黃方紅

摘 要：物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科.初中階段的學(xué)習(xí)，大多停留在關(guān)注宏觀的物理現(xiàn)象，未曾細(xì)致深入分析隱藏在現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì).本著對初、高中物理知識的銜接，對于像蒸發(fā)、凝固、熔化、溫度、氣體的壓強等物理現(xiàn)象，本文嘗試著從分子動理論的角度進行分析，找出其內(nèi)在機理，從而引導(dǎo)學(xué)生更加深刻地理解其物理本質(zhì).

關(guān)鍵詞：熱現(xiàn)象；分子動理論；微觀

熱現(xiàn)象是人類在生活和生產(chǎn)中最早接觸到的自然現(xiàn)象之一.熱現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？科學(xué)家們經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，熱現(xiàn)象是由物質(zhì)內(nèi)部大量微粒的運動引起的，后來逐步發(fā)展成為一門科學(xué)理論——分子動理論.在初中階段，分子動理論就是從微觀角度看待宏觀現(xiàn)象的基本理論，運用分子動理論，可以對物態(tài)變化等宏觀現(xiàn)象作出合理的解釋.

一、分子動理論的基本觀點之一

內(nèi)容：物體是由大量分子組成的.

組成物體的分子很小，肉眼看不見，那么怎樣通過身邊的器材估測出分子的直徑呢？——油膜法估測分子的大小.

實驗步驟和原理如下：

1.實驗研究對象為油酸分子，在實驗前通過注射器可得出1滴油酸溶液中油酸的體積為V .

2.把1滴該溶液滴入盛水的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描出油膜的輪廓，隨后把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀如圖1所示.坐標(biāo)紙中正方形方格的邊長為a厘米，我們可以數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù)n（未滿半格的不計入格數(shù)，超過半格的算1格），從而估測出這個油膜的面積S.

3.假設(shè)油膜為油酸分子緊密排列而組成，如圖2所示，那么我們就可以估測出油膜分子的直徑d.

例1 油膜法測分子直徑，就是把油滴滴在水面上自由擴展，最終可以看作單分子排列的油膜.現(xiàn)在有體積為1×10-3cm3的一滴石油滴在水面上，擴展成面積是3m2的油膜，則石油分子直徑約為m.

參考答案：33×10-10.

二、分子動理論的基本觀點之二

內(nèi)容：分子在永不停息地做無規(guī)則的運動，如擴散現(xiàn)象.分子的無規(guī)則運動與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的無規(guī)則運動越劇烈，擴散就越快.

例2 （2006湖北咸寧）1827年，植物學(xué)家布朗將植物花粉放入水中（如圖3所示），然后取一滴水在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)水中的花粉顆粒一個個都在不停地運動，而且還很快地改變運動速度和方向，這就是著名的“布朗運動”.在這里花粉顆粒的運動實際上就是由于水分子的撞擊引起的，因此布朗運動又一次說明了物體內(nèi)部分子在不停地做無規(guī)則的運動.

從上述信息可知，在布朗實驗中，直接觀察到的是運動，而反映的卻是.

例3 （2013安徽）古詩“花氣襲人知驟暖”的意思是，從花的芳香氣味變濃可以知道周邊的氣溫突然升高.從物理學(xué)的角度分析，這是因為溫度越高，.

參考答案：例2、花粉顆粒在不停地；水分子在不停地做無規(guī)則的運動；例3、分子的無規(guī)則運動越劇烈.

三、分子動理論的基本觀點之三

內(nèi)容：1、分子間同時存在著相互作用的引力和斥力.

2、分子間作用力與分子間距離的關(guān)系：

（1）當(dāng)分子間距r=r0=10-10m時，F(xiàn)引=F斥，分子所受的合力為零，處于平衡狀態(tài)；

（2）當(dāng)分子間距r

（3）當(dāng)分子間距r>r0時，F(xiàn)引>F斥，分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力；

（4）當(dāng)分子間距r>分子直徑10倍以上時，分子間作用力微弱，可以忽略.

（5）引力和斥力的變化過程：引力和斥力都隨分子間距離的增大而減小，隨分子間距離的減小而增大，但在變化過程中，始終是斥力變化得快.如圖4所示.

