普通高中教科书·物理选择性必修 第三册(沪科技版2020).pdf
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1、物理选 择 性 必 修第三册普通高中教科书上海科学技术出版社WULI第三册上海科学技术出版社普通高中教科书物理第三册选 择 性 必 修物理选择性必修定价:10.10 元1 物理普通高中教科书必性择选修第三册上海科学技术出版社2主 编:蒋最敏 高 景本册主编:朱 臻编写人员:(以姓氏笔画为序)朱 臻 李希凡 杨鸣华 杨 炯 徐建军 廖 灿 谭一宁责任编辑:武执政 金波艳 李林高美术设计:房惠平出 版 上海世纪出版(集团)有限公司 上海科学技术出版社 (上海市钦州南路71号 邮政编码200235)发 行 上海新华书店印 刷 当纳利(上海)信息技术有限公司版 次 2021 年 3 月第 1 版印 次
2、 2021 年 3 月第 1 次开 本 890 毫米 1240 毫米 1/16印 张 8字 数 175 千字书 号 ISBN 978-7-5478-5296-5/G1034定 价 10.10 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议,请与本社联系。电话:021-64848025,邮箱:全国物价举报电话:12315 声明 按照中华人民共和国著作权法第二十三条有关规定,我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。普通高中教科书 物理 选择性必修 第三册上海市中小学(幼儿园)课程改革委员会组织编写1 目
3、录第十章分子动理论 1第一节 分子的大小 2第二节 分子的运动 分子间的相互作用 6第三节 分子运动速率分布的统计规律 10第十一章气体、液体和固体 15第一节 气体的状态 16第二节 气体的等温变化 19第三节 气体的等容变化和等压变化 24第四节 液体的基本性质 29第五节 固体的基本性质 34第六节 材料及其应用简介 391目录第十二章热力学定律 46第一节 物体的内能 47第二节 能量的转化与守恒 51第三节 能量转化的方向性 552第十三章原子结构 62第一节 电子的发现 63第二节 原子的核式结构模型 66第三节 玻尔的原子模型 70第十四章微观粒子的波粒二象性 79第一节 光电效
4、应 光子说 80第二节 波粒二象性 86第三节 原子结构的量子力学模型 90第十五章原子核 95第一节 天然放射现象 原子核的衰变 96第二节 原子核的组成 99第三节 核能及其应用 104第四节 粒子物理简介 1112目录1 第十章分子动理论物质是由分子组成的,但分子太小,人类无法直接观察分子及其运动。同时,由于组成物质的分子难以计数,分子的运动又是杂乱的、随机的,用经典力学手段研究每个分子的运动实际上是不可能的。物理学家将力学方法和统计方法相结合,分析宏观可测的热现象,获得了分子无规则运动和分子间相互作用的重要信息,建立了分子动理论。在初中阶段我们已经学习了分子动理论的基本观点。在本章中将
5、估测油酸分子直径;了解扩散现象,观察布朗运动,了解分子动理论基本观点和相关的实验证据;了解分子运动速率分布的统计规律;知道分子运动速率分布的物理意义。在解释布朗运动的过程中,增强证据意识,提升科学论证能力;通过学习分子运动速率分布的统计规律,体会统计方法对于复杂系统研究的重要意义,提升运动的观念;通过实验认识用积累法测量微小量和用宏观量间接测量微观量的方法,发展科学探究能力。本章也是学习气体、液体和固体的性质以及热力学定律的基础。2第十章 分子动理论 分子大小的测量多年以来,科学家一直希望能看到分子和原子的样子,但由于这类微粒实在太小,受传统显微镜原理上的限制一直未能如愿。直到 20 世纪 8
6、0 年代初,根据量子力学原理研制的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)问世,才圆了科学家长期的梦想。图10-2 所示是一张在扫描隧道显微镜下看到的被放大近千万倍的硅片表面原子排列的图像,可以看到原子线度的数量级约为 0.1 nm。用扫描隧道显微镜不仅能“看到”单个原子,还能随心所欲地操控单个原子,这是显微技术划时代的进步。图10-3 所示是我国科学家通过移动硅表面原子“写”成的中文汉字。我们肉眼虽然看不见分子,但能通过实验估测分子的大小。第一节分子的大小如图 10-1 所示,一片叶子在显微镜下放大 6 倍,可以看到清晰的叶脉;再放大 100倍,可
7、以看到叶面的表皮细胞和气孔;再不断放大,可以看到叶绿体。物体都是由分子、原子构成的,要放大到什么程度我们才能看到组成叶片的分子?分子究竟有多小?图 10-3 我国科学家移动硅原子“写”成的汉字图 10-2 硅片表面原子排列图像图 10-1 显微镜下不断被放大的叶子放大 6 倍再放大 100 倍再放大 5 倍再放大 6 倍叶脉气孔叶绿体3第一节 分子的大小用油膜法估测油酸分子的大小提出问题如何估测出分子的大小?实验原理与方案为了研究分子的大小,我们将组成物质的分子视作球形。如果能把一定量的某种物质的分子一个紧挨一个地平铺开来,形成一层单分子膜,那么只要知道这部分物质的体积 V 和这层膜的面积 S
8、,根据体积公式 V=Sd,就可以估算出膜的厚度d,即分子的直径。将油酸酒精溶液滴在水面上时,溶液会在水面上很快散开,其中酒精溶于水,最后在水面上形成一层纯油酸组成的单分子薄膜,如图 10-4 所示。1.估测是一种常用的科学研究方法。通过建立模型将 问 题 合 理 简 化,获得对复杂问题的粗略估计。实际分子 有 复 杂 的 结 构,将其视为球形正是建立模型进行估测的方法。2.积累法是测量微小量的一种科学方法,又称累计法。它是将微小量积累成一个可测的、较大的量后再取平均值,这一方法可以 减 小 测 量 误 差。例如,测量一枚邮票的质量、细铜丝的直径、单摆的周期等,都可使用这种方法。助 臂助 臂一图
9、 10-4 油酸单分子薄膜图 10-5 实验器材 刻有方格的透明板 浅水盘 量筒 油酸酒精溶液 刻度尺 水彩笔 注射器 痱子粉和筛子实验装置与方法实验中使用的器材包括:油酸酒精溶液、注射器、痱子粉和筛子、量筒、刻度尺、浅水盘、刻有方格的透明板、水彩笔等,如图 10-5 所示。测出一滴溶液中所含油酸的体积 V 及其形成的单分子油膜的面积 S。根据公式算出分子的大小。4第十章 分子动理论 物质的量 阿伏加德罗常数我们在化学课中学过物质的量的概念,它的单位是摩尔(mol),简称摩。1 mol 物质所含的粒子数是恒定的,即 6.021023 个,这个数叫做阿伏加德罗常数(Avogadro consta
10、nt),通常用符号 NA 表示。物质的量是国际单位制中七个基本量之一。实验操作与数据收集把已知浓度的油酸酒精溶液滴入量筒,记下滴数,测量溶液体积并计算出每滴溶液中油酸的体积;将痱子粉均匀地撒在水面上,滴入一滴油酸酒精溶液,待油膜的形状稳定后,将油膜的轮廓描绘在刻有方格的透明板上,如图 10-6 所示。数出油膜覆盖的格子数,算出油膜的面积。数据分析一滴油酸酒精溶液中含有油酸的体积:V=_ 单分子油膜的面积:S=_实验结论油酸分子的直径 d=SV_交流与讨论(1)各组测得的分子大小一样吗?(2)如何提高测量结果的精确程度?油酸不溶于水,但溶于酒精、乙醚等有机溶剂。油酸分子式是 C18H34O2,其
11、中羧基-COOH是亲水基,另一基团 C17H33-则不亲水。将一滴油酸酒精溶液滴在水面上,酒精溶于水,油酸就在水面散开。油酸分子的羧基-COOH 在水面下,基团 C17H33-在水面上,整个油酸分子便“站立”在水面上,形成一层薄薄的单分子油膜。图 10-6 水面上形成的油膜物理学中有多种测定分子大小的方法,用不同方法测出的分子直径的数量级是相同的。随着技术的进步,分子大小的测量越来越精确。现代测量结果表明,除了一些大分子,例如某些有机物质的分子外,多数分子直径的数量级为 0.1 nm。5第一节 分子的大小知道了分子的大小,可以粗略地算出阿伏加德罗常数。反之,知道了阿伏加德罗常数,也可以估算出液
12、体和固体分子的大小,还可以算出分子的质量。1811 年,意大利化学家阿伏加德罗率先提出:在等温等压的条件下,相同体积的任何气体都含有相同的分子数。后来人们就把标准状态(0,1 个标准大气压*)下体积为2.2410-2 m3 的气体所含的分子数称为“阿伏加德罗常数”。2018 年国际计量大会第 26 次会议将摩尔的定义修改为:“1 mol 包含 6.022 140 761023 个基本单元,这一常数被称为阿伏加德罗常数,单位为 mol-1”。阿伏加德罗常数是一个基本常量,它将宏观意义下物质的量与微观意义下的粒子数联系起来,成为宏观世界与微观世界之间的重要桥梁。物理学家们提出各种方法来测定阿伏加德
13、罗常数,一百多年以来,测量的精度不断提高,目前通常取 NA=6.021023 mol-1。如果水分子的直径是 4.010-10 m,并且知道 1 mol 水的体积是 1.810-5 m3,请估算阿伏加德罗常数。自 主 活 动问题 思考与1.在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,用注射器在水面上滴一滴酒精油酸溶液形成单分子油酸层。如果用纯油酸来做实验,估测要形成一层单分子油膜,油膜的面积会有多大?(已知注射器滴满 1 mL 溶液的滴数为 200,油酸分子的直径约为 1 nm)2.设某金属的密度为、摩尔质量为 M、阿伏加德罗常数为M、阿伏加德罗常数为MNANAN。试问 1 个该金属原子的质量及其
