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第十三章 内能
第2节 分子动理论的初步知识
教材 解读 本节主要内容是分子动理论的初步知识,这些知识跟日常生活联系非常密切,可以用来解释许多相关现象,是从微观角度分析和理解热现象的理论依据,是进一步学习热学知识的基础。《初中物理新课程标准》对本节内容的要求是:“知道自然界和生活中的一些简单热现象,了解分子热运动的一些特点,知道分子动理论的基本观点。”对本节的活动建议是:“利用常用物品设计实验方案,说明组成物质的微粒在不停地运动。”
学 习 目 标 物理观念 1.知道物质的组成,以及能够分辨什么是扩散现象。 2.知道分子热运动与温度的关系。 3.知道分子之间存在相互作用的引力和斥力。
科学思维 通过分子力与弹簧弹力类比,使学生知道分子间既存在斥力又存在引力。
科学探究 1.通过演示实验说明一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。 2.观察演示实验使学生知道物体温度越高,分子热运动越剧烈。
科学态度 与责任 用实验激发学生对大千世界的兴趣,使学生了解通过直接感知的现象,可以认识无法直接感知的事实。
教学 重、 难点 重点:分子动理论的基本观点。 难点:分子间作用力。
教学 建议 本节课主要采用转换法和模型法组织教学,突出重点,突破难点,帮助学生建立分子动理论的基本观点: (1)构成物质的分子在不停地做无规则运动,我们用肉眼无法直接观察到,因此要做好演示实验。例如:打开香水瓶瓶盖后,满教室都能闻到香味;红墨水在水中扩散等。另外,我们还可以用多媒体课件来模拟气体分子的无规则运动和扩散现象,使这种看不见的运动在学生头脑中形象化、具体化,有利于学生进行理解和记忆。 (2)分子间作用力这部分知识较难、较复杂,尤其是分子间的引力与斥力同时存在,学生较难理解。教学中要做好两个铅柱间的分子引力实验,引导学生分析推理;通过乒乓球和弹簧建立模型,将分子间作用力与弹簧的弹力进行类比,使学生了解分子间既存在引力又存在斥力,粗略知道什么情况下分子间表现为引力,什么情况下分子间表现为斥力。
教学设计① (对应ppt见电子资源)
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 情境引入: 1.试一试 向教室内喷洒几滴香水,前几排的同学能闻到什么气味 过几分钟,后面的同学能闻到吗 2.想一想 春天花开的时候,为什么能闻到花香 厨师在做饭时,为什么能闻到菜的香味 这都是与分子有关的现象,今天我们一起来学习。 思考、交流 创设情境,设计悬念导入。激发兴趣,引出分子。
【探究新知】 一、物质的构成 学生分组实验。 单数小组:撕纸,看哪一组撕得最碎。 双数小组:打碎冰糖,每打碎一次拿出来看看,探究打得更碎时,冰糖味道有何变化。 思考:将碎纸片、冰糖多次分割后,颗粒会越来越小,如果不停地分割下去,有没有一个限度 观察、思考、 交流、回答 结合宏观现象,对微观结构进行猜想。
