人教版高中物理选修3-3全套教案【完整版】

高中物理选修3-3全册精品教案

第七章分子动理论

7.1 物质是由大量分子组成的

教学目标

1、知识与技能

（1）知道一般分子直径和质量的数量级；

（2）知道阿伏伽德罗常数的含义，记住这个常数的数值和单位；

（3）知道用单分子油膜方法估算分子的直径。

2、过程与方法：通过单分子油膜法估算测量分子大小，让学生体会到物质是由大量分子组成的。形成正确的唯物主义价值观。

3、情感、态度与价值观

教学重难点

（1）使学生理解和学会用单分子油膜法估算分子大小（直径）的方法；

（2）运用阿伏伽德罗常数估算微观量（分子的体积、直径、分子数等）的方法。

教学教具

（1）教学挂图或幻灯投影片：水面上单分子油膜的示意图；离子显微镜下看到钨原子分布的图样；

（2）演示实验：演示单分子油膜：油酸酒精溶液（1：20O），滴管，直径约20cm圆形水槽，烧杯，画有方格线的透明塑料板。

教学过程：

第一节物质是由大量分子组成的

（一）热学内容简介

（1）热现象：与温度有关的物理现象。如热胀冷缩、摩擦生热、水结冰、湿衣服晾干等都是热现象。

（2）热学的主要内容：热传递、热膨胀、物态变化、固体、液体、气体的性质等。

（3）热学的基本理论：由于热现象的本质是大量分子的无规则运动，因此研究热学的基本理论是分子动理论、量守恒规律。

（二）新课教学

1、分子的大小：分子是看不见的，怎样能知道分子的大小呢？

（1）单分子油膜法是最粗略地说明分子大小的一种方法。

演示：如果油在水面上尽可能地散开，可认为在水面上形成单分子油膜，可以通过幻灯观察到，并且利用已制好的方格透明胶片盖在水面上，用于测定油膜面积。如图1所示。

提问：已知一滴油的体积V和水面上油膜面积S，那么这种油分子的直径是多少？（如果分子直径为d，油滴体积是V，油膜面积为S，则d=V／S，根据估算得出分子直径的数量级为10-10m）

（2）利用离子显微镜测定分子的直径。

看物理课本上彩色插图，钨针的尖端原子分布的图样：插图的中心部分亮点直接反映钨原子排列情况。经过计算得出钨原子之间的距离是2×10-10m。如果设想钨原子是一个挨着一个排列的话，那么钨原子之间的距离L就等于钨原子的直径d，如图2所示。

（3）用不同方法测量出分子的大小并不完全相同，但是数量级是相同的。

测量结果表明，一般分子直径的数量级是10-10m。例如水分子直径是4×10-10m，氢分子直径是2.3×10-10m。

（4）分子是小球形是一种近似模型，是简化地处理问题，实际分子结构很复杂，但通过估算分子大小的数量级，对分子的大小有了较深入的认识。

2、阿伏伽德罗常数

提问：在化学课上学过的阿伏伽德罗常数是什么意义？数值是多少？明确1mol物质中含有的微粒数（包括原子数、分子数、离子数……）都相同。此数叫阿伏伽德罗常数，可用符号NA表示此常数， NA=6.02×1023个／mol，粗略计算可用NA=6×1023个／mol。（阿伏伽德罗常数是一个基本常数，科学工作者不断用各种方法测量它，以期得到它精确的数值。）

提问：摩尔质量、摩尔体积的意义？

如果已经知道分子的大小，不难粗略算出阿伏伽德罗常数。例如，1mol水的质量是0.018kg，体积是1.8×10-5m3。每个水分子的直径是4×10-10m，它的体积是（4×10－10）m3=3×10-29m3。如果设想水分子是一个挨着一个排列的。

如何算出1mol水中所含的水分子数？

3、微观物理量的估算

若已知阿伏伽德罗常数，可对液体、固体的分子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液体和固体的分子是一个挨一个排列的（气体不能这样假设）。

提问：1mol水的质量是M=18g，那么每个水分子质量如何求？

提问：若已知铁的相对原子质量是56，铁的密度是7.8×103kg／m3，试求质量是1g的铁块中铁原子的数目（取1位有效数字）。又问：是否可以计算出铁原子的直径是多少来？

总结：以上计算分子的数量、分子的直径，都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说，阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积（直径）等这些微观量联系起来。

课堂练习：

（1）体积是10-4cm3的油滴滴于水中，若展开成一单分子油膜，则油膜面积的数量级是（B）A.102cm2 B.104cm2 C.106cm2 D. 108cm2

（2）已知铜的密度是8.9×103kg／m3，铜的摩尔质量是63．5×10-3kg／mol。体积是4．5cm3的铜块中，含有多少原子？并估算铜分子的大小。（3．8×1023， 3×10-10m）

课堂小结

（1）物体是由体积很小的分子组成的。这一结论有坚实的实验基础。单分子油膜实验等实验是上述结论的有力依据。分子直径大约有10－10m的数量级。

（2）阿伏伽德罗常数是物理学中的一个重要常数，它的意义和常数数值应该记住。

（3）学会计算微观世界的物理量（如分子数目、分子质量、分子直径等）的一般方法。由于微观量是不能直接测量的，人们可以测定宏观物理量，用阿伏伽德罗常数作为桥梁，间接计算出微观量来。如分子质量m，可通过物质摩尔质量M和阿伏伽德罗常数NA，得到m=M／NA。通过物质摩尔质量 M、密度ρ、阿伏伽德罗常数NA，计算出分子直径：

