高中物理 3-3
一、分子动理论
1、物体是由大量分子组成的
微观量：分子体积 V0、分子直径 d、分子质量 m0
宏观量：物质体积 V、摩尔体积 Vmol 、物体质量 m、摩尔质量 M mol 、物质密度 ρ。
联系桥梁：阿伏加德罗常数（ NA＝6.02 × 10 23mol
23mol
－1
）
m
V
M
mol
V
mol
（1）分子质量：
m M V
mol mol
m
0 N
N N
A A
（2）分子体积：
V V M
mol mol
V ＝ ＝ （ 对气体， V
0 N
N N
0 应为气体分子占据的空间大小 ）
A A
（3）分子大小： (数量级 10
-10 m)
○1 球体模型．
V M 4 d
mol mol 3
V0 ( )
N N 3 2
A A
直径
3 6V0
d （固、液体一般用此模型）
油膜法估测分子大小：
V
d S---- 单分子油膜的面积， V---- 滴到水中的纯油酸的体积
S
○2 立方体模型．
d = 3 V （气体一般用此模型；对气体， d 应理解为相邻分子间的平均距离 ）
0
注意：固体、液体分子可估算分子质量、大小 ( 认为分子一个挨一个紧密排列 )；
气体分子间距很大，大小可忽略，不可估算大小，只能估算气体分子所占空间、分子质量。
m v v m
（4）分子的数量： A A N A
N nN N N N
A A
M V M V
mol mol mol mol
2、分子永不停息地做无规则运动
（1）扩散现象：不同物质彼此进入对方的现象。温度越高，扩散越快。直接说明了组成物体的分子总是不停地做无
规则运动，温度越高分子运动越剧烈。
（2）布朗运动：悬浮在液体中的 固体微粒 的无规则运动。
发生原因是固体微粒受到包围微粒的液体分子无规则运动地撞击的不平衡性造成的．因而间接 ．．说明了液体分子
在永不停息地做无规则运动．
① 布朗运动是固体微粒的运动而不是固体微粒中分子的无规则运动．
②布朗运动反映液体分子的无规则运动但不是液体分子的运动．
③课本中所示的布朗运动路线，不是固体微粒运动的轨迹．
④ 微粒越小 ，布朗运动越明显；温度越高，布朗运动越明显．
3、分子间存在相互作用的引力和斥力
① 分子间引力和斥力一定同时存在，且都随分子间距离的增大而减
小，随分子间距离的减小而增大，但斥力变化快，实际表现出的分子
力是分子引力和分子斥力的合力
－10m）与 10r
② 分子力的表现及变化，对于曲线注意两个距离，即平衡距离 r 0（约 10
0。
（ⅰ）当分子间距离为 r 0 时，分子力为零。
（ⅱ）当分子间距 r ＞r 0 时，引力大于斥力，分子力表现为引力。当分子间距离由 r 0 增大时，分子力先增大后减小
1
（ⅲ）当分子间距 r ＜r 0 时，斥力大于引力，分子力表现为斥力。当分子间距离由 r 0 减小时，分子力不断增大
4、温度：宏观上的温度表示物体的冷热程度，微观上的温度是物体大量分子热运动平均动能的标志。热力学
温度与摄氏温度的关系： T t 273.15K
5、内能
（1）、统计规律：单个分子的运动都是不规则的、带有偶然性的；大量分子的集体行为受到统计规律的支配。多数
分子速率都在某个值附近，满足“ 中间多，两头少 ”的分布规律。
（2）、分子平均动能：物体内所有分子动能的平均值。
①温度是分子平均动能大小的标志。
②温度相同时任何物体的分子平均动能相等，但平均速率一般不等（分子质量不同）．
(3) 、分子势能
① 一般规定无穷远处分子势能为零，
② 分子力做正功分子势能减少，分子力做负功分子势能增加。
③ 分子势能与分子间距离 r 0 关系