例4 荷葉上的小水滴、草葉上的露珠看起來呈球狀，如圖5所示，從分子動理論的角度看，合理的解釋是.

例5 物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形態(tài)，通常情況下，氣態(tài)很容易被壓縮，而固態(tài)、液態(tài)很難被壓縮.試用分子動理論的相關(guān)知識解釋該現(xiàn)象：.

參考答案：例4、分子間有相互作用的引力；例5、氣態(tài)分子間距離大，作用力?。还虘B(tài)、液態(tài)分子間距離小，作用力大.

四、物態(tài)變化的微觀解釋

1.物質(zhì)三種狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)

物質(zhì)在固態(tài)時，分子只在平衡位置附近振動，分子間距很小，分子間的作用力很大.宏觀上表現(xiàn)為，固體有一定的形狀和體積，不易被壓縮.

物質(zhì)在液態(tài)時，分子在平衡位置上振動一段時間，還要移動到其它的位置上振動，分子間距比固態(tài)大，分子間的作用力比固態(tài)小.宏觀上表現(xiàn)為，液體保持一定的體積，但是沒有一定的形狀，具有流動性，不易被壓縮.

物質(zhì)在氣態(tài)時，分子間距很大，分子間的相互作用力十分微弱，通常可以認(rèn)為，氣體分子除碰撞外不受力的作用，可以在空間里自由移動.宏觀上表現(xiàn)為，氣體能充滿它所能到達的空間，既沒有一定的體積，也沒有一定的形狀，具有流動性，很容易被壓縮.

2.熔化和凝固

物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過程叫做熔化，從液態(tài)變成固態(tài)的過程叫做凝固.物質(zhì)在熔化時要吸收熱量，在凝固時要放出熱量.

固體分為晶體和非晶體.晶體和非晶體在熔化和凝固時的情況是不同的.晶體熔化和凝固都有確定的溫度，分別叫做熔點和凝固點；非晶體沒有一定的熔化溫度和凝固溫度.

（1）晶體物質(zhì)的微粒是按一定的規(guī)則排列的，形成有規(guī)則的空間點陣結(jié)構(gòu).這些物質(zhì)微粒在一定的位置附近做無規(guī)則振動，微粒的熱運動不足以克服它們的相互作用而遠離.給晶體加熱時，晶體物質(zhì)吸熱溫度升高，物質(zhì)微粒的無規(guī)則振動加劇，達到一定的溫度（即熔點）時，再繼續(xù)吸收熱量，一部分微粒的能量能夠克服相互間的作用力而離開各自的平衡位置，空間點陣開始解體，晶體開始熔化.在熔化過程中，外界供給晶體的能量，全部用來破壞晶體的點陣結(jié)構(gòu)，增加分子間的勢能，所以溫度不發(fā)生變化.

反過來，液體向外放熱而溫度降低，物質(zhì)微粒的無規(guī)則振動減弱，到一定程度，相互間的作用力把它們束縛在一定的平衡位置上，使得它們不再能隨意移動，這些物質(zhì)微粒將重新按一定的規(guī)則排列起來，這就是凝固.在凝固過程中，晶體溶液中的物質(zhì)微粒又會形成空間點陣結(jié)構(gòu)，微粒間的勢能減小，因此雖然放出能量，溫度卻保持不變，直到全部凝固成晶體.

（2）非晶體的微觀結(jié)構(gòu)跟液體非常類似，不具有規(guī)則的空間點陣結(jié)構(gòu)，在熔化過程中不必為破壞點陣結(jié)構(gòu)而消耗能量，因此非晶體表現(xiàn)為隨溫度升高而逐漸軟化，直至熔化.

（3）熔化熱

晶體在熔化過程中不斷從外界吸收熱量，但溫度保持不變.吸收的熱量絕大部分用于破壞晶體的點陣結(jié)構(gòu)，增加分子間的勢能.對大多數(shù)熔化時體積增大的物質(zhì)來說，還有一部分熱量用來克服外界壓強做功.

①定義：某種晶體熔化過程中所需的能量（Q）與其質(zhì)量（m）之比叫做這種晶體的熔化熱，用字母λ表示.

②單位：在國際單位制中，熔化熱的單位：焦/千克，符號：J/kg.

