第十一章分子热运动第十一章分子热运动 能量守衡能量守衡 1.物质是由大量分子组成的物质是由大量分子组成的一、教学目标一、教学目标1 1在物理知识方面的要求：在物理知识方面的要求：（1 1）知道一般分子直径和质量的数量级；）知道一般分子直径和质量的数量级；（2 2）知道阿伏伽德罗常数的含义，记住这个常数的数值和）知道阿伏伽德罗常数的含义，记住这个常数的数值和单位；单位；（3 3）知道用单分子油膜方法估算分子的直径。）知道用单分子油膜方法估算分子的直径。2 2培养学生在物理学中的估算能力，会通过阿伏伽德罗常培养学生在物理学中的估算能力，会通过阿伏伽德罗常数估算固体和液体分子的质量、分子的体积（或直径）、数估算固体和液体分子的质量、分子的体积（或直径）、分子数等微观量。分子数等微观量。3 3渗透物理学方法的教育。运用理想化方法，建立物质分渗透物理学方法的教育。运用理想化方法，建立物质分子是球形体的模型，是为了简化计算，突出主要因素的理子是球形体的模型，是为了简化计算，突出主要因素的理想化方法。想化方法。二、重点、难点分析二、重点、难点分析1 1重点有两个，其一是使学生理解和学会用单分子油重点有两个，其一是使学生理解和学会用单分子油膜法估算分子大小（直径）的方法；其二是运用阿伏伽德膜法估算分子大小（直径）的方法；其二是运用阿伏伽德罗常数估算微观量（分子的体积、直径、分子数等）的方罗常数估算微观量（分子的体积、直径、分子数等）的方法。法。 2 2尽管今天科学技术已经达到很高的水平，但是在物尽管今天科学技术已经达到很高的水平，但是在物理课上还不能给学生展现出分子的真实形状和分子的外观。理课上还不能给学生展现出分子的真实形状和分子的外观。这给讲授分子的知识带来一定的困难，也更这给讲授分子的知识带来一定的困难，也更突出了运用估突出了运用估算方法和建立理想模型方法研究固体、液体分子的体积、算方法和建立理想模型方法研究固体、液体分子的体积、直径、分子数的重要意义。直径、分子数的重要意义。三、教具三、教具 1 1教学挂图或课件：水面上单分子油膜的示意图；离子教学挂图或课件：水面上单分子油膜的示意图；离子显微镜下看到钨原子分布的图样。显微镜下看到钨原子分布的图样。 2 2演示实验课件：演示单分子油膜：油酸酒精溶液演示实验课件：演示单分子油膜：油酸酒精溶液（12001200），滴管，直径约），滴管，直径约2020cmcm圆形水槽，烧杯，画有方格圆形水槽，烧杯，画有方格线的透明塑料板。线的透明塑料板。四、主要教学过程四、主要教学过程（一）热学内容简介（一）热学内容简介1 1热现象：与温度有关的物理现象。如热胀热现象：与温度有关的物理现象。如热胀冷缩、摩擦生热、水结冰、湿衣服晾干等都是冷缩、摩擦生热、水结冰、湿衣服晾干等都是热现象。热现象。2 2热学的主要内容：热传递、热膨胀、物态热学的主要内容：热传递、热膨胀、物态变化、固体、液体、气体的性质等。变化、固体、液体、气体的性质等。3 3热学的基本理论：由于热现象的本质是大热学的基本理论：由于热现象的本质是大量分子的无规则运动，因此研究热学的基本理量分子的无规则运动，因此研究热学的基本理论是分子动理论、能的转化和守恒规律。论是分子动理论、能的转化和守恒规律。（二）新课教学过程（二）新课教学过程1分子的大小。分子是看不见的，怎样能知分子的大小。分子是看不见的，怎样能知道分子的大小呢？道分子的大小呢？（1）单分子油膜法是最粗略地说明分子大小的一种方法。介绍并定性地演示介绍并定性地演示：如果油在水面上尽可能地：如果油在水面上尽可能地散开，可认为在水面上形成单分子油膜，可以散开，可认为在水面上形成单分子油膜，可以通过幻灯观察到，并且利用已制好的方格透明通过幻灯观察到，并且利用已制好的方格透明胶片盖在水面上，用于测定油膜面积。胶片盖在水面上，用于测定油膜面积。