教材圖像掃盲（選擇性必修3）一、分子動理論【以圖說法】圖1.1-4三顆微粒運動位置的連線1.懸浮微粒的無規則運動叫作布朗運動。2.微粒位置的連線并非微粒的運動軌跡。圖1.1-5液體分子沿各方向對微粒的撞擊懸浮在液體中的微粒越小，在某一瞬間跟它相撞的液體分子數越少，撞擊作用的不平衡性就表現得越明顯，并且微粒越小，它的質量越小，其運動狀態越容易被改變，因而，布朗運動越明顯。圖1.2-1水面上單分子油膜的示意圖d=V圖1.3-2氧氣分子的速率分布情況(1)按“中間多、兩頭少”分布；(2)圖線與橫軸所圍面積為1；(3)溫度越高，分子的熱運動越劇烈。圖1.3-3氣體分子與器壁碰撞的示意圖從分子動理論的觀點來看，氣體對容器的壓強源于氣體分子的熱運動，當它們飛到器壁時，就會跟器壁發生碰撞(可視為彈性碰撞)，就是這個撞擊對器壁產生了作用力，從而產生了壓強。如圖甲，選擇一個與器壁發生正碰的氣體分子為研究對象，由于是彈性碰撞，所以氣體分子與器壁碰撞前后的動量大小為mv，方向相反(如圖乙)，氣體分子受到的沖量為FΔt=-mv-mv=-2mv，氣體分子受到的作用力為F=-2mvΔt，根據牛頓第三定律，器壁受到的作用力為F'圖1.3-4模擬氣體壓強產生機理的實驗從微觀角度來看，氣體分子的數量是巨大的。一方面，若某容器中氣體分子的平均速率越大，單位面積上氣體分子與器壁的碰撞對器壁的作用力就越大；另一方面，若容器中氣體分子的數密度大，在單位時間內，與單位面積器壁碰撞的分子數就越多，平均作用力也會較大。圖1.4-1兩個分子相互作用的示意圖圖1.4-2分子間的作用力與分子勢能1.當分子B向分子A靠近，分子間距離r大于r0時，分子間的作用力表現為引力，力的方向與分子的位移方向相同，分子間的作用力做正功，分子勢能減小。當分子間距離r減小到r0時，分子間的作用力為0，分子勢能減到最小。越過平衡位置r0后，分子B繼續向分子A靠近，分子間的作用力表現為斥力，力的方向與分子的位移方向相反，分子間的作用力做負功，分子勢能增大。2.分子勢能的大小是由分子間的相對位置決定的。r為無窮遠時的分子勢能Ep為0，當r=r0時，分子勢能最小。3.物體的體積變化時，分子間距離將發生變化，因而分子勢能隨之改變。可見，分子勢能與物體的體積有關。二、氣體、固體和液體【以圖說法】圖2.2-5一定質量的氣體，不同溫度下的等溫線T2>T1圖2-2一質量為m的汽缸，用活塞封著一定質量的理想氣體，當汽缸水平橫放時，汽缸內空氣柱長為l0(圖甲)，現把活塞按如圖乙那樣懸掛，汽缸懸在空中保持靜止。求此時汽缸內空氣柱長度為多少？已知大氣壓為p0，活塞的橫截面積為S，它與汽缸之間無摩擦且不漏氣，氣體溫度保持不變，重力加速度為g。汽缸內空氣柱的初始壓強為p0，初始體積：V0=l0S汽缸懸在空中保持靜止時，空氣柱的壓強：p1=p0-mgS，設汽缸內空氣柱長度為l由玻意耳定律有p0l0S=p1l1S解得l1=p0圖2-1自動洗衣機細管中空氣壓強達到一定數值時，壓力傳感器使進水閥門關閉，達到自動控水的目的。假設剛進水時細管被封閉的空氣柱長度為50cm，當空氣柱被壓縮到48cm時壓力傳感器使洗衣機停止進水，此時洗衣缸內水位有多高？大氣壓取1×105Pa，g取10m/s2。設細管的橫截面積為S，則封閉空氣的初始體積為V1=L1S=50cm×S，初始壓強為p1=1×105Pa。停止進水時，封閉空氣的體積為V2=L2S=48cm×S，設壓強為p2由玻意耳定律有p1V1=p2V2解得p2=2524×105設洗衣缸內水位高度為h，則p2=p1+ρgh其中ρ=1×103kg/m3解得h≈41.7cm。圖2.3-1壓強不變時體積與溫度的關系蓋—呂薩克定律：V1T圖2.3-2氣體等容變化的p-T圖像查理定律：p1T圖2-5設B管的體積與A泡的體積相比可略去不計。(1)在標準大氣壓下對B管進行溫度刻度標注(標準大氣壓相當于76cm高的水銀柱所產生的壓強)。當溫度t1為27℃時，管內水銀面高度為16cm，此高度即為27℃的刻度線。問t為-3℃的刻度線在x為多少厘米處？(2)如果對以上B管標注27℃刻度線時，環境真實壓強比標準大氣壓小(例如在高山上實驗)，但實驗者當成了標準大氣壓來設計。若在標準大氣壓下使用此溫度計，溫度計顯示的溫度為“-3℃”，則顯示的溫度比實際溫度高還是低？為什么？