a. 当 r ＞r 0 时，r 增大，分子力为引力，分子力做负功分子势能增大。
b. 当 r ＞r 0 时，r 减小，分子力为斥力，分子力做负功分子势能增大。
c. 当 r =r0 （平衡距离）时，分子势能最小（为负值）
(4) 、决定分子势能的因素：从宏观上看：分子势能跟物体的体积有关。（ 注意体积增大，分子势能不一定增大 ）
从微观上看：分子势能跟分子间距离 r 有关。
（5）、内能：物体内所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和 E N EK EP
内
① 内能是状态量
② 内能是宏观量，只对大量分子组成的物体有意义，对个别分子无意义。
③ 物体的内能由物质的量（分子数量）、温度（分子平均动能）、体积（分子间势能）决定，与物体的宏观机械运
动状态无关．内能与机械能没有必然联系．
④改变内能的方式：做功与热传递在使物体内能改变
二、气体实验定律 理想气体
（1）气体压强微观解释：大量气体分子对器壁频繁持续地碰撞产生的。
决定因素：①气体分子的平均动能，从宏观上看由气体的温度决定
②单位体积内的分子数 ( 分子密集程度 ) ，从宏观上看由气体的体积决定
（2）三种变化：探究一定质量理想气体压强 p、体积 V、温度 T 之间关系，采用的是控制变量法
①等温变化，玻意耳定律： PV＝C
②等容变化，查理定律： P / T ＝C
③等压变化，盖—吕萨克定律： V/ T ＝ C
(3) 气体实验定律
①玻意耳定律： pV C （C为常量与）→等温变化 ( P1V1 P2V2 或
P
1
P
2
V
2
V
1
)
适用条件：气体 质量. 温度 不变时
微观解释：一定质量的理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的，在这种情况下，体积减少时，分
子的密集程度增大，气体的压强就增大。
2
图象表达：
p
1
V 图像 p V
图像
图像特点
物理意义 一定质量的理想气体，温度保持不变时， 一定质量的理想气体，温度保持不变
pV C ，P 与
1
V
成正比 ，在
p
1
V
图像上
时， pV C ，P与 V 成反比 ，在 p V
的等温线是过原点的直线。
图像上的等温线是双曲线的一支
②查理定律：
p
T
C
（C为常量）→等容变化（
P
1
T
1
P
2
T
2
或
P
1
P
2
T
1
T
2
）
适用条件：气体 质量. 体积 不变时
微观解释：一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变，在这种情况下，温度升高时，分子的
平均动能增大，气体的压强就增大。
图象表达：
P T
图像 P t
图像
图像特点
物理意义 一定质量的理想气体，体积保持不 一定质量的理想气体，体积保持不变时，
变时，
p
T
C
，P 与 T 成正比 ，在
p
T
C
，由于 T=t+273.15K, 则 P 与 t 是一
P T 图像上的等容线是过原点的
次函数关系， P t 图线是一条延长线过横
倾斜直线。
轴上-273.15 ℃点的倾斜直线。
查理定律的推论：一定质量的某种气体从初状态（ P,T) 开始发生等容变化，其压强的变化量 P 与温度的变化量
T
T 之间的关系为 P
P T
③盖吕萨克定律：
V
T
C
（C为常量）→等压变化（
V
1
T
1
V
2
T
2
或
V
1
V
2
T
1
T
2
）
适用条件：气体 质量. 压强 不变时
3
由其两侧受力平衡可知 (P ＋ gh )S＝(P ＋ gh＋ gh )S.即P ＝P＋ gh.
