分子動(dòng)理論
一、教學(xué)目標(biāo)
1．在物理知識(shí)方面要求：
（1）知道分子的動(dòng)能，分子的平均動(dòng)能，知道物體的溫度是分子平均動(dòng)能大小的標(biāo)志。
（2）知道分子的勢(shì)能跟物體的體積有關(guān)，知道分子勢(shì)能隨分子間距離變化而變化的定性規(guī)律。
（3）知道什么是物體的內(nèi)能，物體的內(nèi)能與哪個(gè)宏觀量有關(guān)，能區(qū)別物體的內(nèi)能和機(jī)械能。
（4）知道做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，知道兩者的區(qū)別，了解熱功參量的意義。
2．在培養(yǎng)學(xué)生能力方面，這節(jié)課中要讓學(xué)生建立：分子動(dòng)能、分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、物體內(nèi)能、熱量等五個(gè)以上物理概念，又要讓學(xué)生初步知道三個(gè)物理規(guī)律：溫度與分子平均動(dòng)能關(guān)系，分子勢(shì)能與分子間距離關(guān)系，做功與熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的關(guān)系。因此，教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解能力。
3．滲透物理學(xué)方法的教育：在分子平均動(dòng)能與溫度關(guān)系的講授中，滲透統(tǒng)計(jì)的方法。在分子間勢(shì)能與分子間距離的關(guān)系上和做功與熱傳遞關(guān)系上都要滲透歸納推理方法。
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析
1．教學(xué)重點(diǎn)是使學(xué)生掌握三個(gè)概念（分子平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、物體內(nèi)能），掌握三個(gè)物理規(guī)律（溫度與分子平均動(dòng)能關(guān)系、分子勢(shì)能與分子之間距離關(guān)系、熱傳遞與功的關(guān)系）。
2．區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量三個(gè)物理量是教學(xué)上的一個(gè)難點(diǎn)；分子勢(shì)能隨分子間距離變化的勢(shì)能曲線是教學(xué)上的另一難點(diǎn)。
三、教具
1．壓縮氣體做功，氣體內(nèi)能增加的演示實(shí)驗(yàn)：
圓形玻璃筒、活塞、硝化棉。
2．幻燈及幻燈片，展示分子間勢(shì)能隨分子間距離變化而變化的曲線。
四、主要教學(xué)過(guò)程
（一）引入新課
我們知道做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體具有機(jī)械能，那么熱現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程中，也有相應(yīng)的能量變化。另一方面，我們又知道熱現(xiàn)象是大量分子做無(wú)規(guī)律熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。那么熱運(yùn)動(dòng)的能量與大量的無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系呢？這是今天學(xué)習(xí)的問(wèn)題。
（二）教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)
1．分子的動(dòng)能、溫度
物體內(nèi)大量分子不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)于每個(gè)分子來(lái)說(shuō)都有無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。由于物體內(nèi)各個(gè)分子的速率大小不同，因此，各個(gè)分子的動(dòng)能大小不同。由于熱現(xiàn)象是大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，所以研究個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能是沒(méi)有意義的。而研究大量分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，需要將所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的平均值求出來(lái)，這個(gè)平均值叫做分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。
學(xué)習(xí)布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象時(shí)，我們知道布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象都與溫度有關(guān)系，溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越激烈，擴(kuò)散也加快。依照分子動(dòng)理論，這說(shuō)明溫度升高后分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇。用上述分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能來(lái)說(shuō)明，就是溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大。如果溫度降低，說(shuō)明分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小。因此從分子動(dòng)理論觀點(diǎn)來(lái)看，溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。“標(biāo)志”的含義是指物體溫度升高或降低，表示了物體內(nèi)部大量分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大或減小。溫度不變，就表示了分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能不變。其他宏觀物理量如時(shí)間、質(zhì)量、物質(zhì)種類都不是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。但是，溫度不是直接等于分子的平均動(dòng)能。
