第1章 3 分子的热运动-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（教科版2019）

3　分子的热运动 [学习目标]　1.知道扩散现象和布朗运动，理解扩散现象和布朗运动产生的原因(重难点)。 2.知道分子热运动，理解分子热运动的平均动能和温度的关系。 一、扩散现象 “墙角数枝梅，凌寒独自开。遥知不是雪，为有暗香来。”是北宋诗人王安石的一首脍炙人口的诗，把我们也仿佛带入了一个梅香扑鼻的冰雪世界。为什么王安石没有靠近梅树，却能闻到梅花的香味呢？ 答案　因为分子在做无规则运动(扩散现象) 1．定义：不同物体相互接触时彼此进入的现象称为扩散现象。 2．产生原因：扩散现象不是(填“是”或“不是”)外界作用(例如对流、重力作用等)引起的，也不是化学反应的结果，而是由物质分子无规则运动引起的。 3．意义：扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的最好证明之一。 4．应用： (1)在电子技术领域，利用真空、高温条件下固体原子的扩散，可以向半导体材料中掺入其他元素，制成各种半导体器件。 (2)在机械工业中，在轴、齿轮等零件表面掺入碳、氮等元素，以增强其耐磨、耐腐蚀的特殊性能。 在两个相同的玻璃杯中分别装入质量相等的冷水和热水，然后，在两杯水中同时滴入等量的蓝黑墨水。一段时间后，两个杯子中的蓝黑墨水呈现出如图所示的扩散现象。请你解释这种现象。 答案　扩散快慢与温度有关，温度越高，扩散越快。 例1　(2022·遂宁市高二月考)关于扩散现象，下列说法正确的是(　　) A．温度越高，扩散进行得越快，0 ℃时扩散停止 B．扩散现象是不同物质间的一种化学反应 C．扩散现象是由物质分子无规则运动产生的 D．扩散现象在气体、液体中都能发生，固体中不能发生扩散 答案　C 解析　由于分子运动的剧烈程度与温度有关，温度越高，扩散进行得越快，0 ℃时还是会发生扩散现象，故A项错误；扩散现象是不同的物质分子相互进入对方的现象，是物理变化，故B项错误；扩散现象是由物质分子无规则运动产生的，扩散现象在气体、液体和固体中都能发生，故C正确，D错误。 1.扩散现象是由物质分子的无规则运动产生的。 2．气体物质的扩散现象最显著；常温下物质处于固态时扩散现象不明显。 3．扩散现象发生的显著程度与物质的温度有关，温度越高，扩散现象越显著，这表明温度越高，分子运动得越剧烈。 4．扩散现象还说明分子间存在间隙。 二、布朗运动 1．定义：悬浮颗粒的无规则运动叫作布朗运动。 2．解释：悬浮在液体中的微粒会不断地受到周围液体分子的撞击，由于来自各个方向的碰撞作用的不平衡，因而微粒运动的方向及快慢是无规则的。悬浮在液体中的微粒越小，布朗运动越明显。 3．意义：布朗运动虽然不是分子的运动，却间接反映了液体分子运动的无规则性。 4．影响因素 (1)悬浮微粒越小，布朗运动越明显。 (2)温度越高，布朗运动越剧烈。 在观察布朗运动时，从某微粒在A点开始计时，每隔30 s记下微粒的一个位置，得到B、C、D、E、F、G等点，然后用直线按时间顺序依次连接，得到如图所示的折线ABCDEFG。那么，微粒在75 s末时的位置一定在CD线段的中点吗？为什么？ 答案　不一定，图中折线是按时间间隔依次记录的微粒位置的连线，而不是微粒的运动轨迹，由于微粒的无规则运动，所以微粒在75 s时的位置可能在CD连线的中点，也可能不在CD连线上。 (1)阳光从狭缝中射入较暗的室内，透过阳光看到飞舞的尘埃，这些尘埃颗粒的运动就是布朗运动。(　×　) (2)向一锅水中撒一点胡椒粉，加热时发现水中的胡椒粉在翻滚，这说明温度越高，布朗运动越剧烈。(　×　) (3)布朗运动就是液体分子的无规则运动。(　×　) (4)布朗运动证明，组成固体小颗粒的分子在做无规则运动。