分子動理論物理精品教案

　　一、教學目標

　　1．在物理知識方面要求：

　　（1）知道分子的動能，分子的平均動能，知道物體的溫度是分子平均動能大小的標誌。

　　（2）知道分子的勢能跟物體的體積有關，知道分子勢能隨分子間距離變化而變化的定性規律。

　　（3）知道什麼是物體的內能，物體的內能與哪個宏觀量有關，能區別物體的內能和機械能。

　　（4）知道做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的，知道兩者的區別，瞭解熱功參量的意義。

　　2．在培養學生能力方面，這節課中要讓學生建立：分子動能、分子平均動能、分子勢能、物體內能、熱量等五個以上物理概念，又要讓學生初步知道三個物理規律：溫度與分子平均動能關係，分子勢能與分子間距離關係，做功與熱傳遞在改變物體內能上的關係。因此，教學中著重培養學生對物理概念和規律的理解能力。

　　3．滲透物理學方法的教育：在分子平均動能與溫度關係的講授中，滲透統計的方法。在分子間勢能與分子間距離的關係上和做功與熱傳遞關係上都要滲透歸納推理方法。

　　二、重點、難點分析

　　1．教學重點是使學生掌握三個概念（分子平均動能、分子勢能、物體內能），掌握三個物理規律（溫度與分子平均動能關係、分子勢能與分子之間距離關係、熱傳遞與功的關係）。

　　2．區分溫度、內能、熱量三個物理量是教學上的一個難點；分子勢能隨分子間距離變化的勢能曲線是教學上的另一難點。

　　三、教具

　　1．壓縮氣體做功，氣體內能增加的演示實驗：

　　圓形玻璃筒、活塞、硝化棉。

　　2．幻燈及幻燈片，展示分子間勢能隨分子間距離變化而變化的曲線。

　　四、主要教學過程

　　（一）引入新課

　　我們知道做機械運動的物體具有機械能，那麼熱現象發生過程中，也有相應的能量變化。另一方面，我們又知道熱現象是大量分子做無規律熱運動產生的。那麼熱運動的能量與大量的無規律運動有什麼關係呢？這是今天學習的問題。

　　（二）教學過程的設計

　　1．分子的動能、溫度

　　物體內大量分子不停息地做無規則熱運動，對於每個分子來說都有無規則運動的動能。由於物體內各個分子的速率大小不同，因此，各個分子的動能大小不同。由於熱現象是大量分子無規則運動的結果，所以研究個別分子運動的動能是沒有意義的。而研究大量分子熱運動的動能，需要將所有分子熱運動動能的平均值求出來，這個平均值叫做分子熱運動的平均動能。

　　學習布朗運動和擴散現象時，我們知道布朗運動和擴散現象都與溫度有關係，溫度越高，布朗運動越激烈，擴散也加快。依照分子動理論，這說明溫度升高後分子無規則運動加劇。用上述分子熱運動的平均動能來說明，就是溫度升高，分子熱運動的`平均動能增大。如果溫度降低，說明分子熱運動的平均動能減小。因此從分子動理論觀點來看，溫度是物體分子熱運動的平均動能的標誌。“標誌”的含義是指物體溫度升高或降低，表示了物體內部大量分子熱運動的平均動能增大或減小。溫度不變，就表示了分子熱運動的平均動能不變。其他宏觀物理量如時間、質量、物質種類都不是分子熱運動平均動能的標誌。但是，溫度不是直接等於分子的平均動能。

　　另一方面，溫度只與物體內大量分子熱運動的統計意義上的平均動能相對應，對於個別分子或幾十個、幾百個分子熱運動的動能大小與溫度是沒有關係的。

　　我們知道，溫度這個物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度，而它又是大量分子熱運動平均動能大小的標誌，這是溫度的微觀含義。

　　2．分子勢能

　　分子間存在著相互作用力，因此分子間具有由它們的相對位置決定的勢能，這就是分子勢能。

　　如果分子間距離約為10-10m數量級時，分子的作用力的合力為零，此距離為r0。

　　當分子距離小於r0時，分子間的作用力表現為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮，彈性勢能Ep增大。

　　如果分子間距離大於r0時，分子間的相互作用表現為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸，Ep增大。

　　從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以r0為數值基準，r不論減小或增大，分子勢能都增大。所以說，分子在平衡位置處是分子勢能最低點。如果分子間距離是無限遠時，取分子勢能為零值，分子間距離從無限遠逐漸減少至r0以前過程，分子間的作用力表現為引力，而且距離減少，分子引力做正功，分子勢能不斷減小，其數值將比零還小為負值。當分子間距離到達r0以後再減小，分子作用力表現為斥力，在分子間距離減小過程中，克服斥力做功，使分子勢能增大。其數值將從負值逐漸變大至零，甚至為正值。分子勢能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現出來。從圖中看到分子間距離在r0處，分子勢能最小。

