1.1 第1课时 物体是由大量分子组成的 分子热运动 学案（含解析） 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3

1.1 分子动理论的基本内容
【学习目标】
第1课时
1.通过任务1及其活动知道物体是由大量分子组成的,建构理想单分子模型;知道阿伏加德罗常数是联系宏观量与微观量的桥梁。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动知道扩散现象、布朗运动的特点及其产生原因;知道分子热运动及其影响因素。(物理观念、科学探究)
第2课时
1.通过任务1及其活动,联系弹簧模型,采用类比方法探究分子间的作用力,知道分子间的作用力与分子间距离的关系。(科学探究、科学思维)
2.通过任务2及其活动了解分子动理论,尝试解释相关的现象。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习】
　　重点难点:理解扩散现象、布朗运动的成因,掌握分子间的作用力与分子间距离的关系。
教学建议:学生在初中已接触分子动理论的基本内容,而且掌握了一定的化学(原子)知识,课前要求学生阅读所要学习的内容,并自行完成知识体系梳理,理清知识关系、明确认知误区。课堂教学中通过对学生进行释疑、生活实验引起学生的兴趣,尝试借用科学思维方法 ,引导学生分组讨论、协作完成探究问题,开拓思维,体会怎样通过宏观量来(间接)测量微观量。通过类比和抽象思维、理想化模型的处理,对看不见摸不着很微小的分子有个初步的了解。
导入新课:暮春时节,金黄的油菜花铺满了原野,微风拂过,飘来阵阵花香。为什么离花较远的人也能够闻到这沁人心脾的香味呢
思考并回答问题。
思考1:“墙角数枝梅,凌寒独自开。遥知不是雪,为有暗香来。”这是北宋诗人王安石的一首脍炙人口的诗歌,它仿佛把我们也带入了一个梅香扑鼻的世界。为什么王安石没有靠近梅树,却能闻到梅花的香味呢
　　提示:梅香扑鼻正是分子运动(扩散现象)的最直接的证据,盛开的梅花的香气分子在空中不断扩散,我们远远地就能闻到梅花的香气。
　　思考2:在一锅水中撒一点胡椒粉,加热时发现水中的胡椒粉在翻滚。这一现象是否能够证明“温度越高,布朗运动越剧烈”
　　提示:不能。首先,胡椒粉是较大的固体颗粒,做布朗运动的微粒用肉眼是看不到的。其次,水中的胡椒粉在翻滚,这是由水的对流引起的,并不是水分子撞击的结果。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)布朗运动就是液体分子的无规则运动。(　　)
(2)悬浮微粒越大,布朗运动越明显。(　　)
(3)布朗运动的剧烈程度与温度有关。(　　)
(4)固体和液体难压缩,说明分子之间没有空隙。(　　)
(5)分子间的引力随距离的增大而增大,斥力随距离的增大而减小。(　　)
　　答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
第1课时 物体是由大量分子组成的 分子热运动
【合作探究】
任务1　物体是由大量分子组成的
情境引入
　　乌鸦喝水是伊索寓言中的一个寓言故事,讲述了一只乌鸦克服困难喝水的故事。乌鸦喝一口水大约是1 mol,你知道乌鸦喝一口水大约喝掉多少个水分子吗
问题引领
1.1 mol物质中所含有的分子个数为多少个 我们怎么来表示它
　　解答:1 mol物质中所含有的分子个数为6.02×1023个;我们用阿伏加德罗常数(NA)来表示1 mol物质中所含有的分子个数。
2.请根据情境引入中的信息,计算一个水分子的质量。
　　解答:水的摩尔质量M=18×10-3 kg/mol,则一个水分子的质量m== kg=3.0×10-26 kg。
知识生成
