第1章 第一节 物质是由大量分子组成的（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第一章 分子动理论 第一节　物质是由大量分子组成的 核心素养导学 物理观念 (1)知道物体是由大量分子组成的。 (2)学会用油膜法估测油酸分子的大小。 (3)知道阿伏伽德罗常量的意义和应用。 科学思维 应用阿伏伽德罗常量进行微观量的估算。 科学探究 利用油膜法估测油酸分子的大小。 科学态度与责任 在原子—分子水平上认识物质的结构和性质，知道微观领域的探索对自然科学发展的意义。 一、分子的大小 1．分子的大小：分子很小，用肉眼无法直接看到，用高倍的光学显微镜也看不到，可以用能放大上亿倍的扫描隧道显微镜观察到。 2．分子直径的数量级通常是_________。 10－10 m 2．实验器材 清水、_____、油酸、浅盘(边长约为30～40 cm)、滴管(或注射器)、烧杯、______________、彩笔、________、坐标纸、容量瓶(500 mL)。 酒精 透明塑料盖板 痱子粉 (3)向浅水盘中倒入清水，在水面上轻轻而均匀地撒一层_______，用滴管在其上滴一滴油酸酒精溶液。待油层不再扩散、形状稳定时，就近似形成了单分子油膜。 (4)将透明塑料盖板盖在浅水盘上，用彩笔描绘出____________。 (5)将描有油酸薄膜轮廓的塑料盖板放在_______上，算出油酸薄膜的面积S(求面积时以坐标纸上边长为1 cm的正方形为单位，数出轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个)。 (6)根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V，根据纯油酸的________和油膜的________算出油酸分子的直径。 痱子粉 油膜的轮廓 坐标纸 体积V 面积S 三、阿伏伽德罗常量 1．定义：1 mol的任何物质所含的分子(或原子)数目都_____，这个数目称为阿伏伽德罗常量。 2．数值：NA＝__________ mol－1。 3．意义：阿伏伽德罗常量是一个重要的常量，它是联系____________、__________等宏观物理量与分子质量、分子_____等微观物理量的桥梁，在定量研究热现象时常会用到它。 相同 6.02×1023 摩尔质量 摩尔体积 大小 1.如图所示，是一片叶子在放大不同倍数的照片。 (1)放大700倍看到的是叶片分子吗？ (2)放大50 000 000倍看到的是叶片分子吗？ 提示：(1)不是。(2)不是。 2．如图是“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验装置，判断以下说法的正误： (1)用油膜法可以精确测量油酸分子的大小。 ( ) (2)油酸分子直径等于纯油酸体积除以相应油酸膜面积。 ( ) (3)计算油酸膜面积时，应舍去所有不足一格的方格。 ( ) × √ × 3．摩尔是物质的量的单位，每摩尔含有阿伏伽德罗常量个微粒。摩尔在古希腊叫作“堆量”，摩尔就是“一堆”的意思。不过1摩尔比一堆土豆、一堆石块的数量大得多。 (1)阿伏伽德罗常量是一个很大的数值，它究竟有多大呢？ 提示：6.02×1023 mol－1。 (2)阿伏伽德罗常量有什么重要作用？ 提示：它把物体的质量、体积这些宏观量与分子质量、分子大小这些微观量联系起来了。 (3)为什么用这么大的数值来联系宏观量和微观量呢？ 提示：因为单个分子的质量和体积太小了。 新知学习(一)|分子的大小及估算方法 [任务驱动] (1)为什么说阿伏伽德罗常量是联系宏观量与微观量的桥梁？ 提示：阿伏伽德罗常量把摩尔质量、摩尔体积这些宏观量与分子质量、分子体积这些微观量联系起来了，所以说阿伏伽德罗常量是联系宏观量和微观量的桥梁。 (2)摩尔体积等于阿伏伽德罗常量乘以分子体积，对于任何物质都成立吗？为什么？ 提示：不一定都成立。固体和液体可忽略分子间隙，故摩尔体积等于阿伏伽德罗常量乘以分子体积只对固体和液体成立，对气体不成立。　　　　 [重点释解] 1．分子的大小 (1)分子直径的数量级一般为10－10 m。 (2)分子体积的数量级一般为10－29 m3。 (3)分子质量的数量级一般为10－26 kg。 (4)分子如此微小，用高倍光学显微镜也看不到，直到1982年人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜，才观察到物质表面原子的排列。 [典例体验] [典例]　很多轿车中设有安全气囊以保障驾乘人员的安全，轿车在发生一定强度的碰撞时，利用三氮化钠(NaN3)爆炸产生气体(假设都是N2)充入气囊。若氮气充入后安全气囊的容积V＝56 L，囊中氮气密度ρ＝2.5 kg/m3，已知氮气摩尔质量M＝0.028 kg/mol，阿伏伽德罗常量NA＝6×1023 mol－1，试估算： (1)囊中氮气分子的总个数N； (2)囊中氮气分子间的平均距离。