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第一冊分子動理論
一、教學目標
1．在物理知識方面要求：
（1）知道分子的動能，分子的平均動能，知道物體的溫度是分子平均動能大小的標志。
（2）知道分子的勢能跟物體的體積有關，知道分子勢能隨分子間距離變化而變化的定性規(guī)律。
（3）知道什么是物體的內(nèi)能，物體的內(nèi)能與哪個宏觀量有關，能區(qū)別物體的內(nèi)能和機械能。
（4）知道做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，知道兩者的區(qū)別，了解熱功參量的意義。
2．在培養(yǎng)學生能力方面，這節(jié)課中要讓學生建立：分子動能、分子平均動能、分子勢能、物體內(nèi)能、熱量等五個以上物理概念，又要讓學生初步知道三個物理規(guī)律：溫度與分子平均動能關系，分子勢能與分子間距離關系，做功與熱傳遞在改變物體內(nèi)能上的關系。因此，教學中著重培養(yǎng)學生對物理概念和規(guī)律的理解能力。
3．滲透物理學方法的教育：在分子平均動能與溫度關系的講授中，滲透統(tǒng)計的方法。在分子間勢能與分子間距離的關系上和做功與熱傳遞關系上都要滲透歸納推理方法。
二、重點、難點分析
1．教學重點是使學生掌握三個概念（分子平均動能、分子勢能、物體內(nèi)能），掌握三個物理規(guī)律（溫度與分子平均動能關系、分子勢能與分子之間距離關系、熱傳遞與功的關系）。
2．區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量三個物理量是教學上的一個難點；分子勢能隨分子間距離變化的勢能曲線是教學上的另一難點。
三、教具
1．壓縮氣體做功，氣體內(nèi)能增加的演示實驗：
圓形玻璃筒、活塞、硝化棉。
2．幻燈及幻燈片，展示分子間勢能隨分子間距離變化而變化的曲線。
四、主要教學過程
（一）引入新課
我們知道做機械運動的物體具有機械能，那么熱現(xiàn)象發(fā)生過程中，也有相應的能量變化。另一方面，我們又知道熱現(xiàn)象是大量分子做無規(guī)律熱運動產(chǎn)生的。那么熱運動的能量與大量的無規(guī)律運動有什么關系呢？這是今天學習的問題。
（二）教學過程的設計
1．分子的動能、溫度
物體內(nèi)大量分子不停息地做無規(guī)則熱運動，對于每個分子來說都有無規(guī)則運動的動能。由于物體內(nèi)各個分子的速率大小不同，因此，各個分子的動能大小不同。由于熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運動的結果，所以研究個別分子運動的動能是沒有意義的。而研究大量分子熱運動的動能，需要將所有分子熱運動動能的平均值求出來，這個平均值叫做分子熱運動的平均動能。
學習布朗運動和擴散現(xiàn)象時，我們知道布朗運動和擴散現(xiàn)象都與溫度有關系，溫度越高，布朗運動越激烈，擴散也加快。依照分子動理論，這說明溫度升高后分子無規(guī)則運動加劇。用上述分子熱運動的平均動能來說明，就是溫度升高，分子熱運動的平均動能增大。如果溫度降低，說明分子熱運動的平均動能減小。因此從分子動理論觀點來看，溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志�！皹酥尽钡暮x是指物體溫度升高或降低，表示了物體內(nèi)部大量分子熱運動的平均動能增大或減小。溫度不變，就表示了分子熱運動的平均動能不變。其他宏觀物理量如時間、質(zhì)量、物質(zhì)種類都不是分子熱運動平均動能的標志。但是，溫度不是直接等于分子的平均動能。
另一方面，溫度只與物體內(nèi)大量分子熱運動的統(tǒng)計意義上的平均動能相對應，對于個別分子或幾十個、幾百個分子熱運動的動能大小與溫度是沒有關系的。
我們知道，溫度這個物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度，而它又是大量分子熱運動平均動能大小的標志，這是溫度的微觀含義。
2．分子勢能
分子間存在著相互作用力，因此分子間具有由它們的相對位置決定的勢能，這就是分子勢能。
如果分子間距離約為10-10m數(shù)量級時，分子的作用力的合力為零，此距離為r0。
當分子距離小于r0時，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮，彈性勢能Ep增大。
如果分子間距離大于r0時，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸，Ep增大。
從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以r0為數(shù)值基準，r不論減小或增大，分子勢能都增大。所以說，分子在平衡位置處是分子勢能最低點。如果分子間距離是無限遠時，取分子勢能為零值，分子間距離從無限遠逐漸減少至r0以前過程，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，而且距離減少，分子引力做正功，分子勢能不斷減小，其數(shù)值將比零還小為負值。當分子間距離到達r0以后再減小，分子作用力表現(xiàn)為斥力，在分子間距離減小過程中，克服斥力做功，使分子勢能增大。其數(shù)值將從負值逐漸變大至零，甚至為正值。分子勢能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現(xiàn)出來。從圖中看到分子間距離在r0處，分子勢能最小。
既然分子勢能的大小與分子間距離有關，那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢能的大小變化情況呢？如果對于確定的物體，它的體積變化，直接反映了分子間的距離，也就反映了分子間的勢能變化。所以分子勢能的大小變化可通過宏觀量體積來反映。
3．物體的內(nèi)能