1.物体是由大量①　　　　组成的。在研究物体的热运动性质和规律时,我们把组成物体的微粒,如分子、原子或者离子统称为分子。
2.阿伏加德罗常数
(1)对阿伏加德罗常数的认识
1 mol任何物质所包含的粒子的数目都相等,这个数叫作②　　　　　　　,用符号NA表示。在通常的计算中,可取NA=③　　　　　 mol-1,粗略计算时可取6.0×1023 mol-1。
(2)阿伏加德罗常数的意义
阿伏加德罗常数是一个重要的常数,它把摩尔质量、摩尔体积这些④　　　物理量与分子质量、分子体积等⑤　　　物理量联系了起来。
①分子　②阿伏加德罗常数　③6.02×1023　④宏观　⑤微观
应用探究
[活动1]宏观量与微观量间的关系
例1　(2023·菏泽质检)(多选)若以μ表示氮气的摩尔质量,V表示在标准状况下氮气的摩尔体积,ρ是在标准状况下氮气的密度,NA为阿伏加德罗常数,m、V0分别表示每个氮分子的质量和体积,下面四个关系式中正确的是(　　)。
A.NA= B.ρ=
C.m= D.V0=
　　分析问题　(1)联系宏观物理量和微观物理量、质量和体积的桥梁分别是什么
(2)气体摩尔体积与阿伏加德罗常数的比值是一个气体分子的体积吗
　　提示　(1)阿伏加德罗常数;密度。　(2)不是,气体摩尔体积与阿伏加德罗常数的比值是指一个气体分子所占据的空间体积,远大于一个气体分子的体积。
　　答案　AC
解析　摩尔质量μ=m·NA=ρ·V,可得NA=,m=,ρ=,A、C两项正确,B项错误;因氮气分子间距很大,故NAV0[活动2]微观量的计算
例2　已知氢的摩尔质量为2 g/mol,20 ℃时氢气的密度为0.089 kg/m3,20 K时液氢的密度为70.85 kg/m3。估算可得20 ℃时体积为1 m3的氢气中所含分子数约为　　　　 个,20 K时一个液氢分子的体积约为　　　　　m3。(已知阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol-1)
　　答案　2.68×1025　4.69×10-29
解析　每个氢分子的质量m= kg,20 ℃时体积为1 m3的氢气中所含分子数约为n==≈2.68×1025,20 K时一个液氢分子的体积V== m3≈4.69×10-29 m3。
归纳总结　　阿伏加德罗常数的应用
(1)微观量:分子体积V0、分子直径d、分子质量m0。
(2)宏观量:物体体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量m、摩尔质量Mmol、物体的密度ρ。
(3)微观量与宏观量的关系
①分子的质量:m0==。
②分子的体积:V0==(适用于固体和液体)。
③物体所含的分子数:n=·NA=·NA或n=·NA=·NA。
④阿伏加德罗常数:NA=或NA=(只适用于固体、液体)。
任务2　分子热运动
情境引入
请仔细观察图1中液体、固体之间的扩散现象,图2中显微镜下观察到的悬浮在水中的花粉小颗粒不同时刻位置的连线。
图1
图2
问题引领
1.结合图1中的三幅图片,请你回答:水的颜色、墙面的颜色、茶叶蛋的颜色还是它们本来的色彩吗 能否解释一下原因
　　解答:不是本来的色彩了,水变成了和墨水一样的颜色;炉子旁边的墙面变成了黑色;茶叶蛋的颜色不再是白色,变成了和酱油差不多的颜色。原因是组成物质的分子在永不停息地做无规则运动,不同物质能够彼此进入对方。
2.图2中的曲线是花粉小颗粒的运动轨迹吗 花粉小颗粒的运动叫什么运动 此类运动的原因是什么
　　解答:不是。花粉小颗粒的运动叫布朗运动。此类运动产生的原因是:当颗粒足够小时,它受到的来自各个方向的液体(或气体)分子的撞击作用不平衡以及分子对微粒非常频繁的碰撞。
3.布朗运动的特点是什么
　　解答:布朗运动的特点是“永不停息,运动无规则”;颗粒越小,温度越高,布朗运动越剧烈。
