【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 第1章1．4　无序中的有序和1．5　用统计思想解释分子运动的宏观表现

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【2012 精品课件】沪科版物理选修3-3 第1章1．4　无序中的有序和1．5　用统计思想解释分子运动的宏观表现
1．4　无序中的有序
1．5　用统计思想解释分子运动的宏观表现
课标定位
学习目标：1.了解气体分子运动的统计规律，知道气体分子运动的特点．
2．学会用直方图的方法说明气体分子的速率分布．
3．知道温度是分子平均动能的标志，知道气体压强产生的原因．
4．学会用微观统计规律解释温度和气体压强．
重点难点：1.气体分子的运动特点及其统计规律．
2．气体压强的形成及其微观解释．
核心要点突破
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
用统计思想解释分子运动的宏观表现
1．5
课前自主学案
一、气体分子运动的特点
1．通常状况下气体分子间的距离比较大(r＞10r0),相互之间的作用力很小，因此可以忽略气体分子间的___________，认为气体分子除了相互碰撞或跟器壁碰撞外，不受____的作用，在空间自由运动．因此，气体能够充满它所能到达的空间，没有一定的体积和形状．
相互作用
力
2．气体分子在不断的碰撞中频繁地改变着______和速率的大小，做着__________的运动．由于分子数目是大量的，分子运动是杂乱无章的，所以，大量分子沿各个方向运动的机会是______的．
方向
杂乱无章
均等
二、无序中的有序
1．伽尔顿板试验：小球落入某个小格完全是一个随机的_____事件，但多次重复操作可以发现，槽中各小格中落入的小球数目有着一定的分布规律——始终是落入中间格子的小球数目___，两边格子中的小球数目____．
2．从伽尔顿的实验中可以得到启示：对于由大量微观粒子组成的系统，就其宏观性质而言,_________起着主导作用．
偶然
多
少
统计规律
三、气体分子运动的统计规律
1．1859年，英国著名物理学家麦克斯韦运用_____方法，找到了气体分子速率的分布函数，从而确定了气体分子速率的分布规律．这个规律指出，在一定状态下，气体的大多数分子的速率都在某一固定数值附近，速率离开这个数值越远，具有这种速率的分子就______，即气体分子速率总体上是呈现出____________________ 的分布特征，很像伽尔顿板实验中各小格中落入小球数目的分布．
统计
越少
“中间多，两头少”
2．麦克斯韦的方法在物理学思想史上具有重要意义，它向人们指出，对于一个由大量微观粒子组成的系统，利用统计方法，一旦找出某个微观量的_________，便可求出这个微观量的____________,而这个统计平均值正好等于该系统的相应_____量.这样，就把分子的_________跟物体的_________紧密地联系起来了．因此，人们称颂麦克斯韦的统计方法“标志着物理学新纪元的开始．”
分布函数
统计平均值
宏观
微观运动
宏观表现
四、温度与气体压强
1．物理学上把分子的无规则运动称为热运动．从分子动理论的观点看，微观分子运动决定着宏观的温度，温度是物体内所有分子热运动的__________的标志．
2．温度是组成物质的大量分子的热运动的______表现，它具有统计意义，对单个分子来说，温度是没有意义的．
平均动能
宏观
3．气体压强产生的原因：大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地______产生了气体的压强．单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的,但是大量分子频繁地撞击器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁___________的平均作用力．
碰撞
单位面积
思考感悟
当温度升高时，所有分子的热运动速率都增加吗？
提示：不是，温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均速率增大，但对单个分子来说不一定增大．
核心要点突破
一、气体分子运动特点
1．气体分子间距离较大
标准状况下，气体分子间的距离约为分子直径的10倍左右，分子间作用力非常微弱．在理想气体的处理方法中，通常把气体分子看成一个个小球,分子之间除相互碰撞的力外不受任何力作用，可以在空间内自由移动，从而充满容器的整个空间．
2．分子间碰撞频繁
在标准状况下，一个空气分子在1 s内与其他分子碰撞竟达65亿次之多，频繁的碰撞造成了气体分子做杂乱无章的热运动，气体分子不断地改变运动方向，每个气体分子可自由运动的行程极短，通常状况下，气体分子自由运动行程的数量级为10－8 m.