7.2 分子的热运动

三维教学目标

1、知识与技能

（1）知道并记住什么是布朗运动，知道影响布朗运动激烈程度的因素，知道布朗运动产生的原因；

（2）知道布朗运动是分子无规则运动的反映；

（3）知道什么是分子的热运动，知道分子热运动的激烈程度与温度的关系。

2、过程与方法：分析概括出布朗运动的原因；培养学生概括、分析能力和推理判断能力。从对悬浮颗粒无规则运动的原因分析，使学生初步接触到用概率统计的观点分析大量偶然事件的必然结果。

3、情感、态度与价值观

教学重点：通过学生对布朗运动的观察，引导学生思考、分析出布朗运动不是外界影响产生的，是液体分子撞击微粒不平衡性产生的。布朗运动是永不停息的无规则运动，反映了液体分子的永不停息的无规则运动。这一连串结论的得出是这堂课的教学重点。

教学难点：学生观察到的布朗运动不是分子运动，但它又间接反映液体分子无规则运动的特点。这是课堂上的难点。这个难点要从开始分析显微镜下看不到分子运动这个问题逐渐分散解疑。

教学教具：气体和液体的扩散实验：分别装有二氧化氮和空气的玻璃储气瓶、玻璃片；250mL

水杯内盛有净水、红墨水。

教学过程：

第二节分子的热运动

（一）引入新课

演示实验：

（1）把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个玻璃瓶竖直方向对口相接触，看到二氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。

（2）在一烧杯的净水中，滴入一二滴红墨水后，红墨水在水中逐渐扩展开来。

提问：上述两个实验属于什么物理现象？这现象说明什么问题？

总结：上述实验是气体、液体的扩散现象，扩散现象是一种热现象。它说明分子在做永不停息的无规则运动。而且扩散现象的快慢直接与温度有关，温度高，扩散现象加快。这些内容在初中物理中已经学习过了。

（二）新课教学

1、介绍布朗运动现象

1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉，发现花粉颗粒在水中不停地做无规则运动，后来把颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动。不只是花粉，其他的物质如藤黄、墨汁中的炭粒，这些小微粒悬浮在水中都有布朗运动存在。

看教科书上图，图上画的几个布朗颗粒运动的路线，指出这不是布朗微粒运动的轨迹，它只是每隔30s观察到的位置的一些连线。实际上在这短短的30s内微粒运动也极不规则，绝不是直线运动。

2、介绍布朗运动的几个特点

（1）连续观察布朗运动，发现在多天甚至几个月时间内，只要液体不干涸，就看不到这种运动停下来。这种布朗运动不分白天和黑夜，不分夏天和冬天（只要悬浮液不冰冻），永远在运动着。所以说，这种布朗运动是永不停息的。（2）换不同种类悬浮颗粒，如花粉、藤黄、墨汁中的炭粒等都存在布朗运动，说明布朗运动不取决于颗粒本身。更换不同种类液体，都不存在布朗运动。

（3）悬浮的颗粒越小，布朗运动越明显。颗粒大了，布朗运动不明显，甚至观察不到运动。（4）布朗运动随着温度的升高而愈加激烈。

3、分析、解释布朗运动的原因

（1）布朗运动不是由外界因素影响产生的，所谓外界因素的影响，是指存在温度差、压强差、液体振动等等。

提问：若液体两端有温度差，液体是怎样传递热量的？液体中的悬浮颗粒将做定向移动，还是无规则运动？温度差这样的外界因素能产生布朗运动吗？

总结：液体存在着温度差时，液体依靠对流传递热量，这样悬浮颗粒将随液体有定向移动。但布朗运动对不同颗粒运动情况不相同，因此液体的温度差不可能产生布朗运动。又如液体的压强差或振动等都只能使液体具有定向运动，悬浮在液体中的小颗粒的定向移动不是布朗运动。因此，推理得出外界因素的影响不是产生布朗运动的原因，只能是液体内部造成的。（2）布朗运动是悬浮在液体中的微小颗粒受到液体各个方向液体分子撞击作用不平衡造成的。显微镜下看到的是固体的微小悬浮颗粒，液体分子是看不到的，因为液体分子太小。但

液体中许许多多做无规则运动的分子不断地撞击微小悬浮颗粒，当微小颗粒足够小时，它受到来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。如教科书上的插图所示。

在某一瞬间，微小颗粒在某个方向受到撞击作用强，它就沿着这个方向运动。在下一瞬间，微小颗粒在另一方向受到的撞击作用强，它又向着另一个方向运动。任一时刻微小颗粒所受的撞击在某一方向上占优势只能是偶然的，这样就引起了微粒的无规则的布朗运动。

悬浮在液体中的颗粒越小，在某一瞬间跟它相撞击的分子数越少。布朗运动微粒大小在10－6m数量级，液体分子大小在10－10m数量级，撞击作用的不平衡性就表现得越明显，因此，布朗运动越明显。悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间跟它相撞击的分子越多，撞击作用的不平衡性就表现得越不明显，以至可以认为撞击作用互相平衡，因此布朗运动不明显，甚至观察不到。

