資源簡介

課題 第十三章 第 1 節 分子熱運動
學習目標
1 ． 能簡單說明物質是由分子、原子構成的。 2 ． 通過實驗知道一切物質的分子都在不停地做無規則運動。 3 ． 能夠識別擴散現象， 并能用分子熱運動的觀點進行解釋。 4 ． 知道分子間存在相互作用力。
課前學習任務
預習：閱讀課本第 2—4 頁的內容，嘗試回答下列問題： 1. 物質是由什么構成的？ 2. 為什么打開一盒香皂，很快就會聞到香味，是什么跑到鼻子里了？ 能聞到香味的原因 是什么？ 3. 一支鉛筆既難被壓縮也難被拉伸，說明什么？
課上學習任務
【學習任務一】物質的構成 苯分子 金原子 生物大分子
常見的物質是 構成的。
【學習任務二】分子熱運動
1. 擴散現象： 的物質在 時， 的現象。 2. 、 、 都可以發生擴散現象。 3. 擴散現象表明： 。
4. 分子的運動跟 有關， 越高，分子運動越 ，宏觀上擴散過程就 越 。我們把分子 叫做分子的 運動。 5. 水和酒精混合總體積會 ，這表明 。
【學習任務三】分子間的作用力 是什么 力使得 兩鉛塊 結合在 一起？ 測力計 的示數 為什么 會變大？
液體為什么不容易 被壓縮呢？
分子間 存在 和 。
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學史知識拓展 1. 物質的原子論 我們怎么知道萬物都由看不見的小粒子構成？ 雖然古希臘人沒有直接用顯微鏡觀察原子的證據， 但是德謨克利特的確擁有一些獨
到的間接證明。例如他論證說： 因為我們能夠在遠處聞到面包香味，所以小的面包粒子 一定從面包上脫落下來飄進了我們的鼻孔。他認為這些面包粒子與面包的原子有關。在 今天這仍是對氣味的一種可接受的解釋。但是，這個概念沒有得到直接的觀察結果的支 持，因此， 有許多科學家不相信原子的存在。 關于原子的第一個明確的證據是在 1800 年前后由化學家道爾頓發現的。道爾頓注意 到，當某些物質化合生成別種物質時，它們總是按質量的簡單比值相互結合。例如，當 氫與氧結合生成水時，兩種物質的質量比總是 1:8。 在物質無限可分假說的基礎上， 難以理解為什么會有這樣簡單的比值。但如果物質 是由原子構成的，那么就會有一個簡單的解釋。例如，如果 1 個氫原子和 1 個氧原子有 一個簡單的質量比， 而且如果這些原子總以簡單的比值結合成水， 那么水中氫與氧的質 量比也將是簡單的數值。今天我們知道單個氫原子與單個氧原子的質量比為 1:16，而且 每個氧原子總是和兩個氫原子結合生成水。所以， 我們今天就明白了為什么質量比為 1:8。 這樣， 原子論解釋了道爾頓觀察到的簡單比值。然而，這證明了原子論嗎？答案是 沒有！可能原子并不存在，可能對簡單比值另有解釋，甚至沒有解釋。 一般的概念不能 由觀察結果證明，但觀察結果能使它變得似乎更可信。 幾十年后， 植物學家布朗用顯微鏡觀察到懸浮在液體中的花粉小顆粒無規律地動來 動去， 雖然液體本身沒有可觀察到的運動。他最初的假設是： 這些花粉顆粒是活的。但 是懸浮在液體中的無生命的塵埃顆粒也同樣無規律地動個不停，從而否定了這個假說。 假設與理論雖然不能被證明，但是它們可以被否定。 布朗運動背后看不到的原因究竟是什么？將近 19 世紀末時，人們提出， 原子的亞 微觀（在普通顯微鏡下看不見）運動引起布朗運動。這個想法認為，原子在不停地運 動，而塵埃顆粒受到原子的沖撞。 1905 年， 這個假說得到了一個當時還未出名的年輕物理學家的有力支持，他就是愛 因斯坦。愛因斯坦的貢獻是在理論方面， 而非觀察方面。他應用已經建立的理論， 計算 像塵埃顆粒這樣的粒子（它們比原子大得多）受到運動原子的無規則撞擊而亂沖亂撞的 詳細情況。他給出了幾個定量的（數值的）預言， 例如塵埃顆粒聚集物由于液體中的無 規則碰撞而散開的速率， 即擴散的速率。這樣的預言是能夠通過測量檢驗的，實際上， 它很快就得到了檢驗。測量結果與愛因斯坦的預言相符。這種定量的證據無可爭辯。要
