苏科版八年级物理《第七章 从粒子到宇宙》知识梳理

苏科版八年级物理《第七章 从粒子到宇宙》知识梳理
【知识梳理】
1．走进分子世界
A.分子
能保持物质化学性质的最小微粒称为分子，分子很小，一般分子直径的数量级为10-10 m在高倍电子显微镜下，可以看到一些物质的分子．
B.分子动理论的主要内容
物质是由大量分子组成的，分子间有空隙；分子一直处于永不停息的动动中；分子间同时存在着相互作用的引力和斥力．
说明：
①不同物质内部分子间空隙的大小不同；同种物质在不同情况下分子间的距离也会不同，比如温度、压强等的变化，都会影响分子间的距离．
②物体的温度越高，分子的运动越剧烈．由于分子的运动与温度有关，所以分子运动又称为热运动．
③分子相互作用的情况与分子间距离的大小有关.当分子间的距离等于10－10 m时，这个距离称为分子间的平衡距离，此时，分子间的引力和斥力相等；当分子间的距离小于10-10 m时，斥力起主要作用；当分子间的距离大于10－10 m时，引力起主要作用；当分子间的距离大于分子直径10倍时，分子间的作用力就变得很小．
分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但斥力的变化比引力的变化快．
C.用分子动理论解释物质三态的性质
大多数物质从液态变为固态时体积变小(水例外，水结冰时体积变大)；液态变为气态时体积显著增大，如水在汽化为水蒸气时体积要增大约1 700倍，物质在物态变化时发生体积上的变化，主要是由于构成物质的分子在排列方式上发生了变化．
固体分子间的距离很小，为l×10－10----5×10－10 m，分子间的作用力很大，每个分子只能围绕某一点振动，因此，固体有一定的体积和形状．
液体分子间的距离较小，为固体分子间距离的两倍左右，分子间的作用力较大，每个分子可以在一定的范围内运动，因此，液体有一定的体积，无一定的形状，具有流动性．
气体分子间的距离很大，分子间的作用力很小，每个分子能自由地沿各个方向运动，因此，气体无一定的体积和形状，具有流动性，而且很容易被压缩．
D．纳米科技简介
纳米科技是指在纳米尺度(约在1—100纳米之间)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的科学和技术，这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到原子和分子水平，可以说是当今最重要的新兴科学技术之一．
任何材料通过复杂的纳米机器都可以制成纳米尺度的超细粉末，当物质小到纳米尺度时，它的理化性质都有所变化，具有一些奇异和反常的性质，如块状金的熔点是l 064℃而制成纳米的超细颗粒后，熔点只有33℃；铜到了纳米级就不导电；而绝缘的二氧化硅在20 nm时却开始导电；通过纳米技术，陶瓷可以变得有韧性；通常在高温下才能烧结的材料，通过纳米技术在低温下就能烧结，而且能将不易互熔的金属冶炼成新的合金．
纳米材料是纳米技术的基础和先导，已成为世界各国纳米科技发展的热点，纳米材料是指材料的几何尺寸小到纳米尺度，并且具有特殊性能的材料，例如：
①纳米金属颗粒纳米金属颗粒表面上的原子十分活跃．实验中发现如果将铜或铝做成纳米颗粒，遇到空气就会剧烈燃烧，发生爆炸，可用纳米金属颗粒的粉末做成固体作为火箭的燃料、催化剂．
②纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成的块状金属材料，会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性．
③碳纳米管碳纳米管是由石墨中一层或若干层卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米，它的密度只有铜的1/6，而强度却是铜的l00倍，轻而柔软又非常结实的材料可用来制作防弹背心．如果用纳米管做成绳索，则从月球上挂到地球表面也不会被自身重力所拉断，可以用它作为地球——球乘人的电梯．
④纳米氧化物材料氧化物纳米颗粒的最大本领是在电场作用下或在光照下迅速改变颜色．作为士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下会变得更加绚丽多彩．
⑤纳米陶瓷纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性、硬度大、耐高温，会使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高．
⑥纳米半导体材料纳米半导体材料能发出各种颜色的光，可以做成小型激光的光源，它还可以直接吸收阳光中的光能并直接转变为电能，它还能使海水淡化．
