高三物理分子动理论和物体的内能全章教案人教版.doc

高三物理分子动理论和物体的内能全章教案11-1物质是由分子组成的【教学目标】1在物理知识方面的要求：（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培养学生在物理学中的估算能力，会通过阿伏伽德罗常数估算固体和液体分子的质量、分子的体积（或直径）、分子数等微观量。3渗透物理学方法的教育。运用理想化方法，建立物质分子是球形体的模型，是为了简化计算，突出主要因素的理想化方法。【重点难点】1重点有两个，其一是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；其二是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。2尽管今天科学技术已经达到很高的水平，但是在物理课上还不能给学生展现出分子的真实形状和分子的外观。这给讲授分子的知识带来一定的困难，也更突出了运用估算方法和建立理想模型方法研究固体、液体分子的体积、直径、分子数的重要意义。【教具准备】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（1200），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】（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、能的转化和守恒规律。（二）新课教学过程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。介绍并定性地演示：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？在学生回答的基础上，还要指出：介绍数量级这个数学名词，一些数据太大，或很小，为了书写方便，习惯上用科学记数法写成10的乘方数，如310-10m。我们把10的乘方数叫做数量级，那么110-10m和910-10m，数量级都是10-10m。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210-10m。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）物理学中还有其他不同方法来测量分子的大小，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410-10m，氢分子直径是2.310-10m。（4）指出认为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阿伏伽德罗常数向学生提问：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=6.021023个/mol，粗略计算可用NA=61023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。）再问学生，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1.810-5m3。每个水分子的直径是4 子是一个挨着一个排列的。提问学生：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）。提问学生：1mol水的质量是M=18g，那么每个水分子质量如何求？提问学生：若已知铁的原子量是56，铁的密度是7.8103kg/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？归纳总结：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。阿伏伽德罗常数是自然科学的一个重要常数（曾经学过的万有引力恒量也是一个重要常数）。物理常数是物理世界客观规律的反映。一百多年来，物理学家想出各种办法来测量它，不断地努力，使用一次比一次更精确的测量方法。现在测定它的精确值是NA=6.0220451023/mol。（三）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 A102cm2 B104cm2 C106cm2 D108cm2答案：B2已知铜的密度是8.9103kg/m3，铜的摩尔质量是63.510-3kg/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。答案：3.81023，310-10米。（四）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10-10米的数量级。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、阿伏伽德罗常数NA，计算出分子直径（五）说明1由于课堂内时间限制，单分子油膜法测定分子直径的实验不可能在课堂上完成全过程。在课堂上让学生看到油膜散开现象和油膜面积的测量方法即可。要想造成单分子油膜，必须选用脂肪酸类，如油酸C17H33COOH或棕榈酸C15H31COOH，这类脂肪酸分子的形状为长链形，它的羧基一端浸入水中，而烃链C17H33伸在水面上方，造成油酸长分子在水面上垂直排列，如图3所示。 第十一章 分子动理论和物体的内能11-2分子的热运动【教学目标】1物理知识方面的要求：（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通过对布朗运动的观察，发现其特征，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。【重点难点】1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。2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。【教具准备】1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；250毫升水杯内盛有净水、红墨水。2制备好的有藤黄悬浮颗粒的水、显微镜用载物片、显微摄像头、大屏幕投影电视。【教学过程】（一）引入新课让学生观察两个演示实验：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？在学生回答的基础上总结：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）新课教学过程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。介绍显微镜下如何观察布朗运动。在载物玻璃上的凹槽内用滴管滴入几滴有藤黄的水滴，将盖玻璃盖上，放在显微镜载物台上，然后通过显微镜观察，在视场中看到大大小小的许多颗粒，仔细观察其中某一个很小的颗粒，会发现在不停地活动，很像是水中的小鱼虫的运动。将一台显微镜放在讲台上，然后让用显微摄像头拍摄布朗运动，经过电脑在大屏幕上显示投影成像，让全体学生观察，最好教师用教鞭指一个颗粒在屏幕上的位置，以此点为参考点，让学生看这颗微粒以后的一些时间内对参考点运动情况。让学生看教科书上图，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30秒观察到的位置的一些连线。实际上在这短短的30秒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。分层次地提问学生：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？归纳总结学生回答，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小。