14、平均占有的体积分别是多少?3.试估算在常温常压下一杯体积为 6.010-4 m3 的水中约有多少个水分子。4.已知空气的平均摩尔质量 M=2.910M-2 kg/mol。某同学做一次深呼吸大约吸入 4102 cm3 的空气。那么一次深呼吸吸入空气的质量约为多少千克?大约吸入多少个空气分子?*1 个标准大气压约等于 1.013105 Pa。6第十章 分子动理论第二节分子的运动 分子间的相互作用当我们路过面包店时,为什么能闻到诱人的香味?图10-7 中两个相互压紧的铅块,为什么能够“粘”在一起?要解释这些现象,我们需要了解分子的运动以及分子间的相互作用规律。分子的运动组成物质的分子在做永不停息的无
15、规则运动,虽然用肉眼看不到分子,但我们可以通过一些宏观现象为这个结论提供证据。扩散现象如图 10-8 所示,取两杯温度不同、体积相同的清水,分别向其中滴入一滴红墨水,红墨水在两杯水中散开,这种现象称为扩散(diffusion)。可以观察到温度高的水中的红墨水扩散得更快,这说明温度越高,扩散越快。扩散现象并不是重力或对流等原因造成的,而是由于分子的无规则运动产生的。从微观角度看,墨水的扩散实际上是墨水颗粒在水中被水分子撞击而不断移动的过程。温度越高扩散越快,说明温度越高,水分子运动越剧烈。气体中也存在扩散现象,能闻到面包的香味就是面包的芳香分子扩散产生的结果。扩散现象还能在固体中发生,并且有重要
16、的应用,例如利用扩散现象将碳原子掺入钢件的表面可以提高钢件的硬度,在半导体材料中掺入微量的杂质可以达到控制半导体性能的目的。布朗运动 1827 年,英国植物学家布朗(R.Brown,17731858)用显微镜观察悬浮在水中的花粉,发现花粉颗粒不停地做无规则的运动。他经过不断尝试发现,除了花粉外,对于液体中类似大小的其他悬浮颗粒,都可以观察到这种运动。后人把悬浮颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动(Brownian motion)。将一滴用水稀释过的墨汁滴在载玻片上,覆上盖玻片,放在高倍显微镜下观察,可以看到如图 10-9 所示的悬浮颗粒在液体中不停地做无规则运动,这就是布朗运动。图 10-8 扩散
17、现象图 10-7“粘”在一起的铅块7第二节 分子的运动 分子间的相互作用布朗运动是怎样产生的呢?起初,人们认为是由外界影响如振动、液体的对流等引起的。但实验表明:在尽量排除外界影响的情况下布朗运动仍然存在;只要颗粒足够小,在任何液体中都可以观察到布朗运动;布朗运动不会停止,连续观察许多天,甚至几个月,也不会看到这种运动停下来。可见布朗运动的成因不在外界,而在液体内部。悬浮在液体中的颗粒周围布满了大量的液体分子,颗粒的布朗运动应该是由液体分子的撞击造成的。图 10-11 描绘了颗粒受到周围液体分子撞击的情景。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是不平衡的。在某一瞬间,颗粒在某
18、个方向受到的撞击作用强,它就沿着这个方向运动;在下一瞬间,颗粒受到另一方向的撞击作用强,它又向着另一方向运动。颗粒越小,在某一瞬间与它相撞的分子数越少,撞击作用的不平衡性就表现得越明显,因而布朗运动越明显。颗粒杂乱无章的运动,说明液体分子对颗粒的撞击是随机的。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。扩散实际上就是一种布朗运动。布朗运动表明分子的运动是永不停息的无规则运动,其剧烈程度与温度有关,并且温度越高,这种运动越剧烈,所以把分子的这种运动叫做热运动(thermal motion)。温度是分子热运动剧烈程度的标志。用显微镜观察布朗运动,并通过显示器显示出来,用追踪软件记录每隔相
19、同时间颗粒所在的位置,然后用线段把这些位置依次连接起来,如图 10-10 所示。结果表明布朗运动是杂乱无章的。大家谈做布朗运动的是悬浮在水中的细微颗粒还是水分子?布朗运动产生的原因可能是什么?图 10-10 布朗运动图 10-9 显微镜下的悬浮颗粒图 10-11 颗粒受到液体分子的撞击8第十章 分子动理论 分子间的相互作用取一支长约 1 m 的玻璃管,注入半管清水,再注入酒精直至液面接近管口。封住管口,反复颠倒玻璃管,然后观察管中液面位置的变化。自 主 活 动气体很容易被压缩,说明气体分子间存在着很大的空隙。在自主活动中水和酒精混合后液面下降,总体积减小,说明液体分子间存在着空隙。碳原子能扩散
20、进入钢件的表面,说明固体分子之间也存在着空隙。分子间存在空隙,但是用力压一个铅块,却很难减小它的体积,这说明分子间存在着斥力。分子间同时还存在着引力。如图 10-12 所示,用吸盘、细线将一块洗净的玻璃板水平地悬挂在弹簧测力计下端,并使玻璃板贴在水面上;然后缓慢提起弹簧测力计,在玻璃板脱离水面的一瞬间,弹簧测力计的示数明显大于玻璃板的重力。这是因为在玻璃板离开水面的瞬间,测力计对玻璃板的拉力不仅要克服玻璃板的重力,还要克服水分子对玻璃板下表面分子的引力作用。图 10-7 中两个相互压紧的铅块之所以不会分开,甚至下面挂很重的钩码也不能把它们分开,也是因为铅分子之间的引力将两铅块“粘”在了一起。深
21、入的研究表明,分子间同时存在着引力和斥力,它们的大小都跟分子间的距离有关。图 10-13 中的两条虚线分别表示两个分子间的引力 F 引和斥力 F 斥随分子间距离 r 变化的情形;实线表示 F 引和 F 斥的合力 F(即实际表现出来的分子间的作用力)随 r 变化的情形。从图示的曲线可以看出,F 引和 F 斥都随着 r 增大而减小,且 F 斥减小得更快。当 r=r0 时,F 引=F 斥,F=0,这个位置称为平衡位置;当 r r0 时,F 引 r0 时,F 引 F 斥,F 表现为引力。r0 的数量级约为 10-10 m。当 r 的数量级大于 10-9 m 时,分子间的作用力已经变得非常微弱,可以忽略
22、不计。图 10-12 玻璃片脱离水面图 10-13 分子间作用力9第二节 分子的运动 分子间的相互作用分子间为什么同时存在引力和斥力呢?分子是由原子构成的,而原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电,电子带负电,它们的总电荷量大小相等,因而分子处于电中性状态,对外不显电性。当两个分子相互靠近时,异号电荷之间产生吸引力,同号电荷之间产生排斥力,所以分子间同时存在引力和斥力。两个分子刚开始靠近时,每个分子上的电荷受到扰动而使它们的位置稍有变化,两个分子中异号电荷之间的吸引作用超过同号电荷之间的排斥作用,因此分子之间的作用力在总体上表现为引力。如果两个分子进一步靠近,以致带正电的原子核之间的库仑斥力
23、变得显著,这时分子间的作用力就表现为斥力。分子动理论的基本观点通过前面的学习已经知道:物体是由大量分子组成的,分子在做永不停息的无规则运动,分子之间同时存在着引力和斥力。这就是分子动理论(molecular kinetic theory)的基本观点。与其他物理理论一样,分子动理论也是建立在大量的实验基础之上的。根据分子动理论,热现象是大量分子无规则运动的宏观表现,温度表示分子无规则运动的剧烈程度。用分子动理论可以说明很多的热现象和物质的性质。科学家们用分子动理论首先详细地研究了气体,解释了气体的宏观性质,之后又用分子动理论研究了液体和固体,也获得了很大的成功。问题 思考与1.滴入水中的红墨水会
24、扩散,其原因是什么?温度越高,这种扩散越快,说明了什么?2.判断以下现象是否由于分子间的引力所致,并简述理由。(1)两块纯净铅柱的端面刮得十分平整后用力挤压可以“粘”在一起。(2)经丝绸摩擦过的玻璃棒能吸引轻小物体。(3)磁铁能吸引小铁钉。(4)自由落体运动。3.关于图 10-10 中的折线,甲同学说是花粉颗粒运动的轨迹,乙同学说是液体分子的无规则运动轨迹。试对此作出简要评述。4.简述布朗运动的特点,并给出“液体分子的热运动导致布朗运动”的证据。5.已知两个分子之间的距离为 r0(约 10-10 m)时,分子间的作用力为零。两个分子从很远处逐渐靠近直到分子间距离小于 r0 的过程中,分子间的引
25、力、斥力及其合力如何变化?10第十章 分子动理论第三节分子运动速率分布的统计规律组成物质的大量分子在永不停息地做无规则运动。对单个分子而言,速度方向随机变化,速率时大时小;任意两个分子的运动方向和速率一般不相同。但是,当我们研究大量气体分子时又会发现,大量分子的运动却表现出一定的规律性。“伽尔顿板”实验的启示图 10-14 所示的装置称为伽尔顿板,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,大量小球可通过中间漏斗形入口落下,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随机的,但大量小球在槽内的分布却是有规律的,越靠近中间小球越多。这种大
26、量随机事件的整体表现所显示的规律性叫做统计规律。“伽尔顿板”实验的结果给我们这样的启示:对于由大量分子组成的系统,个别分子的运动并无规律可言;但大量分子的热运动,却可能显示出一定的统计规律。分子速率分布的统计规律对气体的大量实验表明,所有分子速率的分布符合一定的统计规律。表 10-1 是 0和 100时氧分子的速率分布。其中 0时的氧分子在各速率区间分布的直方图如图 10-15 所示。图 10-14“伽尔顿板”实验11第三节 分子运动速率分布的统计规律根据表 10-1 中的数据,作出如图 10-15 所示的 100时的氧分子在各速率区间速率分布的直方图,并与 0时的速率分布直方图作比较。自 主