纳米材料具有优异的光、力、电、热、磁等性能，应用前景极为广泛．诸如现在有纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米化学和纳米加工等．预计纳米技术将超过计算机工业，成为未来信息技术时代的核心．到那时，纳米电子学将用量子元件代替微电子器，巨型计算机可被装入口袋里；通过纳米技术可将几吨的卫星减至几克；微型机器人可进入人体血管内进行工作，英特尔公司宣布已制造出30 nm的量子半导体．2000年10月29日，中国科学纳米技术科学研究中心成立，进行纳米基础理论与应用开发的研究．
纳米科技将使人类进一步掌握物质世界的规律，掌握改造微观世界的武器，对开发新能源、保护环境、社会可持续发展等，将会产生极大的影响．
2．探索更小的微粒
A.分子由原子组成
分子是保持物质化学性质的最小微粒，但不是组成物质的最小微粒．分子由原子组成．不同原子组成的分子构成化合物，如水分子是由氢原子和氧原子组成的，玻璃分子是由氧原子和硅原子组成的；同种原子组成的分子构成单质，如石墨、金刚石、富勒烯都是由碳原子组成的单质分子，氧气是由氧原子组成的单质分子．
B.摩擦起电
a.摩擦起电
带电体的基本性质是能够吸引轻小物体，如头发、纸屑、通草球等．
用摩擦的方法使物体带电，叫做摩擦起电．
摩擦起电必须是两种不同物质组成的物体相互摩擦，这是由于不同物质的原子核束缚电子的本领不同，当两个物体相互摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱，它就容易失去电子，使跟它相摩擦的物体得到电子，因此，摩擦起电的实质不是创造了电荷，而是电子的转移，在摩擦起电中，失去电子的物体因缺少电子而带正电，得到电子的物体因多余电子而带负电，因此相互摩擦的两个物体带的是等量的异种电荷．
由于分子和原子在通常情况下是不带电的，而磨擦起电使物体带上了电，说明原子是可分的．
b．两种电荷
自然界中只存在两种电荷，一种叫正电荷，另一种叫负电荷．人们规定，用丝绸摩擦过的玻璃捧所带的电荷叫做正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫做负电荷．
电荷间相互作用的规律是：同种电荷相互推斥，异种电荷相互吸引．
c．在静电现象中，两个物体相互吸引有两种可能的原因：①带电体吸引轻小物体；②异种电荷相互吸引．
d．检验物体是否带电的方法：①将被检验的物体靠近轻小物体，若相互吸引则带电，反之则不带电；②将被检验的物体靠近或接触验电器的金属球，若验电器的两个箔片张开则带电，反之则不带电；③将被检验的物体靠近一个已知的带电体，若相互吸引或相互推斥则带电，反之则不带电．
C.微观粒子
a.科学家探索微观粒子的历程
1897年汤姆生发现了电子；
1919年卢瑟福用a粒子从氮原子核中打出了质子；
1932年查德威克发现了中子；
1961年盖尔曼提出了夸克的设想．
b．卢瑟福的原子行星模型
在发现电子以后，物理学家们对原子内部的情况提出种种猜想．著名科学家卢瑟福在总结实验的基础上，提出了原子结构的行星模型．如图所示，他认为原子的中心有一个直径约为l0－14m～10-15 m的核，这个核的体积只有整个原子的一百万亿分之一，但它却集中了整个原子质量的99.99％．原子核带正电，带负电子的电子绕着这个原子核高速旋转，这好像地球绕太阳运动．原子核带的正电荷数与原子核外所有电子带的负电荷数是相等的，整个原子呈不带电的中性状态，这样的模型称为原子的行星模型．
质子数等于电子数，但不一定等于中子数；一个质子的质量等于一个中子的质量，一个电子的质量很小，约为一个质子质量的;1/1836倍．
说明：卢瑟福提出的原子结构行星模型并不是原子存在的真实状况，实际上核外的电子并不是像地球绕着太阳转那样，核外电子的运动并没有确定的方向和轨道，只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会的大小．离核近外，电子出现机会多，离核远外，电子出现机会少，这是现代物质结构学说．
c．物质的结构层次
说明：除了氢的同位素“氕”以外，其他所有原子的原子核都是由质子和中子共同组成的，氕的原子核中只有质子，没有中子，是特殊的情况，质子和中子都是由三个夸克组成的，但是夸克的种类不同． 现以由碳原子构成的分子—一富勒烯来展示一下分子内部的结构，如下图所示．
关于“粒子世界概貌”，请同学们参看教材中的“信息快递”．
D．加速器
a.加速器