讨论交流:小组之间交流讨论物质的变化情况、无限度地分下去时出现的情境。 归纳总结:(1)保持物质原来性质不变的最小微粒叫作分子。 (2)常见的物质是由极其微小的粒子——分子、原子等构成的。 (3)一般分子的直径只有百亿分之几米,人们通常以10-10 m为单位来量度分子。 二、分子热运动 分子非常小,人用肉眼无法直接看到,什么现象可以说明分子是不断运动的呢 活动一 演示实验1:我们将一个空瓶子,倒扣在一个装着红棕色二氧化氮气体的瓶子上面,抽掉盖在二氧化氮瓶上的玻璃板。 观察并思考:上面的瓶内变红说明了什么 将空瓶与装着红棕色二氧化氮气体的瓶子颠倒放置,重做这个实验,能否得出相同的结论 分析:上方空瓶内颜色变红,说明二氧化氮分子运动到了上面的瓶中,这是一种扩散现象。两瓶颠倒放置时不能得出相同的结论,因为二氧化氮气体的密度比空气大,在重力作用下会向下运动,无法证明是分子运动的结果。 归纳总结: (1)不同的物质在相互接触时彼此进入对方的现象,叫作扩散。 (2)①扩散现象可以发生在任意不同状态的物质之间;②扩散现象发生在不同的物质之间,相同物质的混合不属于扩散。 (3)扩散现象说明:①物质的分子都在不停地运动;②分子间存在间隙。 活动二 提出问题:气体可以发生扩散,那么液体和固体是否也可以发生扩散呢 观看视频:液体扩散实验和固体扩散实验。 做一做:向一端封闭的玻璃管中注水至一半位置,再注入酒精直至充满。封闭管口,并将玻璃管反复翻转,使水和酒精充分混合,观察液面的位置,分析混合后水和酒精的总体积变化情况。 现象:会看到水与酒精混合后的总体积小于混合前的体积之和。 结论:扩散现象还表明,分子间存在着间隙。 演示实验2:向一个分别盛有热水、冷水的两个烧杯中用滴管各注入一滴红墨水。 分析、总结 思考、讨论、猜想、回答 思考、讨论、回答问题 观察、思考、交流 感性认识物质的构成。理解分子是保持物质化学性质不变的最小粒子。 利用实验创设分子运动的情境。 提高学生的物理素养,培养学生观察、思考的能力。 引导学生识别扩散现象,并能用分子热运动的观点进行解释。 通过直接感知的现象,推测无法直接感知的事物。
观察并思考:观察到什么现象 说明了什么问题 分析:观察实验,发现热水中颜色变化较快,说明热水分子运动更剧烈。即温度越高,分子运动越剧烈。 结论:液体之间也可以发生扩散现象,扩散的快慢与物体的温度有关。 拓宽延伸:结合演示实验,阐述课本P9图13.2-4说明的问题。实验中如果将水放在硫酸铜溶液的下面,是否会影响实验效果 活动三 提出问题:固体之间能否发生类似的现象,请同学们交流、讨论举例。 三、分子间的作用力 固体、液体的分子都在不停地做无规则运动,且分子间又有间隙,但为什么分子不会飞散开,反而聚合在一起呢 演示实验3:将两个铅柱的底面削平、削干净,然后紧紧地压在一起,两个铅柱就会结合起来,甚至下面吊一个20 kg的重物都不能把它们拉开。 演示实验4:如图所示,将一块干净的玻璃板吊在弹簧测力计下称量并读数,然后将玻璃板水平接触水面,稍稍向上用力拉弹簧测力计,请大家仔细观察弹簧测力计的示数发生了怎样的变化 演示实验5:拿出准备好的注射器,拧下针头,拉开活塞,用大拇指堵住针孔,用力压活塞,有什么感觉 将活塞中的空气换成水,再做一做,有什么感觉 归纳总结:分子之间存在相互作用的引力和斥力。 拓宽延伸: 演示实验6:让学生取一根弹簧,感受拉和压弹簧时作用于手的力。然后拿两个乒乓球,中间连接一根弹簧,告诉学生用这个模型来类比两个靠近的分子。用弹簧拉长类比分子间的距离增大,作用力表现为引力;用弹簧压缩类比分子间的距离减小,作用力表现为斥力;当不对弹簧用力时,类比分子处于平衡位置,引力等于斥力。 观察、思考、交流 思考、交流 观察、思考、交流 观察、思考、交流 引导学生思考,培养学生的探究能力。 通过观察实验,思考并总结出铅柱分子间存在引力。 通过观察实验,思考并总结出分子间还存在斥力。 利用类比的方法认识分子间的引力和斥力。