么看不見的原子真的引起了布朗運動，要么愛因斯坦的計算極其幸運地碰巧給出所有的 正確數值。在愛因斯坦的這工作之后，科學家們不再對原子論提出疑問了。 摘自《物理九年級全一冊教師教學用書》，北京人民教育出版社，2017（7）：22-23 原文摘自《物理學：基本概念及其與方方面面的聯系》阿特·霍布森著，上海科學技術 出版社， 有改動 2 ． 氣體動理論的發展 氣體動理論( kinetic theory of gases，曾譯“氣體分子運動論”)認為物質由不停運動著 的分子所構成， 大量分子無規則熱運動的統計平均效果可說明物質的宏觀熱性質。它是 理解宏觀與微觀世界的橋梁。 伽利略、伽桑迪、培根和牛頓等人都接受并發展了原子論，特別是伽桑迪在原子論 基礎上，進一步假設物質中的原子可在各個方向上運動， 從而解釋了諸如物態變化等物 理現象。 伯努利發展了伽桑迪等人的思想，他在 1738 年發表的論文《關于空氣的彈性與重量 學說的答辯》中論述了氣體壓強的碰撞理論。基于氣體是由許多激烈運動的粒子構成的 假設， 他對一圓筒內氣體的壓強與體積的關系進行計算， 推導出玻意耳定律的數學表達 式。大約過了近一個世紀，1821 年， 英國科學家赫拉帕司也獨立地提出了類似理論。 伯努利和赫拉帕司的工作是早期氣體動理論的重要成果， 可惜由于當時熱質說頗為 流行， 他們的工作未引起人們的重視而被擱置起來了。 1856 年， 德國化學家柯尼希發表了一篇短文《氣體理論原理》，粗略提出分子運動 的假設，雖然他的論文與伯努利和赫拉帕司的工作相比， 在內容上沒有什么進步， 但由 于他是當時學術界的權威，他的論文給氣體動理論帶來了轉機。 1857 年， 克勞修斯在柯尼希的論文的激勵下， 把他以前關于氣體運動論的所有設想 整理成具體理論，并在一篇題為《論我們稱之為熱的運動的性質》的論文中加以論述。 不僅推導出理想氣體定律，此外，還計算了分子的速率、定性解釋了物質三態變化。 1859 年，麥克斯韋在《氣體動理學理論的例證》一文中，假定分子是完全彈性 球，導出了氣體分子按速率的分布律。 知道了氣體分子的速率分布函數，就可以求出有關物理量，了解多粒子系統的宏觀 行為。這正是統計力學的基本思想。這樣，麥克斯韋把氣體動理論推進到了一個新的重 要階段——經典統計力學。
1867 年， 麥克斯韋為克服由其理論得出的黏滯系數對溫度的依賴關系與實驗不符的 困難， 假定分子間的作用力與分子間距離的四次方成反比，從這個模型出發，他提出了 氣體輸運過程的數學理論，導出了輸運系數。 麥克斯韋所開創的事業， 由于玻耳茲曼和吉布斯的工作， 逐步建立起了完整的統計 力學大廈。 到 19 世紀末， 氣體動理論的理論體系已基本完善， 但它是否正確， 還有待實驗檢 驗。眾所周知，早在 1827 年，英國植物學家布朗觀察到， 幾乎任何一種懸浮在水中的 微粒都做無規則的、永不停頓的運動，即著名的布朗運動。1877 年， 德耳索指出， 布朗 運動是由于微粒受到的液體分子碰撞不平衡所引起的。 1908 年， 皮蘭通過多種精密實驗 研究布朗運動， 證實了愛因斯坦和斯莫盧霍夫斯基分別于 1905 年和 1906 年獨自提出的 布朗運動理論， 使氣體動理論為大家所公認。 1920 年， 施特恩在歷史上第一次用實驗測定了分子的速率分布。我國科學家葛正權 于 1934 年測定過鉍蒸氣分子的速率分布。但由于技術條件等方面的限制， 實驗結果與 理論還有某種程度的距離。1956 年，密勒和庫什用釷蒸氣的原子射線做實驗，精確測定 了分子按速率的分布，結果與麥克斯韋分布符合得十分好。這樣， 以確鑿的實驗事實證 實了氣體動理論，從而確立了其在自然科學中的地位。 摘自《物理九年級全一冊教師教學用書》，北京人民教育出版社，2017（7）：23-24 ，略 有刪改

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