第二节 分子的运动 分子间的相互作用（教学课件）物理沪科版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦分子的运动（扩散、布朗运动、热运动）和分子间相互作用（空隙、引力斥力及与距离关系），通过生活情境问题（如面包店香味、铅块粘合）导入，引导学生从宏观现象探究微观本质，构建分子动理论知识脉络。 其亮点在于融合科学探究与科学思维，通过水与酒精混合体积变化实验、布朗运动轨迹分析等活动，帮助学生建立物理观念。问题思考与分层练习强化知识应用，既激发学生探究兴趣，又为教师提供结构化教学支持。

沪科版 物理选择性必修第三册 第十章分子动理论 第二节 分子的运动 分子间的相互作用 1.7.2013 大家好，今天我们将一起学习“分子的运动与分子间的相互作用”这一节内容。本节课是分子动理论的重要组成部分，通过学习，我们将深入理解物质的微观结构和运动规律。 ‹#› 目录 一、分子的运动 二、分子间的相互作用 三、分子动理论基本观点 四、核心考点与易错点总结 1.7.2013 本次课程主要分为四个部分。首先，我们将探讨分子的运动，包括扩散现象和布朗运动；接着，我们会学习分子间的相互作用，了解引力与斥力的关系；然后，我们将总结分子动理论的基本观点；最后，通过一些问题与思考来巩固所学知识。 ‹#› 情境引入 思考：生活中的微观奥秘 1. 为什么路过面包店时，我们能闻到诱人的香味？ 2. 两个表面平整、干净的铅块压紧后，为什么能“粘”在一起甚至吊起砝码？ 解密：分子的运动与相互作用 要科学地解释上述现象，我们需要深入微观世界，探究分子的运动规律以及分子间的相互作用力。这将帮助我们理解物质世界的构成与变化。 1.7.2013 在开始今天的学习之前，我们先思考两个生活中的现象：为什么路过面包店能闻到香味？为什么两个压紧的铅块能“粘”在一起？这些现象背后隐藏着微观世界的奥秘，今天我们就来揭开谜底，学习分子的运动与分子间的相互作用。 ‹#› 分子的运动：扩散现象 红墨水在清水中的扩散实验 定义不同物质相互接触时，彼此进入对方的现象叫做扩散。 宏观表现红墨水在清水中扩散、闻到面包香味、气体混合等。 微观解释扩散现象是由分子的无规则运动产生的，体现了分子间有空隙。 影响因素温度越高，扩散越快，说明分子的热运动越剧烈。 1.7.2013 首先我们来看分子运动的第一个重要证据——扩散现象。大家看左边的图片，红墨水在清水中会逐渐散开，最终使整杯水都变成红色，这就是扩散。 从微观角度看，这是因为墨水分子和水分子都在不停地做无规则运动，彼此进入了对方的空隙。 而且我们发现，温度越高，扩散得越快，这说明分子的运动快慢与温度有关，温度越高，分子运动越剧烈。 ‹#› 分子的运动：布朗运动的观察与现象 显微镜下的布朗运动轨迹示意 观察现象：杂乱无章的运动 通过显微镜观察并用追踪软件记录颗粒位置，发现悬浮颗粒的运动轨迹是无规则、杂乱无章的，且这种运动永不停息。 思考与讨论 主体辨析：做布朗运动的是悬浮在水中的细微颗粒，还是水分子本身？ 成因探究：既然颗粒本身不会自发运动，那么布朗运动产生的根本原因可能是什么？ 结论提示：布朗运动间接反映了液体分子的无规则热运动 1.7.2013 我们通过显微镜观察到，悬浮颗粒的运动轨迹非常混乱，这就是布朗运动。大家思考一下，我们看到的是颗粒的运动还是水分子的运动？布朗运动的成因又是什么呢？ ‹#› 分子的运动：布朗运动的成因 颗粒受液体分子撞击示意图 排除外界因素 实验证明，布朗运动的成因不在外界（如振动、对流），而在液体内部。 微观撞击机制 悬浮颗粒受周围液体分子无规则撞击，且各方向撞击不平衡。颗粒越小，撞击的不平衡性越明显，运动越剧烈。 