1、主编：廖伯琴核心编者：冯庆许华忠刘健智廖元锡罗基鸣冯华邓磊廖伯琴统稿：廖伯琴冯庆邓磊定稿：廖伯琴编务联系：李富强李洪俊责任编辑：光奎杨文静刘玉莹封面设计：孙佳版权所有请勿擅自用本书制作各类出版物违者必究如对教材内容有意见、建议或发现印装质量问题，请与山东科学技术出版社联系电话：0531-82098030电子邮箱： 3 1目 录CONTENTS第 2 章固体与液体 第 3 章热力学定律导入走进微观世界 2第 1 节分子动理论的基本观点 3第 2 节科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小 9第 3 节气体分子速率分布的统计规律 12第 4 节科学探究：气体压强与体积的关系 16第 5 节气体实验定律
2、 21第 1 章分子动理论与气体实验定律导入认识固体与液体 32第 1 节固体类型及微观结构 33第 2 节表面张力和毛细现象 37第 3 节材料及其应用 44导 入水车和水泵 50第 1 节热力学第一定律 51第 2 节能量的转化与守恒 55第 3 节热力学第二定律 59第 4 节熵系统无序程度的量度 63hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律4 2第 5 章原子核与核能导 入打开原子核的大门 94第 1 节认识原子核 95第 2 节原子核衰变及半衰期 101第 3 节核力与核能 106第 4 节核裂变和核聚变 111第 5 节核能的利用与环境保护 11
3、7第 4 章原子结构第 6 章波粒二象性导 入从一幅图片说起 73第 1 节电子的发现与汤姆孙原子模型 74第 2 节原子的核式结构模型 78第 3 节光谱与氢原子光谱 82第 4 节玻尔原子模型 86导 入奇异的微观世界 124第 1 节光电效应及其解释 125第 2 节实物粒子的波粒二象性 134 1第 1 章导入走进微观世界第 1 节 分子动理论的基本观点第 2 节 科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小第 3 节 气体分子速率分布的统 计规律第 4 节 科学探究：气体压强与体积的关系第 5 节 气体实验定律本章学业要求能了解分子动理论的基本观点，能解释布朗运动和扩散现象，知道分子运动速率
4、分布图像的物理意义，能了解气体实验定律的内涵；能用分子动理论和气体实验定律解释生活中的相关现象。具有和分子动理论与气体实验定律相关的物质观念、运动与相互作用观念。 物理观念能用理想气体模型分析研究实际气体的问题；能从微观和宏观视角综合分析物理问题，有统计分析、逻辑推理的意识；能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律；能从不同角度分析解决物理问题，有质疑、创新的意识。 科学思维能完成“用油膜法估测油酸分子的大小” 和“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”等实验。能针对真实情境提出与实验相关的物理问题，作出有依据的假设；能设计实验步骤，用相关仪器完成实验，获得实验数据；能分析数据
5、，形成与实验目的相关的结论，并能进行解释；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现实验步骤、实验表格、数据分析过程及实验结论，能提出改进措施，能与他人分享探究结果。 科学探究能体会物理研究中估测的重要性，知道人类认识自然是有不同层次的；能感受用常规方式认识微观世界的实验设计的美妙； 能在力所能及的情况下，主动考虑物理技术应用可能带来的影响。 科学态度与责任分子动理论与气体实验定律hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律2我们用肉眼可看到远在数百万光年以外的巨大星系，却不一定能看清“近在眼前”的细小物体。17 世纪，荷兰生物学家列文虎克 （A. Leeuwenho
6、ek，16321723）用自制显微镜对准一滴雨水的时候，惊奇地发现有无数的微小生物游弋其中。他把这个发现报告给英国皇家学会，引起了轰动。导入走进微观世界用扫描隧道显微镜移动原子构成“原子”二字邮票中的列文虎克和他的显微镜随着科学技术的进步，人们的视野已深入物质的内部。科学家甚至可利用扫描隧道显微镜来操纵单个原子，将其排列成各种文字。按照这个尺寸，可在一根大头针的针尖上写下一部红楼梦的全部内容。神秘的微观世界有着怎样的规律 ? 它与宏观现象之间又有着怎样的联系？本章，我们将探讨这些问题。第 1 节分子动理论的基本观点3构成宏观物体的微粒是什么？微粒有怎样的性质才能使我们的世界如此变化多端、丰富多