③計算公式：Q=λm.

3.汽化和液化

物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過程叫做汽化，從氣態(tài)變成液態(tài)的過程叫做液化.物質(zhì)在汽化時要吸收熱量，液化時要放出熱量.

汽化有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰.蒸發(fā)是只在液體表面進行的汽化現(xiàn)象，沸騰是在液體表面和內(nèi)部同時進行的汽化現(xiàn)象.液體沸騰有確定的溫度，這個溫度叫做沸點.

使氣體液化可以采用降低溫度和壓縮體積兩種方法.

（1）液體中的分子都在不停地運動著，它們的平均動能跟溫度有關(guān)，但在任何溫度下，總有一部分分子的動能比平均動能大.那些處在液體表面層附近的動能足夠大的分子，能夠掙脫周圍分子的引力，飛出液面而形成氣體分子，這就是蒸發(fā).

（2）液體溫度越高，分子的平均動能就越大，具有足夠大的動能因而能夠飛出液面的分子也就越多.所以，溫度越高，蒸發(fā)得越快.

（3）液體的表面積越大，處在表面層中的分子就越多，能夠從液面飛出的分子也就越多.所以，表面積越大，蒸發(fā)得越快.

（4）飛出液面的分子如果停留在液面附近，由于分子的熱運動，有的分子會撞到液面，被液體分子重新拉回到液體中去，這樣蒸發(fā)就變慢了.如果設(shè)法加快液體表面的空氣流速，把液面形成的蒸汽分子吹散，使蒸汽的密度變小，蒸汽分子回到液體中的數(shù)量比同時從液面跑出的分子數(shù)量少得多，蒸發(fā)就會加快.所以，蒸發(fā)的快慢還跟液面上方氣體流動的快慢有關(guān)系，氣體流動得越快，蒸發(fā)得越快.

（5）不同液體的分子間作用力大小不同，分子間作用力大的液體不容易蒸發(fā).所以，在相同條件下，不同液體蒸發(fā)的快慢不同.

（6）在蒸發(fā)過程中，從液體中飛出的是動能較大的分子，這些分子飛出后，留在液體中的分子的平均動能減小，液體的溫度要降低，這時它就要從周圍的物體吸收熱量，因而液體蒸發(fā)具有致冷作用.

（7）汽化熱

液體在汽化過程中體積增大很多，體積膨脹時要克服外界氣壓做功，因此也要吸收熱量.

①定義：某種液體汽化成同溫度的氣體時所需的能量（Q）與其質(zhì)量（m）之比，叫做這種物質(zhì)在這個溫度下的汽化熱，用字母L表示.

②單位：在國際單位制中，汽化熱的單位：焦/千克，符號：J/kg.

③計算公式：Q=Lm.

4.升華和凝華

物質(zhì)由固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程叫做升華，從氣態(tài)直接變成固態(tài)的過程叫做凝華.升華要吸熱，而凝華要放熱.

固體表面的動能較大的分子克服鄰近分子之間的結(jié)合力逸出固體表面，直接變?yōu)檎羝肿?，這就是升華的本質(zhì).

蒸汽分子由于無規(guī)則運動而靠近固體表面，或者由于溫度降低而無規(guī)則運動減慢時，蒸汽分子又可能被固體表面分子吸引而回到固體中，這就是凝華的本質(zhì).

固態(tài)物質(zhì)在升華時，粒子直接由點陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝肿?，一方面要克服固態(tài)粒子之間的結(jié)合力做功；另一方面因體積膨脹還要克服外界的壓力做功，所以物質(zhì)升華時需要吸收大量的熱.反之，物質(zhì)凝華時需要放出大量的熱.

例6 （2017安徽）當(dāng)晶體被加熱時，其分子運動更加劇烈，分子間的束縛隨之減弱，以致有的分子能較自由地“游動”，呈流動性，其宏觀表現(xiàn)就是晶體的（選填物態(tài)變化名稱）.

例7 （2016安徽）液體和空氣接觸的表面存在一個薄層——表面層，如圖6所示.由于液體分子做無規(guī)則運動，表面層中就存在一些具有較大能量的分子，它們可以克服分子間相互作用的力，脫離液體跑到空氣中去.其宏觀表現(xiàn)就是液體的 （填物態(tài)變化名稱）.