另一方面，溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)意義上的平均動(dòng)能相對(duì)應(yīng)，對(duì)于個(gè)別分子或幾十個(gè)、幾百個(gè)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大小與溫度是沒(méi)有關(guān)系的。
我們知道，溫度這個(gè)物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度，而它又是大量分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志，這是溫度的微觀含義。
2．分子勢(shì)能
分子間存在著相互作用力，因此分子間具有由它們的相對(duì)位置決定的勢(shì)能，這就是分子勢(shì)能。
如果分子間距離約為10-10m數(shù)量級(jí)時(shí)，分子的作用力的合力為零，此距離為r0。
當(dāng)分子距離小于r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮，彈性勢(shì)能Ep增大。
如果分子間距離大于r0時(shí)，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢(shì)能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸，Ep增大。
從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以r0為數(shù)值基準(zhǔn)，r不論減小或增大，分子勢(shì)能都增大。所以說(shuō)，分子在平衡位置處是分子勢(shì)能最低點(diǎn)。如果分子間距離是無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，取分子勢(shì)能為零值，分子間距離從無(wú)限遠(yuǎn)逐漸減少至r0以前過(guò)程，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，而且距離減少，分子引力做正功，分子勢(shì)能不斷減小，其數(shù)值將比零還小為負(fù)值。當(dāng)分子間距離到達(dá)r0以后再減小，分子作用力表現(xiàn)為斥力，在分子間距離減小過(guò)程中，克服斥力做功，使分子勢(shì)能增大。其數(shù)值將從負(fù)值逐漸變大至零，甚至為正值。分子勢(shì)能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現(xiàn)出來(lái)。從圖中看到分子間距離在r0處，分子勢(shì)能最小。
既然分子勢(shì)能的大小與分子間距離有關(guān)，那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢(shì)能的大小變化情況呢？如果對(duì)于確定的物體，它的體積變化，直接反映了分子間的距離，也就反映了分子間的勢(shì)能變化。所以分子勢(shì)能的大小變化可通過(guò)宏觀量體積來(lái)反映。
3．物體的內(nèi)能
（1）物體中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)并且相互作用著的分子組成，因此任何物體都是有內(nèi)能的。
提問(wèn)學(xué)生：宏觀量中哪些物理量是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能和分子勢(shì)能的標(biāo)志？
根據(jù)學(xué)生的回答，引導(dǎo)到一個(gè)確定的物體，分子總數(shù)是固定的，那么這物體的內(nèi)能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體，那么物體的內(nèi)能大小是由質(zhì)量、溫度、體積和物態(tài)來(lái)決定。
課堂討論題：下列各個(gè)實(shí)例中，比較物體的內(nèi)能大小，并說(shuō)明理由。
①一塊鐵由15℃升高到55℃，比較內(nèi)能。
②質(zhì)量是1kg50℃的鐵塊與質(zhì)量是0.1kg50℃的鐵塊，比較內(nèi)能。
③質(zhì)量是1kg100℃的水與質(zhì)量是1kg100℃的水蒸氣，比較內(nèi)能。
（2）物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著機(jī)械能，熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著內(nèi)能。任何物體都具有內(nèi)能，同時(shí)還可以具有機(jī)械能。例如在空中飛行的炮彈，除了具有內(nèi)能，還具有機(jī)械能——?jiǎng)幽芎椭亓?shì)能。
提問(wèn)學(xué)生：一輛汽車的車廂內(nèi)有一氣瓶氧氣，當(dāng)汽車以 60km/h行駛起來(lái)后，氣瓶?jī)?nèi)氧氣的內(nèi)能是否增加？
通過(guò)此問(wèn)題，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)內(nèi)能是所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和分子勢(shì)能之總和，而不是分子定向移動(dòng)的動(dòng)能。另一方面，物體機(jī)械能增加，內(nèi)能不一定增加。