　　既然分子勢能的大小與分子間距離有關，那麼在宏觀上什麼物理量能反映分子勢能的大小變化情況呢？如果對於確定的物體，它的體積變化，直接反映了分子間的距離，也就反映了分子間的勢能變化。所以分子勢能的大小變化可透過宏觀量體積來反映。

　　3．物體的內能

　　（1）物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內能。一切物體都是由不停地做無規則熱運動並且相互作用著的分子組成，因此任何物體都是有內能的。

　　提問學生：宏觀量中哪些物理量是分子熱運動的平均動能和分子勢能的標誌？

　　根據學生的回答，引導到一個確定的物體，分子總數是固定的，那麼這物體的內能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體，那麼物體的內能大小是由質量、溫度、體積和物態來決定。

　　課堂討論題：下列各個例項中，比較物體的內能大小，並說明理由。

　　①一塊鐵由15℃升高到55℃，比較內能。

　　②質量是1kg50℃的鐵塊與質量是0.1kg50℃的鐵塊，比較內能。

　　③質量是1kg100℃的水與質量是1kg100℃的水蒸氣，比較內能。

　　（2）物體機械運動對應著機械能，熱運動對應著內能。任何物體都具有內能，同時還可以具有機械能。例如在空中飛行的炮彈，除了具有內能，還具有機械能——動能和重力勢能。

　　提問學生：一輛汽車的車廂內有一氣瓶氧氣，當汽車以 60km/h

　　行駛起來後，氣瓶內氧氣的內能是否增加？

　　透過此問題，讓學生認識內能是所有分子熱運動動能和分子勢能之總和，而不是分子定向移動的動能。另一方面，物體機械能增加，內能不一定增加。

　　4．物體的內能改變的兩種方式

　　（1）列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具，鋸條、木頭和刀具溫度升高，說明克服摩擦力做功，可以使物體的內能增加。如果外力對物體做功全部用於物體內能改變的情況下，外力做多少功，物體的內能就改變多少。如果用W表示外界對物體做的功，用ΔE表示物體內能的變化，那麼有W=ΔE。功的單位是焦耳，內能的單位也是焦耳。

　　演示壓縮空氣，硝化棉燃燒。說明外力壓縮空氣過程，對氣體做功，使氣體的內能增加，溫度升高到棉花的燃點而使其燃燒。

　　以上例項說明做功可以改變物體的內能。

　　（2）在爐灶上燒熱水，火爐烤熱周圍物體，這些物體溫度升高內能增加。這些例項說明依靠熱傳遞方式也可以使物體的內能改變。物體吸收熱量，內能增加。物體放出熱量，物體的內能減少。如果傳遞給物體的熱量用Q表示，物體內能的變化量是ΔE，那麼，Q=ΔE。

　　熱量的計算公式有：Q=mcΔt，Q=ML，Q=mλ（後面的兩個公式分別是物質熔解和汽化時熱量的計算式）。熱量的單位是焦耳，過去的單位是卡。

　　所以做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式。

　　（3）做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的。

　　一杯水可以用加熱的方法（即熱傳遞方式）傳遞給它一定的熱量，使它從某一溫度升高到另一溫度。這過程中這杯水的內能有一定量的變化。也可以採取做功的方式，比如用攪拌器在水中不斷攪拌，也可以使這杯水從相同的初溫度升高到同一高溫度，這樣，水的內能會有相同的變化量。兩種方式不同，得到的結果是相同的。除非事先知道，否則我們無法區別是哪種方式使這杯水的內能增加的。

　　因此，做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的。

　　（4）雖然做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的，但是這兩種方式的物理過程有本質的區別。做功使物體內能改變的過程是機械能轉化為內能的過程。而熱傳遞的過程只是物體之間內能的轉移，沒有能量形式的轉化。

　　課上練習：

　　1．判斷下面各結論是否正確？

　　（1）溫度高的物體，內能不一定大。

　　（2）同樣質量的水在100℃時的內能比60℃時的內能大。

　　（3）內能大的物體，溫度一定高。

　　（4）內能相同的物體，溫度一定相同。

　　（5）熱傳遞過程一定是從內能大的物體向內能小的物體傳遞熱量。

　　（6）溫度高的物體，含有的熱量多，或者說內能大的物體含有的熱量多。

　　（7）摩擦鐵絲髮熱，說明功可以轉化為熱量。

　　答案：（1）、（2）是對的。