归纳总结: (1)分子之间既有引力又有斥力,引力和斥力是同时存在的。 (2)不同情况下分子间作用力的特点 若d指“分子间的距离”,r指“分子间的平衡距离”,则有: ①当d=r时,F引=F斥,处于平衡位置。 ②当dr时,F引>F斥,引力起主要作用。 ④当d>10r时,分子间作用力十分微弱,可以忽略不计。 问题:结合课本P11图13.2-6、13.2-7、13.2-8,讨论交流物质三态的分子模型。用表格的形式比较三种物态分子排列的不同特点。 物态微观特性宏观特性分子间 的距离分子间的 作用力有无一 定形状有无一定 体积固态较小很大有有液态较大较大无有气态很大很弱无无
最终概括总结: 分子动理论的内容:①常见的物质是由大量分子构成的;②物质内的分子都在不停地做热运动;③分子之间存在引力和斥力。 课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略) 阅读教材内容,讨论不同物态的分子特征。 培养学生总结归纳的能力。
教学设计② (详见电子资源)
温馨提示:为满足广大一线教师的不同教学需求,特新增“典案二 教学设计②”,
内含多种授课方式不同的教学设计案例,word排版,可编辑加工,方便使用。
内容详见电子资源。
导学设计
学点1 物质的构成
科学研究发现:常见的物质都是由极其微小的粒子—— 分子 、 原子 等构成的。分子、原子的体积非常小,用肉眼直接看不到,用电子隧道扫描显微镜可帮助我们观察到分子、原子。
学点2 分子热运动
1.扩散
(1)气体的扩散
[做一做]如图13-2-10所示,将一个空玻璃瓶子倒扣在一个装着棕色二氧化氮气体的瓶子上面,中间用玻璃板隔开。已知二氧化氮的密度大于空气的密度,当撤去玻璃板后,猜一猜你会看到什么现象 该现象说明什么
图13-2-10
[分析归纳]上方的空气瓶慢慢地由无色到有色。实验表明下方的二氧化氮分子运动到 空气瓶 中。
[总结]不同物质在互相接触时彼此 进入对方 的现象,叫扩散。
(2)液体的扩散
实验:在量筒里装一半清水,用细管在水的下面注入蓝色的硫酸铜水溶液。开始时,由于硫酸铜溶液比水的密度大,会沉在量筒的 下 部,因此可以看到无色的清水与蓝色硫酸铜溶液之间明显的界面。静放几天,界面就逐渐变得模糊不清了。(图13-2-11)
图13-2-11
[分析归纳]该现象表明清水与蓝色的硫酸铜水溶液的分子彼此进入对方中,说明液体可以发生 扩散 。
(3)固体的扩散
历史实验:把铅板和金板紧压在一起,在室温下放置5年。发现铅板里会渗入一些金,金板里面会渗入一些铅,互相渗入约1 mm深。
[分析归纳]该现象表明固体可以发生 扩散 。
(4)总结
①一切气体、液体和固体之间都能发生扩散现象。
②一般情况下,固体扩散最慢,液体次之,气体最快。
③扩散现象表明:一切物质的分子都在不停地做无规则运动,分子间存在间隙。
2.分子热运动
[做一做]在两个烧杯内盛有质量相等的热水、冷水,用滴管注入两滴红墨水,观察现象(图13-2-12)。
图13-2-12
[分析归纳]实验现象:一段时间后,热水先变红。实验表明:温度越高,扩散越 快 ,分子运动越 剧烈 。
分子热运动:由于分子的运动跟 温度 有关,所以这种无规则运动叫作分子的热运动。
学点3 分子间的作用力
1.分子间存在引力
[做一做]如图13-2-13所示,将两个底面光滑的铅块相互紧压,它们会粘在一起吗 你看到了什么现象 这一现象能否证明分子之间存在吸引力
图13-2-13
[分析归纳]实验现象:两铅块会结合起来,甚至在下面吊一个20 kg的重物都不能把它们拉开。实验表明:分子之间存在 引力 。