4.分子热运动的两种宏观表现是什么 为什么把分子永不停息的无规则运动叫作热运动 能否认为温度过低时,分子就停止运动
　　解答:扩散现象和布朗运动是分子热运动的两种宏观表现,温度越高它们的运动就越明显,分子的无规则运动跟温度有关,温度越高运动就越剧烈,因此分子的无规则运动又叫热运动。温度过低,分子热运动缓慢,但不会停止,因为分子在永不停息地做无规则热运动。
知识生成
1.扩散
(1)扩散:不同种物质能够彼此⑥　　　　的现象。扩散现象说明了物质分子在永不停息地做无规则运动。
(2)产生原因:由物质分子的⑦　　　　　产生的,不是外界作用(例如对流、重力作用等),也不是化学反应的结果。
(3)应用:扩散现象在科学技术中有很多应用。例如,在生产半导体器件时,需要在纯净半导体材料中掺入其他元素,这一过程可以在高温条件下通过分子的⑧　　　 来完成。
2.布朗运动
(1)布朗运动:悬浮在液体中的固体小颗粒不停地做⑨　　　运动。它首先是由英国植物学家布朗在1827年用显微镜观察水中的⑩　　　　时发现的。
(2)产生的原因:大量液体分子对悬浮微粒的撞击　　　　。
(3)运动特点:永不停息、无规则。
(4)影响因素:微粒越　　　,温度越　　　,布朗运动越明显。
(5)布朗运动的实质:悬浮微粒的无规则运动并不是　　　　的运动,微粒永不停息的无规则运动间接地反映了　　　　在做永不停息的　　　　　。
3.热运动
(1)分子永不停息地做　　　　　运动。
(2)　　　　是分子热运动剧烈程度的标志。
⑥进入对方　⑦无规则运动　⑧扩散　⑨无规则　花粉颗粒　不平衡　小　高　液体分子　液体分子　无规则运动　无规则　温度
应用探究
[活动1]对扩散现象的理解
例3　(多选)下列是小明吃砂锅粥时碰到的现象,其中属于扩散现象的是(　　)。
A.米粒在水中上下翻滚
B.粥熟时,香味四处飘散
C.盐放入水中,水变味道
D.滴加香油时,周围可闻到香油气味
精要分析　扩散现象是不同物体彼此进入对方的现象,物体单纯地发生运动不属于扩散现象。
　　答案　BCD
解析　米粒在水中翻滚是米粒的运动,不是分子运动,不属于扩散现象;香味四处飘散,是分子扩散到空气中的结果,属于扩散现象;盐放入水中,水变味道,是因为盐分子运动到水中,属于扩散现象;添加香油时,香油分子运动到空气中,使周围可闻到香油气味,属于扩散现象,B、C、D三项符合题意。
[活动2]对布朗运动记录图的理解
例4　(改编)某同学把同一植物花粉小颗粒分别置于温度为T1、T2的水中,记录水中花粉小颗粒运动位置连线的图片分别如图1和图2所示。已知记录花粉小颗粒位置的时间间隔均为20 s,两方格纸中每小格表示的面积相同。则(　　)。
A.花粉小颗粒的无规则运动证明组成花粉的分子在做无规则运动
B.T1C.若增大图1中花粉颗粒的大小,则记录花粉小颗粒运动位置连线的图片可能变为图2
D.图中折线代表水分子的运动轨迹
分析问题　(1)影响布朗运动的因素有哪些
(2)两图中,哪个图中的分子运动更剧烈
　　提示　(1)温度和固体小颗粒的大小。(2)图2中分子运动更剧烈。
　　答案　B
解析　花粉小颗粒的无规则运动证明水分子在永不停息地做无规则运动,A项错误;根据题意和图像可知,图2中的分子在相同时间内运动的路程更远,因此图2中分子运动更剧烈,水的温度较高,T1归纳总结　　布朗运动示意图的分析方法
布朗运动是无规则的,分析布朗运动示意图时要注意:
(1)布朗运动示意图中每个拐点记录的是微粒每隔一段时间(如30 s)的位置,可采用频闪照相的办法记录。
(2)两位置所画直线是人为画的,在30 s内,微粒仍做无规则运动。
(3)不能将示意图中的折线当作微粒的运动轨迹,每一段直线也不可认为是对应这段时间内的匀速直线运动轨迹,在这段时间内运动仍然是很复杂的。
(4)布朗运动示意图只能说明每隔一段时间微粒的位置,无法确定微粒运动的轨迹。
[活动3]布朗运动与分子热运动的区别
