问题导入

《庄子·天下》篇中写道：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，意思是：一根一尺的木棍，如果每天截取它的一半，永远也取不完。真的是这样吗？百花盛开的季节，我们坐在教室里，即使看不见花，但仍然能够闻到花的芬芳。而在有些地方，由于汽车尾气、工厂烟气等的排放，空气被污染，即使门窗紧闭，人们仍然能闻到难闻的气味。这是为什么呢？完成了本任务，你就可以解答这些疑惑了。

图4-1-1　工厂排放大量烟气，导致空气污染

1.分子动理论

（1）物质由大量分子组成

自古以来，人们就在不断地探索物质的组成。《易经》将物质的根源归结为天、地、雷、火、风、泽，水、山等8种物质；春秋时期的老子认为，“道生一，一生二，二生三，三生万物”；战国时期盛行五行说，认为世界万物是由金、木、水、火、土等5种基本物质组成的。在古希腊，哲学家泰勒斯认为世界万物的本质是水；德谟克利特认为宇宙万物由许多“原子”组成，“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。但是，这些想法只是基于抽象的、哲学的推理。

17世纪中叶，在大量严密实验的基础上，英国科学家玻意耳提出，那些用化学方法不能再分解的元素才是组成万物的简单物质。随着对物质的研究越来越深入，现在人们已经知道了物质是由分子、原子和离子等微粒组成。在研究热现象时，这些微粒做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子。组成物质的分子很小，不同的分子大小不同，但相差不大。分子直径的数量级约为10-10m，如果把2.5×107个水分子一个个紧挨着排列起来，总长度也不过1cm。可见，分子实在太小，用肉眼根本无法直接看到它。现在，人们发明了先进的显微设备，可以观察到组成物质的微粒。图4-1-2是用扫描隧道显微镜拍摄的金原子在石墨表面的照片。

图4-1-2　用扫描隧道显微镜拍摄的金原子在石墨表面上的照片

由于分子很小，物体包含的分子数目都非常巨大。例如，如果将58.5 g食盐放进库容为1010m3的大型水库里，当食盐分子均匀分散到水中之后，任意取出其中1mL的水，其中所含的食盐分子仍然在600万个以上。

（2）分子不停地做无规则的运动

1827年，英国植物学家布朗在用显微镜对野花花粉进行观察时，发现了一种奇妙的现象：悬浮在水中的花粉微粒不停地做无规则运动。不久以后，他又观察到非常微小的无机物粒子也有类似的现象。人们把这种微粒永不停息的无规则运动称为布朗运动。

布朗运动现象可以通过实验进行观察。

做一做

如图4-1-3所示，用灯光照射装在器皿中的烟雾，在显微镜下可以观察到有微粒在不停地做无规则的运动。

如果将藤黄粉放入水中制成悬浊液，取一滴放在显微镜下观察，可以看到小小的藤黄颗粒在不停地做无规则的运动。

图4-1-3　观察布朗运动

如果通过显微镜追踪某个悬浮在水中的微粒的运动，每隔30s记录一次该微粒的位置，然后用直线把这些位置依次连接起来，就可以大致了解该微粒运动的情况。图4-1-4是记录的3个花粉微粒的运动状况。我们看到这些微粒在不停地做无规则运动，仿佛不断地被某种看不见的力量推来推去。科学家对布朗运动的机理进行了探索，微粒之所以运动，是周围液体分子从四面八方撞击微粒引起的。如图4-1-5所示，由于微粒很小，受到周围分子的碰撞很不均匀。在某一瞬间，微粒受到某一方向的撞击作用强一些，下一瞬间，微粒受到另一方向的撞击作用强些，所以每个微粒的运动都是无规则的。布朗运动表明分子不停地做无规则的运动。

图4-1-4　布朗运动记录图

图4-1-5　布朗运动原因分析图

演示实验

扩散现象与分子运动

在一个充满棕色二氧化氮气体的广口瓶上倒扣一个空广口瓶，如图4-1-6所示。抽掉瓶间的玻璃板，过一段时间可以发现，密度较大的二氧化氮气体慢慢进入上面的瓶子，最后两瓶中气体的颜色变得均匀。这就是扩散现象。

想一想，为什么会发生这种现象呢？

图4-1-6　二氧化氮的扩散

（3）分子之间有相互的作用力

既然分子在不停地运动，为什么固体和液体能保持一定的形状和体积，而气体则不能呢？这与分子间的相互作用力有关。下面我们通过实验来认识分子的相互作用力。

演示实验

分子引力

如图4-1-7所示，将两铅块的表面挫平，让挫平面相互接触并施加压力，两铅块会黏合在一起。将它们挂在支架上，在下端的钩子上逐渐增加钩码。可以看到，需较大的力才能把它们拉开。