7、彩？长久以来，人们都在思索诸如此类的问题，试图理解宏观现象的微观本质。本节我们将从分子动理论的视角讨论一些宏观现象的微观本质。1.物体由大量分子组成物体是由大量分子（或原子）组成的，分子（或原子）由一些更小的微粒组成。物理学研究中，当探讨分子、原子或离子等微观粒子的热运动时，通常将它们统称为分子。除了一些有机物质的大分子外，一般分子直径的数量级为 10-10 m。例如，水分子的直径约为 410-10 m。分子很小，组成物质的分子数目却非常大。1 mol 任何物质都含有相同的粒子数，这个数量称为阿伏伽德罗常数，用 NA表示。通常取 NA = 6.021023 mol-1由阿伏伽德罗常数可看出，物
8、质含有的分子数大得惊人。例如， 1 mol水的质量是18 g，所含水分子数量约为 6.021023 个，那么 1 g 水含有的水分子数量就约为 3.341022个。阿伏伽德罗常数是一个重要的基本常量，通过它可将物体的体积、质量等宏观量与分子的大小、质量等微观量联系起来。物理聊吧根据水分子的分子量、阿伏伽德罗常数和水的密度，可估算水分子的质量和直径。请尝试计算并将结果与公认值进行比较。用这种方法能否估算氢气中氢分子的质量和直径？请与同学讨论交流。第1节分子动理论的基本观点hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律4在实验（1）中，玻璃杯中的蓝黑墨水不断在清水中散
9、开，这就是扩散现象。气体、液体和固体都能发生扩散。实验表明，扩散快慢与温度有关，温度越高，扩散越快。在实验（2）中，用显微镜观察时，可发现微粒的运动情况十分复杂。如果在显微镜下追踪一个微粒的运动，每隔 30 s 把观察到的微粒位置记录下来，然后用线段把这些位置依次连接起来，就可大致了解微粒运动的情况。图 1-3 是三个微粒的运动情况记录，可见微粒运动的位置连线没有规则，即这些微粒在不停地做无规则运动。微粒的这种无规则运动，是英国植物学家布朗（R.Brown，17731858）在 1827 年发现的。人们把微粒的这种永不停息的无规则运动称为布朗运动（Brown motion） 。起初，人们认为布
10、朗运动是生命特有的现象，或者是由外界因素（如静电力、振动或液体的对流等）引起的。进图 1-3 微粒运动位置记录图迷你实验室观察微粒在液体中的运动（1）在两个相同的玻璃杯中分别装入质量相等的冷水和热水，然后，在两杯水中同时滴入等量的蓝黑墨水。一段时间后，两个杯子中的蓝黑墨水呈现出如图1-1 所示的扩散现象。请你做一做，并请解释这种现象。（2）把碳素墨水用纯净水稀释成悬浊液，并取一小滴放在载玻片上，盖上盖玻片，放在显微镜下观察悬浮在液体中的微粒的运动（图 1-2） 。2. 分子永不停息地做无规则运动分子的运动有怎样的规律呢？下面我们通过实验进行探究。图 1-2 用显微镜观察微粒在液体中运动的示意图
11、物镜盖玻片载玻片石蜡悬浊液目镜图 1-1 墨水扩散575第 1 节分子动理论的基本观点5一步的实验发现，在尽可能排除外界因素干扰的情况下，布朗运动仍然存在。实际上，布朗运动是由微粒在液体中受到液体分子的撞击引起的。悬浮在液体中的微粒不断地受到液体分子的撞击，微粒在某一时刻所受各个方向上的撞击作用的不平衡（图 1-4） ，使微粒的运动状态发生变化。微粒越小，其运动状态变化就越明显。布朗运动反映了液体分子在永不停息地做无规则运动。分子无规则运动的剧烈程度与温度有关。温度越高，分子运动越剧烈。因此，通常又把分子的无规则运动称为热运动（thermal motion） 。现在，你能解释前面的墨水实验中，
12、为什么温度越高，扩散越快了吧。3.分子间存在着相互作用力既然分子在永不停息地做无规则运动，为什么固体和液体的分子不散开，能保持一定的体积，且固体还能保持一定的形状呢？ 图 1-4 微粒受液体分子撞击示意图迷你实验室分子间的引力（1）把两个铅块的横截面磨平，再用力把它们压在一起。看看铅块下面挂上多少个钩码才能把它们拉开（图 1-5） 。（2）将洗净的玻璃板用弹簧测力计吊起来，使玻璃板水平接触水面，然后缓慢竖直上拉。观察弹簧测力计的示数变化，看看在将玻璃板拉离水面的过程中，拉力的变化（图 1-6） 。你能解释以上实验现象吗？方法点拨布朗运动间接反映了液体分子的无规则运动。通过可观察到的微粒的宏观运
13、动来推断分子的微观运动，这是物理学研究中的一种重要方法。图 1-6 玻璃板与水之间的分子引力实验图 1-5 铅块之间的分子引力实验hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律64.物体的内能由于分子间存在着相互作用力，可进一步证明，分子具有由它们的相对位置决定的势能，这种势能称为分子势能。分子势能的变化可根据分子间作用力做功来确定：分子间作物体是由大量分子组成的，分子永不停息地做无规则运动，分子间存在着相互作用力。这就是分子动理论的基本观点，是研究热现象的基础。图 1-8 固体、液体、气体分子的运动示意图（a）（b）（c）由实验可知，组成物体的分子之间存在着相互