液体温度越高，分子做无规则运动越激烈，撞击微小颗粒的作用就越激烈，而且撞击次数也加大，造成布朗运动越激烈。

5、布朗运动的发现及原因分析的重要意义

（1）布朗运动是悬浮在液体中的固体微粒分子的运动吗？是液体分子无规则运动吗？布朗微粒是被谁无规则撞击而造成的？布朗运动间接地反映了谁的无规则运动？

总结：

（1）固体颗粒是由大量分子组成的，仍然是宏观物体；显微镜下看到的只是固体微小颗粒，光学显微镜是看不到分子的；布朗运动不是固体颗粒中分子的运动，也不是液体分子的无规则运动，而是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动。无规则运动的原因是液体分子对它无规则撞击的不平衡性。因此，布朗运动间接地证实了液体分子的无规则运动。

（2）布朗运动随温度升高而愈加激烈，在扩散现象中，也是温度越高，扩散进行的越快，而这两种现象都是分子无规则运动的反映。这说明分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子无规则运动越激烈。所以通常把分子的这种无规则运动叫做热运动。

课堂小结：

（1）要知道什么是布朗运动。它是悬浮在液体中的固体微粒的无规则运动，是在显微镜下观察到的。

（2）知道布朗运动的三个主要特点：永不停息地无规则运动；颗粒越小，布朗运动越明显；温度越高，布朗运动越明显。

（3）产生布朗运动的原因：它是由于液体分子无规则运动对固体微小颗粒各个方向撞击的不均匀性造成的。

（4）布朗运动间接地反映了液体分子的无规则运动，布朗运动、扩散现象都有力地说明物体内大量的分子都在永不停息地做无规则运动。

课堂练习：

（1）关于布朗运动的下列说法中，正确的是（ C、D ）

A．布朗运动就是液体分子的热运动 B．布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒内的分子的无规则热运动

C．温度越高，布朗运动越激烈 D．悬浮颗粒越小，布朗运动越激烈

7.3 分子间的相互作用力

教学目标

（1）知道分子同时存在着相互作用的引力和斥力，表现出的分子力是引力和斥力的合力；（2）知道分子力随分子间距离变化而变化的定性规律，知道分子间距离是R0时分子力为零，知道R0的数量级；

（3）了解在固体、液体、气体三种不同物质状态下，分子运动的特点；

（4）通过一些基本物理事实和实验推理得出分子之间有引力，同时有斥力。这种以事实和实验为依据求出新的结论的思维过程，就是逻辑推理。通过学习这部分知识，培养学生的推理能力。

教学重点：

（1）一是通过分子之间存在间隙和分子之间有引力和斥力的一些演示实验和事实，推理论证出分子之间存在着引力和斥力。

（2）二是分子间的引力和斥力都随分子间距离的变化而变化，而分子力是引力和斥力的合力，能正确理解分子间作用力与距离关系的曲线的物理意义。

教学难点：是形象化理解分子间作用力跟分子间距离关系的曲线的物理意义。

教学教具：

（1）演示分子间有间隙的实验：约lm长的，外径约lcm的玻璃管，各约20～30ml的酒精和有红色颜料的水、橡皮塞。长15cm的U形玻璃管、架台、橡皮塞、红墨水。

（2）演示分子间存在引力的实验：两个圆柱形铅块(端面刮光、平滑)、支架、钩码若干。用细线捆住的平板玻璃、直径20cm的盛水玻璃槽、弹簧秤。

（3）图片：分子力随分子间距离变化的曲线和两个分子距离在r＝R0，r>R0，r

教学过程：

第三节分子间的相互作用力

(一)引入新课

分子动理论是在坚实的实验基础上建立起来的。我们通过单分子油膜实验、离子显微镜观察钨原子的分布等实验，知道物质是由很小的分子组成的，分子大小在10-10m数量级。我们又通过扩散现象和布朗运动等实验知道了分子是永不停息地做无规则运动的。分子动理论还告诉我们分子之间有相互作用力，这结论的实验依据是什么?分子间相互作用力有什么特点?这是今天要学习的问题。

(二)新课教学

1、已知的实验事实分析、推理得出分子之间存在着引力，

（1）演示实验：

①长玻璃管内，分别注入水和酒精，混合后总体积减小。

②U形管两臂内盛有一定量的水(不注满水)，将右管端橡皮塞堵住，左管继续注入水，右管水面上的空气被压缩。

提问：这两个实验说明了什么问题?

归纳：上述实验可以说明气体、液体的内部分子之间是有空隙的。钢铁这样坚固的固体的分子之间也有空隙，有人用两万标准大气压的压强压缩钢筒内的油，发现油可以透过筒壁溢出。

布朗运动和扩散现象不但说明分子不停地做无规则运动，同时也说明分子间有空隙，否则分子便不能运动了。前面第一节讨论分子的大小时，认为固体和液体分子是一个挨一个排列的，那只是估算分子直径的数量级而做的设想，实际上分子大小比估算值要小，中间存在着空隙，但数量级还是正确的。

（2）一方面分子间有空隙，另一方面，固体、液体内大量分子却能聚集在一起形成固定的形状或固定的体积，这两方面的事实，使我们推理出分子之间一定存在着相互吸引力。（3）演示实验：两个圆柱体形铅块，当把端面刮平后，让它们端面紧压在一起，合起来后，它们不分开，而且悬挂起来后，下面还可以吊起一定量的重物。还有平时人们用力拉伸物体时，为什么不易拉断物体。

（4）以上所有实验事实都说明分子之间存在着相互吸引力。

2、根据已知的实验事实，推理得出分子之间还存在着斥力。

提问：由哪些实验事实，判断得出分子之间有斥力?