2.分子间存在斥力
[想一想]我们知道,分子之间存在空隙,通过刚才的实验知道,分子间存在引力,那么为什么分子不能都吸在一起呢 这不是矛盾吗
[做一做]找一支注射器,吸入一些水(或用空气),用手指封住针孔,用力压缩活塞时,体验所用力的大小。
[分析归纳]实验现象:用力压缩活塞时,针筒内的水会产生“抵抗”。实验结论:当分子间距离 变小 时,分子间相互排斥,存在 斥力 。
3.分子间同时存在引力与斥力
[做一做]找一支注射器,吸入一些水,用手指封住针孔,用力向外拉活塞时,体验所用力的大小。
[分析]实验现象:用力向外拉活塞时,针筒内的水会“吸引”。实验结论:当分子间距离 变大 时,分子间相互吸引,存在 引力 。
综合分析以上实验可得出:分子间同时存在引力和斥力,其大小都跟分子间 距离 有关系。
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第十三章 内能
第2节 分子动理论的初步知识
新课导入
方式一 【问题导入】
“墙角数枝梅,凌寒独自开。遥知不是雪,为有暗香来。”这首诗描绘了梅花不惧严寒、傲然独放的情境(图13-2-1)。你知道花香是怎么传播到远处的吗
认真学习本节内容之后,你自然会找到答案。板书课题:分子动理论的初步知识。
图13-2-1 图13-2-2
方式二 【情境导入】
多媒体播放视频——肥波和为什么晕倒 (图13-2-2)
学习了这节的内容后,你就会明白了。
电子视频 (详见电子资源)
教材知识处理
1.实验改进
(1)硫酸铜与清水的扩散实验改进(教材P9)
[存在问题] 用细管向玻璃筒中的清水下面注入硫酸铜溶液时,溶液在玻璃筒底部会改变流向,或在提升细管时,溶液会随细管提升而在玻璃筒内散开,造成界面不分明。
[改进方法] 将注液法改为吸液法,即用一支50 mL的塑料注射器,先吸入30 mL的清水,排除空气,再缓慢地吸入15 mL左右的硫酸铜溶液,然后套上胶管套,挂在教室的墙壁上(如图13-2-3所示,也可提前做一个放注射器的支架),可供学生长期观察。
图13-2-3
[优点] 操作简单方便,两种液体界面分明,效果明显,不占用学生活动时间,可长期观察。
(2)探究分子间作用力实验改进
[实验器材] 如图13-2-4所示,把两个儿童玩具小塑料球用一根压缩弹簧和一根拉伸橡皮筋连在一起,即为两个分子间作用力的模型,参见图甲。在一个塑料球的上、下、前、后、左、右六个方向上都用压缩弹簧和拉伸橡皮筋与另外的塑料球相连接,即为一个分子与周围分子间作用力的模型,参见图乙。
图13-2-4
[实验过程] ①当弹簧的弹力等于橡皮筋的拉力时,两球相隔一定距离,各自处于平衡位置,这可以用来模拟分子间既有引力又有斥力且引力等于斥力的情况。当两球间距离增大时,引力大于斥力,两球间表现为引力;当两球间距离减小时,斥力大于引力,两球间表现为斥力。
②当两球间的距离大到使橡皮筋拉断时,两球间便失去了作用力,这可以用来模拟分子与分子之间距离相当大时,分子之间的相互作用力基本消失的情况。
2.生活中的扩散现象及扩散现象的判断
扩散现象的标志:①发生扩散后的两种物质不会自动分开(不包含结晶现象);②没有发生化学反应。
如果一段时间后,不同物质自动分开或发生了化学反应,则该现象不属于扩散现象。如:水变浊了、扫地时尘土飞扬、铁生锈了等。
生活中的扩散现象:墨水滴入清水中、闻到某种气味、放煤的墙角变黑、腌(炒)菜变咸等。
[强调说明] 扩散现象不会发生在同种物质之间,例如:冷水与热水混合变成温水不是扩散现象。