顾名思义，加速器就是用来使粒子加速的机器，它通过电磁场的不同组合形态，实现对电子、质子、或重离子等带电粒子的加速，能产生几百兆到几千兆电子伏能量的高能粒子流．这些高能粒子流就象炮弹一样，可以打人物质的深层结构，从而使人们了解物质的内部结构，粒子的能量越高，越能深入到物质的内部，因此，加速器是探索微小粒子的有力武器，在科学研究、国防建设等方面有着重要而广泛的应用，近几十年来，世界各发达国家都建设了各种不同用途的加速器，粒子的能量越来越高，我国在北京建成“正负电子对撞机”，已经获得了许多重要的科研成果，此外，在兰州、合肥等地建成了重离子加速器等不同功能的加速器．
加速器的建造得益于科学技术的发展，如高真空技术，超导技术、计算机技术等，加速器在帮助人们进一步探索微观粒子世界奥秘的同时，在人们的生产、生活中也有着重要的应用．20世纪40年代，电子加速器开始用于癌症的治疗．粒子加速器还用于工业探伤、食品的防腐与保鲜、复合材料的生产以及医疗用品消毒等．
b．高能物理学中的能量单位
常用单位是电子伏(eV)，此外，还有千电子伏(keV)、兆电子伏(MeV)、吉电子伏(GeV)和太电子伏(teV)．
1 teV=103 GeV=106 MeV=109 keV=1012 eV
通常我们称能量E<100 MeV(原子能爆炸时的核作用在此量级)为低能，l00MeV3 GeV为高能．
3．宇宙探秘
宇宙指所有的空间和时间，教材中“宇宙”一词指的是观测宇宙，即人类目前探测范围所及的空间和时间中物质世界的总称．
A.量天尺的单位
天文学中，天体之间相距遥远，用米、千米作为距离单位显得太小、很不方便，为此采取一些特殊长度作为距离单位．
一个天文单位(AU)：地球到太阳的平均距离．
光年(1．y)：光在真空中行进一年所通过的距离．
1 AU=1.496×1011m
1 I.y．=9.46×1015 m
B.人类对宇宙的探索是由近及远的
1608年荷兰人发明了望远镜，随着望远镜的不断改进，人类的视野便不断地向着宇宙的深处延伸．
18世纪以前，人类的观测能达到直径约l.2×1010km的太阳系；后来逐步扩大到直径约为l×105 I. y．，包括约2 000亿颗恒星的银河系；到20世纪20年代，人类已能“观察"到1×108 I.y．距离的星系；到50年代，扩大到l×109 I．y．；到60年代，又扩大到l×1010 I．y．；现在，人类已能观察到3×1010 I.y．空间范围的星系．观察表明，在3×1010 I. y．这个空间范围内，有几十亿个星系，每个星系平均约有1 000亿颗恒星．据科学估计散布在宇宙中的星系多达1 000亿个．
在晴朗夜空的空烁群星中，有一条横亘天际的光带，它是由群星和弥漫物质集中而成的一个庞大的天体系统称为银河系，银河系是宇宙中数以千亿计的星系中的一员．
太阳系处于银河系的边缘，太阳系由八大行星和太阳组成，八大行星是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，月亮是地球的卫星，不是太阳系中的行星．
宇宙是一个有层次的天体结构系统，这一系统层次由高到低可分为：宇宙一星系团一星系(银河系、河外星系)—恒星斗行星斗卫星．
说明：成百上千个星系集合成的星系系统称为星系团．
C.人类对宇宙的认识不断深入的简历
自古以来人类一直在关注、探索着宇宙．
在人类漫长的历史进程中，大部分时间人们主要依靠肉眼观察、简单猜测与推理来认识宇宙．他们对宇宙的认识很有限，并具有浓厚的神话与宗教色彩．
大约在三四千年前，古代的巴比伦人已经把天空中较亮的星星组成了各种有趣的形状，称为星座．巴比伦人创立了48个星座．后来，希腊天文学家给它们取了名字，有的星座像某种动物，就用动物名作为星座的名字，有的星座是以希腊神话里的人物名字来命名的．现在，国际通用的星座共88个，是1928年国际天文联合学会重新划分和决定的．
早在十六世纪以前，中国天文学家落下闳、张衡、祖冲之、一行、郭守敬等，设计制造出精巧的观测仪器，通过恒星观测，以定岁时，改进历法，产生了“盖天说”——认为天圆地方；“浑天说”——天地像蛋，地在中心，天在周围；“宣夜说——天没有一定的形状，无限而空虚，日月星辰就悬浮在空虚之中自由自在地运行着等宇宙结构观点，这些观点虽然有局限性，但其中也有现代宇宙结构观可以借鉴的成分．