总结：固体和液体很难被压缩，即使气体压缩到了一定程度后再压缩也是很困难的；用力压缩固体(或液体、气体)时，物体内会产生反抗压缩的弹力。这些事实都是分子之间存在斥力的表现。

运用反证法推理，如果分子之间只存在着引力，分子之间又存在着空隙，那么物体内部分子都吸引到一起，造成所有物体都是很紧密的物质。但事实不是这样的，说明必然还有斥力存在着。

3、分子间引力和斥力的大小跟分子间距离的关系。

（1）经过研究发现分子之间的引力和斥力都随分子间距离增大而减小。但是分子间斥力随分子间距离加大而减小得更快些，如图1中两条虚线所示。

（2）由于分子间同时存在引力和斥力，两种力的合力又叫做分子力。

在图1图象中实线曲线表示引力和斥力的合力(即分子力)随距离变化的情况。当两个分子间距在图象横坐标r0距离时，分子间的引力与斥力平衡，分子间作用力为零，r0的数量级为10-10m，相当于r0位置叫做平衡位置。分子间距离当r< r0时，分子间引力和斥力都随距离减小而增大，但斥力增加得更快，因此分子间作用力表现为斥力。展示幻灯片图2。当r>时，引力和斥力都随距离的增大而减小，但是斥力减小的更快，因而分子间的作用力表现为引力，但它也随距离增大而迅速减小，当分子距离的数量级大于10-9m时，分子间的作用力变得十分微弱，可以忽略不计了。在图2中表示分子间距离r不同的三种情况下，分子间引力斥力大小的情况。

4、固体、液体和气体的分子运动情况。

（1）分子动理论告诉我们物体中的分子永不停息地做无规则运动，它们之间又存在着相互

作用力。分子力的作用要使分子聚集起来，而分子的无规则运动又要使它们分散开来。由于这两种相反因素的作用结果，有固体、液体和气体三种不同的物质状态。

提问：固体与液体、气体比较有什么特征?

总结：固体为什么有一定的形状和体积呢?因为在固体中，分子间距离较近，数量级在10-10m，分子之间作用很大，绝大部分分子只能在各自平衡位置附近做无规则的振动。

（2）液体分子运动情况。

固体受热温度升高，最终熔化为液体，对大多数物质来说，其体积增加10％，也就是说分子之间距离大约增加3％。因此，液体分子之间作用力很接近固体情况，分子间有较强的作用力，分子无规则运动主要表现为在平衡位置附近振动。但由于分子间距离有所增加，使分子也存在移动性，所以液体在宏观上有一定的体积，而又有流动性，没有固定的形状。（3）液体汽化时体积扩大为原来的1000倍，说明分子间距离约增加为原来，即10倍。因此气体分子间距离数量级在10-9m，分子间除碰撞时有相互作用力外，彼此之间一般几乎没有分子作用力，分子在两次碰撞之间是自由移动的。所以气体在宏观上表现出没有一定的体积形状，可以充满任何一种容器。

课堂小结：

（1）前面三课时内学习的内容是对初中物理已学过的分子动理论的加深和扩展。总结起来，分子动理论内容是：物体是由大量分子组成的，分子做永不停息的无规则热运动，分子之间存在着引力和斥力。分子动理论是建立在大量实验事实基础上的，这理论是解释、分析热现象的基本理论。

（2）通过实验知道分子之间存在着引力和斥力，而且知道分子间的引力和斥力都随分子间距离增大而减少，尤其斥力随距离增大减小得更快。由于分子间的斥力和引力同时存在，每个分子受到引力和斥力的合力大小及方向随分子间距离大小而改变。其中分子间距离在10-10m的数量级有一个平衡位置(r0)，此位置下，斥力与引力的合力为零。当分子间距离大于r0引力显著，当分子间距离小于r0斥力显著。分子间距离接近10-9m时，分子间作用力将微小到可忽略的程度。

（3）固体、液体、气体三种状态的分子之间距离不同，分子之间作用力的变化也由大到小至几乎不计。造成固、液、气三种物质状态的特性不同。

课堂练习：

（1）用分子动理论的知识解释下列现象：

(1)洒在屋里的一点香水，很快就会在屋里的其他地方被闻到。

(2)水和酒精混合后，总体积减小。

(3)高压下的油会透过钢壁渗出。

(4)温度升高，布朗运动及扩散现象加剧。

(5)固体不容易被压缩和拉伸。

（2）把一块洗净的玻璃板吊在橡皮筋的下端，使玻璃板水平地接触水面(如图3)。如果你想使玻璃板离开水面，用手向上拉橡皮筋，拉动玻璃板的力是否大于玻璃板受的重力?动手试一试，并解释为什么?（拉力会大于玻璃板的重力。玻璃板离开水面时水会发生分裂，由于水分子之间有引力存在，外力要克服这些分子引力造成外界拉力大于玻璃板的重力。玻璃板离开水面后，可以看到玻璃板下表面上仍有水，说明玻璃板离开水时，水层发生断裂）