提问：已知一滴油的体积提问：已知一滴油的体积V V和水面上油膜面和水面上油膜面积积S S，那么这种油分子的直径是多少？那么这种油分子的直径是多少？在学生回答的基础上，还要指出：在学生回答的基础上，还要指出：介绍数量级这个数学名词，一些数据太大，或很小，介绍数量级这个数学名词，一些数据太大，或很小，为了书写方便，习惯上用科学记数法写成为了书写方便，习惯上用科学记数法写成1010的乘方数，的乘方数，如如310310-10-10m m。我们把我们把1010的乘方数叫做数量级，那么的乘方数叫做数量级，那么110110-10-10m m和和910910-10-10m m，数量级都是数量级都是1010-10-10m m。如果分子直径为如果分子直径为d d，油滴体积是油滴体积是V V，油膜面积为油膜面积为S S，则则d=V/Sd=V/S，根据估算得出分子直径的数量级为根据估算得出分子直径的数量级为1010-10-10m m。（3 3）物理学中还有其他不同方法来测量分子）物理学中还有其他不同方法来测量分子的大小，用不同方法测量出分子的大小并不的大小，用不同方法测量出分子的大小并不完全相同，但是数量级是相同的。测量结果完全相同，但是数量级是相同的。测量结果表明，一般分子直径的数量级是表明，一般分子直径的数量级是1010-10-10m m。例如例如水分子直径是水分子直径是410410-10-10m m，氢分子直径是氢分子直径是2.3102.310-10-10m m。（4 4）指出认为分子是小球形是一种近似模型，指出认为分子是小球形是一种近似模型，是简化地处理问题，实际分子结构很复杂，是简化地处理问题，实际分子结构很复杂，但通过估算分子大小的数量级，对分子的大但通过估算分子大小的数量级，对分子的大小有了较深入的认识小有了较深入的认识。2 2阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数向学生提问：在化学课上学过的阿伏伽德罗常向学生提问：在化学课上学过的阿伏伽德罗常数是什么意义？数值是多少？明确数是什么意义？数值是多少？明确1mol物质中物质中含有的微粒数（包括原子数、分子数、离子数含有的微粒数（包括原子数、分子数、离子数）都相同。此数叫阿伏伽德罗常数，可用）都相同。此数叫阿伏伽德罗常数，可用符号符号NA表示此常数，表示此常数，NA=6.021023个个/mol，粗粗略计算可用略计算可用NA=61023个个/mol。（。（阿伏伽德罗阿伏伽德罗常数是一个基本常数，科学工作者不断用各种常数是一个基本常数，科学工作者不断用各种方法测量它，以期得到它精确的数值。）方法测量它，以期得到它精确的数值。）再问学生，摩尔质量、摩尔体积的意义。 如果已经知道分子的大小，不难粗略算出阿如果已经知道分子的大小，不难粗略算出阿伏伽德罗常数伏伽德罗常数提问学生：如何算出提问学生：如何算出1 1molmol水中所含的水分子数水中所含的水分子数？3 3微观物理量的估算微观物理量的估算若已知阿伏伽德罗常数，可对液体、固体的分若已知阿伏伽德罗常数，可对液体、固体的分子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液体和固体的分子是一个挨一个排列的（气体不体和固体的分子是一个挨一个排列的（气体不能这样假设）。能这样假设）。提问学生：提问学生：1 1molmol水的质量是水的质量是M=18gM=18g，那么每个那么每个水分子质量如何求？水分子质量如何求？提问学生：若已知铁的原子量是提问学生：若已知铁的原子量是5656，铁的密度是，铁的密度是7.8107.8103 3kg/mkg/m3 3，试求质量是试求质量是1 1g g的铁块中铁原子的的铁块中铁原子的数目（取数目（取1 1位有效数字）。又问：是否可以计算位有效数字）。又问：是否可以计算出铁原子的直径是多少来？出铁原子的直径是多少来？