注意 處在表面層的分子比液體內(nèi)部稀疏些，分子間距比液體內(nèi)部大些，引力和斥力都減小，但斥力減小得更快，所以分子間的相互作用表現(xiàn)為引力.

例8 液體中的部分分子因為具有足夠的能量而脫離液面直接進入空氣中，這是蒸發(fā)的本質(zhì)；其實，固體表面也有部分分子因為具有足夠的能量而脫離固體表面直接進入空氣中，這一過程發(fā)生的物態(tài)變化是.

例9 熔化熱是指單位質(zhì)量的晶體熔化成同溫度的液態(tài)物質(zhì)所需要的熱量，通常情況下冰的熔化熱是335×105J/kg.現(xiàn)給1kg、0℃的冰加熱直至沸騰（設(shè)環(huán)境為通常狀況）.求冰熔化成水，直至沸騰至少所需的熱量（c水=42×103J/（kg·℃））.

參考答案：例6、熔化；例7、引力、蒸發(fā)；例8、升華；例9、755×105J.

五、內(nèi)能

物體中所有分子的熱運動動能與分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能.組成任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運動，所以任何物體都具有內(nèi)能.

1.由于溫度升高時分子的熱運動加劇，因此，溫度是分子熱運動劇烈程度的標(biāo)志，也就是分子熱運動的平均動能的標(biāo)志；

2.物體的體積變化時，分子間的距離將發(fā)生變化，因而分子勢能隨之改變.

所以，一般說來物體的溫度和體積變化時，它的內(nèi)能都會隨之改變.

例10 （2015哈爾濱道外模擬）一杯開水經(jīng)過一段時間后，變?yōu)橐槐氐乃?，則下列說法錯誤的是（ ）

A.這杯水的內(nèi)能變小

B.水分子平均動能變小

C.水分子無規(guī)則運動的劇烈程度變緩慢

D.水的比熱容變小

例11 晶體在凝固時要放熱，因此0℃的水凝固成0℃的冰時的內(nèi)能減小，減小的內(nèi)能主要是以（選填“分子動能”或“分子勢能”）的形式存在的.

參考答案：例10、D；例11、分子勢能.

六、氣體熱現(xiàn)象的微觀意義

1.氣體分子運動的特點：氣體分子間的距離比較大，分子間的作用力很弱，通常認(rèn)為，氣體分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，不受力而做勻速直線運動，因而氣體會充滿它能達到的整個空間.

2.氣體溫度的微觀意義：溫度越高，分子的熱運動越劇烈，溫度是分子平均動能的標(biāo)志.

3.氣體壓強的微觀意義：從微觀的角度看，氣體對容器的壓強是大量氣體分子對容器的碰撞引起的.氣體壓強的大小跟兩個因素有關(guān)：一個是氣體分子的平均動能，一個是分子的密集程度.

例12 氣體的壓強與體積的關(guān)系：質(zhì)量一定的氣體，溫度不變時，氣體的體積越小壓強越大，氣體體積越大壓強越小.為什么？

微觀解釋：一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變時，分子的平均動能是一定的.在這種情況下，體積減小時，分子的密集程度增大，氣體的壓強就增大.

例13 氣體的壓強與溫度的關(guān)系：在體積不變時，一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，壓強越大；溫度越低，壓強越小.為什么？

微觀解釋：一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變時，分子的密集程度保持不變.在這種情況下，溫度升高時，分子的平均動能增大，氣體的壓強就增大.

例14 夏天，如果將自行車內(nèi)胎充氣過足，又放在陽光下曝曬，車胎極易爆裂.關(guān)于這一現(xiàn)象以下描述錯誤的是（ ）（曝曬過程中內(nèi)胎容積幾乎不變）

A.車胎爆裂，是車胎內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果

B.在爆裂前的過程中，氣體溫度升高，分子無規(guī)則熱運動加劇，氣體壓強增大

C.在爆裂前的過程中，氣體吸熱，內(nèi)能增加

D.在車胎突然爆裂的瞬間，氣體內(nèi)能減少

參考答案：A.

參考文獻：

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[3]普通高中物理課本·選修3-3[M].北京：人民教育出版社，2010.