本质意义 布朗运动的无规则性，间接反映了液体内部分子运动的无规则性。 1.7.2013 布朗运动的成因是液体分子的无规则撞击。大家看左边的图，颗粒受到来自各个方向的撞击，这种撞击是不平衡的，所以颗粒就表现出无规则的运动。布朗运动的无规则性，恰恰反映了分子运动的无规则性。 ‹#› 分子的运动：布朗运动 布朗运动现象与原理示意图 定义 悬浮在液体（或气体）中的微粒所做的永不停息的无规则运动。 发现者 1827年由英国植物学家布朗首先发现并命名。 现象描述 悬浮颗粒的运动轨迹杂乱无章，运动永不停息，且温度越高运动越剧烈。 成因分析 液体（或气体）分子对悬浮微粒进行无规则撞击，且撞击力不平衡。 布朗运动间接证明了分子的无规则热运动 1.7.2013 接下来我们学习分子运动的第二个证据——布朗运动。大家看左边的图，这是显微镜下看到的悬浮颗粒，它们的运动轨迹非常混乱。这种运动是由布朗首先发现的，因此得名。布朗运动的成因是液体分子在不停地无规则运动，从各个方向撞击悬浮颗粒，而这种撞击是不平衡的，所以颗粒就表现出无规则的运动。布朗运动间接证明了分子的无规则运动。 ‹#› 分子的运动：热运动 核心结论：永不停息的无规则运动 扩散现象和布朗运动都表明，组成物质的分子在永不停息地做无规则运动。这是分子运动论的重要基础。 热运动定义：与温度相关的剧烈运动 分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子运动越剧烈。因此，我们把分子的这种无规则运动叫做热运动。 温度的物理意义：剧烈程度的标志 温度是分子热运动剧烈程度的宏观标志。宏观温度的高低直接反映了微观分子热运动的剧烈程度。 1.7.2013 通过扩散现象和布朗运动，我们可以得出一个重要结论：分子在永不停息地做无规则运动。而且，这种运动的剧烈程度与温度密切相关，温度越高，运动越剧烈。为了强调这种运动与温度的关系，我们把分子的无规则运动称为热运动。所以，温度其实是衡量分子热运动剧烈程度的一个物理量。 ‹#› 核心知识点总结 观察对象 悬浮在液体中的微小颗粒（非水分子） 运动特点 永不停息、无规则、温度越高越剧烈 产生原因 液体分子热运动对颗粒的撞击不平衡 本质意义 间接反映了液体内部分子的无规则热运动 关联概念 热运动是分子的无规则运动，温度是其剧烈程度的标志 1.7.2013 我们来总结一下关于布朗运动的核心知识点。首先，我们观察的对象是悬浮在液体中的微小颗粒，而不是水分子本身。布朗运动的特点是永不停息、无规则，并且温度越高越剧烈。它产生的原因是液体分子热运动对颗粒的撞击不平衡。其本质意义在于，它间接反映了液体内部分子的无规则热运动。最后，我们要明确，热运动就是分子的无规则运动，温度是衡量其剧烈程度的标志。 ‹#› 分子间的相互作用 自主活动：探究液体混合后的体积变化 准备材料：取一支长约 1m 的玻璃管。 注入液体：先注入半管清水，再缓慢注入酒精直至液面接近管口。 混合操作：封住管口，反复颠倒玻璃管多次，使水与酒精充分混合。 观察现象：静置后，仔细观察并记录管中液面位置的变化。 思考：混合后的总体积与混合前相比，发生了什么变化？这说明了什么？ 1.7.2013 接下来我们学习分子间的相互作用。在正式学习之前，我们先做一个自主活动。请大家取一支长约1米的玻璃管，先注入半管清水，再注入酒精直至液面接近管口。然后封住管口，反复颠倒玻璃管，最后观察管中液面位置的变化。大家注意观察，看看会发生什么现象。 ‹#› 分子间存在空隙 气体压缩实验 气体很容易被压缩 → 气体分子间空隙很大 水与酒精混合 混合后总体积减小 → 液体分子间存在空隙 固体扩散现象 碳原子扩散入钢件表面 → 固体分子间存在空隙 结论：无论是气体、液体还是固体，构成物质的分子之间都存在着一定的空隙。 