分子的熱運(yùn)動+講義 高二下學(xué)期物理教科版（2019）選擇性必修第三冊

《分子的熱運(yùn)動》講義分子的熱運(yùn)動同學(xué)們好，咱們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容是高中教科版（2019）選擇性必修第三冊第一章分子動理論中的分子的熱運(yùn)動。在開始正式學(xué)習(xí)之前呢，我先給大家講一講我自己的一個(gè)小經(jīng)歷。有一次我去公園玩，那是一個(gè)特別美的公園，有大片的草地和很多盛開的花朵。我走到湖邊的時(shí)候，看到湖水特別平靜，就像一面鏡子一樣。我就站在那兒看，突然發(fā)現(xiàn)有一些小昆蟲在水面上跑來跑去，而且我還注意到水里好像有一些很微小的東西在動。當(dāng)時(shí)我就在想啊，這些微小的東西是什么呢？它們?yōu)槭裁磿幽?？其?shí)啊，這就和我們今天要學(xué)習(xí)的分子的熱運(yùn)動有點(diǎn)關(guān)系呢。一、分子動理論的基礎(chǔ)咱們要了解分子的熱運(yùn)動，就得先知道分子動理論的一些基礎(chǔ)知識。分子動理論有這么幾個(gè)主要的點(diǎn)。1、物質(zhì)是由大量分子組成的咱們周圍的所有東西，不管是咱們坐的椅子，還是喝的水，都是由大量的分子組成的。分子這個(gè)東西可小了，小到咱們用肉眼根本看不見。比如說，一滴水里大約有1.7×1021個(gè)水分子。這是個(gè)超級大的數(shù)字啊，如果把這些水分子一個(gè)一個(gè)地?cái)?shù)出來，那得花多長時(shí)間啊。這就好比咱們要數(shù)清沙灘上所有的沙子一樣，幾乎是不可能的。而且這些分子之間是有空隙的。就像咱們把沙子和石子混在一起，沙子會填充到石子的空隙里一樣，分子之間也存在這樣的空隙。比如說，酒精和水混合后總體積會變小，這就是因?yàn)榫凭肿雍退肿酉嗷ヌ畛淞吮舜酥g的空隙。2、分子在不停地做無規(guī)則運(yùn)動這一點(diǎn)可重要了。分子就像一個(gè)個(gè)調(diào)皮的小蟲子，一刻也不停地在動。這種運(yùn)動是無規(guī)則的，就像咱們在操場上看到一群小朋友在亂跑亂跳一樣，沒有什么固定的方向。為了證明分子在不停地做無規(guī)則運(yùn)動，咱們可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。拿一個(gè)裝著紅墨水的小瓶子，把它輕輕地放入一個(gè)裝滿清水的大玻璃缸里。剛開始的時(shí)候，紅墨水是聚集在小瓶子周圍的，但是過了一會兒，咱們就會發(fā)現(xiàn)，紅墨水慢慢地向四周擴(kuò)散開來了，最后整個(gè)大玻璃缸里的水都變成了淡紅色。這就是因?yàn)榧t墨水的分子在不停地做無規(guī)則運(yùn)動，它們從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。這就像咱們在人群里，如果有一群人都擠在一個(gè)角落里，慢慢地他們就會向周圍散開一樣。3、分子之間存在相互作用力分子之間既有引力又有斥力。這就有點(diǎn)像咱們同學(xué)之間的關(guān)系。有時(shí)候咱們很友好，互相吸引，這就像分子之間的引力；但是有時(shí)候呢，咱們又會有點(diǎn)小摩擦，互相排斥，這就像分子之間的斥力。比如說，固體能保持一定的形狀，就是因?yàn)榉肿又g的引力比較大。像咱們的桌子，它的分子之間相互吸引，所以它不會輕易地散開。而液體呢，分子之間的引力相對固體來說小一些，所以液體可以流動。氣體分子之間的距離很大，分子間的引力就更小了，所以氣體很容易被壓縮。二、分子熱運(yùn)動的概念那什么是分子的熱運(yùn)動呢？其實(shí)啊，分子的無規(guī)則運(yùn)動和溫度是有關(guān)系的，溫度越高，分子的無規(guī)則運(yùn)動就越劇烈，這種和溫度有關(guān)的分子無規(guī)則運(yùn)動就叫做分子的熱運(yùn)動。咱們還是拿剛才的紅墨水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)來說。