4．物體的內(nèi)能改變的兩種方式
（1）列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具，鋸條、木頭和刀具溫度升高，說(shuō)明克服摩擦力做功，可以使物體的內(nèi)能增加。如果外力對(duì)物體做功全部用于物體內(nèi)能改變的情況下，外力做多少功，物體的內(nèi)能就改變多少。如果用W表示外界對(duì)物體做的功，用ΔE表示物體內(nèi)能的變化，那么有W=ΔE。功的單位是焦耳，內(nèi)能的單位也是焦耳。
演示壓縮空氣，硝化棉燃燒。說(shuō)明外力壓縮空氣過(guò)程，對(duì)氣體做功，使氣體的內(nèi)能增加，溫度升高到棉花的燃點(diǎn)而使其燃燒。
以上實(shí)例說(shuō)明做功可以改變物體的內(nèi)能。
（2）在爐灶上燒熱水，火爐烤熱周圍物體，這些物體溫度升高內(nèi)能增加。這些實(shí)例說(shuō)明依靠熱傳遞方式也可以使物體的內(nèi)能改變。物體吸收熱量，內(nèi)能增加。物體放出熱量，物體的內(nèi)能減少。如果傳遞給物體的熱量用Q表示，物體內(nèi)能的變化量是ΔE，那么，Q=ΔE。
熱量的計(jì)算公式有：Q=mcΔt，Q=ML，Q=mλ（后面的兩個(gè)公式分別是物質(zhì)熔解和汽化時(shí)熱量的計(jì)算式）。熱量的單位是焦耳，過(guò)去的單位是卡。
所以做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式。
（3）做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。
一杯水可以用加熱的方法（即熱傳遞方式）傳遞給它一定的熱量，使它從某一溫度升高到另一溫度。這過(guò)程中這杯水的內(nèi)能有一定量的變化。也可以采取做功的方式，比如用攪拌器在水中不斷攪拌，也可以使這杯水從相同的初溫度升高到同一高溫度，這樣，水的內(nèi)能會(huì)有相同的變化量。兩種方式不同，得到的結(jié)果是相同的。除非事先知道，否則我們無(wú)法區(qū)別是哪種方式使這杯水的內(nèi)能增加的。
因此，做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。
（4）雖然做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的，但是這兩種方式的物理過(guò)程有本質(zhì)的區(qū)別。做功使物體內(nèi)能改變的過(guò)程是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過(guò)程。而熱傳遞的過(guò)程只是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，沒(méi)有能量形式的轉(zhuǎn)化。
課上練習(xí)：
1．判斷下面各結(jié)論是否正確？
（1）溫度高的物體，內(nèi)能不一定大。
（2）同樣質(zhì)量的水在100℃時(shí)的內(nèi)能比60℃時(shí)的內(nèi)能大。
（3）內(nèi)能大的物體，溫度一定高。
（4）內(nèi)能相同的物體，溫度一定相同。
（5）熱傳遞過(guò)程一定是從內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量。
（6）溫度高的物體，含有的熱量多，或者說(shuō)內(nèi)能大的物體含有的熱量多。
（7）摩擦鐵絲發(fā)熱，說(shuō)明功可以轉(zhuǎn)化為熱量。
答案：（1）、（2）是對(duì)的。
2．在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，100℃的水吸收熱量變成同溫度的水蒸氣的過(guò)程，下面的說(shuō)法是否正確？
（1）分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能不變，因而物體的內(nèi)能不變。
（2）分子的平均動(dòng)能增加，因而物體的內(nèi)能增加。
（3）所吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。
（4）分子的內(nèi)能不變。
答案：以上四個(gè)結(jié)論都不對(duì)。
（三）課堂小結(jié)
（1）這節(jié)課上新建立了三個(gè)物理概念：分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能、分子勢(shì)能、內(nèi)能。要知道這三個(gè)概念的確切含義，更為重要的是能夠區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量，知道內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別和聯(lián)系。
（2）要掌握三個(gè)物理規(guī)律：分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度的關(guān)系、分子間的相互作用力與分子間距離的關(guān)系、做功與熱傳遞在使物體內(nèi)能改變上的關(guān)系。
（四）說(shuō)明
這節(jié)課是概念性很強(qiáng)的課，又不是從物理實(shí)驗(yàn)或物理現(xiàn)象直接得出結(jié)論的課。對(duì)于概念要知道引入的目的、確切含義、與其他概念的區(qū)別和聯(lián)系。所以課上要講分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能、內(nèi)能、熱量等概念的意義，并且要通過(guò)實(shí)際例題，讓學(xué)生通過(guò)判斷、推理來(lái)加深對(duì)這些概念的認(rèn)識(shí)。
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