例5　(2023·阜阳质检)下列关于热运动的说法中,正确的是(　　)。
A.0 ℃的物体中的分子不做无规则运动
B.存放过煤的混凝土地面下方一段深度内都有黑色颗粒,说明煤分子在做无规则的热运动
C.因为布朗运动的剧烈程度跟温度有关,所以布朗运动也叫作热运动
D.运动物体中的分子热运动比静止物体中的分子热运动剧烈
　　答案　B
解析　0 ℃的物体中的分子仍然不停地做无规则运动,A项错误;存放过煤的混凝土地面下一段深度内都有黑色颗粒,说明煤分子在做无规则的热运动,B项正确;分子的无规则运动叫热运动,布朗运动是悬浮在液体或气体中固体小颗粒的运动,布朗运动不是热运动,C项错误;物体温度越高,分子无规则运动越剧烈,物体的运动是机械运动,运动物体中的分子热运动不一定比静止物体中的分子热运动剧烈,D项错误。
归纳总结　　　　布朗运动与分子热运动的比较
比较项 布朗运动 热运动
活动主体 固体小颗粒 分子
区别 是固体小颗粒的运动,是比分子大得多的分子团的运动,较大的颗粒不做布朗运动,但它本身的以及周围的分子仍在做热运动 是指分子的运动,分子不论大小都做热运动,热运动不能通过光学显微镜直接观察到
共同点 都是永不停息的无规则运动,都随温度的升高而变得更加剧烈,都是肉眼所不能看见的,都不是宏观物体的机械运动
联系 布朗运动是小颗粒受到周围液体(或气体)分子的频繁撞击而做的无规则运动,它是分子做无规则运动的反映
【随堂检测】
1.(任务1)若某公园的路灯灯泡的容积V=1.5 mL,充入的氙气的密度ρ=5.9 kg/m3,氙气的摩尔质量M=0.131 kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6×1023 mol-1,则灯泡中氙气分子的总个数约为(　　)。
A.4×1018个 B.1×1019个
C.4×1019个 D.1×1020个
　　答案　C
解析　设氙气的物质的量为n,则n=,氙气分子的总数N=NA=×6×1023(个)≈4×1019个,C项正确。
2.(任务2)(多选)烤鸭味道鲜美,其烤制过程没有添加任何调料,只需在烤制之前,把烤鸭放在腌制汤中腌制一定时间,盐就会进入肉里。则下列说法正确的是(　　)。
A.如果让腌制汤温度升高,盐进入鸭肉的速度就会加快
B.烤鸭的腌制过程说明分子之间有吸引力,把盐分子吸进鸭肉里
C.在腌制汤中,有的盐分子进入鸭肉,有的盐分子从鸭肉里面出来
D.把鸭肉放入腌制汤后立刻冷冻,将不会有盐分子进入鸭肉
　　答案　AC
解析　盐分子进入鸭肉是因为盐分子的扩散,温度越高扩散得越快,A项正确;盐进入鸭肉是因为盐分子的无规则运动,并不是因为分子间有吸引力,B项错误;盐分子永不停息地做无规则运动,有的进入鸭肉,有的离开鸭肉,C项正确;冷冻后,仍然会有盐分子进入鸭肉,只不过速度慢一些,D项错误。
点评　扩散现象可发生在气态、液态和固态物质间,只是气态物质的扩散现象最容易发生,液态物质次之,固态物质的扩散现象在常温下短时间内不明显。
3.(任务2)(多选)一颗悬浮微粒受到周围液体分子撞击的情境如图所示,关于布朗运动,下列说法正确的是(　　)。
A.布朗运动就是液体分子的无规则运动
B.液体温度越高,布朗运动越剧烈
C.悬浮微粒越大,液体分子撞击作用的不平衡性表现得越明显
D.悬浮微粒做布朗运动,是液体分子的无规则运动撞击造成的
　　答案　BD
解析　布朗运动是悬浮在液体表面的固体颗粒的无规则运动,是液体分子的无规则运动的表现,A项错误; 液体温度越高,布朗运动越剧烈,B项正确; 悬浮微粒越小,液体分子撞击作用的不平衡性表现得越明显,C项错误; 悬浮微粒做布朗运动,是液体分子的无规则运动撞击造成的,D项正确。
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