7.4 物体的内能

三维教学目标

1、知识与技能

（1）知道分子的动能，分子的平均动能，知道物体的温度是分子平均动能大小的标志；（2）知道分子的势能跟物体的体积有关，知道分子势能随分子间距离变化而变化的定性规律；

（3）知道什么是物体的内能，物体的内能与哪个宏观量有关，能区别物体的内能和机械能。

2、过程与方法：这节课中要让学生建立：分子动能、分子平均动能、分子势能、物体内能、热量等五个以上物理概念，又要让学生初步知道三个物理规律：温度与分子平均动能关系，分子势能与分子间距离关系，做功与热传递在改变物体内能上的关系。因此，教学中着重培养学生对物理概念和规律的理解能力。

3、情感、态度与价值观：在分子平均动能与温度关系的讲授中，渗透统计的方法。在分子间势能与分子间距离的关系上和做功与热传递关系上都要渗透归纳推理方法。

教学重点：教学重点是使学生掌握三个概念（分子平均动能、分子势能、物体内能），掌握三个物理规律（温度与分子平均动能关系、分子势能与分子之间距离关系、热传递与功的关系）。

教学难点：区分温度、内能、热量三个物理量是教学上的一个难点；分子势能随分子间距离变化的势能曲线是教学上的另一难点。

教学教具：图片，展示分子间势能随分子间距离变化而变化的曲线。

教学过程：

第四节物体的内能

（一）引入新课

我们知道做机械运动的物体具有机械能，那么热现象发生过程中，也有相应的能量变化。另一方面，我们又知道热现象是大量分子做无规律热运动产生的。那么热运动的能量与大量的无规律运动有什么关系呢？这是今天学习的问题。

（二）新课教学

1、分子的动能、温度

物体内大量分子不停息地做无规则热运动，对于每个分子来说都有无规则运动的动能。由于物体内各个分子的速率大小不同，因此，各个分子的动能大小不同。由于热现象是大量分子无规则运动的结果，所以研究个别分子运动的动能是没有意义的。而研究大量分子热运动的动能，需要将所有分子热运动动能的平均值求出来，这个平均值叫做分子热运动的平均动能。

学习布朗运动和扩散现象时，我们知道布朗运动和扩散现象都与温度有关系，温度越高，布朗运动越激烈，扩散也加快。依照分子动理论，这说明温度升高后分子无规则运动加剧。用上述分子热运动的平均动能来说明，就是温度升高，分子热运动的平均动能增大。如果温度降低，说明分子热运动的平均动能减小。因此从分子动理论观点来看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志。“标志”的含义是指物体温度升高或降低，表示了物体内部大量分子热运动的平均动能增大或减小。温度不变，就表示了分子热运动的平均动能不变。其他宏观物理量如时间、质量、物质种类都不是分子热运动平均动能的标志。但是，温度不是直接

等于分子的平均动能。

另一方面，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应，对于个别分子或几十个、几百个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的。

我们知道，温度这个物理量在宏观上的意义是表示物体冷热程度，而它又是大量分子热运动平均动能大小的标志，这是温度的微观含义。

2、分子势能

分子间存在着相互作用力，因此分子间具有由它们的相对位置决定的势能，这就是分子势能。如果分子间距离约为10-10m数量级时，分子的作用力的合力为零，此距离为r0。

r 0时，分子间的作用力表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此，分子势能随分子间距离的减小而增大。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧压缩，弹性势能Ep增大。

如果分子间距离大于r0时，分子间的相互作用表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此，分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧拉伸，Ep增大。

从以上两种情况综合分析，分子间距离以r0为数值基准，r不论减小或增大，分子势能都增大。所以说，分子在平衡位置处是分子势能最低点。如果分子间距离是无限远时，取分子势能为零值，分子间距离从无限远逐渐减少至r0以前过程，分子间的作用力表现为引力，而且距离减少，分子引力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小为负值。当分子间距离到达r0以后再减小，分子作用力表现为斥力，在分子间距离减小过程中，克服斥力做功，使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值。分子势能随分子间距离r 的变化情况可以在图的图象中表现出来。从图中看到分子间距离在r0处，分子势能最小。

小变化情况呢？如果对于确定的物体，它的体积变化，直接反映了分子间的距离，也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。

3、物体的内能

（1）物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成，因此任何物体都是有内能的。

提问：宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志？（一个确定的物体，分子总数是固定的，那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体，那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。）

15℃升高到55℃，比较内能。

1kg50℃的铁块与质量是0.1kg50℃的铁块，比较内能。

1kg100℃的水与质量是1kg100℃的水蒸气，比较内能。

（2）物体机械运动对应着机械能，热运动对应着内能。任何物体都具有内能，同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹，除了具有内能，还具有机械能——动能和重力势能。提问：一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气，当汽车以 60km/h行驶起来后，气瓶内氧气的内能是否增加？（内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和，而不是分子定向移动的动能。另一方面，物体机械能增加，内能不一定增加）