1.7.2013 刚才的自主活动中，大家会发现水和酒精混合后的总体积变小了，这说明液体分子之间是有空隙的。其实，不仅液体，气体和固体分子间也存在空隙。比如，气体很容易被压缩，说明气体分子间存在很大空隙；碳原子能扩散进入钢件表面，说明固体分子间也存在空隙。 ‹#› 分子间的相互作用：引力与斥力 分子间的引力 现象：玻璃板脱离水面时测力计示数变大；铅块压紧后“粘”在一起难以分开。 分子间的斥力 现象：用力压缩固体（如铅块）时，很难使其体积变小，表现出抗拒压缩的力。 相互作用规律 规律：引力和斥力同时存在，且大小都随分子间距的增大而减小，斥力变化更快。 核心结论：分子间同时存在引力和斥力，实际表现的分子力是二者的合力。 1.7.2013 现在我们来学习分子间的相互作用。首先看左侧的实验示意图，当玻璃板要脱离水面时，弹簧测力计的示数会变大，这说明水分子和玻璃分子之间存在着相互吸引的力，也就是引力。 同时，我们很难压缩一个物体，比如用力挤压铅块很难使其体积变小，这说明分子间还存在着相互排斥的力，即斥力。 实际上，分子间是同时存在引力和斥力的，它们的大小都会随着分子间距离的变化而变化，其中斥力随距离变化的速度比引力更快。 ‹#› 分子间作用力与距离的关系（一） 分子间同时存在引力与斥力 分子间并非单一存在引力或斥力，而是引力 F引 和斥力 F斥 同时作用。 力的大小随距离增大而减小 随着分子间距离 r 的增大，引力 F引 和斥力 F斥 的数值均呈现减小趋势。 斥力比引力减小得更快 在距离增大过程中，斥力 F斥 的衰减速率显著快于引力 F引，这是理解分子力的关键。 核心结论：分子力的合力变化源于引力与斥力的不对称衰减 1.7.2013 分子间同时存在引力和斥力，它们的大小都随分子间距离的变化而变化。 大家看左边的示意图，这是分子作用力随距离变化的曲线。我们可以总结出三个关键规律： 第一，分子间是同时存在引力 F引 和斥力 F斥 的，这是一对同时存在的力。 第二，这两种力的变化趋势一致，都随着距离 r 的增大而减小。 第三，也是最关键的一点，斥力的变化更敏感，也就是斥力减小得比引力更快。这一特性决定了分子间表现出的合力性质。 ‹#› 分子间作用力的表现 当 r = r₀ (平衡位置) 引力等于斥力 (F引 = F斥)，分子间合力为 0，处于稳定状态。 当 r < r₀ (距离过近) 引力小于斥力 (F引 < F斥)，分子间作用力表现为斥力，难以压缩。 当 r > r₀ (距离适中) 引力大于斥力 (F引 > F斥)，分子间作用力表现为引力，具有收缩趋势。 当 r > 10⁻⁹ m (距离极远) 分子间作用力变得极其微弱，通常情况下可以忽略不计。 关键数量级参考：平衡距离 r₀ 的数量级约为 10⁻¹⁰ m，此时分子处于最稳定的状态。 1.7.2013 基于引力和斥力随距离变化的规律，我们可以分析分子间作用力的实际表现。 当分子间距离等于r₀时，引力和斥力大小相等，合力为零，这个位置叫做平衡位置。 当距离小于r₀时，斥力大于引力，合力表现为斥力。 当距离大于r₀时，引力大于斥力，合力表现为引力。 而当距离非常大时，分子间的作用力就非常微弱，可以忽略不计了。 ‹#› 核心知识点总结 分子间存在空隙（气、液、固三态均普遍存在） 分子间同时存在引力与斥力（宏观表现为两者的合力） 分子间作用力的表现由分子间距 (r) 决定 r = r₀ 时：引力与斥力平衡，分子力表现为零（平衡位置） r < r₀ 时：斥力大于引力，分子力表现为斥力 r > r₀ 时：引力大于斥力，分子力表现为引力（随距离增大而减小） r ≫ r₀ 时：分子间作用力迅速减小，可以忽略不计 核心口诀：小斥大引，平衡为零，远距无视 1.7.2013 最后，我们来总结一下关于分子间相互作用的核心知识点。