（1）物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運動并且相互作用著的分子組成，因此任何物體都是有內(nèi)能的。
提問學生：宏觀量中哪些物理量是分子熱運動的平均動能和分子勢能的標志？
根據(jù)學生的回答，引導到一個確定的物體，分子總數(shù)是固定的，那么這物體的內(nèi)能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體，那么物體的內(nèi)能大小是由質(zhì)量、溫度、體積和物態(tài)來決定。
課堂討論題：下列各個實例中，比較物體的內(nèi)能大小，并說明理由。
①一塊鐵由15℃升高到55℃，比較內(nèi)能。
②質(zhì)量是1kg50℃的鐵塊與質(zhì)量是0.1kg50℃的鐵塊，比較內(nèi)能。
③質(zhì)量是1kg100℃的水與質(zhì)量是1kg100℃的水蒸氣，比較內(nèi)能。
（2）物體機械運動對應著機械能，熱運動對應著內(nèi)能。任何物體都具有內(nèi)能，同時還可以具有機械能。例如在空中飛行的炮彈，除了具有內(nèi)能，還具有機械能——動能和重力勢能。
提問學生：一輛汽車的車廂內(nèi)有一氣瓶氧氣，當汽車以 60km/h行駛起來后，氣瓶內(nèi)氧氣的內(nèi)能是否增加？
通過此問題，讓學生認識內(nèi)能是所有分子熱運動動能和分子勢能之總和，而不是分子定向移動的動能。另一方面，物體機械能增加，內(nèi)能不一定增加。
4．物體的內(nèi)能改變的兩種方式
（1）列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具，鋸條、木頭和刀具溫度升高，說明克服摩擦力做功，可以使物體的內(nèi)能增加。如果外力對物體做功全部用于物體內(nèi)能改變的情況下，外力做多少功，物體的內(nèi)能就改變多少。如果用W表示外界對物體做的功，用ΔE表示物體內(nèi)能的變化，那么有W=ΔE。功的單位是焦耳，內(nèi)能的單位也是焦耳。
演示壓縮空氣，硝化棉燃燒。說明外力壓縮空氣過程，對氣體做功，使氣體的內(nèi)能增加，溫度升高到棉花的燃點而使其燃燒。
以上實例說明做功可以改變物體的內(nèi)能。
（2）在爐灶上燒熱水，火爐烤熱周圍物體，這些物體溫度升高內(nèi)能增加。這些實例說明依靠熱傳遞方式也可以使物體的內(nèi)能改變。物體吸收熱量，內(nèi)能增加。物體放出熱量，物體的內(nèi)能減少。如果傳遞給物體的熱量用Q表示，物體內(nèi)能的變化量是ΔE，那么，Q=ΔE。
熱量的計算公式有：Q=mcΔt，Q=ML，Q=mλ（后面的兩個公式分別是物質(zhì)熔解和汽化時熱量的計算式）。熱量的單位是焦耳，過去的單位是卡。
所以做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式。
（3）做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。
一杯水可以用加熱的方法（即熱傳遞方式）傳遞給它一定的熱量，使它從某一溫度升高到另一溫度。這過程中這杯水的內(nèi)能有一定量的變化。也可以采取做功的方式，比如用攪拌器在水中不斷攪拌，也可以使這杯水從相同的初溫度升高到同一高溫度，這樣，水的內(nèi)能會有相同的變化量。兩種方式不同，得到的結果是相同的。除非事先知道，否則我們無法區(qū)別是哪種方式使這杯水的內(nèi)能增加的。
因此，做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。
（4）雖然做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的，但是這兩種方式的物理過程有本質(zhì)的區(qū)別。做功使物體內(nèi)能改變的過程是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。而熱傳遞的過程只是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，沒有能量形式的轉(zhuǎn)化。
課上練習：
1．判斷下面各結論是否正確？
（1）溫度高的物體，內(nèi)能不一定大。
（2）同樣質(zhì)量的水在100℃時的內(nèi)能比60℃時的內(nèi)能大。
（3）內(nèi)能大的物體，溫度一定高。
（4）內(nèi)能相同的物體，溫度一定相同。
（5）熱傳遞過程一定是從內(nèi)能大的物體向內(nèi)能小的物體傳遞熱量。
（6）溫度高的物體，含有的熱量多，或者說內(nèi)能大的物體含有的熱量多。
（7）摩擦鐵絲發(fā)熱，說明功可以轉(zhuǎn)化為熱量。
答案：（1）、（2）是對的。
2．在標準大氣壓下，100℃的水吸收熱量變成同溫度的水蒸氣的過程，下面的說法是否正確？
（1）分子熱運動的平均動能不變，因而物體的內(nèi)能不變。
（2）分子的平均動能增加，因而物體的內(nèi)能增加。
（3）所吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。
（4）分子的內(nèi)能不變。
答案：以上四個結論都不對。
（三）課堂小結
（1）這節(jié)課上新建立了三個物理概念：分子熱運動的平均動能、分子勢能、內(nèi)能。要知道這三個概念的確切含義，更為重要的是能夠區(qū)分溫度、內(nèi)能、熱量，知道內(nèi)能與機械能的區(qū)別和聯(lián)系。
（2）要掌握三個物理規(guī)律：分子熱運動的平均動能與溫度的關系、分子間的相互作用力與分子間距離的關系、做功與熱傳遞在使物體內(nèi)能改變上的關系。
（四）說明
這節(jié)課是概念性很強的課，又不是從物理實驗或物理現(xiàn)象直接得出結論的課。對于概念要知道引入的目的、確切含義、與其他概念的區(qū)別和聯(lián)系。所以課上要講分子熱運動平均動能、內(nèi)能、熱量等概念的意義，并且要通過實際例題，讓學生通過判斷、推理來加深對這些概念的認識。
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