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1、普通高中教科书总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理选择性必修第 三 册2每章的开头都有一些情境，提出一些问题，让你明确本章研究的主要内容。亲爱的同学：欢迎你学习物理（选择性必修 3）！本书是高中物理选择性必修的最后一册教材。它涵盖了近代物理学的一些基本知识，在高中物理中处于特别重要的地位。我们将首次运用统计思想来研究大量分子做无规则运动的规律,从宏观和微观两个角度研究固体、液体和气体的性质,在量子论视野下探索原子世界的奥秘，认识光及实物粒子的波粒二象性。我们将通过一系列的实验探究活动，增强科学探究意识；并通过回顾热力学定律和能量守恒定律的发现历程和原子世界的探秘过程等，增强科学探究能力和
2、科学献身精神，树立可持续发展意识和社会参与意识，养成关心社会和对社会负责的态度。为了让你在学习物理（选择性必修 3）的过程中获得更大的成功，请浏览下面的栏目介绍。物质世界在不断地运动变化着。自然界发生的任何运动变化过程都遵循着一条最基本、最普遍的规律能量守恒定律。你知道人们是怎样发现能量守恒定律的吗？自然界的能量不会消失，那么它可以被人们反复利用吗？能量可以相互转化，那么燃料的内能是否可以全部用来做功呢？自然界宏观过程的方向性蕴含着怎样的物理原理？本章将以能量为主线，研究改变内能的方式与规律热力学第一定律，理解能量守恒定律及其应用；由自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律；回顾热力学第一
3、定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。第4章 热力学定律图 3-2-2观察表面张力现象用的金属框架abcd实验探究观察液体表面张力现象1.在杯子内装满水，试着把若干枚小硬币轻轻地平放在水面上。观察水面形状有什么变化？小硬币为什么不沉下去呢？2.用金属丝制成如图 3-2-2 所示各种形状的框架，分别把它们浸入肥皂液内，轻轻取出后观察框架上皂膜的形状。如图 3-2-3 a 所示，用针捅破金属圆环棉线上边的皂膜，棉线的形状有什么变化？如图 3-2-3 b 所示，为什么金属框上的皂膜把细金属丝向左拉？对图 3-2-3 c 和图 3-2-3 d 所形成的皂膜形状，你有
4、什么猜测？3.如图 3-2-4 所示，把橄榄油滴入水和酒精的混合液中，橄榄油滴呈什么形状？这些实验表明，液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着一种收缩的趋势。使液体表面具有收缩趋势的力叫做表面张力（surface tension）。那么，表面张力是怎样产生的呢？实验探究这里将要求你提出问题，设计实验方案，动手做一些有意义的实验，进行科学探究。3第 章 分子动理论1分析与论证这里你将进行分析、综合,并运用数学工具进行推理,得出物理学规律和公式。通过这一过程,你将体会科学思维的魅力。学生必做实验这里为你提供了完整的实验活动，让你通过动手实验，探索物理规律，学习物理方法，形成物理观念，提高解决问题的能
5、力，体验成功的喜悦。分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质的体积 V 和铺展开来的面积 S，就可以估算出分子的直径及其大小。即分子直径 D=VS分子体积 V1=16 D3=16VS3学生必做实验学生必做实验用油膜法估测油酸分子的大小信息浏览、STSE这里为你提供了各种有趣、有用的资料，包括物理学史上的经典事例、科学家小故事等，它们反映了物理学与科学、技术、社会、环境的紧
6、密联系。你的视野将更开阔，你会更加热爱科学。分析与论证综合上面的研究可以知道，使热力学系统从一个状态变化到另一个状态，既可以通过做功也可以通过热传递的方式。实验表明，这两种方式的物理过程虽然不同，对于系统内能的改变却是等效的。系统内能的改变过程可用能流图（图 4-1-5）形象地表示。应该指出，“做功”和“热传递”虽有其等效的一面，但在物理本质上仍然存在着区别。“做功”（机械功）伴随着一定的宏观位移，它是系统外的有序运动的能量与系统内分子无规则运动能量之间的转化，从而改变系统的内能。“热传递”是通过分子之间的相互作用，是系统外的物质分子无规则运动的能量向系统内物质分子无规则运动能量之间完成的一种