在古代欧洲，公元二世纪，托勒密在他的《伟大论》一书中提出了“地心说”——地球处于宇宙的中心并静止不动，太阳、其他行星和卫星都围绕着地球转动，地心说是根据有限的观察资料拼凑起来的学说，虽然能较为完满地解释当时观测到的一些行星运动情况，并在航海上有一定的实用价值，但很多时候与实际情况不符．“地心说”在一千多年后的十六世纪被哥白尼的“日心说”打破．1543年，哥白尼通过30多年的观察与分析，在他的《天体运行论》一书中提出了“日心说”——太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳按一定的周期转动．日心说虽然仍未超出太阳系的局限，但却把地球从居于宇宙中心的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况，从根本上动摇了人类中心论等宗教教义不可冒犯的神话，它作为自然科学的“独立宣言”，第一次使宇宙的阐述从神学的桎梏下解放出来，在人类思想发展史以及社会发展史上留下了不可磨灭的光辉．意大利科学家布鲁诺坚信并推广哥白尼的日心说，为此受到了天主教会的酷刑．当然，限于当时的科技水平，哥白尼日心说中太阳是宇宙的中心，行星围绕太阳作匀速圆周运动等观点实际上也有一些局限和错误．
在哥白尼提出日心说之后，丹麦天文学家第谷创制了大型精密的天文仪器，并对行星进行了精密观测和记录，德国天文学家开普勒根据第谷的观测资料总结出了行星运动的三大定律，与开普勒同时代的近代天文学的创始人意大利科学家伽利略用自制的望远镜观测太空，发现金星的圆缺变化，木星的四个卫星以及它们绕木星的运动，这给哥白尼的日心说以有力的支持．1666年，英国伟大的科学家牛顿发现了万有引力定律并由此建立起天体力学，为人类进一步探索宇宙奠定了坚实的理论基础，牛顿还发明了反射式望远镜和棱镜，1705年，英国天文学家哈雷准确预测到一颗大慧星回归的时间为75～76年，这颗彗星被命名为哈雷彗星，哈雷还用精确的天文仪器观察到恒星也在运动．
近一百年来，人类对宇宙的探索由太阳和太阳系逐步拓展到恒星世界、银河系、河外星系和星系团，并触及到宇宙的结构和演化．20世纪20年代，美国天文学家哈勃在银河系外找到了新的星系，它们都跟银河系一样，由许许多多恒星汇聚而成，并发现星系的光谱向长波方向移动，称之为谱线“红移”，这一现象表明星系在远离我们而去，宇宙在膨胀．60年代发现了类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际分子，人类亲自登临月球……爱因斯坦的《广义相对论》和霍金的《时间简史》，是︿卷对宇宙探索的重大成果．
人类对宇宙奥秘的探索还在不断深入．
D．宇宙的起源
宇宙从何而来 这是当今最大的谜．
1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了宇宙，20世纪40年代末，美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融人到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙模型．该模型认为，宇宙起始于一个“原始火球”，在原始火球里，温度和密度都高得无法想象，这时物质所处的状态至今还无法描写．这种状态可能极不稳定，在距今约150亿年前，由于我们还不知道的物理原因，这个火球发生了大爆炸，这种爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间．爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降．在温度下降、体积膨胀的过程中，按有关物理知识，高能的光子可转变为各种正反粒子对．高能粒子与它们的反粒子湮灭转化为光子，余下的极少部分粒子(约10亿个粒子中留下1个)I在能量降低之后结合成轻的原子核，再进而结合成原子．温度降到一定程度，物质分裂成团块逐步形成超星系团、星系团、星系乃至恒星、行星、生命等，直到现在我们所处的这个宇宙．
热大爆炸宇宙模型理论，是20世纪后半叶自然科学四大成就之一，支持该理论的主要有以下一些观测事实：
①各种天体的年龄都小于200亿年．②宇宙物质的化学组成．在地球上氦元素很少，但在宇宙中氦的含量高居第二，仅次于氢元素．宇宙中氢约占3/4，而氦占1/4，其他所有元素的含量还不到2％．若认为氦是由于宇宙中通过恒星内部核反应产生(4个氢原子聚变形成1个氦原子)，我们可以估计一下银河系自诞生以来一共产生了多少氦，计算表明它仅提供了银河系中现有氦的1/10不到，这说明氦不可能是在一代代恒星生生灭灭的过程中产生的，而只能是宇宙形成时的原始物质组成部分．大爆炸宇宙论证实现今宇宙中所有的氦都是宇宙诞生后最初3 min