27、 活 动图 10-15 0时氧分子在各速率区间分布的直方图表 10-1 0和 100时氧分子的速率分布分子速率v/(ms-1)各速率区间的分子数占分子总数的百分率/%0100100 以下1.4 0.7 1002008.1 5.4 20030017.0 11.9 30040021.4 17.4 40050020.4 18.6 50060015.1 16.7 6007009.2 12.9 7008004.5 7.9 8009002.0 4.6 900 以上0.9 3.9 19 世纪中叶,英国物理学家麦克斯韦创造性地运用统计方法找到了气体分子速率的分布函数,从而确定了气体分子速率分布的统计规律。该分
28、子速率分布函数 f(v)的图像如图 10-16 所示。f(v)为在速率 v 附近单位速率间隔内气体分子数与分子总数的比。图 10-16 麦克斯韦气体分子速率分布曲线12第十章 分子动理论这个规律指出:一般而言,气体分子的速率各不相同,但大多数分子的速率都在某个数值(峰值)附近,离开这个数值越远,分子数越少,呈现出“中间多,两头少”的分布特征;温度升高,曲线的峰值会向速率大的方向移动,速率的分布范围增大,整个曲线将变得较为平坦。大家谈图 10-16 中的高温和低温时速率分布曲线下的面积是否相等,为什么?对大量分子组成的系统,我们很难掌握每个分子运动的全部信息,运用统计方法可以获得大量分子的速率、
29、动能等微观物理量遵循的统计规律,进而确定物体的宏观状态和性质。例如,根据气体的速率分布规律就可以确定气体的温度。随着人们对定量研究的日益重视,统计方法已被应用到自然科学和社会科学的众多领域。麦克斯韦给出气体分子的速率分布规律后,由于高真空技术和测量技术的限制,此后近半个世纪都无法用实验验证这一统计规律。直到 1920 年,英国物理学家史特恩才做了第一次成功的尝试。1934 年,我国物理学家葛正权(18961988)改进了史特恩的实验装置,并定量地验证了麦克斯韦的气体分子速率分布规律,获得国际公认。1955 年,哥伦比亚大学的密勒和库士提出了一个能高度精确证明这个分布律的实验方案。实验装置如图
30、10-17所示。实验结果与麦克斯韦气体分子速率分布律完全相符。图 10-17 密勒和库士的实验装置示意图问题 思考与1.判断以下关于分子速率的观点是否正确,并简述理由。(1)当温度升高时,组成物体的每个分子的速率都会增大。(2)甲、乙两杯水,甲杯水的温度为 70,乙杯水的温度为 30,那么甲杯水内的每个水分子的速率都比乙杯水内每个水分子的速率大。2.在温度为 25的环境中,有一个导热良好的密闭容器内封有一定量的氮气。简述容器中氮气分子的速率分布情况。若将该容器放入冰箱冷藏室后,氮气分子的速率分布如何变化?3.在日常生活中,很多现象都遵循统计规律。根据本年级所有同学的身高数据,分别作出本班男生(
31、或女生)和全年级男生(或女生)身高的分布曲线,观察并比较两个曲线的形状;了解人数占比最多的身高区间。13小结基本概念和基本规律布朗运动:悬浮颗粒在液体或气体中的无规则运动。分子热运动:组成物质的分子永不停息的无规则运动,温度越高这种运动越剧烈。分子动理论:研究分子热运动性质和规律的经典微观理论。包括以下主要观点:物体是由大量分子组成的,分子在做永不停息的无规则运动,分子之间同时存在着引力和斥力。气体分子的速率分布遵循一定的统计规律。基本方法通过估测分子大小的实验,感受模型建构的方法,体会数据获取、分析和处理过程中的积累法。感受估测微观量的方法。在学习分子动理论的过程中,感受利用证据通过科学推理
32、进行科学论证的方法。在学习分子速率分布的统计规律的过程中,认识统计方法在物理学中的应用。知识结构图小 结物体是由大量分子组成的分子动理论分子在做永不停息的无规则运动分子之间同时存在引力和斥力建模探究建模推理用油膜法估测分子的大小阿伏加德罗常数气体分子速率分布的统计规律推理推理探究探究探究14第十章 分子动理论复习 巩固与1.判断下列哪些宏观现象可以作为分子热运动的证据,简述理由。(1)水的对流;(2)墨水滴入清水中缓慢散开;(3)打开酒精瓶盖就嗅到酒精的气味;(4)水中悬浮花粉的布朗运动。2.对于单个分子而言,能说它的温度有多高吗?为什么?3.某种气体在不同温度下的分子速率分布曲线如图 10-
33、18 所示。曲线和对应的温度哪个高?简述这两个温度对应的气体速率分布的相同点和不同点。4.如图 10-19 为分子间相互作用力随分子间距 r 变化的关系图。甲同学说:“相距 r1 时,分子间没有引力”;乙同学说:“相距 r2r2r 时分子间的引力大于相距 r1 时的引力”。请对这两种说法作出评价。5.PM2.5 是指空气中直径小于 2.5 m 的悬浮颗粒物。飘浮在空中的 PM2.5 很难自然沉降到地面,吸入肺部后会进入血液对人体造成危害。估算一颗直径为 2.5 m 的悬浮颗粒中约有多少个分子?6.“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验通过对宏观量的测量来估测分子的大小。试回答以下问题:(1)这个
34、实验中主要涉及哪些物理方法?(2)某小组同学将最终得到的计算结果与其他小组比较,发现自己得到的数据比其他组大几百倍,他们猜测可能是由于以下原因所致,选择其中较为合理的猜测并简述理由。将油酸酒精溶液的体积直接当作油酸的体积计算。计算油膜面积时,只数了完整的方格数。水面上痱子粉撒得太多,油膜没有充分展开。7.设想气体的每个分子都处在相同的一个小立方体的中心。(1)试求标准状态下这些小立方体的边长。(2)若取分子的直径为 3.010-10 m,试计算小立方体的边长与分子直径的比值。*8.一个开有带阀门小口的绝热容器中充满气体。打开阀门,会有一部分气体从容器中泄漏出来,从而导致容器内气体的温度降低。用
35、分子动理论的观点对此现象作出简要解释。图 10-19 图 10-1815第三节 分子运动速率分布的统计规律第十一章气体、液体和固体用打气筒给自行车轮胎打气,能明显感受到打气筒内气体被压缩时产生的压力,以及打气筒筒壁发热。雨后的荷叶上会留下球状的水珠,水珠在荷叶上滚动,并不能将荷叶浸湿。雪花总是呈现出较为规则的几何外观气体、液体和固体所表现出来的这些宏观特性可以通过气体、液体和固体分子的热运动以及分子间的相互作用来解释。对物质基本性质的研究,也是人类研发新材料及其应用技术的基础。在初中阶段我们已经学习了物态变化的初步知识,上一章又学习了分子动理论。在本章中将通过实验了解气体实验定律;知道理想气体
36、模型;在实验中观察液体的表面张力现象并了解表面张力的成因;了解固体的微观结构;知道晶体和非晶体的特点;了解液晶等新材料的性质及其应用。在通过实验了解气体实验定律和学习理想气体模型的过程中,进一步体会控制变量和物理建模的思想方法,发展科学探究能力;用分子动理论解释气体、液体和固体的性质,提升物质、运动和相互作用的观念,发展科学思维和科学论证能力;通过对新材料的了解,感受材料科学和技术对人类社会发展的积极作用。16第十一章 气体、液体和固体一定质量的气体是由大量做无规则运动的分子组成的系统,宏观上表现为充满一定的空间,具有热学、力学等物理性质。我们分别用体积、温度和压强来描述气体的这些宏观物理性质
37、。气体的体积组成气体的大量分子总能充满整个容器,如图 11-3 所示,因此气体的体积就是盛放气体容器的容积。第一节气体的状态孔明灯(图 11-1)是我国古老的手工艺品。热气球(图 11-2)发明于 18 世纪,它的出现最早实现了人类的飞翔梦。孔明灯和热气球都是通过加热气体获得向上的动力,但要了解它们上升的原理,还必须进一步研究气体的相关性质。图 11-2 热气球图 11-1 孔明灯在力学中,引入了位移、速度等物理量来描述物体的机械运动状态,为了描述气体的宏观状态又应该引入哪些物理量呢?大家谈对于一瓶封闭的气体,应该如何描述它的状态?气体宏观状态的描述图 11-3 气体的体积17第一节 气体的状
38、态 气体的温度将两个温度不同的系统互相接触,这两个系统的状态都会变化,热的变冷,冷的变热。经过一段时间后,这两个系统的状态不再变化,达到平衡,这种平衡叫做热平衡,处于热平衡状态的两个系统具有相同的温度。为了定量地描述温度,就必须建立温标。常用的温标有摄氏温标、热力学温标等。用热力学温标表示的温度叫做热力学温度,用符号 T 表示,单位是开尔文(K),简称开,它是国际单位制中七个基本量之一。热力学温度 T 与摄氏温度 t 之间的关系是T=t+273.15 K t+273 K日常生活中通常用温度计测量气体的温度,工业生产和科学实验中也常用温度传感器测量气体的温度。表 11-1 所示是一些典型的温度值
39、。表 11-1 一些典型的温度值宇宙大爆炸后的 10-43 s1032 K月球向阳面4102 K氢弹爆炸中心108 K月球背阴面90 K太阳中心1.5107 K氮的液化点77 K太阳表面6103 K氦的液化点4.2 K地球中心4103 K宇宙微波背景辐射2.7 K乙炔焰3103 K实验室内获得的最低温度10-11 K 气体的压强我们用下面的实验来模拟气体压强的产生。如图 11-4 所示,把台秤的托盘翻过来放置,将若干小钢珠(或黄豆)连续倒向托盘。小钢珠与托盘撞击后全部都被反弹开,但由于许多小钢珠不断地撞击托盘,托盘就受到一个持续的压力,台秤就会指示这一压力。类似于钢珠对托盘的撞击会产生持续的压
40、力,容器内大量运动的气体分子对容器器壁的不断撞击也会产生压力。当气体处于平衡状态时,尽管单个分子对器壁的撞击作用是断续的、随机的,但大量分子对容器撞击所产生的压力却是持续的、稳定的。一定质量的气体压强与分子的质量、分子运动的速度和单位时间内撞击单位面积器壁的分子数等有关,即与温度和容器内的分子数密度(单位体积内的分子数)有关。容器壁单位面积上所受的气体分子压力就是气体的压强,用字母 p 表示,国际单位是帕斯卡(Pa),简称帕。实际生活中常用指针式或数字式压强计测量气体压强。图 11-5 显示的是用指针式压图 11-4 气体压强的模拟18第十一章 气体、液体和固体强计来测量轮胎气压。实验室中,常