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）结合上面的讲解分析提问学生：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？综合学生回答归纳总结：（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。（三）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。（四）课堂练习1关于布朗运动的下列说法中，正确的是 。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，布朗运动越激烈答案：C、D。2如图是观察记录做布朗运动的一个微粒的运动路线。从微粒在A点开始记录，每隔30秒记录下微粒的一个位置，得到B、C、DE、F、G等点，则微粒在75秒末时的位置 。A一定在CD连线的中点 B一定不在CD连线的中点C可能在CD连线上，但不一定在CD连线的中点D可能在CD连线以外的某点答案：C、D。五、说明1本节课取得教学效果的关键是将布朗运动演示实验做好，让学生都看清楚布朗运动。即使教学设备条件差的学校，也应该准备24台生物显微镜，预先调好后，让学生轮流观察。设备条件好的学校，运用显微摄像头，对准载玻璃上有藤黄的悬浮液，拍摄的结果通过电脑在大屏幕投影电视上展现出来。用显微镜观察布朗运动全部过程也应拍摄出来，给学生展示。2对于分子的永不停息的无规则运动，要注意是无规则，而不是无规律。无规则是指由于分子之间的相互碰撞，每个分子的运动方向和速率在不断地改变，任何时刻，液体或气体内部，沿各个方向运动的分子都有，而且分子运动的速率有大有小。对于某一个分子运动是无规律的，但是热学研究的是大量分子热运动的总体效果，对于大量分子的无规则运动是有规律可遵循的，这就是统计规律。第十一章 分子动理论和物体的内能11-3分子间的相互作用力【教学目标】1在物理知识方面的要求：（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。2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。【重点难点】1重点内容有两个，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；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。2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。【教具准备】1演示分子间有间隙的实验。 约1m长的，外径约1cm的玻璃管，各约2030ml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幻灯片：分子力随分子间距离变化的曲线和两个分子距离在r=r0，rr0，rr0时分子力的示意图。【教学过程】（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）教学过程设计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：长玻璃管内，分别注入水和酒精，混合后总体积减小。U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。提问学生：这两个实验说明了什么问题？总结归纳学生的回答：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。2根据已知的实验事实，推理得出分子之间还存在着斥力。提问学生：由哪些实验事实，判断得出分子之间有斥力？综合学生的回答，总结出：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rr0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rr0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。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。（1）提问学生：固体与液体、气体比较有什么特征？总结学生回答的结果，说明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。五、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？课堂上，表演后让学生回答。正确答案是：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。六、说明完成本节课内容，以教师与学生相互讨论对话方式进行为宜，在其中完成几个必要的演示实验。整个教学过程体现人们根据已知事实，进行分析、判断、推理的过程。避免一节课自始至终采用教师单独第十一章 分子动理论和物体的内能11-4物体的内能 热量【教学目标】1在物理知识方面要求：（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。（4）知道做功和热传递在改变物体内能上是等效的，知道两者的区别，了解热功参量的意义。2在培养学生能力方面，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渗透物理学方法的教育：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。【重点难点】1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）。2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。【教具准备】1压缩气体做功，气体内能增加的演示实验：圆形玻璃筒、活塞、硝化棉。2幻灯及幻灯片，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】（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）教学过程的设计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。当分子距离小于r0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2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。既然分子势能的大小与分子间距离有关，那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢？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。提问学生：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？根据学生的回答，引导到一个确定的物体，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。课堂讨论题：下列各个实例中，比较物体的内能大小，并说明理由。一块铁由15升高到55，比较内能。质量是1kg50的铁块与质量是0.1kg50的铁块，比较内能。质量是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。提问学生：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？通过此问题，让学生认识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。