如果咱們把這個(gè)裝著紅墨水和水的玻璃缸放在溫度高一點(diǎn)的地方，比如放在太陽底下，咱們會發(fā)現(xiàn)紅墨水?dāng)U散的速度會更快。這就是因?yàn)闇囟壬吡?，分子的熱運(yùn)動變得更劇烈了，紅墨水的分子就能夠更快地向四周擴(kuò)散。再比如說，咱們做飯的時(shí)候，在鍋里炒個(gè)菜。當(dāng)咱們把火開大的時(shí)候，鍋里的菜很快就熟了，而且香味也能很快地飄出來。這就是因?yàn)闇囟壬?，菜里的各種分子熱運(yùn)動加劇，一些有香味的分子就能夠更快地從鍋里跑出來，進(jìn)入到咱們的鼻子里。這就像一群調(diào)皮的小孩子，溫度一高，他們就跑得更快，到處亂竄。三、影響分子熱運(yùn)動劇烈程度的因素1、溫度的影響溫度對分子熱運(yùn)動的影響是最大的。咱們剛剛已經(jīng)說過了，溫度越高，分子熱運(yùn)動越劇烈。這就好比咱們在夏天的時(shí)候，天氣很熱，咱們會感覺周圍的一切都很活躍。比如地上的小蟲子跑得更快了，樹上的蟬叫得更響了。這其實(shí)就是因?yàn)闇囟雀?，分子熱運(yùn)動劇烈，影響到了這些小動物的活動。而在冬天，溫度低，分子熱運(yùn)動就沒那么劇烈了，所以一切都好像變得懶洋洋的。咱們可以再做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來證明。拿兩個(gè)同樣大小的杯子，一個(gè)裝熱水，一個(gè)裝冷水。然后在兩個(gè)杯子里同時(shí)放入等量的糖。咱們會發(fā)現(xiàn)，在熱水里的糖溶解得特別快，而在冷水里的糖溶解得就慢多了。這就是因?yàn)闊崴锏乃肿訜徇\(yùn)動劇烈，能夠更快地把糖分子包圍起來，讓糖分子更快地分散到水里去。2、其他因素的影響除了溫度之外，還有一些因素也會影響分子的熱運(yùn)動。比如說物質(zhì)的種類。不同的物質(zhì)，它們的分子結(jié)構(gòu)不一樣，分子之間的相互作用力也不一樣，所以分子熱運(yùn)動的情況也會有所不同。就像油和水，它們雖然都是液體，但是油分子和水分子的結(jié)構(gòu)和相互作用力有很大的差別。油分子之間的相互作用力比較大，而且油分子的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以油的分子熱運(yùn)動和水的分子熱運(yùn)動就有很大的不同。當(dāng)咱們把油和水放在一起的時(shí)候，它們不會像水和酒精那樣很快地混合在一起，這就是因?yàn)樗鼈兎肿訜徇\(yùn)動的特性不一樣。四、分子熱運(yùn)動與擴(kuò)散現(xiàn)象1、擴(kuò)散現(xiàn)象的定義擴(kuò)散現(xiàn)象就是指不同物質(zhì)在互相接觸時(shí)，彼此進(jìn)入對方的現(xiàn)象。就像咱們剛剛說的紅墨水在水里擴(kuò)散，還有糖在水里溶解，這些都是擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象是分子熱運(yùn)動的一個(gè)直接表現(xiàn)。2、擴(kuò)散現(xiàn)象的例子生活中還有很多擴(kuò)散現(xiàn)象的例子呢。比如咱們在家里放一束鮮花，過不了多久，整個(gè)房間都會彌漫著花香。這就是因?yàn)轷r花里有香味的分子在不停地做熱運(yùn)動，然后擴(kuò)散到了空氣中，又通過空氣擴(kuò)散到了房間的各個(gè)角落。再比如說，咱們在醫(yī)院里有時(shí)候會聞到一股消毒水的味道。這是因?yàn)獒t(yī)院里經(jīng)常使用消毒水，消毒水的分子通過熱運(yùn)動擴(kuò)散到了空氣中，然后咱們就能聞到了。而且擴(kuò)散現(xiàn)象在固體中也會發(fā)生。比如說把兩塊不同的金屬緊緊地壓在一起，經(jīng)過很長時(shí)間后，在兩塊金屬的接觸面就會發(fā)現(xiàn)彼此的原子有一定程度的滲透。這雖然很緩慢，但是也說明了固體中的分子或者原子也是在做熱運(yùn)動的。五、分子熱運(yùn)動與布朗運(yùn)動1、布朗運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)布朗運(yùn)動是英國植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的。