41、用压强传感器来测量气体的压强。体积、温度、压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量,我们称之为气体的状态参量。对于一定质量的气体,如果体积、温度、压强都不变,则称气体处于平衡状态(简称平衡态)。只要有状态参量发生变化,我们就说该气体的状态发生了变化。图 11-5 指针式压强计测轮胎气压问题 思考与1.如图 11-6(a)、(b)所示,两个相同玻璃管的左端用相同的橡皮膜密封,管内活塞可被自由推拉且与管壁贴合。将图中的活塞分别缓慢移至图中所示的虚线位置,描述橡皮膜的形变情况,并简述管内气体状态参量的变化情况。2.一定质量的气体封闭在容器内,试比较以下两组物理量的关系。(1)气体的体积 V1V1V
42、与组成这些气体的所有分子的体积之和 V2V2V。(2)气体的质量 m1 与组成这些气体的所有分子的质量之和 m2。3.某气体的温度由-20升高到 27。试用热力学温度表示该气体的初、末温度和温度的变化量。4.用分子动理论、动量定理和统计观点解释气体压强。5.测气体压强时,汞压强计竖直放置,三次测量分别如图 11-7(a)、(b)、(c)所示。设汞的密度为,图中 p0 为大气压强,h 为两臂汞面的高度差,则容器中气体的压强 p 分别为多少?图 11-7(a)(b)(c)图 11-6(a)(b)19第二节 气体的等温变化第二节气体的等温变化如图 11-8 所示,在一个大塑料瓶里装入大半瓶水,并放入
43、一个倒扣的小瓶,小瓶内留有大约一半水,使其刚好浮出水面。拧紧大瓶的盖子,用力挤压大瓶,就可以看到小瓶下沉。这个装置叫做浮沉子。用力挤压大瓶时,其上方封闭气体的状态发生变化,最终导致小瓶下沉。在这个过程中,封闭气体的三个状态参量是怎样变化的呢?它们彼此间有什么定量关系吗?描述气体状态的三个状态参量之间存在一定的关系。本节将通过实验研究一定质量的气体在温度保持不变的情况下气体压强与体积之间的变化关系,这个变化过程叫做等温变化。气体的等温变化图 11-8 浮沉子如图 11-9 所示,将活塞置于塑料注射器中部,用橡皮帽封住注射口,体会推、拉活塞时的感觉,并观察松手后活塞的运动。自 主 活 动图 11-
44、9 推、拉注射器活塞探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系提出问题注射器内的封闭气体体积减小时压强增大,体积增大时压强减小。等温情况下,一定在上述活动中,无论是推还是拉,我们都能感受到阻力,并且活塞移动的距离越大这种阻力越大。根据上述现象,你能对封闭在注射器内气体的压强与体积之间的变化关系提出猜想吗?20第十一章 气体、液体和固体质量气体的压强是否与体积成反比?实验原理与方案一定质量的气体状态发生变化时,其压强、体积、温度都有可能发生变化。为了研究压强与体积的关系,需要控制气体的温度保持不变。改变气体体积,测出不同的体积 V 及其对应的压强 p,研究 p 与 V 之间是否存在反比关系。实验
45、装置与方法如图 11-10 所示的实验装置可供选用。以注射器内的封闭气体为研究对象,由注射器的刻度读出封闭气体的体积,由压强传感器测量气体的压强;多次改变注射器活塞的位置,获得多组封闭气体的体积和压强的测量值。本实验采用作图的方法分析数据,得出 p、V 之间的函数关系。实验操作与数据收集将注射器与压强传感器的检测口相连,封闭一定质量的气体。缓慢推、拉注射器活塞,在活塞位于各个设定体积所对应的刻度时记录相应的压强测量值并填入表 11-2。表 11-2 实验数据记录表实验序号12345V/mLp/Pa数据分析根据实验数据,选择合适的坐标系描点作图,研究 p 与 V 之间是否存在反比关系。实验结论_
46、交流与讨论(1)在实验中,怎样确保封闭气体的温度不变?(2)各组得到的 p 与 V 乘积的平均值一致吗?若不一致,分析可能的原因。注射器压强传感器图 11-10 探究等温情况下气体压强与体积的变化关系21第二节 气体的等温变化 玻意耳定律英国化学家、物理学家玻意耳(图 11-11)和法国科学家马略特(E.Mariotte,16201684)各自通过实验发现,一定质量的气体在温度不变时,压强与体积成反比。这个结论叫做玻意耳定律(Boyles law)。如果用 p1、V1 和 p2、V2 分别表示一定质量的气体在等温变化中任意两个状态的压强、体积,玻意耳定律可表示为p2p1V1V2=或 p1V1=
47、p2V2如图 11-12 所示是一定质量的气体经历等温变化时的 p-V 关系曲线,叫做等温线(isotherm)。在 p-V 坐标系中,等温线是一条双曲线。利用玻意耳定律可以解释图 11-8 中浮沉子的运动。挤压大瓶时,大瓶内水面上方的封闭空气体积减小,压强增大,水被压入小瓶中,使小瓶中水的质量增加,小瓶所受浮力减小,于是小瓶下沉。示例 一个体积为 V 的气泡自池塘底浮起,如图 11-13 所示。若水深为 3 m,气泡从池底上升到水面时体积将变为原来的多少倍?(设水底和水面温度相同,大气压强 p0=1.0105 Pa,水的密度 =1.0103 kg/m)分析:由于水底和水面温度相同,而且气泡在
48、上升过程中质量没有发生变化,所以遵循玻意耳定律。只要算出气泡在水底和水面时的内部气体压强,即可求出体积的变化情况。解:在池底时,气泡内部气体压强 p1=p0+gh,体积 V1=V;当气泡浮到水面后,气体压强 p2=p0,体积为 V2。根据玻意耳定律p1V1=p2V2所以,p2p0p1V1(p0+gh)V=V2=1.0105(1.0105+1.01039.83)=1.29VV因此,气泡从池底上升到水面时体积将变为原来的 1.29 倍。在应用玻意耳定律解题时,首先要搞清楚是否满足温度不变和气体质量不变的条件,然后分清两个不同状态的压强和体积值。在运算过程中不一定要用国际单位,只要方程两边使用的单位
49、相同就可以了。图 11-11 玻意耳(R.Boyle,16271691)图 11-12 等温线图 11-1322第十一章 气体、液体和固体根据玻意耳定律,气体体积被压缩时压强增大,大客车的制动系统和车门开关机构通常就是以压缩空气作为动力来控制的。图 11-14 所示是位于大客车车门上方的双向气阀构造图。从图中可看出,电磁控制阀的作用是使压缩空气根据需要轮流从进气管进入汽缸内活塞的两侧,使活塞做往复运动,从而实现开门和关门的动作。STSE图 11-14 大客车双向气阀构造图 玻意耳定律的微观解释玻意耳定律反映了气体宏观状态的变化规律,这一规律可用分子动理论的观点从微观角度加以解释。气体的压强取决
50、于温度和容器内气体的分子数密度。当质量一定的气体温度不变时,气体的压强仅与气体的分子数密度有关。故体积越小,气体分子数密度越大,单位时间内撞击单位面积的分子数越多,气体的压强就越大。问题 思考与1.在本节的“自主活动”中,推活塞时感觉很费劲,有人说这表明分子间有斥力。请对此作出判断并简述理由。2.如图 11-15 所示,滴管尾部套有弹性橡胶球。挤压橡胶球,然后把滴管的玻璃嘴放入水中,松手后,水便进入滴管内部。解释上述现象。图 11-15 23第二节 气体的等温变化3.如图 11-16 所示,在球形瓶中放入一个气球,把气球的开口端翻在球形瓶的瓶口上,然后向气球内吹气,简述将要发生的现象及其原因。
51、4.湖底腐烂的植物释放出沼气,当遇到严寒天气时沼气泡在水中被冰冻起来,自下而上越来越大,形成一道有趣的风景(图 11-17)。(1)简述上述现象的成因。(2)若一个沼气泡从湖底升至湖面时体积加倍,估算湖水的深度。5.如图 11-18 所示的潜水钟(一种沉放到水下,研究水底情况的装置,也可作为检修大桥桥墩及其他建筑设施水下部分的潜水装置)高 2 m,开口端竖直向下沉到 10 m 深的水底,求进入钟内的水深 h。(设钟内封闭气体的温度保持不变,大气压强 p0=1.0105 Pa,水的密度=1.0103 kg/m3,g 取 10 m/s2)6.某小组同学应用玻意耳定律设计了一个测量大气压强的实验方案
52、:一端封闭、粗细均匀的玻璃管开口向上竖直放置,内有一段汞柱封闭了一定质量的空气,如图 11-19 所示。多次改变管内汞柱长度,测量多组汞柱的长度 h 和空气柱的长度 l;然后在 h-l1坐标系中描点作图。(1)写出所作图线的函数表达式。(2)如何利用该图线求出大气压强?图 11-18 图 11-19图 11-16 图 11-1724第十一章 气体、液体和固体第三节气体的等容变化和等压变化夏天,有经验的司机在上高速公路前,会把汽车胎压略微调低些,以预防爆胎;冬天从热水瓶里倒出一些热水后盖上瓶塞,过一段时间后很难拔出瓶塞。这些现象都说明一定质量的气体在体积不变时,压强会随温度变化而变化。气体的等容
53、变化一定质量的气体在体积保持不变情况下发生的变化叫做等容变化。我们可以通过下面的实验来研究气体等容变化过程中压强与温度的关系。如图 11-20 所示,与压强传感器相连的试管内装有封闭的空气和温度传感器的热敏元件。用远红外加热器加热试管内的气体,每隔一定时间记录一组压强与温度的值。图 11-20 研究等容情况下气体压强随温度的变化关系通过实验,可以获得如图 11-21 所示的气体压强 p 与热力学温度 T 的关系图像。图 11-21 气体压强 p 与热力学温度 T 的关系压强传感器温度传感器远红外加热器25第三节 气体的等容变化和等压变化实验表明,一定质量的气体在体积不变时,压强与热力学温度成正
54、比。这个规律叫做查理定律(Charless law)。如果用 p1、T1 和 p2、T2 分别表示一定质量的气体在等容变化中任意两个状态的压强、热力学温度,查理定律可表示为T1p1T2p2=如图 11-22 所示是一定质量的气体经历等容变化时的 p-T 关系曲线,叫做等容线(isochore)。在 p-T 坐标系中,等容线是一条过原点的倾斜直线。气体的等压变化一定质量的气体在压强保持不变情况下发生的变化叫做等压变化。实验发现:一定质量的气体在压强不变时,体积与热力学温度成正比。这个规律叫做盖 吕萨克定律(Gay-Lussacs law)。如果用 V1、T1 和 V2、T2 分别表示一定质量的气