14、作用的引力。固体很难被拉伸，说明固体分子之间存在引力；同时，固体也很难被压缩，说明固体分子之间还存在斥力。研究表明，分子之间同时存在着引力和斥力，其大小与分子间的距离有关。如图 1-7 所示，当分子间的距离为 r0时，引力和斥力相互平衡，分子间的作用力 f合为零，通常把这个位置称为分子的平衡位置；当分子间的距离小于 r0时，f合表现为斥力；当分子间的距离大于 r0时，f合表现为引力。当分子间的距离超过 10 r0时，f合可忽略不计。通常液体分子间的距离比固体分子间的距离略大；气体分子间的距离更大，所以气体分子间的作用力很小，一般可忽略不计。研究表明，原子内部有带正电的原子核和带负电的电子，分子
15、间的复杂作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。固体、液体和气体分子间的作用力不同，它们的分子运动情况也不同。固体分子密集在一起，在分子间作用力的作用下，分子在平衡位置附近自由振动；液体分子的密集程度比固体小，每个分子都可在其他分子之间穿梭往来；气体分子间的距离很大，相互作用力很小，分子快速运动，而且毫无秩序，这种混乱无序导致分子间频繁碰撞（图 1-8） 。图 1-7 分子间作用力随分子间距离变化的示意图Of引f斥f合r = r0，f合 = 0r r0，f合表现为斥力r r0，f合表现为引力r0rf第 1 节分子动理论的基本观点7用力做正功，分子势能减小；分子间作用力做负功，分子势能增大。当
16、分子间距离小于 r0时，分子间作用力表现为斥力，再减小分子间距离，必须克服分子间斥力做功，分子势能随分子间距离减小而增大。当分子间距离大于 r0时，分子间作用力表现为引力，再增大分子间距离，必须克服分子间引力做功，分子势能随分子间距离增大而增大。分子间距离足够大时，分子间作用力可忽略不计。若选定分子间距离 r 为无穷大时的分子势能为零，则分子势能 EP随分子间距离 r 变化的关系如图 1-9 红线所示（蓝色虚线为分子作用力随分子间距离变化的图像） 。当分子间距离等于 r0时，分子间作用力为零，分子势能最小。物体的体积变化时，分子之间的距离会随之变化，分子势能也会发生改变。因此，分子势能与物体的
17、体积等因素有关。组成物体的分子都在不停地做无规则运动热运动，做热运动的分子具有动能。物体中分子热运动的速率大小不一，各个分子的动能也有大有小。宏观的热现象是大量分子热运动的整体表现。我们研究热现象，重要的不是单个分子的动能，而是大量分子动能的平均值，这个平均值称为分子热运动的平均动能。研究表明，温度是物体内分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子热运动的平均动能越大。物体的所有分子热运动的动能和分子势能的总和，称为物体的内能（internal energy） 。组成物体的分子永不停息地做无规则运动， 分子间存在着相互作用力，所以任何物体都具有内能。因为物体含有的分子数目与物体的质量有关，分子
18、热运动的平均动能与温度有关，分子势能与体积有关，所以物体的内能与物体的质量、温度和体积有关。节 练 习1. 露珠是由空气中的水蒸气液化而成的。在液化过程中，水分子间的引力和斥力发生了怎样的变化？ 2. 为使布朗运动更明显，实验中的碳素墨水选用微粒更小的好些还是微粒更大的好些？为什么？3. 碳素墨水滴入水中，逐渐混合均匀。下列关于该现象的分析，正确的是 A. 混合均匀主要是由于微粒受重力作用 B. 混合均匀的过程中，水分子和微粒都做无规则运动 C. 使用微粒更小的墨水，混合均匀的过程进行得更迅速 D. 墨水的运动是由微粒和水分子发生化学反应引起的4. 下列关于热运动的说法，正确的是 A. 水流速
19、度越大，水分子的热运动越剧烈 B. 水凝结成冰后，水分子的热运动停止 C. 水的温度越高，水分子的热运动越剧烈 D. 水的温度升高，每一个水分子的运动速率都会增大图 1-9 分子势能及分子间作用力随分子间距离变化的示意图Ep，ff（分子间作用力）Ep（分子势能）r0rOhysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律85. 分子势能随分子间距离变化的图像如图所示。据图分析可得A. r1处为分子平衡位置B. r2处为分子平衡位置C. 分子间距离足够大时，分子势能最小，分子间无相互作用力D. r r1时，r 越小，分子势能越大，分子间仅有斥力存在6. 若以 M 表示水的