图4-1-7　分子力演示

由上述实验可知，组成物质的分子之间存在着相互作用的引力。我们在切割金属、拉断绳子、劈开木柴时，都要克服分子引力。日常经验告诉我们，固体和液体很难被压缩，说明物质内部的分子之间还存在斥力。

研究表明，分子力是由于分子内部复杂的带电结构而使分子之间存在的一种力，本质上讲属于电磁力。

分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的，且都随着距离的增大而减小，它们的合力表现为分子力。

分子间有一个平衡距离，用r0表示，数量级是10-10m，和一个分子直径的数量级相当。当分子间的距离为r0时，分子的引力等于斥力，此时分子力表现为零；当分子间的距离大于r0时，引力大于斥力，分子力表现为引力；当分子的距离小于r0时，分子的斥力大于引力，分子力表现为斥力。

当分子的距离很大时（一般大于10r0），分子间的引力和斥力都变得十分微弱，可以不计。因此，气体分子间就基本上不用考虑分子间的相互作用力，我们称为自由分子。(www.daowen.com)

2.温度

研究还发现，温度越高，布朗运动越剧烈，说明周围液体分子运动越剧烈。对于单个分子而言，它的速度不能确定是否增大了，但可以确定所有分子的平均动能增大了。所以，温度是分子平均动能大小的标志。由于分子的运动与温度有关，我们称之为热运动。

在日常生活中，用摄氏温标表示的温度，叫作摄氏温度，用t表示，单位是摄氏度，符号是℃。在国际单位制中，用热力学温标表示温度，叫热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号K。

热力学温度和摄氏温度的关系为：

T=t+273.15K

热力学温度和摄氏温度零点选择不同，但每一度大小是相同的。即ΔT=Δt，热力学温度的零度是低温的极限，叫绝对零度，只能无限接近但不可能达到。

温度可以用各种温度计来测量，如图4-1-8所示。

图4-1-8　各种温度计

3.气体的压强

下雨时，雨滴打在雨伞上使伞面受到冲力，单个雨滴对伞面的冲力是短暂和微不足道的，但大量密集的雨滴打在伞面上，就对伞产生一个持续而均匀的压力，如图4-1-9所示。与此类似，大量气体分子频繁地碰撞容器壁也能产生类似的效果，因此，气体的压强是由分子碰撞产生的，大量气体分子对容器壁单位面积上的压力就是气体的压强。

图4-1-9　大量雨滴打在雨伞上形成持续的力

演示实验

模拟气体压强的产生

如图4-1-10所示，将小钢珠从台秤上方5cm处倒下。观察台秤示数。将等量小钢珠从更高处倒下，再次观察台秤示数。可以看出：释放高度越高，台秤示数越大。由此可以类比出：气体分子平均动能越大，气体压强越大。

图4-1-10

将小钢珠从台秤上方5cm处倒下，观察台秤示数。将更多小钢珠从台秤上方5cm位置释放，再次观察台秤示数。可以看出释放的钢珠越多，台秤示数越大。可以类比出：气体分子越密集，气体压强越大。

对于一定质量的气体，气体压强的大小与两个因素有关，一个是气体分子的平均速率，另一个是容器中分子密度。

压强用p表示。在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。

STS

车用胎压表

汽车轮胎的气压直接影响汽车的安全性能和轮胎的使用寿命。轮胎气压过高或过低，都会造成胎壳破裂，影响行车的安全。所以，车辆需要经常检测胎压。如图4-1-11所示，车用胎压表是一种特殊压力表，专用于测量汽车、卡车、自行车等车轮胎内的压力。

图4-1-11　测胎压

习　题

1.试列举几个日常生活的实例说明分子动理论的内容。

2.有人说布朗运动就是分子的运动，这种说法对吗？为什么颗粒很大时就观察不到布朗运动了？

3.下述现象中能说明分子在做热运动的是（　）。

A.向一杯清水中滴入一滴红墨水，不搅动，过一段时间全杯水都变成红色

B.电扇吹风

C.河水流动

D.打开香水瓶塞可以闻到香味

4.关于分子间的相互作用力，下列说法正确的是（　）。

A.当r=10r0时，分子间相互作用力突然消失　B.当r=r0时，分子间不存引力和斥力

C.当r＞r0时，分子斥力小于分子引力　D.当r＜r0时，分子斥力大于分子引力

5.下列关于温度的说法正确的是（　）。

A.温度是表示物体冷热程度的物理量

B.温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度

C.温度是分子热运动平均动能的标志

D.在国际单位制中，温度的单位是摄氏度