[教学说明] 扩散现象是本节课的一个重点内容,教师可以多列举贴近生活实际的例子,以激发学生的学习兴趣,加深学生对扩散的理解。
3.分子间作用力的经典例证
①分子引力:相互靠近的两滴水接触后,会自动结合成一滴水。
②分子斥力:气体能被压缩,但压缩到一定程度时就很难再被压缩,例如:推压吸入空气的注射器。
4.打比方说明固体、液体、气体的分子排列微观模型
图13-2-5
[教法推荐] 打比方:
固体中的分子排列——课间操场上认真做广播体操的学生(图13-2-5甲);
液体中的分子排列——课间教室里稍做休息的学生(图乙);
气体中的分子排列——体育课操场上自由活动的学生(图丙)。
本节教材链中考
[考点小说] 分子动理论是物理热学的基石,深刻理解这一理论,就能科学、准确地解释各种热学现象。扩散现象和分子间作用力是热学部分的高频考点,大都以选择题或填空题的形式出现。
[考点对接] 1.分子热运动
[源起教材P8] 问题
图13.2-1 绽放的梅花
“墙角数枝梅,凌寒独自开。遥知不是雪,为有暗香来。”这首诗描绘了梅花不惧严寒、傲然独放的情境(图13.2-1)。你知道花香是怎么传播到远处的吗
例1 (宜宾中考)下列描述中属于扩散现象的是 ( )
A.桂花花香四溢 B.雪花漫天飘舞 C.灰尘空中飞扬 D.江面雾气弥漫
[解析] A 桂花花香四溢是因为花香分子在不停地做无规则运动;雪花漫天飘舞、灰尘空中飞扬和江面雾气弥漫都属于机械运动。
[考点对接] 2.分子间作用力
[源起教材P10] 演示
图13.2-5 铅柱吊起重物
如图13.2-5所示,将两个铅柱的底面削平、削干净,然后紧紧地压在一起,两个铅柱就会结合起来,甚至下面吊一个20 kg的重物都不能把它们拉开。
你觉得不能把两个铅柱拉开的原因是什么
例2 (无锡中考)如图13-2-6所示,将两个表面光滑的铅块相互紧压,它们会结合在一起,下方可以挂起重物。该现象主要说明了 ( )
图13-2-6
A.分子间有空隙
B.分子间存在吸引力
C.分子间存在排斥力
D.分子处在永不停息的无规则运动中
[答案] B
拓展材料
材料一——表面张力
表面张力是液体表层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常,由于环境不同,处于界面的分子与处于物体内部的分子所受的力是不同的。水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力相互平衡,水表面的一个水分子却不会如此,因为上层空间空气分子对它的吸引力小于内部液体分子对它的吸引力,所以该分子所受的力不平衡,其合力方向垂直指向液体内部,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势,这种收缩力称为表面张力。(图13-2-7)
图13-2-7
材料二——人类探索物质构成奥秘的历程
(1)“分糖假说”
究竟什么是“分子” 组织学生讨论“分糖假说”:取一粒糖,设法将其分割成2粒,而后将这2粒分成4粒、8粒、16粒、32粒……每分一次,取其中一粒加以检查,如果这粒糖仍具有糖的性质——甜味,就再往下分,假设分到某种程度,取其中一粒再分时就失去了糖的本性,那么这个最小的颗粒就是糖分子。物质也都与糖一样,是由它们各自的分子组成的。
(2)人类对物质构成探究的代表学说(图13-2-8)
图13-2-8
材料三——布朗运动
布朗运动是证明分子永不停息地做无规则运动的实验基础,它是悬浮在液体(或气体)中的固体微粒的运动,是液体(或气体)分子无规则运动的反映,它的剧烈程度与微粒的大小及液体(或气体)的温度有关。