55、体在等压变化中任意两个状态的体积、热力学温度,盖 吕萨克定律可表示为T1V1T2 V2=如图 11-23 所示是一定质量的气体经历等压变化时的 V-T 关系曲线,叫做等压线(isobar)。在 V-T 坐标系中,等压线是一条过原点的倾斜直线。图 11-22 和图 11-23 的原点对应 T=0 K。0 K(-273.15)是一个只能无限逼近但不能达到的温度极限,称为绝对零度(absolute zero)。图 11-22 等容线图 11-23 等压线将烧瓶和粗细均匀的 L 形玻璃管用橡皮塞连成如图 11-24所示的装置,在玻璃管内注入一小段油柱。设计一个用这个装置验证盖 吕萨克定律的实验方案。自
56、 主 活 动图 11-24 验证盖吕萨克定律AB26第十一章 气体、液体和固体在压强基本不变的情况下,孔明灯和热气球内的气体受热后温度升高,体积增大。由于孔明灯和热气球的容积不变,导致内部一部分气体从开口处溢出,内部气体的密度下降,从而使得孔明灯或热气球上升。示例 如图 11-25(a)所示,某种气体被一定质量的活塞封闭在容积为 1 m3 的汽缸中,初始状态时气体的压强为 p1=1.210 5 Pa、温度为 T1=200 K,封闭气体体积为V1=0.8 m3。现对气体缓慢加热,求:(1)活塞刚上升到汽缸顶部时 图 11-25(b),气体的温度 T2;(2)气体的温度升高到 T3=375 K 时
57、,气体的压强 p3。分析:在活塞缓慢上升的过程中,气体的压强始终等于大气压强与活塞压强的和,所以保持不变,气体经历了等压变化过程;活塞到达汽缸顶部后,气体的体积不再变化,压强随着温度的继续升高而增大,气体开始经历等容变化过程。解:根据已知条件,气体在三种情况下的状态参量如下状态,p1=1.2105 Pa,T1=200 K,V1=0.8 m3;状态,p2=1.2105 Pa,T2 未知,V2=1 m3;状态,p3 未知,T3=375 K,V3=1 m3。(1)从状态到状态,气体发生等压变化,根据盖 吕萨克定律有T1V1T2V2=故活塞刚上升到汽缸顶部时,气体的温度T2=V1 V20.81T1=2
58、00 K=250 K(2)从状态到状态,气体发生等容变化,根据查理定律有T2p2T3p3=故温度为 T3=375 K 时,气体的压强p3=T2T3250375p2=1.2105 Pa=1.8105 Pa图 11-25(a)(b)27第三节 气体的等容变化和等压变化气体状态发生变化时,压强、体积、温度一般同时发生变化。设容器内用活塞封有一定质量的理想气体,气体在初态 1 和末态 2 的状态参量分别为 p1、V1、T1 和 p2、V2、T2。利用气体实验定律和控制变量法可推得T1p1V1T2p2V2=这就是理想气体的状态方程,简称气态方程。对于一定质量的理想气体来说 TpV 是个常量,即TpV=C
59、C 是一个与气体质量和种类有关的常量,MmC=R,式中 m 是气体的质量,M 是该气体的摩尔质量,R 是常量,叫做普适气体常量。因此,对任何质量的某种理想气体有MmpV=RT这个关系式叫做克拉珀龙方程,在解决有关气体的实际问题中有着广泛的应用。在应用气体实验定律解决问题时,首先要搞清楚封闭气体有哪几个状态,分清不同状态时气体的压强、体积和温度,确定从一个状态到另一个状态的过程中是温度保持不变、还是体积或者压强保持不变,然后选择相应的实验定律。在运算过程中特别要注意温度必须采用热力学温标。理想气体玻意耳定律、查理定律和盖 吕萨克定律都是在压强不太大(和大气压相比)、温度不太低(和室温相比)的条件
60、下总结出来的气体实验定律。在这种条件下,气体分子之间的距离大约是分子直径的 10 倍,分子的体积和分子间的相互作用可以忽略不计。当压强很大、温度很低时,气体不再稀薄,分子的体积和分子间的相互作用会对气体的宏观性质产生影响,上述定律就不再适用。为了研究方便,可以设想一种气体,在任何压强、任何温度下都遵循气体实验定律,这样的气体叫做理想气体(ideal gas)。理想气体作为一种理想化的物理模型,完全忽略分子本身体积和分子间的相互作用。常温常压下,大多数实际气体都可近似看作理想气体。28第十一章 气体、液体和固体问题 思考与1.请解释下列现象。(1)保温杯中盛些热水后拧上杯盖,几小时后很难拧开杯盖
61、。(2)夏天给自行车车胎打气打得太足,在烈日下骑行时车胎可能爆裂。2.历史上,查理定律被发现时尚未建立热力学温标,因此查理定律的原始形式采用的是摄氏温标。若 0时的压强为 p0,试用摄氏温度 t 表述查理定律。3.冷藏室中密闭的某钢瓶内封有一定质量的气体。将钢瓶从冷藏室中移出并放置在常温环境中,分别在体积-摄氏温度(V-V-V t)坐标系 图 11-26(a)和压强-热力学温度(p-T)坐标系 图 11-26(b)中定性地画出钢瓶内气体状态参量在这一过程中发生的变化。4.用分子动理论、动量定理和统计观点解释查理定律和盖 吕萨克定律。5.如图 11-27 所示为一个土法爆米花铁质容器,把米倒入容
62、器后将盖盖紧,然后一边加热一边转动容器,同时观察容器上压强计的示数变化。当压强达到一定数值时,便可打开容器。就在打开容器的瞬间,米花爆成了。则:(1)加热过程中,容器中空气的密度和压强怎样变化?(2)描述在打开容器的瞬间米花生成的过程。6.汽车长时间停放在温度为 27的环境中。刚启动时,监测到四个轮胎的胎压如图 11-28(a)所示,行驶一段时间后的胎压如图 11-28(b)所示。试计算此时左前胎内气体的温度。(a)(b)图 11-26图 11-27图 11-28(a)(b)29第四节 液体的基本性质第四节液体的基本性质2013 年 6 月 20 日上午 10 点,在绕地飞行的“神舟十号”上,
63、航天员王亚平将一个金属圈插入饮用水袋后抽出,金属圈上形成了一个水膜。轻晃金属圈,水膜并未破裂,用饮水袋不断注水,水膜很快“长成”一个晶莹剔透的大水球(图 11-29)。水膜为什么会成为球形?图 11-29 太空舱内的大水球 液体的微观结构液体没有确定的形状,具有流动性;有确定的体积,不易被压缩,其性质介于固体和气体之间。液体汽化时体积膨胀上千倍,凝固时体积收缩不超过 10%。液体分子的热运动主要是在平衡位置附近的微小振动。但液体分子没有固定的平衡位置,它们在某一平衡位置附近振动一小段时间后,又移到另一个平衡位置附近做微小振动这就是液体具有流动性的原因。液体分子是聚集在一起的,因此液体具有确定的
64、体积,且不易被压缩。但液体分子的位置只在很小的区域内表现出一定的规律性,而且这种区域随时可能瓦解再重新组合。从更大的范围来看,液体分子的位置则具有明显的不确定性。宏观的液体就是大量暂时形成的分子集团的组合,这些分子集团杂乱无章地排列着,因而液体在各个方向上的物理性质都相同。30第十一章 气体、液体和固体 液体的表面张力在图 11-30(a)的情形中,如用热针刺破棉线一侧的薄膜,棉线会向另一侧收缩,呈圆弧形;而在图 11-30(b)的情形中,刺破棉线圈内的薄膜,棉线圈会扩张成圆形。这些现象说明,液面对边缘有垂直于边缘的吸引力。如果在液面上任意设想一条直线,如图 11-31(a)中的 MN,则直线
65、两侧的液面、必定以相等的力相互吸引,如同彼此间存在拉力,而且这一拉力垂直于直线。这个拉力称为表面张力(surface tension)。可见,表面张力有使液体表面收缩的趋势。表面张力源于液体分子间的引力作用。我们已经知道两个分子之间的作用力随彼此间距离变化的关系,在分子间距为 r0 时引力和斥力平衡。在通常温度下,由于热运动,液体内部相邻分子间的距离比 r0 略大,因此分子间作用力表现为引力。对表面而言,情形和内部有所不同。如图 11-31(b)所示,液体表面分子密度比内部小,相邻分子间距离略比内部大,因而分子间引力也比内部略大。设想一个处在表面层的分子,必受到前后左右分子的引力。由于存在这一
66、引力,图 11-31(a)中 MN 左侧的液面对右侧的液面有吸引作用,液面对液面也有吸引作用,表现为表面张力。可见,表面张力的根源就是表面层液体分子间的引力。图 11-31 液体的表面张力(a)(b)将系有松弛棉线的铁丝环浸入肥皂液中再轻轻提起来,使环上结成肥皂薄膜。(1)如图 11-30(a)所示,用热针刺破棉线一侧的薄膜,观察发生的现象。(2)如图 11-30(b)所示,用热针刺破棉线圈内的薄膜,观察发生的现象。自 主 活 动图 11-30 观察肥皂膜和棉线变化的实验(a)(b)31第四节 液体的基本性质在图 11-30(a)的情形中,薄膜未刺破时棉线两边分子相互吸引,棉线两边液面的表面张
67、力平衡。如刺破一侧薄膜,刺破侧的液面消失,棉线便成为另一侧薄膜表面的边缘,垂直于棉线的表面张力使液面收缩,棉线便呈圆弧状。而在图 11-30(b)的情形中,圈内薄膜被刺破后,圈外薄膜的表面张力将棉线圈拉成圆形。在表面张力的作用下,液体的表面积趋于最小。如图 11-32 所示,由于相同的体积下球形的表面积最小,小草上的露珠在表面张力的作用下近似呈球形。在完全失重的太空舱中,由于没有重力的作用,水膜在表面张力的作用下形成了完美的球形,如图 11-29 所示。图 11-32 小草上的水珠将洁净的玻璃片和石蜡块分别浸入水中后取出,观察玻璃片和石蜡的表面是否都被水浸湿。自 主 活 动通过上述活动,可以发
