道,外界既可以对物体做正功,也可以对物体做负功;物体既可以从外界吸热,也可能向外界放热;物体的内能可能增加,也可能减少 根据热力学第一定律的物理意义,如何规定、和 的符号,才能全面反映功、热量和内能改变量间的定量关系?表示,表示;表示,表示;表示,表示 我们知道,理想气体的内能只跟温度有关,与体积无关 下面我们应用热力学第一定律来讨论理想气体等压过程中的能量转化关系 图 气体等压膨胀如图 所示,设密封在容器内的理想气体在保持压强 不变的情况下,体积从 膨胀到,气体向外推动活塞,外界对气体做负功,由盖吕萨克定律 可知
123、,气体温度升高,内能增加,由热力学第一定律可知,即理想气体在等压膨胀过程中从外界吸热,气体 第一节 热力学第一定律吸收的热量一部分用来增加内能,另一部分转化为对外所做的功相反,如果在保持压强 不变的情况下,理想气体被压缩,体积从 压缩到,外界对气体做正功,由盖吕萨克定律 可知,气体温度降低,内能减小,由热力学第一定律可知,即气体对外界放热,放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和图 例题:如图 所示,某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中 设水温均匀且恒定,瓶内空气无泄漏,不计气体分子间的相互作用,则被淹没的玻璃瓶在下降过程中,气体是吸热还是放热,为什么?分析:由于不计气体分子间的
124、相互作用,故玻璃瓶内的气体可视为理想气体,其内能只与温度有关 依据热力学第一定律,只要知道气体对外界所做的功就可判断气体吸热还是放热解:被淹没的玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体的压强随着水变深而逐渐变大,气体温度由于瓶壁导热性能良好,始终与水温一致,故瓶内气体可视为等温变化 由玻意耳定律可知,瓶内空气被等温压缩,体积减小,外界对瓶内气体做正功,气体温度不变,内能不变,即 ,故瓶内气体放热,且放出的热量 与外界对气体做的功 相等在历史上,热量这一概念最早是在 世纪通过“热质说”提出的“热质说”认为,热是一种看不见、无重量的特殊物质热质 物体的冷热程度取决于它所含有热质的多少 热质既不能产生,也不能消
125、灭,只能从较热的物体传递到较冷的物体,在热传递过程中热质守恒 据此还规定了热量的单位“卡”():是在标准大气压下使 水温度升高 所需的热量图 伦福德“热质说”对热传递过程给出了令人满意的解释,但是,“热质说”不能解释摩擦生热的现象,因为它无法说明摩擦过程中热质的来源 年,英国物理学家伦福德正是从这里找到了突破口,给出了否定热质存在的第一个实验证据 他在进行大炮钻孔加工时发现铜炮在钻了很短一段时间后,就会产生大量的热,而被钻头从大炮上钻削下来的铜屑更热 按照“热质说”的解释,当物质被钻削得越碎时,它容纳热质的热容量就变得越小 照此说来,被切削成屑的金属量越多,产生的热量就越 多 而且伦福德发现用
126、很钝的钻头钻削时,反而会比用锐利的钻头产生更多的热量 只要钻头长时间地工作下去,便可愈来愈多,甚至于无限多地产生热量 这显然与“热质说”相矛盾据此伦福德指出,热并不是一种物质,这些热量只能来自钻头钻削金属的机械运动 他还通过测量得出,钻削中产生的热近似地与钻孔机做的机械功成正比 伦福德的工作实质上表明:热和功之间是相互联系的,摩擦生热的过程是能量由一种形式转化为另一种形式的过程,其总能量保持不变由于伦福德的实验无法进行定量测量,因此他的观点并不被同时代的多数人所接受,直到 世纪 年代,英国物理学家焦耳以定量的实验测得热功当量的精确数值,才最终否定了“热质说”把一空的矿泉水瓶拧紧瓶盖后放入冰箱,
127、经过一段时间取出,可以观察到什么现象?此过程中瓶内气体的内能如何变化?(不计分子势能)图 图 如图 所示,用隔板将一绝热气缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,右侧与绝热活塞之间是真空的 现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个气缸待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积 假设整个系统不漏气,则气体自发扩散前后内图 能变化了吗?为什么?气体在被压缩的过程中内能如何变化?为什么?如图 所示,瓶内装有少量的水,瓶口已塞紧,水上方空气中有水蒸气,用打气筒向瓶内打气,当塞子从瓶口跳出时,瓶内出现“白雾”某同学对这一现象做了以下解释:水蒸气凝结成小水珠,温度降低瓶内气体推动瓶塞做功,内能减小 该同