7、转移，从而改变系统的内能。课题研究这里提供了一些课题供你选择研究，这种研究将使你的才智得到充分的展示。多学一点 如何理解分子之间既有引力又有斥力我们先来研究一下原子间的引力和斥力是如何产生的。原子中有一个直径约 10-15 m 的带正电的核，核外有带负电的电子组成的电子云。整个原子呈电中性。当两个原子相距较远时（图 1-3-6a），可以认为相互间没有静电力的作用。当两个原子接近到如图 1-3-6b 所示的情况时，它们有一部分电子云互相重叠。原子 1 的电子已不能把原子 1 的核的正图 1-3-6 分子间相互作用的微观解释a 两原子相距较远时c两 原子相当靠近时b 两原子接近时1212abc12
8、12abc1212abc多学一点这里将介绍更多更深的奥秘，以开阔你的视野。你如果有兴趣，可以作进一步的探索。肥皂水与清水的表面张力比较研究请你设计一个实验，比较肥皂水与清水的表面张力，并粗略地研究表面张力与哪些因素有关。做一下这个实验，并写出课题研究报告，在同学间相互交流评价。课题研究原子，请你排好队！借助光学显微镜，人们可以观察到细胞、细菌和其他微生物，其分辨本领可达 2 10-4 mm。尽管从技术上来说，提高光学显微镜的放大倍数并不困难，但不管放大倍数有多大，比 2 10-4 mm还小的物体，如大多数病毒，在光学显微镜下都不能被看清楚。要提高显微镜的分辨本领，必须改用波长比可见光短得多的射
9、线。电子的德布罗意波长很短，因此用电子束代替光束成为上佳选择。1931 年德国物理学家鲁斯卡（E.Ruska）发明了世界上第一台电子显微镜。1982 年，美国 IBM 公司的物理学家宾尼希和他的老师罗雷尔发明了世界上第一台扫描隧穿显微镜，它应用了电子的量子隧穿效应，能直接观测到单个原子的立体形貌。利用 STM，人类还实现了直接操纵和排布原子的奇迹（图 6-4-4）。信息浏览图 6-4-4 用扫描隧穿显微镜把碳原子排布在铜表面上的“原子”两字第1章 分子动理论 61.1走进分子世界 71.2无序中的有序 141.3分子动理论 内能 20第2章 气体定律与人类生活 252.1气体的状态 262.2
10、玻意耳定律 292.3查理定律和盖-吕萨克定律 34第3章 固体、液体与新材料 403.1固体的性质 413.2液体的表面性质 453.3液晶与显示器 513.4半导体材料和纳米材料 56第4章 热力学定律 644.1热力学第一定律 654.2能量守恒定律 704.3热力学第二定律 75目 录第5章 原子世界探秘 825.1电子的发现 835.2原子模型的提出 865.3量子论视野下的原子模型 89第6章 波粒二象性 966.1光电效应现象 976.2光电效应的理论解释 1006.3光的波粒二象性 1036.4实物粒子具有波动性 105第7章 原子核与核能 1107.1原子核结构探秘 1117
11、.2原子核的衰变 1157.3原子核的结合能 1227.4裂变与聚变 1267.5粒子物理与宇宙起源 134总结与评价 课题研究成果报告会140研究课题示例 140评价表 14161827 年，英国植物学家布朗（R.Brown）在研究一种花粉的繁殖过程时注意到，悬浮在水中的花粉颗粒会不停地毫无规则地跳动，就像“活的”一样。这种由植物学家发现的现象，却难倒了当时的许多物理学家。悬浮颗粒为什么会不停地做着这种杂乱无章的运动呢？这种运动是否就是人们猜测的分子运动的宏观表现？组成物质的分子究竟有多大？大量分子的运动有什么特点？物质分子的微观运动在宏观上有何表现？本章将采用宏观和微观相结合的方法，以统计
12、思想和能量观点为主线来研究分子的运动；通过实例和活动，了解分子动理论的基本观点及相关的实验证据；了解分子运动速率分布的统计规律；结合分子动理论阐释温度和气体压强的微观意义，研究由分子运动所决定的物质系统的内能。第1章 分子动理论7第 章 分子动理论1图 1-1-1 场离子显微镜（FIM）拍摄的图像显示了铂针顶端的原子（橘黄色）排列情况，这个图像放大了20 万倍1.1 走进分子世界我们知道，物体都是由许多很小的分子组成的。那么，分子有多大？怎样知道分子的大小呢？物质的分子有多少呢？它们的运动状态是怎样的？分子的大小实际分子有着复杂的内部结构，建立分子的球模型，仅是为了便于研究。图 1-1-2 用
13、扫描隧穿显微镜描绘的遗传分子（DNA）形状 分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质的体积 V 和铺展开来的面积 S，就可以估算出分子的直径和体积的大小。即分子直径 D=VS分子体积 V1=16 D3=16VS3思考讨论1.怎样使某部分的物质分子一个紧挨一个地铺展开来呢？学生必做实验学生必做实验用油膜法估测油酸分子的大小用油膜法估测分子的大小，提供了一个测量微观量的思想和
