高中物理選修三《物質是由大量分子組成的》教案

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　　一、教學目標

高中物理選修三《物質是由大量分子組成的》教案

　　1．在物理知識方面的要求：

　　（1）知道一般分子直徑和質量的數量級；

　　（2）知道阿伏伽德羅常數的含義，記住這個常數的數值和單位；

　　（3）知道用單分子油膜方法估算分子的直徑。

　　2．培養學生在物理學中的估算能力，會通過阿伏伽德羅常數估算固體和液體分子的質量、分子的體積（或直徑）、分子數等微觀量。

　　3．滲透物理學方法的教育。運用理想化方法，建立物質分子是球形體的模型，是為了簡化計算，突出主要因素的理想化方法。

　　二、重點、難點分析

　　1．重點有兩個，其一是使學生理解和學會用單分子油膜法估算分子大小（直徑）的方法；其二是運用阿伏伽德羅常數估算微觀量（分子的體積、直徑、分子數等）的方法。

　　2．盡管今天科學技術已經達到很高的水平，但是在物理課上還不能給學生展現出分子的真實形狀和分子的外觀。這給講授分子的知識帶來一定的困難，也更突出了運用估算方法和建立理想模型方法研究固體、液體分子的體積、直徑、分子數的重要意義。

　　三、教具

　　1．教學掛圖或幻燈投影片：水面上單分子油膜的示意圖；離子顯微鏡下看到鎢原子分布的圖樣。

　　2．演示實驗：演示單分子油膜：油酸酒精溶液（1：20O），滴管，直徑約20cm圓形水槽，燒杯，畫有方格線的透明塑料板。

　　四、主要教學過程

　　（一）熱學內容簡介

　　1．熱現象：與溫度有關的物理現象。如熱脹冷縮、摩擦生熱、水結冰、濕衣服晾干等都是熱現象。

　　2．熱學的主要內容：熱傳遞、熱膨脹、物態變化、固體、液體、氣體的性質等。

　　3．熱學的基本理論：由于熱現象的本質是大量分子的無規則運動，因此研究熱學的基本理論是分子動理論、量守恒規律。

　　（二）新課教學過程

　　1．分子的大小。分子是看不見的，怎樣能知道分子的大小呢？

　　（1）單分子油膜法是最粗略地說明分子大小的一種方法。

　　介紹并定性地演示：如果油在水面上盡可能地散開，可認為在水面上形成單分子油膜，可以通過幻燈觀察到，并且利用已制好的方格透明膠片蓋在水面上，用于測定油膜面積。如圖1所示。

　　提問：已知一滴油的體積V和水面上油膜面積S，那么這種油分子的直徑是多少？

　　在學生回答的基礎上，還要指出：

　　①介紹數量級這個數學名詞，一些數據太大，或很小，為了書寫方便，習慣上用科學記數法寫成10的乘方數，如3×10-10m。我們把10的乘方數叫做數量級，那么1×10-10m和9×10-10m，數量級都是10-10m。

　　②如果分子直徑為d，油滴體積是V，油膜面積為S，則d=V／S，根據估算得出分子直徑的數量級為10-10m。

　　（2）利用離子顯微鏡測定分子的直徑。

　　看物理課本上彩色插圖，鎢針的尖端原子分布的圖樣：插圖的中心部分亮點直接反映鎢原子排列情況。經過計算得出鎢原子之間的距離是2×10-10m。如果設想鎢原子是一個挨著一個排列的話，那么鎢原子之間的距離L就等于鎢原子的直徑d，如圖2所示。

　　（3）物理學中還有其他不同方法來測量分子的大小，用不同方法測量出分子的大小并不完全相同，但是數量級是相同的。測量結果表明，一般分子直徑的數量級是10-10m。例如水分子直徑是4×10-10m，氫分子直徑是2.3×10-10m。