20、摩尔质量，Vm表示在标准状态下水蒸气的摩尔体积， 表示在标准状态下水蒸气的密度，NA表示阿伏伽德罗常数，m、V 分别表示每个水分子的质量和体积。下列关系式正确的是A. NA = VmmB. = MNAVC. m = MNA D. V = VmNA请提问Orr1r2Ep第 5 题第 2 节科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小9组成物体的分子很小，直接测量它们的大小是很困难的。那么，通过什么方法能测量分子的大小呢？下面我们用油膜法粗略测量油酸分子的大小。实验目的（1）估测油酸分子大小的数量级。（2）体验通过油膜法测量油酸分子大小的思想方法。实验器材 油酸、酒精、清水、滴管（或注射器） 、量筒、笔、
21、爽身粉、玻璃片、浅水盘、坐标纸。实验原理与设计油酸是一种脂肪酸，把一滴油酸滴到平静的水面上，油酸会展开成一片油膜。油膜面积最大且稳定时，可近似认为是单层油酸分子油膜。若把油酸分子视为球体，则单分子油膜的厚度就近似等于分子的直径。只要测量出这一滴油酸的体积 V 和油膜的面积 S，就可估算出油酸分子的直径 d = VS图 1-10（a） 。实验步骤（1）用滴管（或注射器）将配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内溶液增加一定体积（如 1 mL）时的滴数，由此求出一滴油酸酒精溶液的平均体积 V 。（2）向浅水盘内倒入清水，在水面上轻轻而均匀地撒一层爽身粉。用滴管在其上滴一滴油酸酒精溶液，
22、待油层不再扩散、形状稳定时，就近似形成了单分子油膜图 1-10（b） 。图 1-10 粗略测量油酸分子直径的示意图（a）d水油膜爽身粉水 （b）第2节科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小安全警示实验中，应避免将水和爽身粉撒到其他地方，更不可把爽身粉弄到人的眼睛里。物理在线请上网查询，了解为什么将油酸酒精溶液滴到水面，容易在水面形成单分子油膜。hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律10（3） 将玻璃片盖在浅水盘上，用笔将油膜的轮廓描绘在玻璃片上。（4）将描有油膜轮廓的玻璃片放在坐标纸上，算出油膜的面积 S。求面积时以坐标纸上边长为 1 cm 的正方形为单位，
23、数出轮廓内正方形的个数（不足半个的舍去，多于半个的算一个） 。（5）根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积 V。根据油酸的体积 V 和油膜的面积 S 算出油酸分子的直径。数据分析请将测量的数据记入你设计的表格中，并分析数据，形成结论。实验结论请写出实验结论。讨论在实验中为什么要取非常小的一滴油酸酒精溶液做实验？为什么实验时要使油膜尽可能地散开？假如油酸分子不是紧密排列的，对实验结果会产生怎样的影响？方法点拨估测法广泛应用于物理学研究。用油膜法估测油酸分子的大小，利用宏观手段研究微观问题，将微小的不易直接测量的物理量（分子直径）转化为易于测量的物理量（体积和面积） ，从而通过间接的方
24、法估测油酸分子的大小。这是估测法在物理学中巧妙应用的案例。节 练 习1. 请撰写“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验报告。注意在报告中呈现设计的实验表格、数据分析过程和实验结论。请与同学交流实验中产生误差的原因，提出改进措施。2. 某同学在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，测得油酸分子的直径明显偏大。可能的原因是A. 油酸还未完全散开B. 所用油酸溶液中含有大量酒精C. 计算油膜面积时，将所有不足一格的正方形都当成一格计算D. 在计算一滴溶液的体积时，少算了液滴数3. 在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，已知配制的油酸酒精溶液纯油酸与溶液体积之比为 1500。测出 1 mL 此溶
25、液有 25 滴，在三次实验中分别取其中一滴在水面上自由扩展后形成的油膜面积 S 见下表。试完成表格并算出测量结果，看看测量结果与公认的油酸分子大小的数量级 10-10 m 是否一致。能针对真实情境提出与实验相关的物理问题，作出有依据的假设；能在他人帮助下制订实验方案，用相关器材完成实验，获得实验数据；能分析数据，估测分子的大小，并能进行解释；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现实验表格、数据分析过程及实验结论，能提出改进措施，能与他人分享研究成果。注意提升实验设计能力与估算能力。能体会物理研究中估测的重要性，知道人类认识自然是有不同层次的；能感受用常规方式认识微观世界的实验设计的美妙。科学探究