14、方法。82.如何测量铺展后形成的不规则图形的面积？设计实验以油酸（C17 H33 COOH）为例，为了使分子排列起来，可以利用油酸分子的酸根COOH对水有很强的亲和力这一特点。把一滴用酒精稀释过的油酸溶液滴在水面上，油酸就在水面散开，形成一层薄薄的膜（酒精溶于水，并会很快挥发）。这层薄膜可以看成是单分子层，它的厚度可以认为等于油酸分子的直径（图 1-1-3）。实验操作 1.配制浓度为 0.1%的油酸酒精溶液。2.将配制好的油酸酒精溶液放在小量筒中，用滴管吸取1 cm3的溶液，数出均匀滴出时的总滴数 N，得 1 滴溶液的体积。根据配制的浓度，即得 1 滴溶液中油酸的体积V=1N 0.1%cm33
15、.在一个 30 cm 30 cm 的浅盘里倒入约 2 cm 深的水，将痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上。再用滴管吸取配制好的油酸酒精溶液，滴入一小滴到水面上，液滴很快会形成如图 1-1-4所示的油酸薄膜。图 1-1-3 油酸分子形成单分子层的示意图图 1-1-4 油酸薄膜形状实验序号油酸溶液体积油膜面积123设计本实验的思想方法是：如何将难以测量的微观量，转化为相对容易测量的宏观量。科学合理的实验操作是获取正确实验数据的关键，有助于减小实验中的误差。要正确地读出和记录实验数据，运用恰当的方法处理数据并得出正确结论。4.用玻璃板盖在浅盘上，在玻璃板上覆一张半透明的坐标纸，将油膜形状描画在坐标纸上。
16、收集证据油酸分子9第 章 分子动理论1实验结论通过计算可得油酸分子直径的测量值的数量级为 10-9 10-10 m，由此可见，分子是何其小！你的测量值是多少呢？请你写出完整、规范的实验报告，正确表达科学探究的过程和结果。研究表明，一般分子直径的数量级为 10-10 m。例如，水分子的直径约为 4 10-10 m，氢分子的直径约为 2.3 10-10 m。现在，用扫描隧穿显微镜已经可以看到原子尺度的微观世界（图 1-1-5）。1993 年 5 月，美 国 IBM 公司的科学家在 4 K 的温度下，用电子束将单层的铁原子蒸发到铜表面，然后用扫描隧穿显微镜针尖将 48 个铁原子排列成直径为14.3
17、nm 的圆形量子围栏。对于一个系统，从整体上对其状态加以描述的方法叫做宏观描述。这时表征系统状态和属性的物理量叫宏观量。通过微观粒子运动状态的说明，对系统的状态加以描述的方法叫做微观描述。描述微观粒子运动状态的物理量叫微观量。图 1-1-5 扫描隧穿显微镜观察到的圆形量子围栏扫描隧穿显微镜（scanning tunneling microscope，简称 STM）是在 1982 年由德国科学家宾尼希（G.Binnig）和瑞士科学家罗雷尔（H.Rohrer）首先研制成功的。为此，他俩与另一位科学家共同获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖。1mol 物质的分子数分子很小，通常的一小块物体中都包含着
18、大量的分子。我们在化学中已学过，1 mol 任何物质所包含粒子的数目都相等，这个数目叫做阿伏伽德罗常量（Avogadro constant）。根据分子的球模型，可以算出阿伏伽德罗常量的大小，从而推算出一定量任何物质中所包含分子的数目。以水为例，水的摩尔体积是 Vmol=1.8 10-5 m3/mol，水分子的直径约为 D=4 10-10 m，由此得水分子的体积 V1=16D3=3.010-29 m3。假设水分子是一个紧挨一个地排列着的，则 1 mol水所含的水分子数目（即阿伏伽德罗常量）就等于NA=VmolV1=1.8 10-5m3/mol3.0 10-29m3=6.0 1023mol-1阿伏
19、伽德罗常量是一个重要的常量，它仿佛是联系宏观世界和微观世界之间的一座桥梁。利用阿伏伽德罗常量，可以把摩尔质量、摩尔体积等宏观量，跟分子质量、分子大小等微观量联系起来。有了它，我们可以通过对某些宏观量的测量，窥10见分子水平的微观世界。目前，阿伏伽德罗常量的公认值是NA=6.023 1023 mol-1在通常的计算中，可取 NA=6.0 1023 mol-1。案例分析案例 一间教室长 a=8 m，宽 b=7 m，高 c=4 m，假设教室里的空气处于标准状况。为了估算出教室空气中气体分子的数目，有两位同学各自提出了一个方案：方案1取分子直径 D=1 10-10 m，算出分子体积V1=16D3，根据