第一，分子间存在空隙，这在气体、液体和固体中都存在。第二，分子间同时存在引力和斥力。第三，分子间作用力的表现由分子间距决定：当距离等于平衡位置r₀时，合力为零；当距离小于r₀时，表现为斥力；当距离大于r₀时，表现为引力；当距离远大于r₀时，作用力可以忽略不计。 ‹#› 拓展视野：分子间引力与斥力的成因 微观构成基础 分子由原子构成，原子包含带正电的原子核和带负电的电子，分子整体呈电中性。 作用力的双重来源 分子靠近时，异号电荷（核-电）相互吸引，同号电荷（核-核、电-电）相互排斥，两种力同时存在。 距离决定表现形式 适度靠近时引力主导；极近距离时，原子核间库仑斥力剧增，整体表现为斥力。 核心结论：分子间作用力是电荷相互作用的宏观体现，且随距离变化呈现引力与斥力的转化。 1.7.2013 我们来拓展一下视野，从微观角度解释分子间引力与斥力的成因。分子由原子构成，而原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，整个分子呈电中性。当两个分子靠近时，不同分子的原子核与电子之间会产生吸引力，而原子核与原子核、电子与电子之间会产生排斥力。所以，分子间同时存在引力和斥力。当分子开始靠近时，吸引力大于排斥力，整体表现为引力；当分子靠得非常近时，原子核之间的库仑斥力会变得非常显著，整体就表现为斥力了。 ‹#› 分子动理论的基本观点 物体是由大量分子组成的 物质由分子、原子等微观粒子构成，分子间存在间隙。 分子在永不停息地做无规则运动（热运动） 扩散现象和布朗运动直接证明了分子的无规则运动，温度越高运动越剧烈。 分子之间同时存在着引力和斥力 引力和斥力同时存在，都随分子间距增大而减小，斥力变化比引力快。 1.7.2013 通过前面的学习，我们可以总结出分子动理论的三个基本观点。第一，物体是由大量分子组成的；第二，分子在永不停息地做无规则的热运动；第三，分子之间同时存在着引力和斥力。这三个观点是我们认识物质微观世界的基础。 ‹#› 分子动理论的基本观点 物质构成 物体是由大量分子组成的，分子间存在着间隙。 热运动 分子在永不停息地做无规则运动，这种运动称为热运动。 相互作用力 分子之间同时存在着引力和斥力，它们是同时存在的。 理论意义与价值 分子动理论是建立在大量实验基础上的科学理论。它深刻揭示了热现象的微观本质，即热现象是大量分子无规则运动的宏观表现。该理论成功解释了气体、液体和固体的许多宏观性质，是连接微观世界与宏观热现象的桥梁。 1.7.2013 学习了分子的运动和分子间的相互作用后，我们可以总结出分子动理论的三个基本观点：第一，物体是由大量分子组成的；第二，分子在永不停息地做无规则的热运动；第三，分子之间同时存在着引力和斥力。分子动理论是建立在大量实验基础上的科学理论，它深刻地揭示了热现象的微观本质，即热现象是大量分子无规则运动的宏观表现，并成功解释了气体、液体和固体的许多性质。 ‹#› 问题与思考（一） 思考一：分子运动与温度 滴入水中的红墨水会扩散，其原因是什么？温度越高，这种扩散越快，说明了什么？ 思考二：判断分子间引力现象 请判断以下现象是否由于分子间的引力所致，并简述理由： (1) 两块纯净铅柱的端面刮得十分平整后用力挤压可以 “粘” 在一起。 (2) 经丝绸摩擦过的玻璃棒能吸引轻小物体。 (3) 磁铁能吸引小铁钉。 (4) 自由落体运动。 1.7.2013 现在我们来进行问题与思考。第一个问题，滴入水中的红墨水会扩散，原因是什么？