(　×　) (5)在显微镜下可以观察到煤油中小粒灰尘的布朗运动，这说明煤油分子在做无规则运动。(　√　) 例2　(多选)(2022·南安市侨光中学月考)气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态微粒所组成的气态分散系统。这些固态或液态微粒的大小一般在10－3～103 μm之间。已知布朗运动微粒大小通常在10－6 m数量级。下列说法正确的是(　　) A．布朗运动是气体介质分子的无规则的运动 B．在布朗运动中，固态或液态微粒越小，布朗运动越剧烈 C．在布朗运动中，微粒无规则运动的轨迹就是分子的无规则运动的轨迹 D．当固态或液态微粒很小时，能很长时间都悬浮在气体中，是受到气体分子无规则运动撞击而导致的 答案　BD 解析　悬浮在气体介质中的固态或液态微粒的无规则运动是布朗运动。布朗运动是气体分子无规则运动撞击微粒的结果，所以它反映的是气体分子的无规则运动；微粒越小，气体分子对微粒的撞击作用越不平衡，布朗运动越剧烈，故B、D正确，A错误；在布朗运动中，微粒本身并不是分子，而是分子团，所以微粒无规则运动的轨迹不是分子无规则运动的轨迹，故C错误。 例3　(2022·哈尔滨市高二期末)布朗运动实验中，得到某个观测记录如图，图中记录的是(　　) A．分子无规则运动的情况 B．某个微粒做布朗运动的轨迹 C．某个微粒做布朗运动的速度—时间图线 D．按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线 答案　D 解析　布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动，而非分子的运动，故A错误；布朗运动是无规则运动，所以微粒没有固定的运动轨迹，故B错误；对于某个微粒而言，在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的，所以无法确定其在某一个时刻的速度，故也就无法描绘其速度—时间图线，故C错误；图中记录的是按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线，故D正确。 三、热运动和分子动能 1．热运动 (1)定义：分子的无规则运动叫作热运动。 (2)影响因素：温度越高，分子热运动越剧烈。 2．分子动能 (1)分子动能：由于分子不停地做无规则运动而具有的能量。 (2)分子的平均动能 ①定义：大量分子热运动动能的平均值。 ②决定因素：温度是分子热运动平均动能的标志。 (3)分子的总动能 ①所有分子热运动的动能总和，它等于分子热运动的平均动能与分子数的乘积。 ②物体内分子的总动能与物体的温度和所含分子总数有关。 1．物体温度升高时，物体内每个分子的动能都增大吗？为什么研究分子动能的时候主要关心大量分子的平均动能？ 答案　物体温度升高时，大部分分子的动能增大，个别分子的动能可能减小，也可能不变。温度是大量分子无规则热运动的集体表现，含有统计的意义，所以研究单个分子的动能没有意义，我们主要关心的是大量分子的平均动能。 2．物体运动的速度越大，其分子的平均动能也越大吗？ 答案　不是。分子的平均动能与宏观物体运动的速度无关。 例4　(2023·莆田第七中学高二期中)关于分子的热运动，以下叙述正确的是(　　) A．布朗运动就是分子的热运动 B．同种物质的分子的热运动剧烈程度相同 C．气体分子的热运动不一定比液体分子剧烈 D．物体运动的速度越大，其内部的分子热运动就越剧烈 答案　C 解析　布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动，由于小颗粒是由大量分子构成的，所以布朗运动不是分子的热运动，故A项错误；同种物质的分子若所处温度不同，其热运动的剧烈程度也不同，故B项错误；温度是分子热运动剧烈程度的标志，温度越高，分子热运动越剧烈，与物体运动的速度无关，由于气体和液体的温度不确定，所以气体分子的热运动不一定比液体分子剧烈，故C项正确，D项错误。 