20、教室内空气的体积V=abc，算得分子数N=VV1=6 abc D3 方案2根据化学知识，1 mol空气在标准状况下的体积 V0=22.4 L=22.4 10-3 m3。由教室内空气的体积，可算出教室内空气的摩尔数n=VV0=abcV0。再根据阿伏伽德罗常量，算得空气中气体分子数N=n NA=abcV0NA请对这两种方案做一评价，并估算出你们教室空气中气体分子的数目。分析方案 1 把教室空气中的气体分子看成是一个个紧挨在一起的，没有考虑分子之间的空隙，不符合实际情况。通常情况下气体分子间距的数量级为 10-9 m，因此分子本身体积只是气体所占空间的极小一部分，常常可以忽略不计。方案 2 的计算方
21、法是正确的。请根据方案 2 完成计算。可以估算出教室空气中气体分子数目的数量级达到 1027。布朗运动在初中物理中已经知道，物质分子永不停息地做着无规则的热运动，扩散现象和布朗运动就是分子无规则运动的结果。扩散是由于分子做无规则运动使不同物质彼此进入对方的一种现象。无论气体、液体和固体等不同物态的物质，都会发生扩散。扩散在日常生活和生产实践中非常普遍，其中有一些扩散现象是十分有害的。例如，汽车排放的尾气，工厂排放的污水，燃煤的烟尘，工业废料中的重金属等都会向四周扩散，11第 章 分子动理论1污染空气、河水和土壤等。通过观察布朗运动可以更直观地体会分子运动的现象。如图 1-1-6 所示，将封有悬
22、浊液的载玻片置于显微镜下，调节显微镜，即可看到悬浊液中小颗粒的运动。如果追踪其中的一个小颗粒，每隔一定时间（如 30 s）记下它的位置，然后用线段把这些位置依次连接起来。可以看到，连成的折线曲曲折折，纵横交错（图 1-1-7）。这个现象说明小颗粒在不停地改变着自己的运动方向，做的是一种极其不规则的运动。小颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动（Brownian motion）。这种小颗粒通常被叫做布朗粒子。图 1-1-6 用显微镜观察布朗运动图 1-1-7 布朗粒子无规则运动示意图布朗运动是否就是分子的运动？你认为应该怎样解释这个实验现象？我们知道，分子直径的数量级为 10-10 m，远比布朗粒子小
23、，人眼无法直接看到。因此，布朗粒子的运动并不是分子的运动。那么，布朗运动是怎样产生的呢？在物理学家迷茫了几十年后，爱因斯坦终于搞清楚了产生布朗运动的原因。原来，布朗粒子悬浮在液体中，会不断地受到其周围液体分子对它的撞击（图 1-1-8）。由于布朗粒子很小，因此这些撞击虽然来自四面八方，一般不会完全抵消。如果在某个瞬间，一个布朗粒子在某个与其运动不在一直线的方向上受到的撞击较强，那么它的运动方向就会发生相应的改变；如果在另一个瞬间，它在另一个与其运动方向不在一直线的方向上受到的撞击较强，那么它的运动方向又会发生另一种相应的改变。由于液体分子对布朗粒子的撞击是不规则的，布朗粒子也就不断地改变着运动
24、方向，做着毫无规则的运动。在布朗运动的实验中发现，液体的温度越高，布朗运动越明显。这间接说明了温度越高，液体分子的无规则运动越剧烈。在热力学中，我们研究的对象是由大量分子组成的集合体，叫图 1-1-8 布朗运动的原因a认定一个小颗粒进行观察所得到的一系列位置b把这些位置依次连接起来得到的折线12做热力学系统（thermodynamic system）。由此可见，一个宏观系统的冷与热跟系统内大量分子无规则运动的剧烈程度有关。在物理学上，把分子永不停息的无规则运动叫做热运动（thermal motion）。热运动与机械运动是完全不同的两种运动形式。热运动指的是系统内大量分子的无规则运动，机械运动则
25、是系统整体的或某一部分的宏观位置变动。例如，在观察布朗运动的实验中，放在实验桌上容器中的液体，作为一个整体来说相对于实验室参考系是静止的，并不做机械运动，但液体内的分子却不停地在运动，整个液体处在一种热运动状态。案例分析案例 几位同学通过对布朗运动的观察后，提出了以下一些看法，其中正确的是（）。A.布朗运动是组成固体微粒的分子无规则运动的反映B.悬浮的固体微粒越小，布朗运动越显著C.观察时间越长，布朗运动越显著D.布朗运动的发生与温度的高低无关E.从缝隙中射入一缕阳光，从阳光中看到的尘埃的运动就是布朗运动F.雾霾天气时悬浮的 PM2.5 颗粒，也在空中做布朗运动请你根据布朗运动的产生原因、热运