26、，科学态度与责任素养提升第 2 节科学测量：用油膜法估测油酸分子的大小11请提问次数S/m2d/md 的平均值 /m10.53320.49330.5634. 在做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，某同学的操作步骤如下：取一定量的无水酒精和油酸，制成一定浓度的油酸酒精溶液；在量筒中滴入一滴该溶液，测出它的体积；在蒸发皿内盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散开并稳定；在蒸发皿上覆盖透明玻璃，用彩笔在玻璃上描出油膜的轮廓，用透明坐标纸测量油膜的面积。（1）请指出上述步骤中的错误之处并改正。（2）实验中，用彩笔在玻璃板上描出油膜的轮廓，其在坐标纸上的形状如图所示。已知坐标纸上小正方形的边
27、长为 1 cm，该油膜的面积是多少平方米？（结果保留 1 位有效数字）第 4 题hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律12第3节气体分子速率分布的统计规律气体分子都在不停息地做无规则运动，每一时刻的运动情况完全是偶然的、不确定的。那么，大量分子的无规则运动是否有规律可循呢？本节我们将学习气体分子速率分布的统计规律。1.偶然中的必然生活中有大量的事件在一定条件下有多种变化的可能，而究竟发生哪种变化事先又不能完全确定。例如，抛一枚硬币（图 1-11） ，无法确定将会出现正面还是反面向上。多次抛掷会有什么现象？这些现象是否蕴含着一定的规律？下面我们通过实验来探究
28、大量偶然事件中是否会表现出一定的规律。迷你实验室从伽尔顿板实验看统计规律伽尔顿板是一种演示某种统计规律的装置。如图 1-12 所示，在一块竖直木板的上部均匀钉上许多铁钉，木板下部用竖直隔板隔成等宽的狭槽，装置前侧面以玻璃覆盖。从入口处投入一个小钢珠，小钢珠在下落过程中先后与许多铁钉相碰，经曲折的路径，落入某一槽中。重复几次，我们会观察到小钢珠落入哪个槽完全是不确定的。如果保持手的姿势不变，把大量小钢珠从入口处缓缓倒入，观察落入槽中的小钢珠的分布情况。我们发现，落入中央狭槽的小钢珠较多，落入两边狭槽的小钢珠较少。重复实验，得到的结果相似。图 1-12 伽尔顿板实验示意图（a） （b）实验结果表明
29、，尽管单个小钢珠落入哪个狭槽是偶然的，少量小钢珠在狭槽内的分布情况也是不确定的，但大量小钢珠在狭槽内的分布情况表现出必然的规律。这种大量偶然事件表现出来的整体规律，称为统计规律。图 1-11 抛掷硬币第 3 节气体分子速率分布的统计规律13物理聊吧2.气体分子速率分布规律每个气体分子运动的速率是不确定的。组成物质的分子数目是巨大的，大量气体分子的速率遵循怎样的统计规律呢？1859 年，麦克斯韦从理论上推导出了处在不同温度下的气体分子速率的分布规律。20 世纪 20 年代以后，陆续有许多实验验证了麦克斯韦速率分布规律。表 1-2 是不同温度下氧分子的速率分布情况。从表中可看出，在一定温度下，中等
30、速率的分子所占的比例大。表1-2 不同温度下氧分子的速率分布按速率大小划分的速率区间 /（ms-1）不同温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比（%） 0 100 100 以下1.40.7100 2008.15.4200 30017.011.9300 40021.417.4400 50020.418.6500 60015.116.7600 7009.212.9700 8004.57.9800 9002.04.6900 以上0.93.9按照相同的方法抛掷硬币，如果抛掷的次数不断增加，硬币出现正、反面朝上次数的比例会有什么变化？历史上不少统计学家做过成千上万次抛掷硬币的实验，部分数据记录见表 1
31、-1。请同学们也动手做一做，并展开讨论。表1-1抛掷硬币实验实验者抛掷次数 m出现正面次数 n棣莫佛2 0481 061布丰4 0402 048皮尔逊12 0006 019皮尔逊24 00012 012hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律141. 举几个自然现象或社会现象的实例，说明大量偶然事件从整体上看遵循一定的统计规律。2. 伽尔顿板可用来演示统计规律。让大量小球从上方漏斗形入口落下，最终小球都落在槽内。重复多次实验后发现 A. 某个小球落在哪个槽是确定的 B. 大量小球在槽内的分布是无规律的 C. 大量小球落入槽内后均匀分布在各槽中 D. 越接近漏