1827年,英国植物学家布朗用显微镜观察水中悬浮的花粉,发现这些花粉颗粒不停地做无规则的运动。这种运动后来就叫作布朗运动。不只是花粉,对于液体中各种不同的悬浮微粒,都可以观察到布朗运动,就连悬浮在静止气体中的尘粒也在不停地做无规则运动。而且微粒越小,运动越明显。
从观察的结果可以知道,布朗运动是绝不会停止的。在显微镜下观察水中的悬浮微粒,随时都可以看到布朗运动。
布朗运动是怎样产生的呢 下面以液体中的悬浮颗粒为例进行说明。显微镜下看到的小颗粒是由千千万万个分子组成的。小颗粒悬浮在液体中时,被许许多多液体分子包围着,并不断受到其周围液体分子的撞击。每个液体分子撞击时,都会给小颗粒一定的冲击力。由于小颗粒体积很小,在某一瞬间和它相撞的分子数比较少,如果从某一方向撞击的分子数多于从其他方向撞击的分子数,小颗粒受到的冲击力就不是平衡的,它将在冲击力的方向上产生加速度。下一瞬间,在另外一个方向上受到的冲击力大一些,小颗粒又在那个方向上产生加速度。这样,分子不对称碰撞悬浮在液体中的小颗粒,就引起了小颗粒的无规则运动。做布朗运动的小颗粒虽然不是分子,但它的无规则运动是液体或气体分子无规则运动的一种间接表现形式。
较大的悬浮颗粒不做布朗运动。这是因为同时跟它碰撞的分子数较多,来自各个方向的冲击力的平均效果可以认为是互相平衡的,而且颗粒的质量较大,受到很小的冲击力时,对原有运动状态的改变微乎其微。因此颗粒越小,布朗运动越明显。
在不同温度下观察同一液体中悬浮微粒的布朗运动,可以发现:温度越高,小颗粒的运动越剧烈。这表明,分子运动的速率跟温度有关:温度越高,物体中分子的运动越剧烈。因此,大量分子的这种无规则运动被称作热运动。
通常,在较暗的房间里,可以观察到入射到屋里的阳光中有悬浮在空气里的小颗粒在飞舞,这是布朗运动吗 事实上,空气中的灰尘有些的确在做布朗运动,但它们的线度都在10-6 m以下,肉眼是看不见的;我们所看到的灰尘飞舞实际上是由气流引起的,不是布朗运动。
材料四——水膜的奥秘
2021年12月9日,航天员王亚平在中国空间站里把一个金属圈插入饮用水袋中,慢慢抽出金属圈,形成了一个水膜。接着,她往水膜表面贴上一片和女儿一起完成的花朵折纸。在水膜实验中,这朵花在太空中“绽放”(图13-2-9甲)。
图13-2-9
液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫作表面层(图乙),表面层里的分子比液体内部稀疏,表面层分子间的相互作用表现为引力。就像你要把弹簧拉开些,弹簧反而表现具有收缩的趋势。由于分子间作用,液体会产生使表面尽可能缩小的力,这个力称为“表面张力”,水膜形成的本质原因是液体的表面张力。
液体与固体接触处,也有奇妙的现象。先后向一块洁净的玻璃板上和一块涂了石蜡的玻璃板上滴一滴水,晃动玻璃板,洁净的玻璃板上这滴水散开,石蜡上的水则滚来滚去(图丙)。像这种液体会润湿某种固体并附着在固体表面上的现象叫作浸润;如果液体不会润湿某种固体,也就不会附着在这种固体的表面,这种现象叫作不浸润。所以水能浸润玻璃,但水不能浸润石蜡。当液体和与之接触的固体的相互作用比液体分子之间的相互作用强时,液体能够浸润固体。反之,液体则不浸润固体。
材料一 表面张力
材料二 人类探索物质构成奥秘的历程
材料三 布朗运动
材料四 水膜的奥秘
——详见电子资源
能力培优题 (详见电子资源)
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