26、动的意义、布朗粒子与尘埃等固体微粒尺度的比较等方面，对上述看法做出评价。大气中存在着各种形状不规 则 的 悬 浮 颗 粒，科 学 上 用PM10、PM2.5 等名称分别表示直径小于或等于 10 m、2.5 m 的悬浮颗粒物。信息浏览关于布朗运动的研究1827 年，布朗发现了花粉颗粒在水中杂乱无章的运动后，人们对这种运动的产生原因进行了种种猜想：有人认为，这种运动起因于液体蒸发而造成的容器中液体的缓慢对流；有人认为，这是一种生物现象，跟这种花粉所属的植物有关；布朗用无机物颗粒（包括研细的石粉）做了试验，他发现，只要颗粒足够小，它们悬浮在水中都会做这样的运动。布朗说：“在经过多次重复的观察后，我确
27、信这些运动既不是液体的流动，也不是由液体的蒸发所引起的，而是属于粒子本身的运动。”面对植物学家的发现，当时的物理学家显得束手无策。一个小小的花粉颗粒，却掀起了一场轩然大波。整整过了半个世纪，到 1877 年，才有人指出，布朗运动是由于液体分子的碰撞产生的。13第 章 分子动理论1家庭作业与活动1.估算一下，成年人深呼吸一次能吸进多少个气体分子？2.一只保温瓶内水的质量约 2.2 kg，其中水分子的数目约为多少？水的摩尔质量为 18 g/mol。3.用油膜法做实验时，事先将 1 cm3的油酸溶于酒精，制成 200 cm3的油酸酒精溶液。已知1 cm3该溶液有 50 滴，现取 1 滴油酸酒精溶液滴
28、到水面上，形成一层单分子薄膜，测得油膜的面积为 0.2 m2，试估算油酸分子的直径大约为多少。4.为了测出阿伏伽德罗常量，需要知道的物理量是（）。A.水的密度和水的摩尔质量B.水的摩尔质量和水分子的体积C.水分子的体积和水分子的质量D.水分子的质量和水的摩尔质量5.为了估算出教室空气中气体分子的间距，需要知道哪些物理量？请写出用这些物理量表示的分子间距表达式。6.有人说，图 1-1-7 b 中画出的就是一个布朗粒子的运动轨迹。这种说法对不对？7.实验研究表明：在观察布朗运动的实验中，布朗粒子越小，悬浮液的温度越高，布朗运动就越剧烈。请根据你对布朗运动的理解，分析一下原因。1905 年，爱因斯坦
29、和波兰物理学家斯莫鲁霍夫斯基（M.Smoluchovski）分别发表了他们对布朗运动的理论研究结果，对布朗运动做出了理论上的解释。布朗运动的实质是大量分子无规则运动引起的随机涨落，这种现象不仅在自然界中大量存在，而且在工程技术和社会生活中也存在。例如，许多精密仪表的指针，由于受空气中气体分子的碰撞也会出现无规则的左右摆动；股市中的股票价格，会因各种随机的政治经济因素而发生变动。这些，都是随机涨落。对布朗运动的研究有很重要的意义。爱因斯坦、佩兰（J.Perrin）、默顿（R.Merton）和斯科尔斯（M.Scholes）这四位荣获诺贝尔奖的科学家（后两位是 1997 年诺贝尔经济学奖获得者），都
30、对它进行过研究，这恐怕是布朗始料未及的。141.2 无序中的有序大量分子永不停息的无规则运动有一定的规律吗？我们先来研究气体分子的运动。气体分子运动的特点为了揭开气体分子运动之谜，我们可以在气体分子的球模型基础上再假设一些理想化条件。通常状况下气体分子间的距离比较大，相互之间的作用力很小，因此可以忽略气体分子间的相互作用，认为气体分子除了相互碰撞或跟器壁碰撞外，不受力的作用，在空间自由运动。大量分子的无规则运动，必然会导致分子间频繁地碰撞（图1-2-1）。研究表明，在标准状况下，一个气体分子在 1 s 内跟其他气体分子的碰撞竟达到几十亿次之多。由此可见，气体分子在不断的碰撞中频繁地改变着方向，
31、做着杂乱无章的运动。你是怎样理解分子杂乱无章的运动的呢？这么多分子沿各个方向运动的机会是均等的吗？用统计思想研究分子运动气象台的天气预报，除了报告未来几天的天气状况、气温变化外，有时还报告“降水概率”（图1-2-2）。“降水概率”是指下雨可能性的大小。气象台预报说：“明天的降水概率是70%。”这意味着明天有七成可能会下雨。在大量的偶然事件背后，蕴藏着一种规律，这种规律要通过搜集大量资料并加以整理分析后才能显示出来，这种规律叫做统计规律。统计规律普遍存在于自然现象和社会现象之中。对于做无规则运动的大量分子，可以用统计思想方法加以研究。气体分子运动的统计规律大量气体分子在做杂乱无章的运动时，它们沿