(结果保留一位有效数字) /方法技巧/ 微观量的求解方法 (1)阿伏伽德罗常量是联系宏观量和微观量的桥梁和纽带。 (2)建立合适的物理模型，通常把固体、液体分子模拟为球体或小立方体，气体分子所占据的空间则建立立方体模型。 [针对训练] 1．由下列物理量可以算出氧气的摩尔质量的是 (　 ) A．氧气分子的质量和阿伏伽德罗常量 B．氧气分子的体积和氧气分子的质量 C．氧气的密度和阿伏伽德罗常量 D．氧气分子的体积和氧气的密度 解析：1 mol氧气分子的质量是摩尔质量，1 mol氧气含有6.02×1023(阿伏伽德罗常量)个分子，已知氧气分子的质量和阿伏伽德罗常量，可以求出氧气的摩尔质量，故A正确；其余三项所给物理量均不能求出氧气的摩尔质量，故B、C、D错误。 答案：A　 2．误差分析   产生原因 减小方法 偶然误差 测量油膜面积不准确 使用的坐标纸的方格要小一些，待液面稳定后再测量面积 系统误差 油膜的厚度不是单分子排列 使油酸酒精溶液的浓度小一些 (4)当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦拭，再用清水冲洗，这样做可保持盘的清洁。 (5)从盘的中央加痱子粉，粉自动扩散至均匀，这主要是由于加粉后水的表面张力系数变小，水将粉粒拉开。这样做比将粉直接撒在水面上的效果好。 (6)本实验只要求估算分子的大小，实验结果的数量级符合要求即可。 [典例体验] [典例]　某小组同学在实验室做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验时，实验的方法及步骤如下： ①向体积V油＝1 mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝500 mL； ②用注射器吸取一段①中配制好的油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积为V0＝1 mL，把它一滴一滴地滴入烧杯中，记下液滴的总滴数n＝100滴； ③往边长为30～40 cm的浅盘里倒入2 cm深的水，将爽身粉均匀地撒在水面上； ④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状； ⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内的小方格的个数，小方格的边长l＝20 mm。 根据以上信息，回答下列问题： (1)该同学有遗漏的实验步骤是________，其正确做法是____________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′是______________mL。 (3)油酸分子的直径d＝______m(保留一位有效数字)。 (4)若爽身粉撒得过厚，则会使分子直径的测量结果偏______(填“大”或“小”)。 [答案]　(1)④　用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸膜形状稳定后，再将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状　(2)2×10－5　(3)5×10－10　(4)大 [针对训练] 1．(2024·佛山高二检测)如图是“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的部分操作步骤： (1)有关该实验的下列说法正确的是_______。 A．图中的操作步骤顺序是：丙→丁→乙→甲 B．油酸酒精溶液配制好后，不能搁置很久才做实验 C．往浅盘中滴入油酸酒精溶液后应立即描绘油膜轮廓 (2)若实验时油酸酒精溶液中纯油酸占总体积的0.2%，用注射器测得100滴这样的油酸酒精溶液为1 mL，取1滴这样的溶液滴入浅盘中，即滴入浅盘中的纯油酸体积为_________cm3。 2．某同学做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验，实验中所用油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL油酸酒精溶液中有纯油酸0.6 mL，用注射器向烧杯内滴50滴上述溶液，注射器中的溶液体积减少1 mL，若把一滴这样的溶液滴入盛水的浅盘中，由于酒精溶于水，油酸在水面展开，稳定后形成单分子油膜的形状如图所示。 (1)若每一小方格的边长为20 mm，则油酸薄膜的面积约为________m2； (2)一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为______________m3； (3)由以上数据，估算出油酸分子的直径d＝________m(保留一位有效数字)。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——分子质量和直径的估算 1．