布朗运动与热运动的区别与联系 布朗运动 热运动 不同点 研究对象 固体微粒 分子 观察难易程度 可以在显微镜下看到，肉眼看不到 在光学显微镜下看不到 相同点 ①无规则；②永不停息；③温度越高越剧烈 联系 周围液体(或气体)分子的热运动是布朗运动产生的原因，布朗运动反映了液体(或气体)分子的热运动 说明：分子无规则的运动，不是宏观物体的机械运动，二者没有关系 例5　(多选)当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法中正确的是(　　) A．两种气体分子的平均动能相等 B．氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率 C．氢气分子的平均动能大于氧气分子的平均动能 D．两种气体分子热运动的总动能不相等 答案　ABD 解析　温度相同，两种气体分子的平均动能相等，故A正确，C错误；因两种气体分子的质量不同，而分子的平均动能相等，所以质量大的氧气分子平均速率小，故B正确；由于两种气体的摩尔质量不同，物质的量不同(质量相同)，分子数目就不等，故总动能不相等，故D正确。 课时对点练 考点一　扩散现象 1．(多选)(2023·三门峡市高二期末)下列现象中属于扩散现象的是(　　) A．樟脑球放在箱子里，过几天箱子里充满了樟脑球的气味 B．一杯水中放入一勺白糖，过一会儿水变甜了 C．一碗小米倒入一碗大米中，小米进入大米的间隙之中 D．铁件放在土表面，时间长了，接触部位铁件会有锈 答案　AB 解析　樟脑球放在箱子里，过几天箱子里充满了樟脑球的气味，是气体分子的运动，是扩散现象，故A正确；一杯水中放入一勺白糖，过一会儿水变甜了，是糖分子的运动，是扩散现象，故B正确；小米进入大米的间隙之中，不是分子的运动，不属于扩散现象，故C错误；铁件放在土表面，时间长了，接触部位铁件会有锈，是化学反应，不是扩散现象，故D错误。 2．通常萝卜腌成咸菜需要几天，而把萝卜炒成熟菜，使之具有相同的咸味只需几分钟，那么造成这种差别的主要原因是(　　) A．加热后盐分子变小了，很容易进入萝卜中 B．炒菜时萝卜翻动地快，盐和萝卜接触多 C．加热后萝卜分子间空隙变大，易扩散 D．炒菜时温度高，分子热运动剧烈 答案　D 解析　在扩散现象中，温度越高，扩散得越快。在腌萝卜时，是盐分子在常温下的扩散现象，炒菜时，是盐分子在高温下的扩散现象，因此，炒菜时萝卜咸得快，腌咸菜时萝卜咸得慢，故A、B、C错误，D正确。 3．(2023·绍兴市高二期中)如图所示，把一块铅和一块金的接触面磨平、磨光后紧紧压在一起，五年后发现金中有铅、铅中有金。对此现象，下列说法正确的是(　　) A．属于扩散现象，原因是金分子和铅分子的相互吸引 B．属于扩散现象，原因是金分子和铅分子的无规则运动 C．属于布朗运动，由于外界压力使小金粒、小铅粒彼此进入对方中 D．属于布朗运动，小金粒进入铅块中，小铅粒进入金块中 答案　B 解析　把接触面磨平，使铅块和金块的距离很近，由于分子不停地做无规则的热运动，金分子和铅分子进入对方，这是扩散现象，故A错误，B正确；布朗运动是指悬浮在液体或气体中固体颗粒的运动，故C、D错误。 考点二　布朗运动 4．(2022·遂宁市高二月考)关于布朗运动，下述说法正确的是(　　) A．布朗运动就是分子的无规则运动 B．悬浮微粒的无规则运动是由于液体分子对它无规则的撞击所引起的 C．悬浮微粒的无规则运动是由于微粒内部分子无规则运动而引起的 D．