A 0 0 0 A 0
*受力平衡法：选与封闭气体接触的液柱为研究对象进行受力分析，由 F 合＝0 列式求气体压强．
例题 1：在竖直放置的 U 形管内由密度为ρ的两部分液体封闭着两段空气柱，大
气压强为 P 0 ，各部分长度如图所示，求 A、B 气体的压强。
解法一：平衡法，选与气体接触的液柱为研究对象，进行受力分析，利用平衡条件求解
求 p A ：取液柱 h 1 为研究对象，设管的横截面积为 S，大气压力和液柱重力方向向下， A
气体产生的压力方向向上，液柱 h 1 静止，则 P 0 S+ ρgh 1 S=p A S，p A =P 0 + ρgh 1
求 p B ：取液柱 h 2 为研究对象，由于 h 2 的下端以下液体的对称性，下端液体自重产生的压强可不予考虑， A 气
体压强由液体传递后对 h 2 的压力方向向上， B 气体对 h 2 的压力、液柱 h 2 重力方向向下，液柱平衡，则 p B S+
ρgh 2 S=p A S，得 p B =P 0 + ρg(h 1 -h 2 )
解法二：取等压面法，根据同种液体在同一液面处的压强相等，在连通器内灵活选取等压面，再由两侧压强相等列
方程求解压强
求 p B 时从 A 气体下端选取等压面，则有 p B + ρgh 2 =p A =P 0 + ρgh 1
所以 p A =P 0 + ρgh 1 ，p B =P 0 + ρg(h 1 -h 2 )
（6）常见平衡状态下封闭气体压强的计算 ******
①
P =P0
② ③ ④
P =P0- ρgh
P =P0- ρgh
P =P0+ρgh
⑤ ⑥
5
P =P0- ρgh P =P0+ρgh例题 2：玻璃管与水银封闭两部分气体 A和 B。设大气压强为 P0=76cmHg柱， h1=10cm，h2=15cm。求封闭气体 A、B的压强 PA=? 、 PB =?
（1atm = 76cmHg =1.0 × 105 Pa ）
N
N
（5）
(4) 10
10
ps
p0s
p0s
0
30
P= 81cmHg
ps
0
37
P= 70cmHg
N
10
PS
解(4)： 对水银柱受力分析（如右图）
P0S 沿试管方向由平衡条件可得：
pS=p0 S+mgSin30°
0
30
mg
0
P0 S ghS sin 30
P= S
=p0 +ρhgSin30° =76+10Sin30° (cmHg) =76+5 (cmHg) =81 (cmHg)
解(5)：
变式 2：计算图 2 中各种情况下，被封闭气体的压强。（标准大气压强 p0=76cmHg ，图中液体为水银）
6
PS =P0S+mg
P
P
0
mg
S
PS =mg +P0S＇
PS = mg+ P0S
以活塞为研究对象
mg+PS =P0S
7
以气缸为研究对象
Mg+PS =P0S
例 3:下图中气缸的质量均为 M,气缸内部的横截面积为 S,气缸内壁摩擦不计 .活塞质量为 m,求封闭气体的压强 (设大
气压强为 p0)
(1) (2)
pS p 0 S
m 0
N
mg
T
p 0 S
m 0
pS
mg
P= P 0 － (m 0 +m)g/s P= P 0 +(m 0 +m)g/s
___________
解析 ：此问题中的活塞和气缸均处于平衡状态．当以活塞为研究对象，受力分析如图所示，由平衡条件得
p S＝（m0+m）g＋P0S； p=P0+（m0＋m）g/S 在分析活塞、气缸受力时，要特别注意大气压力，何时必须考虑，
何时可不考虑．
（7）加速运动系统中封闭气体压强的确定 ******
常从两处入手：一对气体，考虑用气体定律确定，二是选与气体接触的液柱或活塞等为研究对象，受力分析，
利用牛顿第二定律解出．具体问题中常把二者结合起来，建立方程组联立求解．
(1)试管绕轴以角速度ω匀速转动
解: 对水银柱受力分析如图
N
ω
由牛顿第二定律得 :PS－P0 S=mω2 r , 其中 m=ρSh
h
P0S
pS
d
由几何知识得 :r=d－h/2 解得 P=P 0＋ρhω2（d－h/2）
mg
(2) 试管随小车一起以加速度 a 向右运动
解: 对水银柱受力分析如图由牛顿第二定律得 :PS－p0 S=mam=ρSh解得 :p=p0+ρah
N a
h
pS P0S
mg
F
//////////////////////////////////////////