温度越高扩散越快，又说明了什么？第二个问题，请大家判断这四个现象中，哪些是由于分子间的引力引起的，并说明理由。请大家分组讨论一下，稍后我们一起分享答案。 ‹#› 问题与思考（二） 问题 3：关于图 10-10 中的折线，甲同学说是花粉颗粒运动的轨迹，乙同学说是液体分子的无规则运动轨迹。试对此作出简要评述。 问题 4：简述布朗运动的特点，并给出 “液体分子的热运动导致布朗运动” 的证据。 问题 5：已知两个分子之间的距离为 r0（约 10⁻¹⁰ m）时，分子间的作用力为零。两个分子从很远处逐渐靠近直到分子间距离小于 r0 的过程中，分子间的引力、斥力及其合力如何变化？ 1.7.2013 我们继续看后面的问题。第三个问题，关于布朗运动的轨迹图，甲和乙同学的说法哪个正确？为什么？第四个问题，请大家简述布朗运动的特点，并说明为什么布朗运动能证明液体分子在做热运动。第五个问题，分析两个分子从远处靠近过程中，引力、斥力和合力的变化情况。这些问题有助于我们深入理解本节课的知识点。 ‹#› 练习题1 题目：当两个分子间的距离为 r₀ 时，分子力为零。如果距离变为 r，且 r < r₀，那么此时分子力表现为引力还是斥力？为什么？ 解题思路： 1. 分析：分子间同时存在引力和斥力，且斥力随距离变化比引力更快。 2. 判断：当 r < r₀ 时，斥力的增加量远大于引力，导致斥力大于引力。 答案：表现为斥力。因为当分子间距离小于平衡距离 r₀ 时，斥力大于引力，合力表现为斥力。 1.7.2013 我们来看第一道练习题。题目问的是当分子间距离小于平衡距离r₀时，分子力表现为什么力。我们知道，分子间同时存在引力和斥力，且斥力随距离变化更敏感。当距离小于r₀时，斥力的增加量远大于引力，所以合力表现为斥力。 ‹#› 练习题2 题目：用胶水把两张纸粘在一起，利用了分子间的什么作用力？请解释原因。 解题思路 分析：胶水干燥后，胶分子与纸分子间距缩小，进入分子力作用范围。 判断：间距在r₀附近时，分子间引力显著，产生“粘合力”。 答案： 利用了分子间的引力。胶水干燥后，胶水中的分子与纸张分子间的距离减小到分子引力的作用范围内，引力将它们紧紧结合在一起。 1.7.2013 第二题，胶水粘纸利用了什么力？这是一个生活中的例子。胶水的作用原理就是让胶分子和纸分子的距离变得足够近，从而使分子间的引力显现出来，把纸张牢牢粘住。这正是分子间引力的体现。 ‹#› 练习题3 题目：两个分子从相距较远（大于10r₀）的位置开始相互靠近，直到距离小于r₀的过程中，分子间的引力和斥力如何变化？合力如何变化？ 解题过程分析 力的变化：引力和斥力都随着距离的减小而增大（斥力增长速率 > 引力增长速率）。 合力分析： 当 r > r₀ 时：引力 > 斥力，合力表现为引力，且合力先增大后减小。 当 r = r₀ 时：引力 = 斥力，合力为零（平衡位置）。 当 r < r₀ 时：斥力 > 引力，合力表现为斥力，且随距离减小急剧增大。 答案总结：引力和斥力均逐渐增大。合力先表现为引力（先增后减），在r=r₀时为零；随后表现为斥力并急剧增大。 1.7.2013 第三题比较综合，考察分子间作用力随距离变化的全过程。从很远的地方靠近，引力和斥力都在增大，但变化速率不同。在平衡位置之前，引力占主导，合力是引力；过了平衡位置，斥力占主导，合力变成斥力，并且迅速增大。 ‹#› 练习题4 题目：为什么固体很难被压缩，也很难被拉伸？请用分子动理论的观点解释。 解释“难压缩” 当固体被压缩时，分子间距减小（<r₀），分子间斥力迅速增大，阻碍进一步压缩。 解释“难拉伸” 当固体被拉伸时，分子间距增大（>r₀），分子间引力显著增大，阻碍进一步拉伸。 