归纳总结：以上计算分子的数量、分子的直径，归纳总结：以上计算分子的数量、分子的直径，都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说，阿都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说，阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积（直径）等这些微观量联系起来。量、分子体积（直径）等这些微观量联系起来。阿伏伽德罗常数是自然科学的一个重要常数（曾阿伏伽德罗常数是自然科学的一个重要常数（曾经学过的万有引力恒量也是一个重要常数）。物经学过的万有引力恒量也是一个重要常数）。物理常数是物理世界客观规律的反映。一百多年来，理常数是物理世界客观规律的反映。一百多年来，物理学家想出各种办法来测量它，不断地努力，物理学家想出各种办法来测量它，不断地努力，使用一次比一次更精确的测量方法。现在测定它使用一次比一次更精确的测量方法。现在测定它的精确值是的精确值是N NA A=6.02204510=6.022045102323/mol/mol。（三）实例和课堂练习（三）实例和课堂练习1体积是10-4cm3的油滴滴于水中，若展开成一单分子油膜，则油膜面积的数量级是A102cm2B104cm2C106cm2D108cm2答案：B2已知铜的密度是8.9103kg/m3，铜的摩尔质量是63.510-3kg/mol。体积是4.5cm3的铜块中，含有多少原子？并估算铜分子的大小。答案：3.81023，310-10米。例例1已知铜的摩尔质量M=63.5g，铜的密度是=8.9g/cm3，试估算铜原子的质量和铜原子的体积已知NA=6.021023mol-1分析分析设想铜原子是一个个紧挨着排列的，利用阿伏加德罗常数即得解答解答铜原子的质量为铜原子的体积为=1.210-23cm3说明说明 如果要估算铜原子的直径，可把铜原子看作一个个小球，如果要估算铜原子的直径，可把铜原子看作一个个小球，由由得得例例2在标准状况下，氢气分子间的距离为多大？分析分析由1mol氢在标准状况下所占的体积和分子数，可算出每个氢分子所占体积，把它看成一个立方体，其边长就是氢分子的间距解答解答1 1molmol氢在标准状况下的体积氢在标准状况下的体积VmolVmol=22.410=22.410-3-3m m3 3，它含有的氢分子它含有的氢分子数数N=6.0210N=6.02102323个，所以每个氢分子所占据的空间为个，所以每个氢分子所占据的空间为 =3.721010-26-26m m3 3把这个空间看成是一个立方体，它的边长等于相邻两个立方体的中心距把这个空间看成是一个立方体，它的边长等于相邻两个立方体的中心距离，也就是两个氢分子的距离，即离，也就是两个氢分子的距离，即 3.34103.3410-9-9m m 说明说明 由计算可知，通常情况下气体分子的间距比分子直径大一个数量由计算可知，通常情况下气体分子的间距比分子直径大一个数量级，所以常可不计分子本身体积级，所以常可不计分子本身体积例例3 3 从下列哪一组数据可以算出阿伏加德罗常数？ A A水的密度和水的摩尔质量水的密度和水的摩尔质量B B水的摩尔质量和水分子的体积水的摩尔质量和水分子的体积C C水分子的体积和水分子的质量水分子的体积和水分子的质量D D水分子的质量和水的摩尔质量水分子的质量和水的摩尔质量分析分析 阿伏加德罗常数表示阿伏加德罗常数表示1mol物质（如水）中含有的分子数，因此由水的物质（如水）中含有的分子数，因此由水的摩尔质量（设为摩尔质量（设为M）除以水分子质量（设为除以水分子质量（设为m），），就可算出其中的分子数，就可算出其中的分子数，即即题中数据题中数据A，只能算出摩尔体积；数据只能算出摩尔体积；数据C只能算出水分子的密度；数据只能算出水分子的密度；数据B的两的两者之间无法直接建立联系，均无法算出阿伏加德罗常数者之间无法直接建立联系，均无法算出阿伏加德罗常数答答 