4物体的内能改变的两种方式（1）列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用E表示物体内能的变化，那么有W=E。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。以上实例说明做功可以改变物体的内能。（2）在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是E，那么，Q=E。热量的计算公式有：Q=mct，Q=ML，Q=m（后面的两个公式分别是物质熔解和汽化时热量的计算式）。热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。（3）做功和热传递对改变物体的内能是等效的。一杯水可以用加热的方法（即热传递方式）传递给它一定的热量，使它从某一温度升高到另一温度。这过程中这杯水的内能有一定量的变化。也可以采取做功的方式，比如用搅拌器在水中不断搅拌，也可以使这杯水从相同的初温度升高到同一高温度，这样，水的内能会有相同的变化量。两种方式不同，得到的结果是相同的。除非事先知道，否则我们无法区别是哪种方式使这杯水的内能增加的。因此，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。（4）虽然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，但是这两种方式的物理过程有本质的区别。做功使物体内能改变的过程是机械能转化为内能的过程。而热传递的过程只是物体之间内能的转移，没有能量形式的转化。课上练习：1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。（5）热传递过程一定是从内能大的物体向内能小的物体传递热量。（6）温度高的物体，含有的热量多，或者说内能大的物体含有的热量多。（7）摩擦铁丝发热，说明功可以转化为热量。答案：（1）、（2）是对的。2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。（3）所吸收的热量等于物体内能的增加量。（4）分子的内能不变。答案：以上四个结论都不对。（三）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。（四）说明这节课是概念性很强的课，又不是从物理实验或物理现象直接得出结论的课。对于概念要知道引入的目的、确切含义、与其他概念的区别和联系。所以课上要讲分子热运动平均动能、内能、热量等概念的意义，并且要通过实际例题，让学生通过判断、推理来加深对这些概念的认识。第十一章 分子动理论和物体的内能11-5 热力学第一定律 能量守恒定律【教学目标】1在物理知识方面的要求：（1）理解能的转化和守恒定律，能列举出能的转化和守恒定律的实例；（2）理解“永动机”不能实现的原理。2让学生初步学会运用能的转化和守恒定律计算一些简单的内能和机械能相互转化的问题。3能的转化和守恒定律是自然科学的基本定律之一，应用能的转化和守恒的观点来分析物理现象、解决物理问题是很重要的物理思维方法。【重点难点】1重点内容是能的转化和守恒定律，强调能的转化和守恒定律是自然科学中最基本定律。学习运用能的转化和守恒原理计算一些物理习题。2运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的，对学生来说是有难度的。【教具准备】幻灯、幻灯片，其内容是：1反映电能、机械能、化学能与内能相互转化的实例插图。2反映自然界各种形式能相互转化的实例插图。3历史上有人设计的“永动机”插图。【教学过程】（一）引入新课我们知道刀具在砂轮上磨削时，刀具发热是因为通过摩擦力做功，机械能转化为内能。在暖气片上放有一瓶冷水，过一段时间后水变热，这是通过热量传递使这瓶水内能增加。这些实例中，物体的内能为什么增加了？是凭空产生的还是由其他形式能转化来的？能的转化过程中数量之间有什么关系？这是今天要学习的内容。（二）教学过程设计1机械能与内能转化过程中能量守恒（1）运动的汽车紧急刹车，汽车最终停下来。这过程中汽车的动能（机械能）转化为轮胎和路面的内能（假定这过程没有与周围物体有热交换，即不散热也不吸热）。摩擦力做了多少功，内能就增加多少。公式W=E表示了做功与内能变化的关系，这公式也反映出做功过程中，机械能的损失数量恰好等于物体内能增加的数量。（2）把一铁块放入盛有水的烧杯中，用酒精灯加热烧杯内水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。铁块吸收多少热量，它内能就增加多少。公式Q=E表示吸收的热量与内能变化量的关系，也反映出铁块增加的内能数量与水转移给铁块的内能数量相等。一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加E，即W+Q=E上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量（内能转移量）之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。2其他形式的能也可以和内能相互转化（1）介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。（2）不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：（同时放映幻灯片） 电炉取暖：电能内能 煤燃烧：化学能内能 炽热灯灯丝发光：内能光能（3）其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析：3能的转化和守恒定律大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。“能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体。”这就是能的转化和守恒定律。在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能的转化和守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。4永动机不可能制成历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。5运用能的转化和守恒定律进行物理计算例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80的机械能转化为内能，内能的50用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度？已知铁锤的质量为1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是10m/s，铁钉质量是40g，铁的比热是5.0102J/（kg）。首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用E表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定律，有铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有Q=cmt上式中c为铁钉的比热，t表示铁钉的温度升高量。将上面两个公式联立，得出经计算得出铁钉温度升高24。在这个物理计算过程中突出体现了如何应用能的转化和守恒定律这一基本原理。应该注意，有的同学把上述题目中铁锤打击铁钉过程中的能量转化，说成“铁锤做功转化为热量”是不正确的。只能说做功与热量传递在使物体内能改变上是等效的。（三）课堂小结自然界的物质有不同的运动形式，每一种运动都对应着一种能。能不能凭空产生，也不能凭空消失，自然界各种形式的能存在着相互转化过程，转化过程中总量是守恒的。能的转化和守恒定律是自然界最基本的物理定律。