32、各个方向运动的概率是均等的。那么，这种运动中是否隐藏着某种规律？实验探究用伽尔顿板模拟分子的无规则运动 图 1-2-3a 所示的装置称为伽尔顿板。在一块竖直平板上均图 1-2-1 分子间频繁地碰撞图 1-2-2 降水概率15第 章 分子动理论1匀地密布着许多钉子，平板下方有一木槽，木槽内分有许多宽度相同的竖立的小格。实验时，先让一个小球从平板上方下落，在下落过程中这个小球跟钉子磕磕碰碰，最后落到木槽的某个小格中；然后再让另一个小球下落，它可能落进另一个小格。多次重复这样的操作，我们可以发现，一个小球跟钉子碰撞后落进哪一个小格完全是无法预料的，也就是说，小球落入某个小格完全是一个随机的偶然事件。
33、如果让许许多多小球落下去，那么可以看到，有些小格中落入的小球多，另一些小格中落入的小球少。多次重复操作可以发现，木槽的各小格中落入的小球数目有着一定的分布规律始终是中间的小格多，两边的小格少，如图 1-2-3 b 所示。如果把小球看成分子，它们落入木槽内不同的小格对应着分子经不断碰撞后获得的速度大小，那么，从伽尔顿板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，统计规律起着主导作用。图 1-2-3 伽尔顿板实验a 伽尔顿板b 小球分布情况图 1-2-4 正态分布曲线f（v）Ov分析与论证1859 年，麦克斯韦运用统计方法，找到了气体分子速率的分布函数，从而确定了气体分子
34、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个数值附近，速率离开这个数值越远，具有这种速率的分子就越少，即气体分子速率总体上呈现出“中间多，两头少”的正态分布特征如图 1-2-4 中的正态分布曲线，v 表示分子的速率，f（v）表示分子速率分布函数，很像伽尔顿板实验中落入各个小格中的小球多少所形成的分布（如图 1-2-4 中的直方图）。16科学家用实验方法测出了在 0 和 100 时氧分子的速率分布，如下表所示。如果以横坐标上的各等长区间表示相应的速率范围，以纵坐标表示所占的百分比，那么可以用直方图表示出一定温度下分子速率的分布，如图 1-2-5 所示。麦克斯韦的统计
35、方法在物理学思想史上具有重大意义。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，一旦找出了某个微观量的分布函数，便可求出这个微观量的统计平均值，而这个统计平均值正好等于该系统的相应宏观量。这样，就把分子的微观运动跟物体的宏观表现紧密地联系起来了。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”。思考与讨论请比较不同温度下氧分子速率分布的直方图（图 1-2-5），你得到什么启示？如果把图1-2-5中的分子速率区间缩短些，例如以10 m/s、1 m/s 为区间长度，请推测一下，这时的速率分布将是怎样的一种图像？历史上曾有人试图采用牛顿力学的方法，根据每个分子受到周围分子
36、的作用列出运动方程，找出它的运动规律，但很快就陷入困境。按速率大小划分的速率区间v/（ms-1）100以下100200200300300400400500500600600700700800800900900以上不同温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比/%0 1.48.117.021.420.415.19.24.52.00.9100 0.75.411.917.418.616.712.97.94.63.9氧分子的速率分布表17第 章 分子动理论1图 1-2-5 一定温度下氧分子的速率分布a 0时的速率分布b 100时的速率分布 温度的微观解释从人类对冷热程度的直接感觉到伽利略制成第一支验温
37、器，经历了漫长的岁月。如今，在实验室里能产生的最高温度已达 108 K，最低温度则低至 10-8 K，相差 16 个数量级。如果把目前已知的温度从小到大依次排列起来，就可以得到一个有大约 50 个数量级的温度阶梯（图 1-2-6）。面对这个温度阶梯，我们很自然地会想到一个问题：温度的高低究竟是由什么因素决定的呢？下面我们用统计思想来进行解释。分析与论证我们从扩散现象和布朗运动的研究已经知道，分子的运动跟温度有关。温度越高，分子扩散得越快，布朗运动越明显，表明分子运动得越快。麦克斯韦得到的气体速率分布表明，温度越高，速率大的分子所占的比例越大，所有分子的平均速率也随之增大。由此可见，温度的高低由