D讨论讨论在油膜法中，通常先将油酸（在油膜法中，通常先将油酸（C1717H3535COOH）用无水酒精稀释后制成用无水酒精稀释后制成0.5油酸酒精溶油酸酒精溶液取一小滴滴在水面上，由于油酸分子的酸根液取一小滴滴在水面上，由于油酸分子的酸根COOH对水有很强的亲和力，就使这对水有很强的亲和力，就使这一滴油酸在水面上散开，形成一层单分子薄膜测量出这一滴油酸所扩散出来的油膜一滴油酸在水面上散开，形成一层单分子薄膜测量出这一滴油酸所扩散出来的油膜面积，根据它的体积即可求出这一层油膜的厚度，亦即油酸分子直径的近似值面积，根据它的体积即可求出这一层油膜的厚度，亦即油酸分子直径的近似值实验中，为了较方便地确定油膜的面积，在油滴滴入水面之前，先在水面上撒一薄层实验中，为了较方便地确定油膜的面积，在油滴滴入水面之前，先在水面上撒一薄层松花粉（或滑石粉），油膜面积的大小，可由松花粉（或滑石粉）围成的闭合边界确松花粉（或滑石粉），油膜面积的大小，可由松花粉（或滑石粉）围成的闭合边界确定待油膜不再扩散时，可用一片玻璃盖在水盘上，用笔按照松花粉的边界描出油膜定待油膜不再扩散时，可用一片玻璃盖在水盘上，用笔按照松花粉的边界描出油膜的边缘，然后将描有油膜范围的玻璃片放在方格纸上，根据每一小方格的面积的边缘，然后将描有油膜范围的玻璃片放在方格纸上，根据每一小方格的面积（l2 2cm2 2）和油膜所占的格数和油膜所占的格数n（占大半格的算作占大半格的算作1格，不足半格的舍去），即可算出油格，不足半格的舍去），即可算出油膜的面积膜的面积S=nl2 2cm2 例4.将1cm3油酸溶于酒精,造成200cm3油酸酒精溶液.已知1cm3溶液有50滴,现取1滴油酸溶于酒精滴到水面上,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0.2m2,由此可估测油酸分子的直径为-m.解: 1滴油酸酒精溶液的体积为 油酸酒精溶液的浓度为 1滴油酸酒精溶液中油酸的体积为已知薄层的面积为s=0.2m2油酸分子的直径为（四）课堂小结（四）课堂小结1物体是由体积很小的分子组成的。这一结论有坚实物体是由体积很小的分子组成的。这一结论有坚实的实验基础。单分子油膜实验等实验是上述结论的有的实验基础。单分子油膜实验等实验是上述结论的有力依据。分子直径大约有力依据。分子直径大约有10-10米的数量级。米的数量级。2阿伏伽德罗常数是物理学中的一个重要常数，它的阿伏伽德罗常数是物理学中的一个重要常数，它的意义和常数数值应该记住。意义和常数数值应该记住。3学会计算微观世界的物理量（如分子数目、分子质学会计算微观世界的物理量（如分子数目、分子质量、分子直径等）的一般方法。由于微观量是不能直量、分子直径等）的一般方法。由于微观量是不能直接测量的，人们可以测定宏观物理量，用阿伏伽德罗接测量的，人们可以测定宏观物理量，用阿伏伽德罗常数作为桥梁，间接计算出微观量来。如分子质量常数作为桥梁，间接计算出微观量来。如分子质量m，可通过物质摩尔质量可通过物质摩尔质量M和阿伏伽德罗常数和阿伏伽德罗常数NA，得到得到m=M/NA。通过物质摩尔质量通过物质摩尔质量M、密度密度、阿伏伽德罗阿伏伽德罗常数常数NA，计算出分子直径计算出分子直径作业作业课本P31练习一1-4.（五）说明（五）说明1由于课堂内时间限制，单分子油膜法测定分子直径的实验不可能在课堂上完成全过程。在课堂上让学生看到油膜散开现象和油膜面积的测量方法即可。2.要想造成单分子油膜，必须选用脂肪酸类，如油酸C17H33COOH或棕榈酸C15H31COOH，这类脂肪酸分子的形状为长链形，它的羧基一端浸入水中，而烃链C17H33伸在水面上方，造成油酸长分子在水面上垂直排列，如图3所示。