课上练习：

判断下面各结论是否正确？

（1）温度高的物体，内能不一定大。

（2）同样质量的水在100℃时的内能比60℃时的内能大。

（3）内能大的物体，温度一定高。

（4）内能相同的物体，温度一定相同。

答案：（1）、（2）是对的。

在标准大气压下，100℃的水吸收热量变成同温度的水蒸气的过程，下面的说法是否正确？（1）分子热运动的平均动能不变，因而物体的内能不变。

（2）分子的平均动能增加，因而物体的内能增加。

答案：以上结论都不对。

课堂小结：

（1）这节课上新建立了三个物理概念：分子热运动的平均动能、分子势能、内能。要知道这三个概念的确切含义，更为重要的是能够区分温度、内能、热量，知道内能与机械能的区别和联系。

（2）要掌握三个物理规律：分子热运动的平均动能与温度的关系、分子间的相互作用力与分子间距离的关系、做功与热传递在使物体内能改变上的关系。

第八章气体

8.1 气体的等温变化玻意耳定律

1、知识与技能

（1）知道什么是等温变化；

（2）知道玻意耳定律是实验定律，掌握玻意耳定律的内容和公式，知道定律的适用条件；（3）理解气体等温变化的 p--V 图象的物理意义；

（4）知道用分子动理论对玻意耳定律的定性解释；

（5）会用玻意耳定律计算有关的问题。

2、过程与方法：通过实验培养学生的观察、分析能力和从实验得出物理规律的能力。

3、情感、态度与价值观：当需要研究两个以上物理量间的关系时，先保持某个或某几个物理量不变，从最简单的情况开始研究，得出某些规律，然后再进一步研究所涉及的各个物理量间的关系。

教学重点：通过实验使学生知道并掌握一定质量的气体在等温变化时压强与体积的关系，理解 p-V 图象的物理意义，知道玻意耳定律的适用条件。

教学难点：学生往往由于“状态”和“过程”分不清，造成抓不住头绪，不同过程间混淆不清的毛病，这是难点。在目前这个阶段，有相当多学生尚不能正确确定密闭气体的压强。教学教具：定性演示一定质量的气体在温度保持不变时压强与体积的关系，橡皮膜（或气球皮）、直径为5cm左右两端开口的透明塑料筒（长约25cm左右）、与筒径匹配的自制活塞、20cm×6cm薄木板一块。较精确地演示一定质量的气体在温度保持不变时压强与体积的关系实验仪器。

教学过程：

第一节气体的等温变化玻意耳定律

（一）引入新课

m一定，a∝F；再F一定，a∝1/m，现在我们利用这种控制条件的研究方法，研究气体状态参量之间的关系。

（二）新课教学

1、一定质量的气体保持温度不变，压强与体积的关系

思考：怎样保证气体的质量是一定的？怎样保证气体的温度是一定的？（密封好；缓慢移活塞，筒不与手接触）

2、较精确的研究一定质量的气体温度保持不变，压强与体积的关系

（1）介绍实验装置，观察实验装置，并回答：

①研究哪部分气体？

②A管中气体体积怎样表示？（l·S）

③阀门a打开时，A管中气体压强多大？阀门a闭合时A管中气体压强多大？（p0）

④欲使A管中气体体积减小，压强增大，B管应怎样操作？写出A管中气体压强的表达式（p=p0+h）。

⑤欲使A管中气体体积增大，压强减小，B管应怎样操作？写出A管中气体压强的表达式（p=p0-h）。

⑥实验过程中的恒温是什么温度？为保证A管中气体的温度恒定，在操作B管时应注意什么？（缓慢）

（2）实验数据采集

mmHg；体积表示：倍率法环境温度：室温大气压强：p 0= mmHg

① A管中气体体积减小时(基准体积为V)

（3）实验结论：实验数据表明：

到原来的几倍；

来的几分之一。

3、玻意耳定律

（1）定律内容表述之一

体积为V1，压强为p1；末态体积为V2，压强为p2。有：

p1 V1 = p2 V2

（2）定律内容表述之二

pV=恒量

（3）用图象表述玻意耳定律

讨论：一下图线该是什么形状，并尝试把它画出来。（等温线）

4、关于玻意耳定律的讨论

问题：图象平面上的一个点代表什么？曲线AB代表什么？线段AB代表什么？pV=恒量一式中的恒量是普适恒量吗？（作出一定质量的气体，在不同温度下的几条等温线，比较后由学生得出结论：恒量随温度升高而增大）

下面的数据说明什么？一定质量的氦气

适用条件：压强不太大（和大气压比较）、温度不太低（和室温比较）的任何气体。你能推导出用密度形式表达的玻意耳定律吗？你能用分子动理论对玻意耳定律作出解释吗？

例1：某个容器的容积是10L，所装气体的压强是20×105Pa。如果温度保持不变，把容器的开关打开以后，容器里剩下的气体是原来的百分之几？设大气压是1.0×105Pa。