32、斗形入口处的槽内，小球聚集得越多3. 下列有关气体分子运动的说法正确的是 A. 某时刻某一气体分子向左运动，则下一时刻它一定向右运动 B. 在一个正方体容器里，任一时刻与容器各侧面碰撞的气体分子数目基本相同 C. 当温度升高时，速率大的气体分子数目增多，气体分子的平均动能增大 D. 气体分子速率呈现“中间多、两头少”的分布规律科学书屋节 练 习麦克斯韦与气体分子速率分布规律麦克斯韦（图 1-14） ，英国理论物理学家，经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。在热力学和气体分子动理论方面都作出了很大贡献。1859 年，他发表了论文气体分子动理论的说明 ，第一次提出分子速率分布的概念，推导出
33、速率分布函数，由此找到了由微观量求统计平均值的途径，为气体分子动理论的建立奠定了基础。理论和大量实验表明，气体分子的速率分布如图1-13 所示。图中 f（v）为速率 v 附近单位速率区间内的分子数占总分子数的百分比。从图中可看出，在一定温度下，不管个别分子怎样运动，速率分布表现出“中间多、两头少”的规律。当温度升高时， “中间多、两头少”的分布规律不变，分布曲线的峰值向速率大的一方移动。大量分子热运动所表现出来的统计规律对我们研究热现象具有重要的作用。图 1-13 气体分子的速率分布图像vf（v）OT1T1 T2T2图 1-14麦克斯韦第 3 节气体分子速率分布的统计规律154. 氧气分子在不
34、同温度下的速率分布规律如图所示，横坐标表示分子速率 v，纵坐标表示单位速率区间内分子数占总分子数的百分比。曲线 1、2 对应的温度分别为 T1、T2。由图可知 A. 温度 T1低于温度 T2 B. 曲线中的峰值对应的横坐标数值为氧气分子速率的最大值 C. 温度升高，每一个氧气分子的速率都增大 D. 温度升高，氧气分子的平均动能增大5. 氧气分子在 0 和 100 温度下单位速率区间的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图中两条曲线所示。下列说法正确的是A. 两条曲线下的面积相等B. 曲线 1 对应氧气分子平均动能较小的情形C. 曲线 2 对应氧气分子在 100 时的情形D. 曲线
35、给出了任意速率区间的氧气分子数目请提问第 4 题O21vf（v）第 5 题Ovf（v）12hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律16在生产生活中，有许多现象与气体的状态及其变化有关。例如，氦气球升空时（图 1-15） ，随着高度的增加，球内氦气的压强、温度和体积都在变化。气体的压强、温度和体积三个物理量有着怎样的关系？本节我们将在温度不变的条件下，研究气体压强与体积的关系。1.气体的状态参量对一定质量的气体，其宏观状态通常可用体积 V、温度 T 和压强 p 这三个物理量来描述，这些描述系统状态的物理量称为系统的状态参量。（1）气体的体积气体的体积是指气体分
36、子能够到达的空间，气体具有很强的流动性，它总能充满整个容器，因此，气体的体积通常就等于容器的容积。（2）气体的温度温度是描述物体冷热程度的物理量，也是物体内分子平均动能的标志。气体温度的高低，取决于气体分子无规则运动的剧烈程度。气体分子无规则运动加剧，分子平均动能增大，气体温度升高；气体分子无规则运动减弱，分子平均动能减小，气体温度降低。要定量表示温度，就必须有一套对温度的标定方法。人们常采用摄氏温标来标定温度：标准大气压下冰水混合物的温度标定为 0，水的沸腾温度标定为 100，把 0 100之间划分为 100 等份，每一等份表示 1，并以此比例往 0以下和 100以上扩展。用摄氏温标表示的温
37、度称为摄氏温度，用符号 t 表示，单位是摄氏度，符号为。物理学中，温度的国际单位是热力学温度的单位开尔文，符号为 K。热力学温度与摄氏温度的关系是T = t + 273.15 K（3）气体的压强气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为气体压强，简称气压。气体压强是怎样产生的呢？我们先做一个类比实验模拟气体压强的产生。第4节科学探究：气体压强与体积的关系图 1-15 升空的氦气球第 4 节科学探究：气体压强与体积的关系17迷你实验室模拟气压的产生如图 1-16 所示，在玻璃筒内装入一些塑料小球代表气体分子，在小球上面放一轻质活塞，用电动机带动振动器使小球运动。当电动机启动后，活塞受小球的撞击，悬