38、物质分子的运动情况所决定。理论研究指出，温度的高低与一个热学系统内所有分子热图 1-2-6 温度阶梯制制%3025201510537O12456891011v/（102ms-1）v/（102ms-1）%302520151051245689101137O18运动的平均动能有关。温度升高，系统内分子热运动的平均动能增加；温度降低，系统内分子热运动的平均动能减少。因此，从分子尺度的观点来看，系统内分子的微观运动决定着系统宏观的温度。温度是系统内所有分子热运动的平均动能的标志。值得注意的是，系统内分子的平均动能跟系统整体做机械运动的动能是两个不同的概念。系统整体做机械运动的动能由其质量和速度决定，通常
39、认为与温度无关，相对于参考系静止时，其动能为零。系统内分子的平均动能是指组成系统的大量分子做无规则运动所具有的动能的平均值，它的大小决定于温度和物质的量。在任何情况下，系统内分子的运动永不停息，系统内分子的平均动能总不为零，因此系统总是有一定的温度。由此可见，温度是组成物质的大量分子的热运动的集体表现，它只具有统计的意义，对单个分子来说，温度是没有意义的。思考与讨论初中物理中，把温度定义为“物体冷热的程度”，现在我们把温度定义为“系统内分子平均动能的标志”，请比较这两种定义的联系与区别。气体压强的微观解释在研究大气压的时候，有一个问题常使人们迷惑不解：在“大气海洋”底层的物体（包括人体），受到
40、上方厚厚的大气产生的压强，这个压强为什么会跟地面附近一小瓶气体产生的压强一样呢？要回答这个问题，必须从气体压强的产生原因和决定大气压强大小的因素上去寻找。为了简化研究，可以把气体分子看成一群弹性小球。分子撞击器壁的运动就像乒乓球对坚硬墙壁的碰撞，每次撞击都会对器壁产生一定的压力。大量分子的频繁碰撞，从宏观上会对器壁形成一个持续稳定的压力。实验探究用钢珠模拟分子碰撞产生的压力如图 1-2-8 所示，让小钢珠从同一高度大量持续地落到一台电子秤的秤盘上，电子秤的示数并不做大幅度的跳动，而仅是在某个值附近摆动。这说明在大量粒子的连续撞击下，秤盘上受到的是一个持续稳定的压力。接着，让小钢珠从更高处大量持
41、续地落到秤盘上，秤的示数会在另一个较大的值附近变动。图 1-2-7 在“大气海洋”的底层图 1-2-8 用钢珠模拟分子碰撞19第 章 分子动理论1分析与论证气体的压强反映着器壁单位面积上所受平均压力的大小。那么，从微观角度来看，气体压强的大小由什么因素决定呢？从上述实验中可以找到对应关系：钢珠越密集单位体积中的分子数越多下落高度越大分子的平均速率越大指示的数值越大分子对器壁的压力越大由此可见，气体压强的大小跟两个因素有关，一个是单位体积中的分子数（分子的密集程度），一个是气体分子的平均动能。气体压强是大量气体分子集体行为的反映，它同样具有统计的意义。气体分子做的是无规则运动，因此在任何时刻分子
42、向各个方向运动的概率都相等，反映在宏观上，就是容器中各处压强的大小都相等。思考与讨论根据决定气体压强大小的两个微观因素，你能对“大气海洋”底层的压强，跟地面附近一小瓶空气的压强一样的问题进行解释吗？家庭作业与活动1.教室里有许多不同种类的物质铁、铜、塑料、木材、水、空气等，它们同处一室。这些物质分子的平均动能是否相同？这些物质分子的平均速率是否相同？为什么？2.根据温度的微观意义，有人提出以下的说法：（1）物体的温度升高，物体内每一个分子的动能都一定增加；物体的温度降低，物体内每一个分子的动能都一定减少。（2）现有甲、乙两个由同种材料组成的物体，若甲的温度比乙的温度高，那么甲物体内每个分子的动
43、能一定都比乙物体内每个分子的动能大。你认为这两种说法对不对？为什么？课外活动寻找生活中正态分布的实例麦克斯韦得出的气体分子速率分布规律并不神秘，它跟你的学习和生活十分接近。图1-2-9所示是一条古老的石阶，它记录着千千万万人次的脚印。人们在这条石阶上走上走下时，脚踏在中间的多，踏在两边的少，因此每一个台阶的中间都比两边磨损得多，显出正态分布的特征。请寻找其他具有正态分布特征的实际例子。图 1-2-9 一条古老的石阶201.3 分子动理论 内能分子力扩散现象和布朗运动，不仅说明了组成物质的分子在永不停息地运动，而且说明物质分子不是紧紧地挤在一起的，分子之间是有空隙的。图 1-3-1 是用扫描隧穿
44、显微镜拍摄的石墨表面原子的排列情况，一排排亮点（碳原子）之间的暗背景显示出原子间的空隙。分子间存在着空隙，而固体却能保持一定的形状，这启示我们：分子之间存在着相互作用力。研究表明，分子之间同时存在着引力和斥力，它们的大小图 1-3-1 用扫描隧穿显微镜拍摄的石墨表面的原子排列情况踏脚板液压缸制动盘液体流入导管液体流入制动缸卡钳合拢，制动片与制动盘压紧图 1-3-3 水、油等液体很难被压缩，显示分子之间斥力的作用。水压机、液压传动就是利用了它们的“不可压缩性”图 1-3-2 由于分子之间引力的作用，两段铅柱会结合成一体，下方挂上一定质量的重物后也不分开21第 章 分子动理论1都跟分子之间的距离有