解：设容器原装气体为研究对象。

p 1=20×105Pa V1=10L T1=T

p 2=1.0×105Pa V2=？L T2=T

p 1V1=p2V2得：

5％。

8.2 气体的等容变化和等压变化

三维教学目标

1、知识与技能

（1）知道什么是气体的等容变化过程；

（2）掌握查理定律的内容、数学表达式；理解p-t图象的物理意义；

（3）知道查理定律的适用条件；

（4）会用分子动理论解释查理定律。

2、过程与方法：通过演示实验，培养学生的观察能力、分析能力和实验研究能力。

3、情感、态度与价值观：培养学生运用数学方法解决物理问题的能力——由图象总结出查理定律。

教学重难点

（1）查理定律的内容、数学表达式、图象及适用条件是重点；

（2）气体压强和摄氏温度不成正比，压强增量和摄氏温度成正比；气体原来的压强、气体在零摄氏度的压强，这些内容易混淆。

教学教具：带有橡皮塞的滴液瓶、加热装置。查理定律演示器、水银气压计、搅棒、食盐和适量碎冰、温度计、保温套、容器。

教学过程：

第二节气体的等容变化和等压变化

（一）引入新课

演示实验：

会看到塞子飞出；把瓶子放在冰水混合物中，拔掉塞子时会比平时费力。

；当温度降低时，气体的压强减小。

（二）新课教学

1、气体的等容变化

2、一定质量的气体在等容变化过程中，压强随温度变化的实验研究

（1）实验装置——查理定律演示器

A管向上运动时，B管中的水银面怎样变化？

A管向下运动时，B管中的水银面怎样变化？

⑤瓶中气体的压强怎样表示？（当B管中水银面比A管中水银面低时；当B管中水银面比A管中水银面高时）

（2）用气压计测量大气压强

p0= mmHg（注意水银气压计的读数方法。）请两位学生读出当时的大气压强值。

（3）实验条件：一定质量的气体、一定的气体体积。请学生讨论：怎样保证实验条件？（烧瓶用胶塞塞好，与水银压强计B管连接处密封好。使水银压强计的A管水银面与B管水银面一样高，并将B管水银面的位置记下来）

（4）实验过程

第一、将烧瓶置于食盐加碎冰溶化的混合物中，烧瓶要完全没入。（请学生估测发生的现象）

现象：烧瓶中气体体积减小，B管中水银面上升，A管中水银面下降。气体压强减小。

措施：请学生讨论此时怎样移动A管才能使B管中水银面恢复到初始的标记位置。记下此时A、B管中水银面的高度差。

第二、将烧瓶完全置于冰水混合物中。（请学生估测发生的现象）

现象：烧瓶中气体体积仍小于室温时的标记体积，B管中水银面仍高于A管中水银面，但A、B两管中水银面高度差减少。

措施：仍请学生回答此时怎样移动A管才能使B管中水银面恢复到初始的标记位置。记下此时A、B管中水银面的高度差。

第四、将烧瓶完全置于30 ℃的温水中。（请学生估测发生的现象）

现象：B管中水银面低于标记位置，A管中水银面高于标记位置。

措施：请学生讨论应怎样移动A管，才能使B管中的水银面恢复到初始标记位置。记下此时A、B管中水银面的高度差。

第五、将烧瓶再分别完全置于45℃的温水中，60℃、75℃的热水中，重复上述过程。（5）实验数据表格

p0= mmHg 室温℃

（1）以0℃气体压强为参照，气体温度每升高1℃，增加的压强值是0℃时气体压强值的多少分之一。

（2）以0℃气体压强为参照，气体温度每降低1℃，减少的压强值是0℃时气体压强值的多少分之一。

（6）图象（以实际实验数据为准，此处仅为示意图）

p = p 0 + kt 其中k为斜率，精确的实验指出t外推=-273℃。

3、实验结论——查理定律

1787年法国科学家查理通过实验研究，发现所有气体都遵从查理定律。

（1）适用条件：①温度不太低；②压强不太大。微观解释：请学生自学课本。

4、查理定律的应用

例1：一定质量的气体，保持体积不变，温度从1℃升高到5℃，压强的增量为 2.0×103Pa，则（ C ）

A．它从5℃升高到10℃，压强增量为2.0×103Pa

B．它从15℃升高到20℃，压强增量为2.0×103Pa

C．它在0℃时，压强约为1.4×105Pa

8.3 气体理想气体的状态方程

三维教学目标

1、知识与技能

（1）初步理解“理想气体”的概念；

（2）掌握运用玻意耳定律和查理定律推导理想气体状态方程的过程，熟记理想气体状态方程的数学表达式，并能正确运用理想气体状态方程解答有关简单问题；

（3）熟记盖·吕萨克定律及数学表达式，并能正确用它来解答气体等压变化的有关问题。

2、过程与方法：通过推导理想气体状态方程及由理想气体状态方程推导盖·吕萨克定律的过程，培养学生严密的逻辑思维能力。

3、情感、态度与价值观：通过用实验验证盖·吕萨克定律的教学过程，使学生学会用实验来验证成正比关系的物理定律的一种方法，并对学生进行“实践是检验真理唯一的标准”的教育。

教学重点：理想气体的状态方程是本节课的重点，因为它不仅是本节课的核心内容，还是中学阶段解答气体问题所遵循的最重要的规律之一；

教学难点：对“理想气体”这一概念的理解是本节课的一个难点，因为这一概念对中学生来讲十分抽象，而且在本节只能从宏观现象对“理想气体”给出初步概念定义，只有到后两节从微观的气体分子动理论方面才能对“理想气体”给予进一步的论述。另外在推导气体状态方程的过程中用状态参量来表示气体状态的变化也很抽象，学生理解上也有一定难度。