(1)初始狀態的溫度T1=300K，壓強p1=(76-16)cmHg=60cmHg末狀態的溫度T2=270K，壓強p2=(76-x)cmHg過程為等容變化，由查理定律可知p1T1即60cmHg300K=(76-x)cmHg(2)由查理定律可知p1T1=ΔpΔT，則設管內水銀面移動的距離為Δx，則ΔT=T1p1ρg27℃時環境真實壓強比標準大氣壓小，T1p1的值就偏大，在管內水銀面移動的距離Δx相同的情況下，實際溫度的改變量ΔT就大；也就是說，管內水銀面移動到刻度為“-3℃”圖2.3-5向一個空的鋁制飲料罐中插入一根透明吸管，接口用蠟密封，在吸管內引入一小段油柱(長度可以忽略)。如果不計大氣壓的變化，這就是一個簡易的氣溫計。已知罐的容積是360cm3，吸管內部粗細均勻，橫截面積為0.2cm2，吸管的有效長度為20cm，當溫度為25℃時，油柱離管口10cm。若給吸管上標刻溫度值，刻度是否均勻？試估算這個氣溫計的測量范圍。(1)由蓋—呂薩克定律得V1T1=V2T2=設吸管內部的橫截面積為S，油柱密封的氣體在25℃時的熱力學溫度為T1，體積為V1，當溫度變化Δt時油柱移動的距離為Δl，則有V1T1=Δl·SΔt，即Δ由上式可以看出，Δt與Δl成正比關系，所以給吸管上標刻溫度值時，刻度是均勻的。(2)當溫度為25℃時，T1=(273+25)K=298K，V1=360cm3+0.2×10cm3=362cm3由(1)中的結論可得，油柱移動10cm對應的溫度變化為Δt=T1SV1Δl=298×0.2362×10℃≈1.6℃。所以這個氣溫計的測量范圍約為(25℃-1.6℃)~(25℃+1.6℃)圖2.3-6一個容器內部呈不規則形狀，為測量它的容積，在容器上插入一根兩端開口的玻璃管，接口用蠟密封。玻璃管內部橫截面積為S，管內一靜止水銀柱封閉著長度為l1的空氣柱，如圖，此時外界的溫度為T1。現把容器浸在溫度為T2的熱水中，水銀柱靜止時下方的空氣柱長度變為l2。實驗過程中認為大氣壓沒有變化，請根據以上數據推導容器容積的表達式。設容器容積為V封閉空氣的初狀態參量為V1=l1S+V，T1封閉空氣的末狀態參量為V2=l2S+V，T2由蓋—呂薩克定律得V1T即l1S解得V=l2T圖2-9pA=1.5×105PapAVAT圖2.5-2觀察肥皂膜和棉線的變化(表面張力)圖2.5-7表面張力對管中液體形成向上的拉力的示意圖三、熱力學定律【以圖說法】汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。熱力學第一定律：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。ΔU=Q+W絕熱過程：ΔU=W單純地對系統傳熱：ΔU=Q圖3-4如圖，在豎直放置的圓柱形容器內用質量為m的活塞密封一部分氣體，活塞能無摩擦地滑動，容器的橫截面積為S，將整個裝置放在大氣壓恒為p0的空氣中，開始時氣體的溫度為T0，活塞與容器底的距離為h0，當氣體從外界吸收熱量Q后，活塞緩慢上升d后再次平衡。(重力加速度為g)(1)外界空氣的溫度是多少？(2)在此過程中的密閉氣體的內能增加了多少？(1)密封氣體初狀態的溫度為T0，體積為V0=h0S末狀態的溫度等于外界空氣的溫度，設為T1，體積為V1=(h0+d)S由蓋—呂薩克定律有V0T0=V1T1，解得：T1(2)密封氣體的壓強p=p0+mg氣體對外界做的功為W=-pSd=-(p0+mgS)Sd=-(p0Sd+mgd由熱力學第一定律有ΔU=Q+W得出ΔU=Q-p0Sd-mgd。圖3-5如圖，一定質量的理想氣體從狀態A變化到狀態B，已知在此過程中，氣體吸收了300J的熱量，則該過程中氣體內能變化了多少？氣體對外界做的功為W=-pSd=-pΔV=-0.4×105×2.0×10-3J=-80J由熱力學第一定律有ΔU=Q+W得出ΔU=300J-80J=220J。圖3.4-1電冰箱實例圖3.4-2熱機工作時的能流分配圖3.4-3熱機能流圖熱力學第二定律的克勞修斯表述：熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。開爾文表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。圖3.4-4抽取隔板后氣體會怎么樣(B為真空)1.氣體向真空自由擴散，此過程不可逆；2.熵增加原理：一個孤立系統的熵值總是不減少的；3.