答案总结 固体很难被压缩，是因为压缩时分子间距离变小，斥力显著增大；很难被拉伸，是因为拉伸时分子间距离变大，引力显著增大。分子间的引力和斥力共同维持了固体的形状和体积。 1.7.2013 第四题，解释固体既难压缩又难拉伸的原因。这正是分子间引力和斥力共同作用的结果。压缩时，距离变小，斥力起主要作用；拉伸时，距离变大，引力起主要作用。这两种力使得固体具有一定的形状和硬度。 ‹#› 练习题5 题目：当分子间距离从大于r₀逐渐减小到r₀的过程中，分子力做正功还是负功？分子势能如何变化？ 解题思路分析 1. 分析分子力：当 r > r₀ 时，分子力表现为引力，方向指向平衡位置 r₀。 2. 判断力做功：分子在引力作用下靠近，力与位移同向，因此分子力做正功。 3. 判断势能变化：分子力做正功，分子势能减小（类比重力做功）。 答案：分子力做正功，分子势能减小。 1.7.2013 第六题，我们来探讨分子力做功和势能变化的关系。当分子从远处靠近到平衡位置时，引力做正功，就像物体在重力作用下下落，重力做正功，重力势能减小一样，分子势能也随之减小。 ‹#› 练习题6 题目：为什么气体容易被压缩，而液体和固体很难被压缩？请用分子动理论解释。 气体分析 分子间距大，远大于r₀，作用力微弱，空隙大，因此容易被压缩。 液体与固体分析 分子间距小，接近r₀。压缩时斥力迅速增大，产生强烈抵抗，因此难被压缩。 核心答案总结 气体分子间距离大，作用力微弱，空隙大，故易被压缩；液体和固体分子间距离小，压缩时斥力显著增大，故难被压缩。 1.7.2013 第七题，比较气体、液体和固体的可压缩性。关键在于分子间的距离和作用力。气体分子间距大，作用力小，所以容易被压缩。而液体和固体分子间距小，稍微压缩就会引起强大的斥力，因此难以压缩。 ‹#› 练习题7 题目：两个分子甲和乙相距较远，若甲固定，乙逐渐向甲靠近，直到不能再靠近为止。在此过程中，乙的加速度如何变化？ 解题过程： 分析受力：乙受甲的分子力。开始距离远为引力，先增大后减小；过平衡位置r₀后变为斥力，且急剧增大。 分析加速度：根据a=F/m，加速度与合力成正比。因此，加速度先增大后减小，再反向急剧增大。 答案：乙的加速度先增大后减小，当距离小于r₀后，加速度反向并急剧增大。 1.7.2013 第八题结合了牛顿运动定律。乙分子在靠近甲的过程中，受到的分子力先增大后减小，再反向增大。因此，它的加速度也会经历先增大、后减小、再反向增大的过程。这道题很好地将分子力与运动学结合起来。 ‹#› 练习题8 题目：关于分子间作用力，下列说法正确的是（ ） A. 分子间的引力和斥力总是同时存在的 B. 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而增大 C. 当分子间距离等于r₀时，分子力为零，此时分子间没有引力和斥力 D. 当分子间距离大于10r₀时，分子间的作用力可以忽略不计 解题过程 分析选项A：正确，分子间同时存在引力和斥力。 分析选项B：错误，引力和斥力都随距离增大而减小。 分析选项C：错误，分子力为零是引力和斥力大小相等，并非没有引力和斥力。 分析选项D：正确，距离足够大时，分子间作用力可忽略。 答案：AD（分子间引力和斥力同时存在，且随距离变化趋势一致） 1.7.2013 第九题是一道概念辨析题。大家要牢记，分子间的引力和斥力是同时存在的，且都随距离增大而减小。平衡位置时合力为零，但引力和斥力依然存在。当距离很远时，作用力可以忽略。所以正确答案是A和D。 ‹#› 感谢聆听 1.7.2013 感谢大家的聆听，本节课到此结束。如果大家有任何疑问或者建议，欢迎随时提出。谢谢！ ‹#› $