128、学的描述准确吗?如果不准确,可以如何修正?如图 所示,一定质量的理想气体从状态 经等压过程到状态 此过程中,气体压强 ,吸收的热量 ,求此过程中气体内能的增量 第二节 能量守恒定律及其应用第二节 能量守恒定律及其应用 热力学第一定律指出,做功和热传递是改变物体内能的两种方式,通过做功和热传递提供给一个物体多少能量,这个物体内能就改变多少,能量在转化和转移过程中守恒能量守恒定律在常见的机械运动中,摩擦发热是难以避免的,因此机械能会有一部分转化为内能图 摩擦生热时,温度随时间的变化曲线如图 所示是利用数据采集器,通过温度传感器与泡沫或者毛巾摩擦所测出的温度随时间的变化曲线 请选用不同的材料分别做实
129、验,观察由数据采集器得到的温度随时间的变化曲线,看看使用哪一种材料能使温度变化较快由此能得出什么结论?由上述实验可知,机械能可以通过摩擦生热转化为内能 其实不仅机械能,其他形式的能量也可以和内能互相转化 例如,通电导体温度升高,电能转化为内能;燃料燃烧过程中,化学能转化为内能;炽热的物体发光,内能转化为光能大量事实证明,各种形式的能量都可以相互转化,并且在转化过程中守恒能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体;在转化和转移过程中其总量不变 这就是能量守恒定律()热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生转化时的能量守恒定律 能量守恒
130、定律不是由某一个人通过某一项研究得到的 在历史上,能量及其守恒的思想有着悠久的渊源,人类对于能量及其守恒的认识经历了由浅入深、由模糊到清晰的过程,很多科学家为此做了大量基础性的工作 目前,科学家公认的能量守恒定律的奠基人是德国医生迈耶(,)、英国物理学家焦耳和德国科学家亥姆霍兹(,)能量守恒定律于 年前后得到了科学界的普遍承认,并成为全部自然科学和工程技术的基础 它是自然界的一条普遍规律,不仅适用于无机界,也适用于生命过程,一切违背能量守恒定律的观点,都被实践证明是错误的 因此,恩格斯(,)把这一定律称为“伟大的运动基本定律”,并把这一定律和细胞学说、达尔文的生物进化论一起称为 世纪自然科学的
131、三大发现第一类永动机不可能制成能量守恒定律的发现具有重大的实践和理论指导意义 历史上,人们曾幻想制造这样一种机器,它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功,这种机器被称为第一类永动机 图 “永动机”构想图如图 所示是一台“永动机”构想图,其设计思想如下:在水轮上方的水箱内装入一定量的水,水流下时冲动水轮转动,水轮通过皮带带动抽水机不断地把水从下方的水池中抽到上方水箱中,这样,水不停地循环,水轮机将永久地转动下去请查阅相关资料,并思考:这样的“永动机”能实现吗?为什么?历史上提出“永动机”设想的人,他们对能量守恒定律的发现有何贡献?由热力学第一定律可知,如果物体不与外界进行热传递,则有 ,这表明,
132、物体对外做功()是必须以减少内能()为代价的 反之,如果不消耗内能,则有 ,第二节 能量守恒定律及其应用这表明,物体必须从外界吸收热量(),才能对外做功 所以,不消耗任何能量,却可以源源不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的 能量守恒定律的确立,使人们走出了制造第一类永动机的幻想,人们更加专注于探究实现各种能量形式相互转化的具体条件,从而有效利用自然界的各种能源能量守恒定律的发现为物理学理论的发展提供了一个有力的支柱 在哲学上,这个定律的发现,为辩证唯物主义自然观提供了一个坚实的自然科学基础,它揭示了自然界各种不同的运动形式不是相互孤立、毫无联系的,它们在一定的条件下可以相互转化,并且在数量