從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統計規律：一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發的宏觀過程總是向無序度更大的方向發展。【規律總結】1.分子動理論(1)分子動理論基本內容①物體是由大量分子組成的a.分子直徑大小的數量級為10-10m。b.一般分子質量的數量級為10-26kg。c.阿伏加德羅常數：NA=6.02×1023mol-1。②分子永不停息地做無規則熱運動a.擴散現象：溫度越高，擴散越快。b.布朗運動：布朗運動反映了液體(或氣體)分子的無規則運動。微粒越小，運動越明顯；溫度越高，運動越劇烈。c.熱運動：分子做永不停息的無規則運動。③分子間存在著相互作用力分子間的作用力F、分子勢能Ep與分子間距離r的關系圖線如圖所示(取無窮遠處分子勢能Ep=0)。(2)微觀量估算的兩種建模方式①固體和液體可以看作球體模型：一個分子體積V0=43π(d2)3=16πd3②氣體分子可以看作立方體模型：一個分子所占的平均空間V0=d3，d為分子間的距離。(3)阿伏加德羅常數的應用阿伏加德羅常數是聯系宏觀量(摩爾質量Mmol、摩爾體積Vmol、密度ρ等)與微觀量(分子直徑d、分子質量m0、分子體積V0等)的“橋梁”。如圖所示。①一個分子的質量：m0=Mmol②一個分子所占的體積：V0=VmolNA(估算固體、2.溫度和物體的內能(1)兩種溫度的關系：T=t+273.15K。(2)物體的內能①分子的平均動能：物體內所有分子動能的平均值，溫度是分子平均動能的標志。②分子勢能：由分子間的相互作用和相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子勢能的大小與物體的體積有關。③物體的內能：物體中所有分子熱運動的動能與分子勢能的總和。物體的內能跟物體的溫度和體積都有關系。3.固體和液體性質的理解(1)晶體和非晶體①單晶體具有各向異性，但不是在所有物理性質上都表現出各向異性。②只要是具有各向異性的物體必定是晶體，且是單晶體。③只要是具有確定熔點的物體必定是晶體，反之，必是非晶體。④單晶體具有天然規則的幾何外形，而多晶體和非晶體沒有天然規則的幾何外形。所以不能從形狀上區分晶體與非晶體。⑤晶體和非晶體不是絕對的，在某些條件下可以相互轉化。(2)液體表面張力①表面張力的效果：表面張力使液體表面積具有收縮的趨勢，使液體表面積趨于最小，而在體積相同的條件下，球形的表面積最小。②表面張力的方向：和液面相切，且與分界面垂直。4.氣體(1)氣體分子運動的特點分子能充滿所能達到的空間，向各個方向運動的分子數相等，分子速率呈“中間多、兩頭少”的分布規律。(2)氣體的“三定律、一方程”玻意耳定律：p1V1=p2V2查理定律：p1T1=p2蓋—呂薩克定律：V1T1=V2理想氣體狀態方程：p1V1T1=p(3)應用氣體實驗定律或氣體狀態方程解題的步驟(4)“變質量氣體”問題的分析方法通過巧妙地選擇合適的研究對象，使變質量問題轉化為氣體質量一定的問題，然后利用氣體實驗定律和理想氣體狀態方程求解。類別研究對象打氣問題選擇原有氣體和即將充入的氣體作為研究對象抽氣問題將每次抽氣過程中抽出的氣體和剩余氣體作為研究對象灌氣問題把大容器中的剩余氣體和多個小容器中的氣體整體作為研究對象漏氣問題選容器內剩余氣體和漏出氣體整體作為研究對象(5)氣體狀態變化的圖像比較類別特點(其中C為常量)舉例p-VpV=CT，即pV之積越大的等溫線溫度越高，線離原點越遠p-1p=CT1V，斜率k=CTp-Tp=CVT，斜率k=CV-TV=CpT，斜率k=C5.熱力學定律(1)熱力學第一定律①表達式：ΔU=W+Q。②正、負號法則。符號WQΔU+外界對物體做功物體吸收熱量內能增加-物體對外界做功物體放出熱量內能減少③第一類永動機違背了能量守恒定律，不能制成。(2)熱力學第二定律①兩種表述：a.熱量不能自發地從低溫物體傳到高溫物體。b.不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響。②第二類永動機違背了熱力學第二定律，不能制成。(3)解答氣體實驗定律與熱力學定律綜合問題的思路四、原子結構和波粒二象性【以圖說法】把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射后，驗電器張開的指針夾角會變小，說明鋅板帶的負電荷變少了。