同学们要会分析一些自然现象中能是怎样转化的。应该知道，根据能的转化和守恒定律，永动机是不可能制造成功的。通过课上的例题计算，学会运用能的转化和守恒定律解决物理问题的方法。（四）说明能的转化和守恒定律是学生进入高中物理阶段后，第一次完整、细致地学习。此定律对今后学习物理是很重要的一个理论铺垫。教学上要重视，课堂上讲解要细致和透彻。第十一章 分子动理论和物体的内能11-5 热力学第二定律【教学目标】、了解热力学第二定律的发展简史，、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成。、了解热传导的方向性，、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质，、了解什么是能量耗散【教学重点】热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。【教学难点】热力学第二定律中所描述的 不发生其他变化【教学方法】多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合【教学器材】多媒体演示系统、自制电脑教学软件【教学过程】一、引入新课1、复习提问热力学第一定律的内容是什么？第一类永动机为什么没有制成？能量守恒定律是怎样表述的？2、引入新课教师说明：在能量守恒定律中，存在着能量的 转移和 转化，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在着转移以及内能和机械能之间也存在着转化的过程，引入课题：热力学第二定律。二、新课教学（一）内能的转移内能转移实质就是热传递。举例：1 冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。（热量可以从高温物体传递给低温物体） 2 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。如果不妥当应该怎样说。从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。以模拟动画说明内能转移过程的方向性）得出热力学第二定律克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。内能转移过程的方向性说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与（二）内能和机械能之间的转化瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究，（热机就是一种把内能转化为机械能的机械）1824年，卡诺在论火的动力中指出 凡是有温度差的地方就能够发生动力1834年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为卡诺循环热机从高温热源吸收热量Q，其中一部分对外做功W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定律 Q1 = Q2 + W=W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1可以知道Q2 越少，越高于是人们就考虑能否让Q2不存在，这样就可以产生一个=100的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机械并不违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。这个结论是开尔文首先提出来的。开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他变化。即:第二类永动机是不可能制成的。说明热力学第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同：1、克劳修斯表述体现热传导的方向性2、开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性能量耗散引导学生阅读46页能量耗散的内容并归纳出自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能都是无法将散失的内能重新再利用能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。第四环节：强调方向性进行小结，使课堂难点、重点突出。总结扩展：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。说明：不仅仅在物理上存在这种方向性，在其他领域也都存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。第五环节：思考练习：以简答的形式来巩固方向性和对热力学第二定律内容的理解。第十一章 分子动理论和物体的内能11-5 能源 环境【教学目的】1、了解什么是能源，什么是常规能源，知道常规能源的储量和人类需求的矛盾2、了解常规能源的使用和环境污染方面的关系3、了解哪些是清洁能源，哪些是可再生能源【教学重点】1、能源、常规能源、可再生能源的教学2、能源和环境之间的关系【教学难点】能源和环境之间的关系【教具准备】投影仪【教学过程】、引入热力学第二定律告诉我们，很多与热现象有关的物理过程都是不可逆的。涉及内能的能量转化过程具有方向性，这在上一节已经提到过了。在本节，我们讨论这种方向性的现实意义。一、能源一段木料燃烧后化为灰烬，能够释放给我们所需要的能量。然而，灰烬却不能立即被合成而成为一段木料。但是，我们至少可以将灰烬作为肥料施在一颗小树苗上，促成它长成一段未来的木料，以供人类（可能是种树、施肥者的子孙，也可能是别人的子孙）再次燃烧。在这一人与资源的交互行为中，我们会发现，首先，能量转化的方向性并没有被破坏，也就是说，热力学第二定律仍被得到尊重。其次，这将形成了一个循环，因为只要时间足够，让树苗成长成为木料的数目大于我们燃烧木料的数目，它就不会破坏需求与资源的动态平衡关系。其三，在这个循环中，必须要有第三者参与如果没有太阳的光合作用，循环就终止了所以人与资源（树木）之间并不是“今天你给我，明天我还给你”的关系（我们与其说在燃烧树木，还不如说是在利用储存的太阳能）。其四，这种循环还有一种隐忧，那就是：灰烬“成为”树木的速度要远远小于树木变成灰烬的速度，表面的平衡是以内部数量上的不平衡为代价的。以上的四点中，第三点事实上已经决定了循环“返回”过程的速度（不能由人类操控），第二点和第四点则意味着人类的行为、世界观对“平衡”能否被破坏有着直接的关系。在工业化时代到来之前，人们过着田园牧歌式的生活，没有电器、没有汽车、没有空调，人类使用大自然的资源只是为了满足最基本的生活需求，因此，这种“平衡”没有被破坏。随着工业化时代的到来，这种状况立即显现出危机，循环就要被终止了。于是，人们想到了地底下的资源：煤和石油。他们提供的能量很有用，燃烧的速度和效能和木材相差无几。但是，形成煤和石油的速度比长成树木的速度，就不能同日而语了！可以这样说，人们自从使用煤的第一天起，就没有想到一个可能形成循环的问题，更不用说什么平衡了。所以，煤和石油事实上是一种坐吃山空的资源：我们今天用得越多，我们的子孙将来可以使用的就越少。在不久的将来，人们用完了所有的煤和石油，会怎么办？这是一个令社会学家睡不安枕的问题。然而，经济学家们却不这样看。经济学教授给学生们讲课，出了这样一个题目：地底下现有石油储量X吨，近五年的开采量是Y吨/年，请预测石油将在多少年后被开采完？有的学生开始用计算器摁键：X/Y = ? 这样的学生被认为是经济学的盲者。教授的观点是：永远也开采不完。因为，随着石油储量的减少，开采的成本会加大，成本大于销售价格时，市场规律决定了人们在也不会去开采石油了。此时石油存在事实已经失去了利用价值，任它在地底下沉睡多少年也和我们没有关系了。那么人们会使用什么能源