悬浮微粒的无规则运动是由于外界的影响(如液体、气体的流动)引起的 答案　B 解析　布朗运动不是分子的无规则运动，是悬浮在液体(或气体)中的微粒做的无规则的运动，而微粒是由很多分子组成的，不是单个分子的运动，故A项错误；悬浮微粒的无规则运动是颗粒周围液体分子对它无规则的撞击，碰撞作用不平衡而引起的微粒无规则运动，故B项正确，C、D项错误。 5.(多选)(2022·珠海市高二月考)把墨汁用水稀释后取出一滴，放在光学显微镜下观察，如图所示，下列说法中正确的是(　　) A．在显微镜下既能看到水分子也能看到悬浮的小炭粒，且水分子不停地撞击炭粒 B．小炭粒在不停地做无规则运动，这就是所说的布朗运动 C．越小的炭粒，运动越明显 D．在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上就是由许许多多静止不动的水分子组成的 答案　BC 解析　水分子在光学显微镜下是观察不到的，故A错误。布朗运动是指悬浮在液体中固体颗粒的运动，不是液体分子的运动，其剧烈程度与温度和固体颗粒的大小有关，故B、C正确；水分子不是静止不动的，故D错误。 6．如图为悬浮在液体中的3颗小碳粒每隔5 s在坐标纸上标记位置的连线。下列说法正确的是(　　) A．这些折线表示的是小碳粒的运动轨迹 B．小碳粒沿折线上相邻标记位置的连线做匀速直线运动 C．可以准确预测再下一个5 s后这3颗小碳粒的位置 D．小碳粒的运动反映了液体分子的运动情况 答案　D 解析　这些折线表示的是小碳粒每隔5 s在坐标纸上标记位置的连线，不是运动的轨迹，故A错误；小碳粒在做无规则的运动，所以小碳粒在沿折线上相邻标记位置的连线不是做匀速直线运动，故B错误；只按时间间隔依次记录位置的连线，再下一个5 s后这3颗小碳粒的位置无法确定，故C错误；小碳粒在做无规则的运动是液体分子撞击不平衡引起的，所以小碳粒的运动间接地反映了液体分子的运动情况，故D正确。 7．(2022·湛江市高二期末)PM2.5是指空气中直径等于或小于2.5微米的悬浮颗粒物，其飘浮在空中做无规则运动，很难自然沉降到地面，吸入后对人体造成危害。矿物燃料燃烧的排放是形成PM2.5的主要原因。下列关于PM2.5的说法中正确的是(　　) A．PM2.5的尺寸与空气中氧分子尺寸的数量级相当 B．温度越低，PM2.5运动越剧烈 C．PM2.5在空气中的运动属于布朗运动 D．PM2.5中颗粒大一些的，其运动比其他颗粒更剧烈 答案　C 解析　PM2.5是指直径小于或等于2.5微米的颗粒物，PM2.5尺寸远大于空气中氧分子的尺寸的数量级，故A错误。PM2.5受大量空气分子对PM2.5无规则碰撞，温度越高，空气分子对颗粒的撞击越剧烈，则PM2.5的运动越激烈，故B错误。PM2.5在空气中的运动是固体颗粒的运动，属于布朗运动，故C正确。PM2.5中颗粒小一些的，空气分子对颗粒的撞击越不均衡，其颗粒的运动比其他颗粒更剧烈，故D错误。 考点三　热运动和分子动能 8．(多选)(2022·榆林市高二期中)关于热运动，下列说法正确的是(　　) A．分子的热运动是指物体的宏观运动和物体内部分子的无规则运动的总和 B．分子的热运动是指物体内部分子的无规则运动 C．在两个物体温度相同时，它们分子热运动的平均动能相同 D．在同一温度下，不同质量的同种液体的每个分子运动的剧烈程度都是相同的 答案　BC 解析　分子的热运动是指物体内部分子的无规则运动，不包括宏观运动，故A错误，B正确；物体的温度是分子热运动的平均动能的标志，在两个物体的温度相同时，分子热运动的平均动能相同，故C正确；温度是大量分子整体表现出来的热学性质，并不能说明单个分子的状态，在同一温度下，不同质量的同种液体的分子平均动能相同，但并不是每个分子运动的剧烈程度都相同，故D错误。 9．(2022·北京市东城区高二期末)关于物体的温度与分子动能的关系，下列说法正确的是(　　) A．某物体的温度是0 ℃，说明物体中分子的平均动能为零 B．物体温度升高时，每个分子的动能都增加 C．物体温度升高时，分子的平均动能增加 D．