這意味著，紫外線會讓電子從鋅板表面逸出。照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個現象稱為光電效應，這種電子常稱為光電子。圖4.2-1研究光電效應的電路圖圖4.2-2光電流與電壓的關系①存在截止頻率②存在飽和電流③存在遏止電壓：12mevc2④光電效應具有瞬時性圖4.2-4光電效應的Ek-ν圖像愛因斯坦光電效應方程：Ek=hν-W0圖4.2-5某金屬的Uc-ν圖像Uc=heν-圖4-1在光電效應實驗中，小明用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲、乙、丙)(1)甲、乙兩種光的頻率，ν甲<ν乙(2)乙、丙兩種光的波長，λ乙<λ丙(3)乙、丙兩種光所對應的截止頻率，νc乙=νc丙(4)甲、乙、丙三種光所產生的光電子的最大初動能，Ekm甲=Ekm丙<Ekm乙圖4-2(1)用頻率為ν1的光照射光電管，此時電流表中有電流。調節滑動變阻器，使電流表示數恰好變為0，記下此時電壓表的示數U1。(2)用頻率為ν2的光照射光電管，重復(1)中的步驟，記下電壓表的示數U2。已知電子的電荷量為e，請根據以上實驗，推導普朗克常量實驗測定值的計算式。由愛因斯坦光電效應方程可知，Ek1=hν1-W0，Ek2=hν2-W0由動能定理可知，Ek1=eU1，Ek2=eU2聯立以上各式解得h=e(圖4.2-6光子既有能量也有動量康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。p=hλ圖4.3-4α粒子散射圖景1.α粒子散射現象(1)絕大多數α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進。(2)少數α粒子(約占18000)(3)極少數偏轉的角度甚至大于90°，幾乎被“撞了回來”。2.盧瑟福核式結構模型：原子的中心有一個很小的核，稱為原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核運動。3.對于一般的原子核，實驗確定的核半徑的數量級為10-15m，而整個原子半徑的數量級是10-10m，兩者相差十萬倍之多。圖4.4-3氫原子的光譜Hα、Hβ、Hγ、Hδ譜線的波長λ滿足一個簡單的公式，即1λ=R∞(122-1n2)，n=3，4，5，…，式中R∞叫作里德伯常量，實驗測得的值為R∞=1.10×107圖4.4-5氫原子的電子軌道示意圖1.電子的軌道是量子化的；2.原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫作能級。原子中這些具有確定能量的穩定狀態，稱為定態。能量最低的狀態叫作基態，其他的狀態叫作激發態。3.頻率條件：hν=En-Em(m<n)。圖4.4-6氫原子能級圖1.氫原子的能級公式：En=1n2E1(n=1，2，32.一個氫原子躍遷發出可能的光譜線條數最多為(n-1)。3.大量處于n激發態的氫原子向低能級躍遷時，輻射光的頻率種類：N=Cn2=圖4.5-1電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣圖4.5-2電子干涉條紋實物粒子具有波動性，粒子的能量ε和動量p跟它所對應的波的頻率ν和波長λ之間，遵從關系ν=εh，λ=h五、原子核【以圖說法】圖5.1-1三種射線在磁場中的運動徑跡不同α射線是α粒子流，電離能力較強，穿透能力較弱，在空氣中只能前進幾厘米，用一張紙就能把它擋住。β射線是電子流，速度可以接近光速。β射線的電離作用較弱，穿透能力較強，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。γ射線是一種電磁波，波長很短的光子，波長在10-10m以下。γ射線的電離作用更弱，穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘米厚的混凝土。圖5.2-1α衰變92238U→90圖5.2-2β衰變90234Th→91圖5.2-3中子的轉化圖5.2-4氡的衰變β衰變的實質在于核內的中子轉化成了一個質子和一個電子，其轉化方程是01n→1m=m0(1N=N0(1圖5.3-4原子核的比結合能1.