分子动理论

　　一、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。
　　二、重点、难点分析
　　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。
　　三、教具
　　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。
　　四、主要教学过程
　　（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，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 -10 m 数量级时，分子的作用力的合力为零，此距离为 r 0 。
　　当分子距离小于 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 E p 增大。
　　如果分子间距离大于 r 0 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， E p 增大。
　　从以上两种情况综合分析，分子间距离以 r 0 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 r 0 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 r 0 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 r 0 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。
　　①一块铁由 15  升高到 55  ，比较内能。
　　②质量是 1kg50  的铁块与质量是 0.1kg50  的铁块，比较内能。
　　③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Δ E 表示物体内能的变化，那么有 W= Δ 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Δ E ，那么， Q= Δ E 。
　　热量的计算公式有： Q=mc Δ t ， Q=ML ， Q=m λ（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。