物体的运动速度越大，则物体的温度越高 答案　C 解析　某物体温度是0 ℃，物体中分子的平均动能并不为零，因为分子在永不停息地运动。从微观上讲，分子运动快慢是有差别的，各个分子运动的快慢无法跟踪测量，而温度的概念是建立在统计规律的基础上的，在一定温度下，分子速率大小按一定的统计规律分布，当温度升高时，分子运动加剧，平均动能增加，但并不是所有分子的动能都增加。物体的运动速度越大，物体的动能越大，这并不能代表物体内部分子的热运动加快，所以物体的温度不一定高。故选C。 10．(2022·盐城市高二期末)一块10 ℃的铁与一块10 ℃的铝相比，以下说法正确的是(　　) A．铁的分子动能之和与铝的分子动能之和相等 B．铁的每个分子动能与铝的每个分子的动能相等 C．铁的分子平均速率与铝的分子平均速率相等 D．铁的分子平均动能与铝的分子平均动能相同 答案　D 11．(多选)与“冷”“热”相关的“热现象”无所不在、无时不有——远涉宇宙变迁，近涉高新科技，涵盖所有实际发生的过程。这一宏观现象与系统中大量微观粒子的无规则运动密切联系。下列说法正确的是(　　) A．布朗运动是悬浮在液体中的小颗粒的无规则运动 B．悬浮在液体中的颗粒越大，布朗运动越明显 C．扩散现象不是化学反应的结果，而是由重力作用和对流引起的 D．扩散现象与温度有关，温度越高，扩散现象越明显 答案　AD 解析　布朗运动是悬浮在液体中的小颗粒的无规则运动，故A正确；悬浮在液体中的颗粒越大，碰撞的不平衡性越不明显，布朗运动越不明显，故B错误；扩散现象是由分子的无规则运动引起的，不是一种化学反应，也不是重力作用和对流引起的，故C错误；扩散现象与温度有关，温度越高，分子的无规则运动越剧烈，扩散现象越明显，故D正确。 12．(多选)(2022·昆明市高二期中)为了减少病毒传播，人们使用乙醇喷雾消毒液和免洗洗手液，两者的主要成分都是酒精，则下列说法正确的是(　　) A．使用免洗洗手液洗手后，手部很快就干爽了，是由于液体分子扩散到了空气中 B．在房间内喷洒乙醇消毒液后，会闻到淡淡的酒味，与分子运动无关 C．在房间内喷洒乙醇消毒液后，会闻到淡淡的酒味，这是酒精分子做布朗运动的结果 D．使用免洗洗手液洗手后，洗手液的酒精由液体变为同温度的气体的过程中，分子平均动能不变，但分子间距变大 答案　AD 解析　因为一切物体的分子都不停地做无规则运动，所以使用免洗洗手液时，手部很快就干爽了，这是扩散现象，故A正确；在房间内喷洒乙醇消毒液后，会闻到淡淡的酒味，这是由于酒精分子扩散的结果，证明了酒精分子在不停地做无规则运动，故B、C错误；洗手液中的酒精由液态变为同温度的气体的过程中，温度不变，分子平均动能不变，但是分子之间的距离变大，故D正确。 13.(2022·石家庄市高二期末)某同学用显微镜观察用水稀释的墨汁中小碳粒的运动情况，在两次实验中分别追踪小碳粒a、b的运动，每隔30 s把碳粒的位置记录下来，然后用线段把这些位置按时间顺序依次连接起来，得到如图所示的两碳粒运动的位置连线图，其中P、Q两点是碳粒a运动的位置连线上的两点，则下列说法中正确的是(　　) A．若水温相同，则碳粒b颗粒较大 B．若两碳粒颗粒大小相同，则碳粒a所处的水中水温更低 C．两碳粒运动的位置连线图反映了碳分子的运动是无规则运动 D．碳粒a在P、Q两点间的运动一定是直线运动 答案　A 解析　碳粒越大，受到液体分子碰撞作用的不平衡性越不明显，布朗运动越不显著，故b颗粒较大，A正确；温度越高，布朗运动越剧烈，a运动更剧烈，故a所处的水中水温更高，B错误；两碳粒的运动是无规则的，说明液体分子做无规则运动，C错误；题图为碳粒每隔30 s的位置，而不是运动轨迹，其连线仅代表位置变化，而其运动并非直线，D错误。 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