教学教具：气体定律实验器、烧杯、温度计等。

教学过程：

第三节气体·理想气体的状态方程

（一）引入新课

前面我们学习的玻意耳定律是一定质量的气体在温度不变时，压强与体积变化所遵循的规律，而查理定律是一定质量的气体在体积不变时，压强与温度变化时所遵循的规律，即这两个定律都是一定质量的气体的体积、压强、温度三个状态参量中都有一个参量不变，而另外两个参量变化所遵循的规律，若三个状态参量都发生变化时，应遵循什么样的规律呢？这就是我们今天这节课要学习的主要问题。

（二）新课教学

1、关于“理想气体”概念的教学

提问：

（1）玻意耳定律和查理定律是如何得出的？即它们是物理理论推导出来的还是由实验总结归纳得出来的？（由实验总结归纳得出的）

（2）这两个定律是在什么条件下通过实验得到的？（温度不太低（与常温比较）和压强不太大（与大气压强相比）的条件得出的）

在初中我们就学过使常温常压下呈气态的物质（如氧气、氢气等）液化的方法是降低温度和增大压强。这就是说，当温度足够低或压强足够大时，任何气体都被液化了，当然也不遵循反映气体状态变化的玻意耳定律和查理定律了。而且实验事实也证明：在较低温度或较大压强下，气体即使未被液化，它们的实验数据也与玻意耳定律或查理定律计算出的数据有较大的误差。

表格（1）

说明：

（1）所示是在温度为0℃，压强为1.013×105Pa的条件下取1L几种常见实际气体保持温度不变时，在不同压强下用实验测出的pV乘积值。从表中可看出在压强为1.013×105Pa至1.013×107Pa之间时，实验结果与玻意耳定律计算值，近似相等，当压强为1.013×108Pa 时，玻意耳定律就完全不适用了。

这说明实际气体只有在一定温度和一定压强范围内才能近似地遵循玻意耳定律和查理定律。而且不同的实际气体适用的温度范围和压强范围也是各不相同的。为了研究方便，我们假设这样一种气体，它在任何温度和任何压强下都能严格地遵循玻意耳定律和查理定律。我们把这样的气体叫做“理想气体”。

（2）推导理想气体状态方程

前面已经学过，对于一定质量的理想气体的状态可用三个状态参量p、V、T来描述，且知道这三个状态参量中只有一个变而另外两个参量保持不变的情况是不会发生的。换句话说：若其中任意两个参量确定之后，第三个参量一定有唯一确定的值。它们共同表征一定质量理想气体的唯一确定的一个状态。根据这一思想，我们假定一定质量的理想气体在开始状态时各状态参量为（p1，V1，T1），经过某变化过程，到末状态时各状态参量变为（p2，V2，

T2），这中间的变化过程可以是各种各样的，现假设有两种过程：

第一种：从（p1，V1，T1）先等温并使其体积变为V2，压强随之变为pc，此中间状态为（pc，V2，T1）再等容并使其温度变为T2，则其压强一定变为p2，则末状态（p2，V2，T2）。

第二种：从（p1；V1，T1）先等容并使其温度变为T2，则压强随之变为p′c，此中间状态为（p′c，V1，T2），再等温并使其体积变为V2，则压强也一定变为p2，也到末状态（p2，V2，T2）。

将全班同学分为两大组，根据玻意耳定律和查理定律，分别按两种过程，自己推导理想气体状态过程。（即要求找出p1、V1、T1与p2、V2、T2间的等量关系。）

理想气体状态方程。它说明：一定质量的理想气体的压强、体积的乘积与热力学温度的比值是一个常数。

2、推导并验证盖·吕萨克定律

设问：

（1）若上述理想气体状态方程中，p1=p2，方程形式变化成怎样的形式？

（2）p1=p2本身说明气体状态变化有什么特点？（说明等效地看作气体做等压变化，即压强保持不变的变化）

由此可得出结论：当压强不变时，一定质量的理想气体的体积与热力学温度成正比。

这个结论最初是法国科学家盖·吕萨克在研究气体膨胀的实验中得到的，也叫盖·吕萨克定律。它也属于实验定律。当今可以设计多种实验方法来验证这一结论。今天我们利用在验证玻意耳定律中用过的气体定律实验器来验证这一定律。

演示实验：实验装置如图所示，此实验保持压强不变，只是利用改变烧杯中的水温来确定三个温度状态t1、t2、t3，这可从温度计上读出，再分别换算成热力学温度T1、T2、T3，再利用气体实验器上的刻度值作为达热平衡时，被封闭气体的体积值，分别为V1、V2、V3，填入下表：投影幻灯片（3）：

这几个值会近似相等，从而证明了盖·吕萨克定律。

课堂练习

例1：一水银气压计中混进了空气，因而在27℃，外界大气压为758毫米汞柱时，这个水银气压计的读数为738毫米汞柱，此时管中水银面距管顶80毫米，当温度降至-3℃时，这个气压计的读数为743毫米汞柱，求此时的实际大气压值为多少毫米汞柱？（1）该题研究对