68、现玻璃表面沾上一层水,且扩张成薄层,这种现象叫做浸润(wetting);而石蜡表面不沾水,这种现象叫不浸润。同种液体对一些固体是浸润的,对另一些固体是不浸润的。例如,水能浸润玻璃,但不能浸润石蜡。同种固体能被一些液体浸润,而对另一些液体则不能被浸润。例如玻璃能被水浸润,而不能被汞浸润。固体能否被液体浸润,取决于固体分子对液体分子的作用力与液体内部分子相互作用力的关系。在液体与固体的接触处形成的液体薄层叫附着层。当固体分子对附着层内液体分子的吸引力大于液体内部分子间的吸引力时,附着层液体有沿固体壁扩展的趋势,这就形成了液体对固体的浸润现象。由于上述原因,试管中的液体浸润玻璃时,管壁附近的液面向下
69、弯曲呈凹状,如图 11-33(a)所示。浸润现象32第十一章 气体、液体和固体 毛细现象通过上述活动,可以发现水对玻璃浸润、对塑料不浸润。细玻璃管内的水面高于管外水面,而且管越细,管内水面越高;塑料吸管内的水面低于管外水面,而且管越细,管内水面越低。浸润液体在细管中上升和不浸润液体在细管中下降的现象叫做毛细现象(capillarity)。内径小到足以发生明显毛细现象的管道叫毛细管。毛细现象在自然界和生活中普遍存在。纸张、纺织品、粉笔等能吸水,就是由于水能浸润这些多孔性物质(即具有大量毛细管)产生了毛细现象。脚踩在海边的沙滩上,一会儿脚下就渗出水来,这是因为沙中的孔隙变细,形成毛细管,水就容易上
70、升到地面上来。大家谈天旱的时候,农民常用锄头松土来保持土壤中的水分;涝灾的时候则用滚轮压紧地面来排水,你能说说其中的道理吗?如图 11-34 所示,分别将三根内径不同的细玻璃管和三根内径不同的塑料吸管插入两个水槽中。比较六根管内外水面的高低及其与管内径的关系。自 主 活 动图 11-34 水对玻璃浸润、对塑料不浸润(a)细玻璃管(b)塑料吸管当固体分子对附着层内液体分子的吸引力小于液体内部分子间的吸引力时,附着层液体有收缩趋势,这就造成了液体对固体的不浸润现象。例如,汞气压计玻璃管中的汞面是凸形的弯月面,就是因为汞不浸润玻璃,如图 11-33(b)所示。图 11-33 浸润和不浸润(b)(a)
71、33第四节 液体的基本性质问题 思考与1.布伞伞面的孔隙肉眼可见,但雨水却不会从孔隙漏下,简要解释这个现象。2.如图 11-35 所示,经常可以看到小昆虫水黾在池塘的水面上跳来跳去,为什么它不会沉入水里?3.从液体性质的角度解释下列常见现象:(1)将食用油灌入小口瓶时,常在瓶口插一根竹筷或玻璃棒,油就可以沿着竹筷或玻璃棒流入瓶中,而不会流到瓶子外面。(2)医生处理患者伤口时,要用消毒后的脱脂棉,而不用消毒后的天然棉。(3)钢笔在油性纸上写不出字来,在棉质纤维构成的滤纸上写字却会化开。4.如图 11-36 所示,在几个花盆的中间放一盆水,用吸水较好的粗纱带或粗布条,一头浸在盆内的水中,另一头埋在
72、盆土中。这样盆中的水就会慢慢渗入花盆的土中,花盆中的泥土可以长期保持湿润,简述理由。图 11-35图 11-3634第十一章 气体、液体和固体第五节固体的基本性质冬天,漫天的雪花从空中飘落令人欣喜。如果用放大镜观察,晶莹剔透的雪花(图 11-37)则会让你看到一个奇幻的世界。大自然创造的每一片雪花都是独特的,可是它们大多有“六个枝条”,在外形上体现出一定的规则性。晶体和非晶体自然界中大量物质都以固体形式存在。固体是物质的一种凝聚形态。从结构上说,一般可以把固体分成晶体(crystal)和非晶体(amorphous matter)两大类。常见的晶体有食盐、石英、云母等,常见的非晶体有玻璃、松香、
73、橡胶等。图 11-37 雪花你知道什么是凝聚态物质吗?物质除了气、液、固三种常见状态外,还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态(如超流态)等。除稀薄气体外,包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态。人们对凝聚态物质的研究是从结构最有规律的晶体开始的。晶体具有规则的几何形状,非晶体则没有。图 11-38 所示的是三种常见晶体的形状。(a)食盐(b)明矾(c)石英图 11-38 三种常见晶体的形状35第五节 固体的基本性质晶体又分为单晶体和多晶体,整块物体就是一个晶体的叫做单晶体(single crystal),例如图 11-38 中所示的晶体和作为半导体工业重要原材
74、料的单晶硅和单晶锗。若整块物体由大量不规则排列的小晶体组成,就叫做多晶体(polycrystal)。常见的金属材料大多是多晶体。多晶体没有规则的几何外形。另外,许多物理性质上的差异也可以用于区分晶体和非晶体。分别在云母薄片和玻璃片上表面涂一层很薄的石蜡,用烧热的钢针去接触它们的下表面,比较观察到的结果。如图 11-39 所示,云母片上熔化的石蜡呈椭圆形,玻璃片上熔化的石蜡呈圆形。这表明云母在各个方向上的导热性能是不一样的;而玻璃在各个方向上的导热性能是相同的。沿着不同方向撕开云母片,所需用力的大小不同,说明云母晶体在不同方向上的力学性质也是不同的;沿任意方向敲打玻璃,玻璃都会“粉身碎骨”,说明
75、玻璃在各个方向的力学性质都相同。晶体在不同方向上的物理性质(力学、热学、电学、光学性质等)不同,这种现象称为各向异性(anisotropy)。非晶体在不同方向上的物理性质相同,这种现象称为各向同性(isotropy)。这是区别晶体与非晶体的一个重要特征。组成多晶体的大量小晶体的排列是杂乱无章的,因此多晶体的物理性质在整体上表现为各向同性。除了常见的晶体以外,自然界中的大多数固体都是晶体,甚至构成生命的物质基础蛋白质、核酸,以及许多活着的病毒也是晶体。图 11-39 石蜡熔化区域的形状(a)石蜡在云母片上熔化(b)石蜡在玻璃片上熔化晶体和非晶体之间有时可以相互转化。天然水晶是晶体,而熔化以后再凝
76、结成的水晶石英玻璃却是非晶体。非晶体在一定条件下也可以转化为稳定的晶体,这一转化叫做晶化过程。晶体的微观结构为什么晶体和非晶体会有上述差异?归根结底,固体的宏观物理性质与组成固体的分子或原子的排列有关,这就涉及晶体的内部结构。固体中分子或原子间距离约为 0.1 nm 量级,相互作用比较明显。组成晶体的微粒(分子、原子、离子或它们的团簇)依照一定的规律在空间整齐地排列,构成“空间点36第十一章 气体、液体和固体阵”。如图 11-40 所示,食盐的晶体是由钠离子(图中红点)和氯离子(图中蓝点)组成的,它们等间距地交错排列在三组互相垂直的平行线上,每个钠离子的周围有六个氯离子,每个氯离子的周围有六个
77、钠离子。组成晶体的微粒在固定的平衡位置附近不停地做微小振动,因此晶体具有规则的外形。当晶体从外界吸收热量时,微粒的振动加剧,温度升高。当晶体的温度达到熔点时,微粒的剧烈振动会破坏其原有的规则排列,空间点阵瓦解,于是变成液体。在此过程中,晶体吸收的热量用来逐步破坏它的空间点阵,所以固液混合物的温度并不升高。晶体完全熔化后,随着继续从外界吸收热量,温度又开始升高。非晶体由于微粒的排列不规则,吸收热量后微粒的振动不断加剧,温度持续升高,非晶体由硬变软,最后变成液体。因此,晶体有固定的熔点,非晶体无固定的熔点。图 11-40 食盐的空间点阵图 11-42 石墨和金刚石的空间点阵(b)金刚石晶体(a)石
78、墨晶体大家谈了解了晶体和非晶体的微观结构,你有什么办法可以区分多晶体和非晶体吗?图 11-41 表示晶体物质微粒在一个平面上的排列情况。在图中所画出的三条等长线段 AB、AC、AD 上,物质微粒的数目、间距不同,因而导致晶体在不同方向上的物理性质的不同,这就造成了晶体的各向异性。同种元素的原子可能组成不同的空间点阵,从而形成形状和性质都很不同的晶体,叫做同素异形体。例如,金刚石和石墨就是碳原子组成的同素异形体。如图 11-42 所示,石墨的空间点阵是层状结构,层与层之间距离较大,相互作用较弱,沿着这个方向很容易把石墨一层层剥下来,甚至制成单层石墨石墨烯;金刚石中的碳原子形成四面体型结构,原子间
79、距离较小,相互作用很强,所以金刚石的硬度很大。图 11-41 晶体各向异性的缘由37第五节 固体的基本性质2004 年,英国曼彻斯特大学的盖姆(A.Geim,1958)和诺沃肖洛夫(K.Novoselov,1974)用一种特殊胶带从石墨上撕下了单层的石墨片石墨烯,他们因此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯的原子排列如图 11-43 所示。石墨烯是目前已发现的最轻、最薄但强度最大、导电性能最好的物质,它的厚度仅相当于人类头发丝的十万分之一,强度却可以达到钢铁的 200 多倍。石墨烯可广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏等方面。石墨烯制成的晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定
80、地工作,并且可以达到极高的工作频率。图 11-44 所示的是以石墨烯为基础材料制成的柔性显示屏,它是未来移动设备显示屏的发展方向。另外,石墨烯在新能源电池行业也有着广泛的应用前景。石墨烯的发现,开创了一个新的晶体类型单分子层材料。单分子层材料可进一步组合形成新型复合材料,拓展了人类对于物质世界和微观世界的认识。STSE图 11-43 石墨烯的原子排列图 11-44 柔性显示屏 液晶1888 年,奥地利科学家莱尼兹尔做实验时发现,将“安息香酸酯”晶体加热到145.5时会熔化为浑浊的液体,继续加热到 178.5时又变得清澈透明了。后来,德国物理学家列曼把上述那种处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶。