　　（4）指出認為分子是小球形是一種近似模型，是簡化地處理問題，實際分子結構很復雜，但通過估算分子大小的數量級，對分子的大小有了較深入的認識。

　　2．阿伏伽德羅常數

　　向學生提問：在化學課上學過的阿伏伽德羅常數是什么意義？數值是多少？明確1mol物質中含有的微粒數（包括原子數、分子數、離子數……）都相同。此數叫阿伏伽德羅常數，可用符號NA表示此常數， NA=6.02×1023個／mol，粗略計算可用NA=6×1023個／mol。（阿伏伽德羅常數是一個基本常數，科學工作者不斷用各種方法測量它，以期得到它精確的數值。）

　　再問學生，摩爾質量、摩爾體積的意義。

　　如果已經知道分子的大小，不難粗略算出阿伏伽德羅常數。例如，1mol水的質量是0.018kg，體積是1.8×10-5m3。每個水分子的直徑是4×10-10m，它的體積是（4×10－10）m3=3×10-29m3。如果設想水分子是一個挨著一個排列的。

　　提問學生：如何算出1mol水中所含的水分子數？

　　3．微觀物理量的估算

　　若已知阿伏伽德羅常數，可對液體、固體的分子大小進行估算。事先我們假定近似地認為液體和固體的分子是一個挨一個排列的（氣體不能這樣假設）。

　　提問學生：1mol水的質量是M=18g，那么每個水分子質量如何求？

　　提問學生：若已知鐵的相對原子質量是56，鐵的密度是7.8×103kg／m3，試求質量是1g的鐵塊中鐵原子的數目（取1位有效數字）。又問：是否可以計算出鐵原子的直徑是多少來？

　　歸納總結：以上計算分子的數量、分子的直徑，都需要借助于阿伏伽德羅常數。因此可以說，阿伏伽德羅常數是聯系微觀世界和宏觀世界的橋梁。它把摩爾質量、摩爾體積等這些宏觀量與分子質量、分子體積（直徑）等這些微觀量聯系起來。

　　阿伏伽德羅常數是自然科學的一個重要常數（曾經學過的萬有引力常量也是一個重要常數）。物理常數是物理世界客觀規律的反映。一百多年來，物理學家想出各種辦法來測量它，不斷地努力，使用一次比一次更精確的測量方法。現在測定它的精確值是NA=6.022045×1023／mol。

　　（三）課堂練習

　　1．體積是10-4cm3的油滴滴于水中，若展開成一單分子油膜，則油膜面積的數量級是

　　A.102cm2 B.104cm2 C.106cm2 D. 108cm2

　　答案：B

　　2．已知銅的密度是8.9×103kg／m3，銅的摩爾質量是63．5×10-3kg／mol。體積是4．5cm3的銅塊中，含有多少原子？并估算銅分子的大小。

　　答案：3．8×1023， 3×10-10m

　　（四）課堂小結

　　1．物體是由體積很小的分子組成的。這一結論有堅實的實驗基礎。單分子油膜實驗等實驗是上述結論的有力依據。分子直徑大約有10－10m的數量級。

　　2．阿伏伽德羅常數是物理學中的一個重要常數，它的意義和常數數值應該記住。

　　3．學會計算微觀世界的物理量（如分子數目、分子質量、分子直徑等）的一般方法。由于微觀量是不能直接測量的，人們可以測定宏觀物理量，用阿伏伽德羅常數作為橋梁，間接計算出微觀量來。如分子質量m，可通過物質摩爾質量M和阿伏伽德羅常數NA，得到m=M／NA。通過物質摩爾質量 M、密度 ρ、阿伏伽德羅常數NA，計算出分子直徑

　　（五）說明

　　1．由于課堂內時間限制，單分子油膜法測定分子直徑的實驗不可能在課堂上完成全過程。在課堂上讓學生看到油膜散開現象和油膜面積的測量方法即可。

　　要想造成單分子油膜，必須選用脂肪酸類，如油酸C17H33COOH或棕櫚酸C15H31COOH，這類脂肪酸分子的形狀為長鏈形，它的羧基一端浸入水中，而烴鏈C17H33伸在水面上方，造成油73酸長分子在水面上垂直排列，如圖3所示。

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