(选自鲁科版教材“物理聊吧”)根据水分子的分子量、阿伏伽德罗常量和水的密度，可估算水分子的质量和直径。用这种方法能否估算氢气中氢分子的质量和直径？ 科学探究——薄膜厚度的测量 2．(选自人教版教材课后练习)把一片很薄的均匀塑料薄膜放在盐水中，调节盐水的密度，使薄膜能在盐水中悬浮，此时盐水的密度为1.2×103 kg/m3。用天平测出尺寸为10 cm×20 cm的这种塑料薄膜的质量是36 g，请计算薄膜的厚度。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．如图所示，科学家在铜表面将48个铁原子排成圆圈，形成半径为7.13 nm的“原子围栏”，相邻铁原子间有间隙。估算铁原子平均间隙的大小，结果保留一位有效数字。(已知铁的密度是7.8×103 kg/m3，摩尔质量是5.6×10－2 kg/mol，阿伏伽德罗常量NA＝6.02×1023 mol－1) 2．某同学在实验室做“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验 中，已知每1×104 mL油酸酒精溶液中有纯油酸6 mL，用注 射器抽得上述溶液2 mL，现缓慢地滴出1 mL溶液，共有液 滴数为50滴。把1滴该溶液滴入盛水的浅盘中，在刻有小正方形方格的玻璃板上描出油膜的轮廓如图所示，小正方形方格的边长为20 mm。试问： (1)这种估测方法是将每个分子视为________模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为________油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的__________。 (2)图中油膜面积是________mm2；每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是________mL；根据上述数据，估测出油酸分子的直径约为________m(最后一空保留一位有效数字)。 38 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （一） (单击进入电子文档) 40 二、实验：利用油膜法估测油酸分子的大小 1．实验原理 当把一滴用酒精稀释过的油酸酒精溶液滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水中并很快挥发，在水面上形成一层纯油酸的单分子层薄膜，如图所示。如果把分子看成球形，单分子层油膜的厚度就可以认为等于油酸分子的直径。实验中如果算出一定体积V的油酸和在水面上形成的油膜面积S，即可估算出油酸分子的直径大小，即d＝_____。 3．实验步骤 (1)配制一定体积比的油酸酒精溶液。 (2)用滴管或注射器将配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积(如1 mL)时的滴数N，由此求出一滴油酸酒精溶液的平均体积。 2．分子的简化模型 实际分子的结构是很复杂的，且形状各异。但如果我们只关心分子的大小，而不涉及分子内部的结构和运动时，既可以把分子看成球形，也可以看成立方体。具体分析如下： (1)对于固体和液体，可认为分子紧密排列，分子间没有空隙，则VA＝NAV0(V0为一个分子的体积，VA为摩尔体积)。 ①球形分子模型： 如图甲所示，则直径d＝ ＝ 。 ②立方体分子模型：认为每个分子占据一个相同的立方体空间， 该立方体的边长即为分子间的平均距离，如图乙所示，则边长d＝。 (2)对于气体来说，由于气体分子间的距离远大于气体分子的直径，故通过立方体分子模型(不采用球形分子模型)，可以估算得到每个气体分子平均占有的空间体积，而无法得到每个气体分子的实际体积。设每个气体分子占据的空间可看成一个边长为d、体积为V的正方体。如图丙所示，气体分子间距离l＝d＝＝(图丙中黑点代表气体分子所在的位置)。 3．阿伏伽德罗常数的应用 (1)微观量：分子质量m0，分子体积V0，分子直径d。 (2)宏观量：物质的质量M、体积V、密度ρ、摩尔质量MA、摩尔体积VA。 (3)微观量与宏观量的关系 ①分子质量：m0＝＝。 ②分子体积：V0＝＝(只适用于固体和液体)。 ③物质所含的分子数：N＝nNA＝NA＝NA。 ④阿伏伽德罗常数：NA＝＝(只适用于固体和液体)。 ⑤气体分子间的平均距离：d＝＝(V0为气体分子所占据空间的体积)。 ⑥固体或液体分子直径：d＝＝(V0为分子体积)。 [解析]　(1)设N2的物质的量为n，则n＝ 氮气的分子总数N＝NA 代入数据得N＝3×1024个。 (2)每个分子所占的空间为V0＝ 设分子间平均距离为a，则有V0＝a3， 即a＝＝ 代入数据得a≈3×10－9 m。 [答案]　(1)3×1024个　(2)3×10－9 m 2．