38、浮在一定的高度。改变电动机的转速，观察活塞高度的变化。保持电动机的转速不变，增加塑料小球的数目，再观察活塞高度的变化。请解释为什么会出现这样的现象。塑料小球不断地撞击活塞，虽然每个塑料小球对活塞撞击的作用力是短暂的、不连续的，但频繁撞击就能在整体上表现为对活塞施加一个稳定的作用力而使活塞持续悬浮。容器中的气体分子在做无规则运动时，容器壁受到分子的频繁撞击（图 1-17） 。每个分子撞击容器壁产生的力是短暂的、不连续的，但大量分子的频繁撞击，就会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。气体分子的运动是无规则的，气体分子向各个方向运动的概率相同，对容器壁各处的撞击效果也相同，因此气体对容器壁的压
39、强处处相等。实验中我们观察到，电动机转速增大，会使塑料小球撞击活塞的速率增大，致使活塞因受到的向上的作用力变大而上升；在电动机转速不变、小球撞击活塞的速率不变的情况下，增加塑料小球的数目，会使活塞受到的撞击更加频繁，也会使活塞因受到的向上的作用力变大而上升。与此类似，当气体温度升高时，高速率的气体分子数增多，整体上分子运动更加剧烈，分子对容器壁的撞击力加大且撞击更加频繁，使得气体的压强增大图 1-18（a） 。若单位体积内的分子数增加，气体分子撞击容器壁也会更加频繁，使得气体的压强增大图 1-18（b） 。由此可见，气体的压强与气体温度和单位体积的分子数有关，温度越高，单位体积内的分子数越多，
40、 气体的压强越大。图 1-17 气体分子撞击容器壁的示意图图 1-18 气体压强与气体温度和单位体积内分子数的关系示意图（b） 单位体积内的分子数增加，压强增大（a）温度升高，压强增大图1-16 模拟气压产生的实验装置hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律182.探究气体压强与体积的关系气体的状态发生变化，通常是压强、温度和体积这三个物理量同时发生变化。一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强与体积有什么关系呢？下面就让我们通过实验来进行探究。实验目的（1）探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。（2）学习气体压强的测量方法。实验器材 探究气
41、体压强与体积关系的实验装置（气压计、玻璃管、铁架台、活塞等） 。实验原理与设计 如图 1-21 所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。实验步骤根据实验原理安装实验器材。请写出相关实验步骤，完成实验操作。安全警示实验操作过程中小心操作，以免损坏仪器。气体的压强可通过系统与外界相互作用的关系确定。例如，图 1-19 所示气缸内的气体压强为 p，由质量为 m、面积为 S 的光滑活塞受力平衡可知 p = p0 + mgS式中，p0为外界大气压强
42、。图 1-20 所示静止的玻璃管内，长度为 h、密度为 的液体封闭着一定质量的气体，其压强 p 可选取液柱底部横截面为 S的薄液片求得。由薄液片受力平衡得到 p = p0 + gh如果玻璃管内的液体为水银，且气压单位选用 cmHg，水银柱长度单位选用 cm，则玻璃管内的气压可表示为 p = p0 + h。图 1-19分析气缸内气体压强的示意图p0pSm图 1-20分析玻璃管内气体压强的示意图hp0p图 1-21实验装置示意图0.51.51.02.04433221100气压计活塞空气柱橡胶套第 4 节科学探究：气体压强与体积的关系19数据分析请将测量的数据记入你设计的表格中，用作图法分析压强与体
43、积的关系，并得出结论。实验结论请写出实验结论。讨论 （1）实验过程中，如何实现气体的等温条件？（2）引起实验误差的主要因素有哪些？如何减小实验误差？方法点拨气体的压强 p 与体积 V 之间是否存在反比关系，可借助图像进行分析。反比例函数的图像是双曲线的一支，不易直接判定两个量之间的关系，而正比例函数的图像是直线，很容易判定。我们可先根据实验数据算出 1V的值，然后以 1V为横坐标，p为纵坐标，在 p - 1V坐标平面上描绘出 p 随 1V变化的关系曲线，从而进行判断。DIS实验室利用压强传感器探究气体压强与体积的关系如图 1-22 所示，利用压强传感器、注射器、数据采集器、计算机进行实验。 缓
44、慢推动注射器活塞，使气体体积发生变化。通过压强传感器可直接读出气体的压强，输入对应的体积，计算机自动描点并生成压强与体积的关系曲线。图 1-22 利用压强传感器探究气体压强与体积的关系能针对真实情境提出与实验相关的物理问题，作出有依据的假设；能设计实验步骤，用相关仪器完成实验，获得实验数据；能分析数据，形成与实验目的相关的结论，并能进行解释；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现实验步骤、实验表格、数据分析过程及实验结论，能提出改进措施，能与他人分享探究结果。注意提升实验操作能力、数据处理能力和误差分析能力。科学探究素养提升hysicsP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定