81、液晶既像液体一样具有流动性和连续性,其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式,在光学上具有各向异性等晶体特有的物理性质。图 11-45 所示是固态、液晶态和液态分子排列的示意图,液晶态的分子排列方式介于固态和液态之间,所以也称为介晶态。图 11-45 固态、液晶态和液态分子的排列示意图38第十一章 气体、液体和固体不加电压时,液晶是透明的;加电压时,液晶不透明,光线不能通过。利用液晶的这一特性可制成各种显示元件。在液晶中掺入少量多色性染料,染料分子与液晶分子结合,对液晶施加电场,电场强度不同时,液晶对不同颜色光的吸收强度不同,就能显示出各种颜色。彩色液晶显示器广泛地应用于电视机、计算机、大屏幕
82、等的显示。与其他显示技术相比,液晶显示具有低电压、低功耗两大突出的优点。目前,液晶已经广泛应用于电子工业、航空航天工业、生物、医学等众多领域,液晶的基础理论研究已成为凝聚态物理学的一个重要分支。液晶一定还有更广泛的应用,有待于今后进一步去研究开发。问题 思考与1.各向同性的材料一定是非晶体吗?举例说明。2.根据晶体、非晶体、多晶体的基本性质完成表 11-3。表 11-3晶体非晶体多晶体有规则的几何外形没有确定的熔点物理性质各向同性3.某同学为了检验一块薄片是不是晶体,做了如下的实验。如图 11-46 所示,他以薄片中央 O 为原点,建立 xOy 平面直角坐标系,分别取 A(x1,0)、B(0,
83、y1)两点,且 x1=y1。在 A、B 两点各固定一个相同的温度传感器,将一个针状热源放在 O 点,观察并记录 A、B 两点的温度变化情况。通过实验,他发现 A、B 两点的温度变化情况完全相同,由此他得出结论:该薄片是非晶体。是否可以由这样的过程得出上述结论?简述理由。图 11-4639第六节 材料及其应用简介第六节材料及其应用简介人类历史经历了石器时代、青铜器时代、铁器时代等,这种对时代的划分以当时人类用来制作有用物件的主要材料作为标准。可见,材料是人类赖以生活和生产的物质基础。新材料作为高新技术的基础和先导,新材料技术同信息技术、生物技术一起成为 21 世纪最重要和最具发展潜力的领域。根据
84、结构组成,新材料可以分为新型金属材料、新型无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。新型金属材料密度小、强度高,广泛地应用于航空航天行业。新型无机非金属材料,包括工业陶瓷、化合物半导体等。工业陶瓷耐高温、耐腐蚀,化合物半导体则是重要的电子材料。有机高分子材料包括塑料、橡胶和纤维。塑料强度高,种类多,可应用于机械、电子等工业。合成橡胶具有高弹性、耐磨、耐寒、耐热、耐油、高气密性等特点,用于制作密封件等。化学纤维强度高、耐磨、耐腐蚀、化学稳定性好,可用于化工、复合材料等。复合材料具有单一材料所没有的优异性能。例如,利用树脂的易加工特性和陶瓷材料、纤维材料的高强度、高刚度、耐高温特性制作的树脂基复合
85、材料,在航空航天、电子电气、化工等众多领域得到了广泛应用。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,如硅、锗、氧化亚铜、砷化镓等。当今许多电子产品的核心都是集成在毫米级硅芯片上的半导体器件。半导体有两种类型:N 型半导体和 P 型半导体。以半导体硅为例,在硅的单晶体中,掺入少量的磷,磷原子和硅原子形成共价键后就多出了一个自由电子,能参与导电。这类半导体主要以自由电子参与导电,叫做 N 型半导体(也叫电子型半导体),如图 11-47 所示。如果在硅中掺入少量的硼,硼原子和硅原子形成共价键后就多出一个空位,叫做空穴。这个空穴很容易被附近的电子填补,而出现新的空穴。电子的这种填补运动,从效
86、果上看相当于空穴向着反方向运动。空穴相当于一个带正电的粒子,能导电。这类半导体主要以空穴参与导电,叫做 P 型半导体(也叫空穴型半导体),如图 11-48 所示。40第十一章 气体、液体和固体图 11-47 N 型半导体的共价键结构图 11-48 P 型半导体的共价键结构图 11-50 晶体管收音机的内部图 11-51 计算机主板的中央处理器(CPU)半导体技术的发展,使人类成功地进入了微电子时代,这是科学和技术紧密结合发展的成果。如使 P 型半导体和 N 型半导体紧密接触,它们的交界处出现空穴和电子的浓度差。P 区内的空穴向 N 区扩散,N区内的电子向 P 区扩散。扩散的结果使得 P 区失去
87、空穴,留下带负电的离子;N 区失去电子,留下带正电的离子。由于物质结构的关系,这些离子不能自由移动,因此它们不参与导电,称为空间电荷。它们集中在 P 区和 N 区的交界面附近,形成一个很薄的空间电荷区,这就是所谓的 PN 结,如图 11-49 所示。空间电荷区存在电场,电场的方向由带正电的 N 区指向带负电的 P 区。这个电场是由电子和空穴的扩散运动形成的,称为内电场。内电场有阻碍扩散的作用。在一个 PN 结上加上相应的电极引线并用管壳封装,便可组成一个晶体二极管。当二极管加正向电压,即 P 型区接电源正极时,二极管导通;当加上反向电压,即 N 型区接电源正极时,几乎没有电流产生,二极管截止。
88、这就是晶体二极管的单向导电性。早期的电子产品中,电阻器、电容器、电感器、二极管等电子元件都是一个个分别安装在印刷电路板上的,如图 11-50 所示。用这种方式做成的电子产品体积大,消耗电能多,并且容易出故障。后来,人们把一个电子电路的所有元件按电路要求制作在一小块半导体硅片上,这就是集成电路,也称作芯片。现代集成电路技术目前已经可以把超过百亿个晶体管等电子元件的复杂电路制作在一枚硬币大小的芯片上(图 11-51)。图 11-49 PN 结41第六节 材料及其应用简介 纳米材料可以观察到单个原子的“扫描隧道显微镜”于 1982 年发明以后,世界上便诞生了纳米科技以尺度为 0.1100 nm 的物
89、体为研究对象的科学技术。纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。纳米材料的制备和研究是纳米科技的基础。纳米材料有很多种类,可分为金属、陶瓷、有机、无机以及复合纳米材料等。纳米材料具有许多奇特性质,主要表现在材料的强度、韧性、比热容、电导率(电阻率的倒数)、对电磁波的吸收性,甚至熔点、颜色等都会发生出乎意料的变化。例如,任何金属颗粒的大小达到纳米数量级以后,都会呈现黑色,这种特性有利于将太阳能高效率地转化为内能;利用纳米技术制成的超细材料,其韧性、强度、硬度会大幅提高。纳米材料的这些性质,使其在能源、环保、通信、航空航天、医疗等方面有着极其广阔的应用前景。20 世纪 70
90、年代,科学家发现荷叶表面有许多微米尺度的乳突,乳突上还有纳米尺度的结构(图 11-52)。这种复合结构是荷叶表面对水不浸润的根本原因。在这种结构上会牢牢附着一层空气,滚圆的水珠“浮”在上面,滚来滚去,绝不会对荷叶表面有任何浸润作用。当叶面倾斜到一定角度时,水珠会沿着叶面滑落并带走上面的污染物,达到自洁的效果。模仿荷叶自洁的功能,可以应用表面纳米结构的技术开发出自洁、抗污的纳米涂STSE超导材料指低于特定温度(即临界温度)时会转变为零电阻状态的物质。除了零电阻效应外,超导材料的另一个基本特征是完全抗磁性(迈斯纳效应),处于超导态的物体完全排斥磁场,磁感线不能进入超导体内部。传统超导材料一般在温度
91、低于 30 K 时才会产生超导现象,因此需要使用液氦或制冷机才能维持超导态。20 世纪 80 年代发现的高温超导材料可以在 77 K 以上表现出超导性。2000 年以来,发现了硼化镁的超导性,其突出优势是易于加工。另外,铁基超导体的发现和研究也备受关注。超导材料可以应用于需要大电流和强磁场的场合,如超导发电、输电、储能、超导磁浮列车等;也可以应用于需要小电流和弱磁场的场合,如利用超导隧道效应(约瑟夫森效应)制作超导量子干涉器、微波器件、超导计算机等。42第十一章 气体、液体和固体料。这项技术普及后,不会脏的地板、墙壁和不受灰尘影响的电子产品将会不断地出现,人类的生活也会更加方便、舒适。图 11
92、-52 荷叶表面的放大结构问题 思考与1.有人说晶体熔化后便成为液晶,对不对?简述理由。2.如果把直径为 10 nm 的颗粒放在一个乒乓球上,相当于把多大的球放在地球上?3.在日常生活中随处可见半导体电子产品。能否举例说说半导体还有哪些应用?给人们生活带来哪些改变?4.纳米材料具有独特的性质,因此有着奇妙的用途。试设想一项纳米材料的应用。43小结基本概念和基本规律玻意耳定律:一定质量的气体在温度不变时,压强与体积成反比。查理定律:一定质量的气体在体积不变时,压强与热力学温度成正比。盖 吕萨克定律:一定质量的气体在压强不变时,体积与热力学温度成正比。理想气体:一种理想化的物理模型,完全忽略气体分
93、子自身体积大小和分子间相互作用力,在任何压强、任何温度下都遵循气体实验定律。表面张力:使液体表面具有收缩趋势的作用力。毛细现象:浸润液体在细管中上升和不浸润液体在细管中下降的现象。基本方法通过建立气体状态参量的过程,感受类比联想的方法。通过研究气体实验定律的过程,感受数据获取、分析和处理过程中的控制变量法、图像法。通过理想气体模型、晶体空间点阵结构模型以及等温、等容等理想过程的学习,感受模型建构的方法。知识结构图小 结物质的状态气体状态参量气体实验定律液体表面张力毛细现象固体晶体非晶体单晶体玻意耳定律查理定律盖吕萨克定律探究建模建模多晶体44第十一章 气体、液体和固体复习 巩固与1.判断下列哪
94、些现象与液体表面张力有关。(1)雨滴几乎成球形。(2)肥皂泡的形成。(3)毛笔蘸水后,笔头聚拢。(4)船舶能漂浮在水面上。2.关于晶体和非晶体,判断下列说法是否正确,并简述理由。(1)铜可以制成各种粗细的铜丝,也可以制成各种形状的铜块,所以铜是非晶体。(2)雪花有规则的几何形状,所以是晶体;冰块没有规则的几何形状,所以是非晶体。(3)石英玻璃和天然水晶的化学成分都是二氧化硅,所以它们都是晶体。(4)石墨和金刚石都是由碳原子组成的,虽然结构不同,但都是晶体。3.一定质量的气体,当温度恒定时,压强随体积的减小而增大;当体积恒定时,压强随温度的升高而增大。从微观角度来分析这两种压强增大的过程的差异。