3．气体分子速率分布规律
(1)麦克斯韦速率分布规律：在一定的温度下，不管个别分子怎样运动，气体中的大多数分子的速率都在某个数值附近，表现出“中间多、两头少”的分布规律．
(2)分布规律与温度的关系：当温度升高时，“中间多、两头少”的分布规律不变，气体分子的速率增大，分布曲线的峰值向速率大的一方移动．(如图1－4－1所示)
麦克斯韦速率分布规律
图1－4－1
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
1．关于气体分子运动的特点，下列说法正确的是(　　)
A．由于气体分子间距离较大，所以气体很容易被压缩
B．气体之所以能充满整个空间，是因为气体分子间相互作用的引力和斥力十分微弱，气体分子可以在空间自由移动
C．由于气体分子间的距离较大，所以气体分子间根本不存在相互作用
D．气体分子间除相互碰撞外，几乎无相互作用
解析：选ABD.气体分子间距离大，相互作用的引力和斥力很微弱，很容易被压缩，能自由运动，A、B对．但气体间不是没有相互作用，C错，D对．
二、温度及气体压强的微观解释
1．温度的微观解释
(1)温度在宏观上体现为物体的冷热程度，由于受热传导等因素的影响，这个定义有一定的主观意识．
(2)把温度定义为“物体内所有分子热运动平均动能的标志”，能客观地反映不同温度物体内分子运动的剧烈程度，并能在理论上给出精确的量度关系．
(3)温度从分子动理论角度可以做如下理解：
①温度是大量分子集体行为的反映,具有统计意义，温度对单个分子是没有意义的．
②不同物体在相同温度下，物体内分子热运动的平均动能都相同，但不同物质的分子平均速度的大小一般不同．
③温度升高时，物体内分子的平均动能一定增大，但并不是每个分子的动能都增大,同理，温度降低，分子的平均动能一定减少，但并不是每个分子的动能都会减少．
2．气体压强的微观解释
(1)气体压强的产生：大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生了气体的压强．单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．
(2)微观因素：气体压强由气体分子的密集程度和平均动能决定：A气体分子的密集程度(即单位体积内气体分子的数目)大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就多；B气体的温度高，气体分子的平均动能变大，每个气体分子与器壁的碰撞(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就大；从另一方面讲，气体分子的平均速率大，在单位时间里撞击器壁的次数就多，累计冲力就大．
即时应用 (即时突破，小试牛刀)
2．关于气体压强，下列说法中正确的是(　　)
A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大
B．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大
C．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大
D．气体分子的平均动能增大，则气体的压强有可能减小
解析：选D.气体的压强与两个因素有关，一是气体分子的平均动能，二是气体分子的密集程度，或者说，一是温度，二是体积．密集程度或平均动能增大，都只强调了问题的一方面，也就是说，平均动能增大的同时，气体的体积可能也增大，使得分子的密集程度减小，所以压强可能增大,也可能减小．同理，当分子的密集程度增大时，分子的平均动能可能减小，压强的变化不能确定．
下表为0 ℃和100 ℃时氧分子的速率分布，对其理解正确的是(　　)
氧分子的速率分布
不同温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比%
课堂互动讲练
气体分子的运动特点分析
例1
按速率大小划分的速率区间v/m·s－1 0 ℃ 100 ℃
100以下 1.4 0.7
100－200 8.1 5.4
200－300 17.0 11.9
300－400 21.4 17.4
400－500 20.4 18.6
500－600 15.1 16.7
600－700 9.2 12.9
700－800 4.5 7.9
800－900 2.0 4.6
900以上 0.9 3.9
A.温度升高，每个氧分子的速率都增大
B．100 ℃时与0 ℃时相比，大速率分子所占比例增加
C．分子运动满足统计规律，温度升高，氧分子的平均速率增大
D．温度升高，分子的平均速率增大，适应于所有物质分子
【精讲精析】　分子的运动遵循统计规律，适应于大量分子，对单个分子不适应，故A错；温度升高，分子平均速率增大的表现为大速率分子所占比例增加，故B、C正确；速率分布规律适应于所有物质分子，D对．
【答案】　BCD
【方法总结】　(1)对于大量分子无规则运动的速率，无法采用牛顿力学方法精确地予以确定，但可以用统计方法找出其分布规律．
(2)气体分子速率分布总体上呈现出“中间多,两边少”的正态分布特征.它跟伽尔顿板的类比如下：
伽尔顿板实验中的小球→气体分子
小球相互间及跟钉子的碰撞→气体分子相互间及跟器壁的碰撞
小球落入不同的小格→气体分子获得不同的速率
(3)气体分子的速率分布跟温度有关，温度升高，速率大的分子所占的比例增加．
关于温度，下列说法正确的是(　　)
A．温度越高，分子动能越大
B．物体的运动速度越大，分子总动能越大，因而物体温度也越高
C．一个分子运动的速率越大，该分子的温度越高
D．温度是大量分子无规则热运动平均动能的量度
温度的微观解释
例2
【精讲精析】　温度越高，只是分子的平均动能变大，并不是物体每个分子的动能都大，因而A错；物体整体的运动速度对应的是机械能(动能)，而温度仅与分子的平均动能有关，与物体整体运动的速度毫无关系，B错；温度是对大量分子集体(物体)而言的，是统计、平均概念，对单个分子无意义，C错．
【答案】　D
【方法总结】　温度是分子平均动能的标志，反映的是大量分子热运动的统计规律，同一温度下各个分子的动能不尽相同，即温度不能反映个别分子的动能大小，个别分子的动能也反映不了温度情况．
关于密闭容器中气体的压强，下列说法中正确的是(　　)
A．是由气体受到的重力产生的
B．是由大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的
C．压强的大小只取决于气体分子数量的多少
D．容器运动的速度越大，气体的压强也越大
气体压强的微观理解
例3
【思路点拨】　气体压强产生原因和大小决定因素是解题的关键．
【自主解答】　气体压强是由气体分子对器壁的频繁碰撞产生的，其大小决定于气体的平均动能及单位体积内的分子数．B选项正确．
【答案】　B
变式训练　对于一定量的理想气体，下列论述中正确的是(　　)
A．当分子热运动变得剧烈时，压强必变大
B．当分子热运动变得剧烈时，压强可以不变
C．当分子间的平均距离变大时，压强必变小
D．当分子间的平均距离变大时，压强必变大
解析：选B.选项A、B中，“分子热运动变得剧烈”说明温度升高，但不知体积变化情况，所以压强变化情况不确定，所以A错，B对；选项C、D中，“分子间的平均距离变大”说明体积变大，但温度的变化情况未知，故不能确定压强变化情况，所以C、D均不对，正确选项为B.