133、上保持守恒 因此,能量守恒定律有力地揭示了物质运动的不灭性和统一性例题:一天,小程浏览到了一则关于“节能电热水器”的广告,对于广告中提到的“用一小时热水仅耗一度电”的宣传产生了怀疑,如何验证这则广告的真实性?你能够利用所学知识进行判断吗?水的比热容 约为 ()分析:根据能量守恒定律,如果单位时间内电热水器提供的热量不足以提升水的温度至有热感,则可判断广告是虚假广告解:用一小时热水耗一度电,说明电热水器的功率为 ,即每秒提供 的电功 而以一般热水器出水量为 、水温提升 计算,则每秒流出的水所需吸收的热量为 显然 ,故该广告为虚假广告找出家里涉及能量转化的装置,用它们的照片或示意图做成一张海报,在
134、上面标出涉及的能量转化情况能量守恒定律是自然界中最为普遍的规律之一 可以说,没有哪一个定律能像能量守恒定律这样,把物理、化学、生物、地质等学科,以及机械、电子、建筑等多种工程技术如此广泛地联系起来,使从事不同性质工作的科学工作者具有共同的语言 目前,科学界公认的能量守恒定律的奠基人是迈耶、焦耳和亥姆霍兹 年,一名年轻的德国医生迈耶根据自己的研究提出了能量守恒的思想他认为热是能量的一种形式,可以与机械能相互转化 可惜由于他的实验缺乏准确的数据,导致得出的结果误差很大,这使得他超前的能量守恒思想未能获得人们的认同 直到 世纪 年代,科学界才开始给他以公正的评价,使他晚年得以安慰完成精确测量热功当量
135、并赢得举世公认的,是英国实验物理学家焦耳 焦耳在 年间通过磁电机、桨叶搅拌、水通过多孔塞、空气压缩和膨胀等多种实验,测得大量热功当量的数据,用实验结果确凿地证明了内能和机械能及电能间的相互转化,大量的事实和实验数据使科学界认识到能量守恒定律是自然界的一条基本规律图 焦耳测热功当量的实验装置德国科学家亥姆霍兹是能量守恒的另一位独立发现者 他始终坚信“永动机”是不可能的,且反对“生机论”,主张一切生理现象都必须服从物理和化学的规律 年,他论述能量守恒的重要论文 力的守恒 在给 年鉴(当时权威的科学杂志)投稿失败后毫不气馁,就以小册子形式单独刊印 在该文中,亥姆霍兹总结了许多人的工作,把能量的概念从
136、机械运动推广到热、电、磁乃至生命过程,提出了普遍的能量守恒定律,为深入理解自然界的统一性提供了有力的理论武器在发现和建立能量守恒定律方面,除了以上三位公认的科学家外,与他们同时代的英国的格罗夫,法国的卡诺、赫恩,丹麦的柯尔丁等都曾经独立地做过研究并得出了相同的结论 可见,能量守恒定律这样一条自然界普遍规律的发现和确立,是许多学科中大量科学工作者共同完成的 其中除了物理学家的勤奋和严谨,其他学科特别是生命科学工作者的工作也起到了不可估量的作用 对此,苏联生物学家伏肯斯坦形象地比喻:物理学家赠给生物学以显微镜,而生物学家报答物理学以能量守恒定律 第二节 能量守恒定律及其应用 下列关于能量转化现象的
137、说法,正确的是()用太阳灶烧水是太阳能转化为电能 电灯发光是电能转化为光能和内能 核电站发电是电能转化为内能 生石灰放入盛有凉水的烧杯里,水温升高是动能转化为内能 试说明下列现象中能量是怎样转化的()在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,汽车速度越来越慢,最后停下来()火药爆炸产生燃气,子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去,射穿一钢板后速度迅速减慢()用柴油机带动发电机发电,供给电动水泵抽水,把水从低处抽到高处()一个球掉到地上后又弹起来,球弹起来的高度一次比一次低,最后静止在地面上 有一种全自动手表,既不需要上发条,也不用任何电池,却能不停地走下去,这是不是一种永动机?如果不是,你知道维持指针
138、走动的能量是从哪里来的吗?你能设法验证吗?小华在游览了一落差近 的大型瀑布景区后,赞叹大自然威力的同时想到,瀑布的水从高处落下,如果水在落到水潭时具有的重力势能 转化为它的内能,则水的温度能升高多少?有一物理研究小组为了估测太阳对地球的辐射功率,做了以下实验:他们取了一个圆筒,其横截面积为 ,在筒内装了 水,在太阳光下垂直照射 后,筒内水的温度升高了 ()计算在阳光直射时,地球表面每平方厘米每分钟获得的能量()如果已知射到大气顶层的太阳能只有 到达地面,另外 被大气吸收和反射而未到达地面,能由此估算出太阳辐射的功率吗?如果能,太阳对地球的辐射功率大约是多少?是否还需要其他数据?第三节热力学第二
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