95、4.中医上常用“拔火罐”来治疗某些疾病。将点燃的纸片放入一个小罐内,当纸片烧完时,迅速将火罐开口端紧压在皮肤上,火罐就会紧紧地被“吸”在皮肤上。简述这一现象的成因。5.如图 11-53 所示,一端封闭的玻璃管倒插在汞槽中,其上端封闭了少量空气。现保持温度不变,将玻璃管稍向上提起一段距离,判断管内空气柱长度 l、管内外汞面高度差 h 如何变化,并简述理由。6.如图 11-54 所示,质量为 m 的汽缸放在水平地面上,活塞连同手柄的质量为 m0,活塞的截面积为 S,大气压强为 p0,起初活塞静止在距离汽缸底部高为 h 的位置。现将活塞缓慢向上提,若不计摩擦和气体温度的变化,活塞向上提多少距离可以将
96、汽缸提离地面。7.如图 11-55 所示,在烧瓶口插入细玻璃管,管的另一端与汞压强计相连,烧瓶中封闭着一定质量的气体,气压计 U 形管两臂内的汞面一样高。现将烧瓶浸入热水中,为保持气体的体积不变,应如何移动 A 管?为保持气体的压强不变,又该如何移动 A 管?8.估算标准状态下氢气中分子的体积占气体体积的百分比。若保持温度不变,将压强升至原来的 100 倍,估算此时气体中分子体积的占比。此时是否仍然能将气体视作理想气体?说明理由。图 11-53图 11-54图 11-5545 9.在“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”的实验中,某同学利用实验中采集的数据,建立 V-V-Vp1 坐标系
97、,获得了 V-V-Vp1 的函数图像及其函数表达式,结果如图 11-56 所示。他又收集了其他几个小组的实验数据,进行了同样的数据处理后,发现了一个共同的现象:图线都没有过坐标原点,并且都与 V 轴负半轴相交。(1)分析实验图像不经过坐标原点的原因。(2)根据上述分析,设计一个测量一颗绿豆体积的实验方案。10.17 世纪时伽利略曾设计过一个温度计,其结构如图 11-57 所示。一根几十厘米长、麦秆粗细的玻璃管,一端与一鸡蛋大小的玻璃泡相连,另一端竖直插在水槽中,并使玻璃管内吸入一段水柱。根据管中水柱高度的变化可测出相应的温度。根据以上信息回答下列问题。(1)管中水柱的高度随着温度的升高如何变化
98、?(2)关于温度变化时玻璃泡内的气体经历的变化,甲同学认为可近似看作等容变化,乙同学认为应该近似地看作等压变化。评价这两种看法,并说明理由。(3)这个温度计的设计有哪些不足之处?图 11-57图 11-56复习与巩固V/mL/(kPa-1)46第十二章 热力学定律第十二章热力学定律自然界各种运动形式都对应特定的能量,与分子热运动对应的能量称为内能。蒸汽机的制造、改进和应用大大促进了人类对内能改变方式和规律的探究。俗话说“覆水难收”,泼洒在地上的水不会自行回到杯中,自然界的许多过程都是不可逆的。人类通过大量类似实践,先后发现了系统内能变化过程的规律热力学第一定律和自然界宏观过程方向性的规律热力学
99、第二定律。在必修第三册中我们已经学习了能源和可持续发展,在本章中将知道热力学第一定律;了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程;理解并运用能量守恒定律解释自然现象;了解热力学第二定律。通过人类发现热力学第一定律和能量守恒定律的史实,体会实践、挫折和失败对科学发现的意义以及人类探索真理的艰辛,进一步培养科学态度。在运用能量守恒定律和了解热力学第二定律的过程中,领悟守恒思想的价值,从能量转化的方向性认识能源开发、节能技术和新能源对人类生存的意义,完善对能量的认识,提升能量观念。热力学第一、第二定律也是讨论能源问题的重要理论基础。47第一节 物体的内能第一节物体的内能人们对能量的认识和利用经历了漫
100、长曲折的过程,蒸汽机是人类最早利用内能的机器之一。到 18世纪 60 年代末,英国发明家瓦特改进了蒸汽机的结构,发明了效率更高、更为实用的蒸汽机(图 12-1)。高效率蒸汽机的广泛使用是第一次工业革命的重要标志,意味着人类进入了工业化时代。蒸汽机将蒸汽的内能转化为机械能。内能宏观上是与状态有关的能量,微观上是分子热运动能量的总和。物体的内能图 12-1 瓦特发明的高效率蒸汽机模型小电扇为什么能运转呢?使它运转的能量来自哪里?我们知道,物体是由大量分子组成的,分子在做永不停息的无规则运动。像一切运动着的物体一样,做热运动的分子也具有动能,这就是分子动能,表示为Ek=mv221式中 m 为分子的质
101、量,v 为分子热运动的速率,Ek 为分子的动能。如图 12-2 所示,中间隔开的容器两侧分别盛有热水和冷水。由 P 型半导体和 N 型半导体连接而成的温差发电片与小电扇构成回路,在温差发电片两侧分别固定导热金属支架。将金属支架分别插入两侧的冷水和热水中,电扇就会不停地运转。自 主 活 动图 12-2 温差发电48第十二章 热力学定律单个分子的运动状态是随机的,但可以从统计的角度了解大量分子热运动的宏观表现。在研究热现象时,我们关心的是组成物体的所有分子动能的平均值,即21Ek=mv2式中v2是所有分子速率平方的平均值,Ek 叫做分子平均动能。温度越高分子热运动越剧烈,分子平均动能越大。因此,从
102、分子动理论的观点来看,温度是物体分子热运动平均动能的量度。做热运动的分子间存在相互作用力,这种作用力仅与分子间的距离有关。当分子间的距离发生变化时,分子间相互作用力会引起由分子间相对位置所决定的某种能量的变化,物理学中把这种能量称为分子势能。分子间相互作用力与分子间距离的关系如图 12-3(a)所示,由图可知,分子间距离 r=r0 时,分子间相互作用力为零。当 r r0 时,分子间相互作用力表现为引力,这时增大 r必须克服分子间引力做功,分子势能 Ep 随分子间距离 r 增大而增大。反之,当 r Epmin 时,物质分子将尽可能地充满能占据的空间,物质呈气态;当Ek m,原子发射电磁波,反之,
103、原子吸收电磁波。这一关系称为频率条件。玻尔运用经典理论结合上述量子化假设,给出了氢原子核外电子所有可能的轨道半径以及电子在各条轨道上运动时氢原子的能量(电子绕核运动的动能以及电子与氢原子核间静电相互作用的电势能的代数和)。玻尔的计算结果是rn=n2r1En=(n=1,2,3,)n2E1式中,r1 为核外电子第 1 条(离原子核最近的一条)可能的轨道半径,E1 为电子在半径为r1 的轨道上运动时氢原子的能量;rn、En 分别表示第 n 条可能的轨道半径和电子在半径为利用广义巴尔末公式,氢原子各系列谱线波长经验公式分别是:紫外区的赖曼系(m=1),(n=2,3,4,)-12n211R=1;可见光区
104、的巴尔末系(m=2),(n=3,4,5,)-22n211R=1;近红外区的帕邢系(m=3),(n=4,5,6,)-32n211R=1;红外区的布喇开系(m=4),(n=5,6,7,)-42n211R=1。73第三节 玻尔的原子模型rn 的轨道上运动时氢原子的能量。根据玻尔的计算,r1=5.310-11 m,E1=-13.6 eV。氢原子各个定态的能量,叫做氢原子的能级(energy level),以上关于 En 的表达式就称为氢原子的能级公式。在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离原子核最近的轨道上运动。我们将最低能级(量子数 n=1)对应的定态称为基态。当原子从外界吸收的电磁波能量符合
105、玻尔理论中的频率条件时,原子从基态跃迁到能量较高的状态(n 1),核外电子便相应地在离核更远的轨道上运动。能量高于基态能级的定态叫做激发态。原子从高能级激发态向低能级激发态或基态的跃迁过程是向外辐射电磁波的过程,这就形成了原子发光的现象。原子向外辐射的电磁波能量也一定满足频率条件,从而形成不连续的明线光谱。大家谈如果将图 13-14 中的台阶编号比作量子数 n,那么图中台阶的间隔可以比作什么?台阶间隔变化的含义是什么?图 13-14 原子能级的“阶梯”氢原子各能级的能量是不连续的,这称为能量的“量子化”。请根据图 13-13(a)、(b)中木箱重力势能取值的特点对能量的“连续性”和“量子化”进
106、行比较(以地面为重力势能零势能面)。自 主 活 动图 13-13 斜面和阶梯74第十三章 原子结构用一系列水平线表示原子的能级,按能级高低自下而上排列,使相邻水平线之间的距离与相应的能级差成正比。这样的一系列水平线便构成原子的能级图。图 13-15 为氢原子的能级图。水平线左端为相应能级对应的量子数 n,右端为原子处于该能级时的能量值(以 eV 为单位)。能级图中的水平线呈现“上密下疏”的分布特点。当量子数很大时,相应能级的水平线将很密集地“挤”在一起,这时原子一般已接近电离状态,而量子化能量也逐渐趋于连续。玻尔理论对氢原子光谱的解释玻尔解释了巴尔末系各条谱线的波长分布,获得了很大的成功。从玻
107、尔理论的角度而言,巴尔末系中的谱线是氢原子由 n 2 的能量较高能级向 n=2 的能量较低能级跃迁时向外辐射的电磁波所形成的。根据玻尔理论的频率条件,巴尔末系的谱线频率 满足(n=3,4,5,)-22n211h=En-E2=-E1利用真空中电磁波波长、频率与波速的关系 v=c,上式可改写成-22n211=-1hcE1此式与广义巴尔末公式的形式相同,且里德伯常量 R=-hcE1。将有关数据代入可得,R=1.097 373107 m-1,与 R 的实验测量值符合得很好。不仅如此,玻尔还成功地预言了氢原子光谱在紫外区和红外区会有新的谱线。玻尔理论发表的第二年,即 1914 年,德国物理学家弗兰克(J
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