原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。這個能量也是核子結合成原子核而釋放的能量。2.組成原子核的核子數越多，它的結合能越大。原子核的結合能與核子數之比，叫作比結合能，也叫作平均結合能。比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。3.原子核的質量小于組成它的核子的質量之和，這個現象叫作質量虧損。4.中等大小的核的比結合能最大(平均每個核子的質量虧損最大)，這些核最穩定。圖5.4-1核裂變示意圖92235U+01n→56圖5.4-6核聚變示意圖12H+13H【規律總結】1.波粒二象性(1)黑體輻射的實驗規律能量子①黑體輻射的實驗規律隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。②能量子不可再分的最小能量ε=hνh=6.63×10-34J·s，稱為普朗克常量。(2)光電效應①光電效應的規律a.每種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。b.光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大。c.只要入射光的頻率大于等于金屬的截止頻率，照到金屬表面時，光電子的發射幾乎是瞬時的，與光的強度無關。d.當入射光的頻率大于等于金屬的截止頻率時，飽和電流與入射光的強度成正比。②分析光電效應的兩條線索a.光的頻率——光子能量——光電子最大初動能——遏止電壓；b.光照強度——光子數量——光電子數量——飽和電流。③光電效應的三個公式a.愛因斯坦光電效應方程：Ek=hν-W0；b.最大初動能與遏止電壓的關系：Ek=eUc；c.逸出功W0與截止頻率νc的關系：W0=hνc=hcλ④光電效應的四類圖像圖像名稱圖線形狀由圖線得到的物理量光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像①截止頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc。②逸出功W0：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值E。③普朗克常量h：圖線的斜率k。顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系圖像①遏止電壓Uc。②飽和電流Im1、Im2：光電流的最大值。③最大初動能：Ek=eUc。強度相同、顏色不同的光，光電流與電壓的關系圖像①遏止電壓Uc1、Uc2。②飽和電流Im1、Im2：光電流的最大值。③最大初動能：Ek1=eUc1，Ek2=eUc2。遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖像①截止頻率νc。②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大。③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h=ke。(3)光具有波粒二象性①光的干涉和衍射說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。②光子能量和動量：光子能量ε=hν，光子動量：p=hλ(4)實物粒子也具有波粒二象性。2.原子結構物理學史(1)光譜①光譜分類②氫原子光譜的實驗規律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區的譜線系，其波長公式1λ=R∞(122-1n2)(n=3，4，5，…，R∞是里德伯常量，R∞=1.10×10(2)玻爾理論①能級和半徑公式：a.氫原子的能級公式：En=E1n2(n=1，2，3，…)，其中E1為基態能量，Eb.氫原子核外電子的軌道半徑公式：rn=n2r1(n=1，2，3，…)，其中r1為基態半徑，r1=0.53×10-10m。②能級躍遷a.從低能級(m)高能級(n)→吸收能量，hν=En-Em。b.從高能級(n)低能級(m)→放出能量，hν=En-E