(2024·广州高二检测)(多选)阿伏伽德罗常量是NA(单位为mol－1)，铜的摩尔质量为M(单位为kg/mol)，铜的密度为ρ(单位为kg/m3)，则下列说法正确的是(　　) A．1 m3铜所含有的原子数目是 B．1个铜原子的质量是 C．1个铜原子占有的体积是 D．1 kg铜所含有的原子数目是ρNA 解析： 1 m3铜含有的原子数为，根据ρ＝，得＝，A正确；1个铜原子的质量为m＝，B正确；1个铜原子占有的体积为，因为ρ＝，所以＝，C正确；1 kg铜所含有的原子数目为≠ρNA，D错误。 答案：ABC　 新知学习(二)|实验：利用油膜法估测油酸分子的大小 [重点释解] 1．数据处理 (1)一滴油酸酒精溶液的平均体积 ＝ (2)一滴溶液中含纯油酸的体积V V＝×油酸酒精溶液的体积比(体积比＝) (3)油膜的面积S＝n×1 cm2(n为有效格数，小方格的边长为1 cm) (4)分子直径d＝(代入数据时注意统一单位) 3.注意事项 (1)油酸酒精溶液配制好后，不要长时间放置，以免浓度改变，产生误差。油酸酒精溶液的浓度以小于为宜。 (2)实验之前应练习好滴定方法，注射器针头高出水面的高度应在1 cm之内。 (3)待测油酸液面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓。扩散后又收缩有两个原因：第一，水面受油酸酒精液滴冲击凹陷后又恢复；第二，酒精挥发后液面收缩。 [解析]　(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验步骤可简记为：“配→撒→滴→描→数→算”。由实验步骤可知，有遗漏的实验步骤是④，应待油酸膜形状稳定后，再将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状。 (2)一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积V′＝× mL＝2×10－5 mL。 (3)油酸膜的面积S＝110×20×20×10－6 m2＝4.4×10－2 m2，则油酸分子的直径d＝＝ m≈5×10－10 m。 (4)若爽身粉撒得过厚，油酸膜不能充分展开，则测量的油酸膜面积S偏小，导致测量结果偏大。 /方法技巧/ 油膜法估测油酸分子直径的三个关键 (1)获得一滴油酸酒精溶液的体积，并由配制浓度求出其中所含纯油酸的体积V。 (2)用数格子法(不足半个的舍去，多于半个的算一个，即“四舍五入”法)求出油膜面积S。 (3)由公式d＝计算结果。其中V和S的单位均采用国际单位制中的单位，即体积V的单位是m3，面积S的单位是m2。 解析：(1)根据题意，由实验原理可知，用油膜法估测油酸分子的大小的实验步骤为丙→乙→丁→甲，故A错误；油酸酒精溶液配制好后，不能搁置很久才做实验，避免酒精挥发，浓度发生变化，实验有误差，故B正确；应等油酸完全散开稳定后再描绘油膜轮廓，故C错误。 (2)根据题意可知，1滴这样的溶液中的纯油酸体积为V＝×0.2% mL＝2.0×10－5 cm3。 答案：(1)B　(2) 2.0×10－5 解析：估测方法是将每个油酸分子视为球形分子模型；在水面上形成单分子油膜；油膜的厚度可视为油酸分子的直径。 (1)由题图可知油膜大约占56个方格，所以油膜面积约为S＝56×20×20 mm2＝22 400 mm2＝2.24×10－2 m2； (2)一滴油酸酒精溶液中含有的纯油酸体积V＝× mL＝1.2×10－5 mL＝1.2×10－11 m3； (3)油酸分子的直径d＝＝ m≈5×10－10 m。 答案：(1)2.24×10－2　(2)1.2×10－11　(3)5×10－10 提示：水分子的质量和氢气中氢分子的质量均可用m＝计算，水分子的直径d可用＝πd3求出，但用＝d3，只能求出氢分子间的平均间距，而不能求出氢分子的直径。 解析：根据密度ρ＝，厚度d＝ 得d＝ ＝ m ＝1.5×10－3m。 答案：1.5×10－3m 解析：一个铁原子的体积V＝， 又V＝π3，所以铁原子的直径D＝， 围栏中相邻铁原子的平均间隙l＝－D， 代入数据解得l≈6×10－10 m。 答案：6×10－10 m 解析：(1)这种估测方法是将每个分子视为球体模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为单分子油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的直径。 (2)油膜的面积可从玻璃板上描出的油膜轮廓范围内的小正方形方格个数得到，所围的方格中，面积超过一半的按一个算，小于一半的舍去，图中共有58个方格，故油膜面积为S＝58×20 mm×20 mm＝23 200 mm2 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是 V＝× mL＝1.2×10－5 mL 油酸分子的直径 d＝＝ m≈5×10－10 m。 答案：(1)球体　单分子　直径　(2)23 200　1.2×10－5　5×10－10 $$