沪科技版普通高中教科书·物理选择性必修 第三册.pdf

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20

2、21 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 目录第十章分子动理

3、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 1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 光电效应 光子说

4、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 2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。在本章中将估测油酸

5、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 80 年代

6、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，可以看到叶

7、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，根据体

8、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 10-4 油酸单分子薄膜图 10-

9、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 constant） ，通常用符号 NA表示。物质

10、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，其中羧基 -COOH是亲水

11、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，也可以估算出液体和固体分子的大

12、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罗常数，一百多

13、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平

14、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 = 2.910M-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

15、质的分子在做永不停息的无规则运动，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

16、还能在固体中发生，并且有重要的应用，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，

17、这就是布朗运动。图 10-8 扩散现象图 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

18、作用是不平衡的。在某一瞬间，颗粒在某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

19、过显示器显示出来，用追踪软件记录每隔相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，

20、说明液体分子间存在着空隙。碳原子能扩散进入钢件的表面，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

21、子之间的引力将两铅块“粘”在了一起。深入的研究表明，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

22、非常微弱，可以忽略不计。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

23、子核之间的库仑斥力变得显著，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

24、. 滴入水中的红墨水会扩散，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

25、于 r0的过程中，分子间的引力、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

26、的，越靠近中间小球越多。这种大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

27、0时的速率分布直方图作比较。自 主 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

28、而确定了气体分子速率分布的统计规律。该分子速率分布函数 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

29、息，运用统计方法可以获得大量分子的速率、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

30、证明这个分布律的实验方案。实验装置如图 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

31、据本年级所有同学的身高数据，分别作出本班男生（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

32、习分子动理论的过程中，感受利用证据通过科学推理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

33、. 某种气体在不同温度下的分子速率分布曲线如图 10-18 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

34、宏观量的测量来估测分子的大小。试回答以下问题： （1）这个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。

35、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，

36、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

37、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。 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

38、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

39、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。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

40、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

41、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

42、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 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

43、 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

44、-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 11-9 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

45、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

46、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_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 p

47、1、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 = 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

48、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

49、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

50、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。