形成的．③20世20年代哈勃关于星系光谱红移的重大发现，表明宇宙仍在膨胀．④1965年美国科学家彭其亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射．研究表明，这种热辐射就是宇宙早期原始火球高温热平衡辐射留下的遗迹．这被认为是大爆炸宇宙理论最关键性的证据．⑤1991年4月23日，美国天文物理学家宣布，他领导的科学小组发现了宇宙诞生初期的物质云团，有力地支持了大爆炸理论的预言——在大爆炸之后．星系形成之前宇宙的结构应当是云团．这一发现还证实了科学家的另一个预言，即宇宙质量的90％存在于暗物质中，以往天文学家观测到的宇宙总质量远比理论上计算出的宇宙总质量要小得多．这些“消失"了的物质被称为暗物质．暗物质的多少直接影响着宇宙的未来：如果宇宙总质量小于某一数值，那么它将像现在这样一直膨胀下
去；如果它的总质量大于这一数值，那么天体之间的引力将使宇宙停止膨胀，并在这一巨大引力作用下开始收缩，形成宇宙“大坍塌"，直至大爆炸前的状态，他们的这一发现，引起世界科学家的极大关注，被认为是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家霍金4月24日发表声明说：“这是本世纪最重要的发现．”
霍金对于宇宙起源后10－43 s以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释．
宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质，从宇宙大爆炸开始有了现在宇宙中的物质、时间、空间的概念．
至此，大爆炸宇宙模型理论成为最有说服力的宇宙图景理论．然而，至今宇宙大爆炸理论仍缺乏大量实验的支持，而且我们尚未知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景． ．
E．我国空间技术发展简述
虽然我们的祖先早就发明了火箭，但用于航天事业则是新中国成立以后的事．l956年，我国建立了第一个专业化空间科学研究机构，航天事业开始步入正常轨道．l964年6月，我国自行设计、制造并发射了第一枚运载火箭；l970年1月30日，为发射卫星做准备而实验发射的第一枚“长征”号火箭获得成功；l970年4月24日，“长征一号”载着中国第一颗人造地球卫星“东方红一号"顺利升空，使我国的航天技术步人世界前列；l975年11月26 E1，我国发射“返回型遥感卫星一号”成功，三天后回收卫星成功，成为世界上第三个能回收卫星的国家；1980年5月，我国开始向太平洋海域发射大型运载火箭；1981年9月20日，我国成功地实现了“一箭多星”的发射；1982年9月，实现用潜艇水下发射运载火箭；l984年4月8日，发射地球同步通信广播卫星成功，这标志着我国已完全掌握了运载火箭的技术．我国现在酒泉、西昌、太原三个卫星发射中心，有“长征一号”、“长征二号”、“长征三号”火箭运载系列．l985年10月，我国正宣布“长征二号”和“长征三号”火箭投入国际市场，以优惠条件承揽各国用户的卫星发射业务．相继为法国和德国提供搭载发射服务后，l990年7月4日，“长征三号”运载火箭首次把美国休斯公司制造的“亚洲一号”卫星送人地球同步轨道，从而打开了中国火箭正式投入国际市场，发射外国卫星的大门．
在载人航天的探索方面，1992年9月21日，中国载人航天工程正式启动，航天科技人员独立解决了载人航天领域的一系列难题，“神舟号"系列飞船的发射就是最好的明证．1999年11月20日，我国“神舟一号”试验无人飞船发射成功，这标志着我国在载人航天领域迈出了可喜的一步，“神舟二号”于2002年4月1日发射发功后，2002年4月25日，“神舟三号”飞船，在酒泉卫星发射中心，用“长征2F，，捆绑式大推力运载火箭成功发射．“神舟三号”飞船的技术状态已经与载人状态完全一致．2002年12月30日凌晨，我国自行研制的“神舟四号"无人飞船发射升空，并成功地进入预定轨道．2003年10月15日9时，“神舟五号”载人飞船在甘肃酒泉卫星发射中心成功发射，中国首位航天员杨利伟带着中国人的千年期盼，梦圆浩瀚太空，“神舟五号”在太空中围绕地球飞行14圈后，杨利伟乘坐的返回舱于10月16日6时23分安全返回，降落在预定的着陆场上，杨利伟的平安归来，标志着我国已经成为世界上第三个能够独立开发载人航天活动的国家．2005年10月12日，“神舟六号”载人航天飞船载着费俊龙和聂海胜进入太空．10月17日，“神舟六号”飞船在航行了325万公里，绕地球飞行77圈后安全返回，这标志着我国在发展载人航天技术、进行多人多天参与的空间实验活动方面取得了又一个具有里程碑意义的重大胜利．
目前，我国正进行“神舟七号"载人飞船和“嫦娥工程”的相关工作，正在开展发展我国的永久性空间站、载人往返运输系统及地面发射、测控、通信系统的研究．宇宙空间是无限的，开发利用宇宙空间的事业也有无限的前景．中国人民在和平开发利用空间方面，必将为人类作出自己新的贡献．