45、关。图 1-3-4 中横轴上下的两条虚线分别表示两个分子间的引力和斥力随距离变化的关系，实线表示引力和斥力的合力随距离变化的关系。当两个分子间的距离为r0时，引力和斥力相互平衡，这时，我们说这两个分子处于平衡位置。r0的数量级约为 10-10 m。分子动理论综上所述，我们知道，一个宏观的热学系统是由大量分子组成的；分子在永不停息地做着无规则运动；分子之间同时存在着引力和斥力。这就是分子动理论（molecular kinetic theory）的基本内容。思考与讨论结合图 1-3-4 讨论一下：当两个分子间的距离小于 r0、等于 r0、大于 r0等不同情况时，分子间相互作用力有什么特点？初中物理
46、也学习过分子动理论，你觉得哪些方面有了更深刻的认识？请相互交流。分子的动能和势能分子有一定的质量，又在不停地做着无规则运动，因此分子都具有动能。我们知道，由于地球与物体间的万有引力作用，地面附近的物体具有重力势能；由于电荷与电荷间存在的静电相互作用，电荷具有电势能。既然分子间也存在着相互作用，因此分子同样会具有势能。在物理学中，把由分子间的相对位置决定的势能，叫做分子势能。分子势能的变化，同样由分子力做功的情况决定。图 1-3-5 把两个分子间的相互作用跟两个点电荷间的相互斥力引力OFr0rfffff f f r r0相互吸引的两个分子相互吸引的两个电荷f r r0时，随着分子间距离的增大（减
47、小），分子引力做负功（正功），分子势能增加（减少）；当 r r0C.r r0 D.r 0；系统的内能减少，U 0；系统放热，Q 0；系统对外界做功，W 0。热力学第一定律指出了内能、热量、功三者之间的定量关系，它适用于自然界中在平衡态间发生的任何过程，且不论此过程所经历的各种状态是否为平衡态。热力学第一定律实质上就是能量守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。它仅考虑做功和热传递这两种方式对系统内能变化的作用，并不考虑对系统整体的动能和势能的影响。应用热力学第一定律时，必须明确初态、终态和中间所经历的过程，通过画出能流图，从能量守恒定律的物理实质上把图 4-1-5 能流图U2U1WQ做
48、功传递热量如果把系统的内能变化看成是所有形式的能量（机械的、热的、电磁的、化学的、原子核的、场的能量）的变化，所做的功包含各种形式的功，那么热力学第一定律就推广为能量守恒定律。68握各物理量之间的关系。案例分析案例1 阳光烤暖了大地，地面辐射又对地面附近的空气加热，形成暖气团升往高空。于是有人认为高山顶上的气温要比地面的高，但实际情况正好相反。你怎么解释这个现象？解答产生这个现象有多种因素，如果仅从上升的气团来说，这种大气现象可以用热力学第一定律来解释。把地面附近温度、压强相同的一大团空气作为研究对象，这团空气最初在地面附近受热膨胀，密度变小，因而逐渐上升。在上升的过程中，其边缘部分和外界空气
49、的热交换对整个气团没有明显的影响，可以认为气团与外界之间传递的热量 Q=0，因此气团内能的变化仅与做功有关，即 U=W。气团上升时，不断膨胀，挤推周围的空气，对外做功（W 0），内能减少（U 0），温度降低，所以越高的地方，空气的温度越低。根据气象学家的考察与科学分析，对于干燥的空气，大约每升高 1 km，温度降低 6 左右。案例2 一定量的气体，从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出热量 240 J，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做功多少？分
50、析这些气体在发生状态变化前后的两个状态用1、2表示，对应的内能分别用U1和U2表示。（1）当气体从状态 1 变化到状态 2 时，能流图如图 4-1-6所示。（2）由于气体的内能仅与状态有关，因此它从状态 1 变化到状态 2 时的内能变化，与从状态 2 返回状态 1 时内能变化的大小相等，其能流图如图 4-1-7 所示。根据能量守恒定律，结合能流图，可以不必拘泥于热力学第一定律的公式以及有关正负号的规定。请自己完成解答。U1U2W=120 JQ=280 J对外做功吸热图 4-1-6从状态 1 到状态 2 的能流图U1U2W=?Q=240 J做功放热图 4-1-7从状态 2 返回状态 1 的能流图