45、 律201. 请撰写“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”的实验报告。注意在报告中呈现设计的实验步骤、实验表格以及数据分析过程和实验结论。请与他人分享探究结果。2. 堵住打气筒的出气口，缓慢推压活塞使气体体积减小，你会感到越来越费力。请解释出现这种现象的原因。3. 一段长为 10 cm 的水银柱，把空气封闭在一端开口、粗细均匀的静止长直玻璃管内。如果外界大气压强为 75 cmHg，当玻璃管内空气压强为 70 cmHg 时，玻璃管一定处于 A. 开口向右水平放置状态 B. 开口向下倾斜放置状态 C. 开口向下竖直放置状态 D. 开口向上竖直放置状态4. 在“探究等温情况下一定质量气体压强
46、与体积的关系”的实验中，下列操作正确的是 A. 调节空气柱长度后立刻读数 B. 拉上窗帘防止阳光直射玻璃管 C. 推拉活塞时，为了防止手滑应该用手紧握玻璃管 D. 实验中若密封橡胶帽脱落，应立刻堵住后继续实验5. 如图所示，某种自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量。设温度不变，洗衣缸内水位升高，则细管中被封闭的空气A. 体积不变，压强变小 B. 体积变小，压强变大C. 体积不变，压强变大 D. 体积变小，压强变小6. 如图所示，一段水银柱把空气封闭在一端开口、粗细均匀、竖直固定的 U 形玻璃管内。已知两水银面的高度差 h
47、= 10 cm，外界的大气压强 p0 = 75 cmHg，玻璃管内空气的压强是多少？7. 如图所示，水平放置的气缸上有一质量为 m1、底面积为 S1的活塞，在活塞上方再放置一个质量为 m2、底面积为 S2的圆柱体金属块。忽略活塞与气缸间的摩擦，若外界大气压强为 p0，请从以上信息中选择相关条件，求气缸内气体的压强 p。节 练 习请提问m1m2第 7 题第 6 题h第 5 题压力传感器洗衣缸空气细管第 5 节气体实验定律21前面通过实验探究了在保持温度不变的情况下，气体的压强与体积之间的关系。它们之间存在着怎样的定量关系呢？在分别保持体积不变或压强不变的情况下，另外两个物理量之间又存在怎样的关系
48、呢？本节我们将学习有关内容。1.玻意耳定律通过大量实验探究得知：一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强随体积的减小而增大。气体的压强与体积是否存在反比关系呢？图 1-23 是根据实验数据得出的 p- 1V图像，排除实验误差，该图像是一条过坐标原点的直线。大量实验证明，一定质量的气体，在温度保持不变的条件下，压强与体积成反比。如果用 p 表示压强，用 V 表示体积，可写成p 1V 或者 p1V1 = p2V2式中，p1、V1 和 p2、V2分别表示气体在 1、2 两个不同状态下的压强和体积。这个结论称为玻意耳定律（Boyle law） ，也称为玻意耳马略特定律，是英国科学家玻意耳（R. Boy
49、le， 16271691）和法国科学家马略特（E. Mariotte，16201684）先后独立通过实验发现的。在平面直角坐标系中，横轴表示气体的体积 V，纵轴表示气体的压强 p。在温度不变的情况下，p 与 V 的函数图像是双曲线的一支（图 1-24） 。这种表示等温过程的图线称为气体的等温线。一定质量的气体，在不同温度下，等温线的位置也不相同。第5节气体实验定律图 1-24p-V 图像OVpT2T1T1 T2图 1-23 p- 1V 图像p / kPa22020018016014012010080604020O0.0200.0100.0300.040 0.050 V -1/cm-3hysic
50、sP P第 1 章 分 子 动 理 论 与 气 体 实 验 定 律22科学书屋玻意耳1659 年，英国物理学家、化学家玻意耳（图 1-25）利用胡克研制的真空泵对空气的性质进行研究。1662 年，他出版了关于空气的弹力和重量学说的答辩一书。书中不但阐述了温度恒定时气体的压强与体积成反比的规律，还描述了另一个实验，表明空气在加热时压强会增大。1676 年，法国物理学家马略特也独立得出结论，在表述上比玻意耳的表述更完整，数据也更令人信服。因此，这一定律也被称为玻意耳马略特定律。从微观角度看，一定质量的气体分子总数不变。温度保持不变时，分子平均动能保持不变。当气体体积减小时，单位体积内的分子数增多，