他用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉時(shí)，發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在不停地做無規(guī)則運(yùn)動。剛開始的時(shí)候，他以為是花粉自己有生命才會動呢，但是后來他發(fā)現(xiàn)，不管是有生命的花粉還是無生命的小顆粒，只要足夠小，懸浮在液體中都會做這種無規(guī)則運(yùn)動。2、布朗運(yùn)動產(chǎn)生的原因其實(shí)啊，布朗運(yùn)動是由于液體分子的無規(guī)則運(yùn)動對懸浮顆粒的撞擊引起的。液體分子在不停地做無規(guī)則運(yùn)動，它們會從各個(gè)方向不斷地撞擊懸浮在液體中的顆粒。因?yàn)檫@些撞擊是隨機(jī)的，而且在不同時(shí)刻、不同方向上的撞擊力是不平衡的，所以就導(dǎo)致了顆粒做無規(guī)則運(yùn)動。咱們可以想象一下，有一個(gè)小皮球放在一群小朋友中間，小朋友們都在亂跑亂跳，然后就會不斷地撞到這個(gè)小皮球。小朋友們的撞擊是沒有規(guī)律的，所以小皮球就會被撞得東倒西歪，到處亂滾，這就和布朗運(yùn)動的原理有點(diǎn)像。3、布朗運(yùn)動與分子熱運(yùn)動的關(guān)系布朗運(yùn)動間接反映了分子的熱運(yùn)動。雖然我們看到的是花粉顆?；蛘咂渌☆w粒的運(yùn)動，但實(shí)際上是因?yàn)橐后w分子的熱運(yùn)動在撞擊它們才導(dǎo)致的。而且布朗運(yùn)動的劇烈程度也和溫度有關(guān)，溫度越高，布朗運(yùn)動越劇烈，這也說明了分子熱運(yùn)動的劇烈程度和溫度的關(guān)系。六、分子熱運(yùn)動的重要性1、在物理學(xué)中的重要性分子的熱運(yùn)動在物理學(xué)里可是非常重要的。它是理解很多物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)。比如說熱傳遞現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式，傳導(dǎo)、對流和輻射。不管是哪種方式，都和分子的熱運(yùn)動有關(guān)系。在熱傳導(dǎo)中，當(dāng)一個(gè)物體的一部分溫度高，一部分溫度低的時(shí)候，高溫部分的分子熱運(yùn)動劇烈，它們就會把能量傳遞給低溫部分的分子。就像一根金屬棒，一端放在火上烤，很快另一端也會變熱，這就是因?yàn)榻饘侔衾锏姆肿釉谧鰺徇\(yùn)動，把熱量從高溫端傳到了低溫端。在對流中，流體（液體和氣體）因?yàn)闇囟炔痪鶆?，熱的部分密度小，會上升，冷的部分密度大，會下降，這也是分子熱運(yùn)動的結(jié)果。比如說咱們燒開水的時(shí)候，壺底的水先受熱，分子熱運(yùn)動加劇，密度變小就會上升，上面冷的水就會下來補(bǔ)充，這樣就形成了對流。在輻射中，雖然不需要介質(zhì)，但是物體向外輻射能量也是因?yàn)槲矬w內(nèi)部分子的熱運(yùn)動，使得物體具有一定的能量，然后以電磁波的形式向外輻射。2、在其他學(xué)科和生活中的重要性分子的熱運(yùn)動在化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科中也有很重要的意義。在化學(xué)里，很多化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生都和分子的熱運(yùn)動有關(guān)。分子只有相互碰撞才有可能發(fā)生反應(yīng)，而分子的熱運(yùn)動就提供了這種碰撞的機(jī)會。在生物學(xué)里，生物體內(nèi)的很多生理過程也和分子的熱運(yùn)動有關(guān)。比如說細(xì)胞的物質(zhì)交換，細(xì)胞內(nèi)外的分子通過熱運(yùn)動進(jìn)行擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的交換。在生活中，分子的熱運(yùn)動更是無處不在。