8
p0S F pS
(3)气缸和活塞在 F作用下沿光滑的水平面一起向右加速运动
解： 对整体水平方向应用牛顿第二定律：
F=（m+M ）a
对活塞受力分析如图：由牛顿第二定律得：
F+PS－P0 S=ma ②由①②两式可得：
P=P 0－
m
MF
M
S
小结：当物体做变速运动时 :利用牛顿运动定律列方程来求气体的压强利用 F 合=ma,求 p 气。总结： 计算气缸内封闭
气体的压强时，一般取活塞为研究对象进行受力分析 .但有时也要以气缸或整体为研究对象 .所以解题时要灵活选取
研究对象
三、固体和液体和物态变化
1、晶体和非晶体
①晶体内部的微粒排列有规则，具有空间上的周期性，因此不同方向上相等距离内微粒数不同，使得物理性质不同
（各向异性），由于多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体（单晶体）集合而成，因此不显示各向异性，形状
也不规则。
②晶体达到熔点后由固态向液态转化，分子
晶 体
非晶体 单晶体 多晶体
间距离要加大。此时晶体要从外界吸收热量
外 形 规 则 不规则 不规则来破坏晶体的点阵结构，所以吸热只是为了
克服分子间的引力做功，只增加了分子的势 熔 点 确 定 不确定
能。分子平均动能不变，温度不变。
物理性质 各向异性 各向同性
2、液晶：介于固体和液体之间的特殊物态
物理性质①具有晶体的光学各向异性——在某个方向上看其分子排列比较整齐
②具有液体的流动性——从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的．
3、液体的表面张力和毛细现象
（１） 表面张力──表面层 （与气体接触的液体薄层） 分子比较稀疏， r ＞r 0，分子力表现为引力， 在这个力作用下，
液体表面有收缩到最小的趋势，这个力就是表面张力。表面张力方向跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．
（２）浸润和不浸润现象：
附着层的液体分子比液体内部 分子力表现 附着层趋势 毛细现象
排斥力 扩张
浸润 密（ r r0）
上升
吸引力 收缩
不浸润 稀疏（ r r0 ）
下降
（３）毛细现象：对于一定液体和一定材质的管壁，管的内径越细，毛细现象越明显。
①管的内径越细，液体越高 ②土壤锄松，破坏毛细管，保存地下水分；压紧土壤，毛细管变细，将水引上来
4、饱和汽和饱和汽压
（１）、饱和汽与饱和汽压：
在单位时间内回到液体中的分子数等于从液面飞出去的分子数，这时汽的密度不再增大，液体也不再减少，液
体和汽之间达到了平衡状态，这种平衡叫做动态平衡。我们把跟液体处于动态平衡的汽叫做饱和汽，把没有达到饱
和状态的汽叫做未饱和汽。在一定温度下，饱和汽的压强一定，叫做饱和汽压。未饱和汽的压强小于饱和汽压。
饱和汽压影响因素：①与温度有关，温度升高，饱和气压增大 ②饱和汽压与饱和汽的体积无关
（２）空气的湿度 ① 空气的绝对湿度：用空气中所含水蒸气的压强来表示的湿度叫做空气的绝对湿度。
9
② 空气的相对湿度：
相对湿度
水蒸气的实际汽压
同温度下水的饱和汽压
相对湿度更能够描述空气的潮湿程度，影响蒸发快慢以及影响人们对干爽与潮湿感受。
③ 干湿泡湿度计：两温度计的示数差别越大，空气的相对湿度越小。
5、熔化热与汽化热
（１）物态变化
（２）熔化热与汽化热
① 熔化热：某种晶体熔化过程中所需的能量与其质量之比。特点：
一定质量的晶体，熔化时吸收的热量与凝固时放出的热量相等。
② 汽化热：某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之
比。特点： 一定质量的物质， 在一定的温度和压强下汽化时吸收的热
量与液化时放出的热量相等。
四、热力学定律和能量守恒定律
1、改变物体内能的两种方式：做功和热传递。
①等效不等质：做功是内能与其他形式的能发生转化；热传递是不同物体（或同一物体的不同部分）之间内能的转
移，它们改变内能的效果是相同的。
②概念区别：温度、内能是状态量，热量和功则是过程量，热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温
度，实质上是内能的转移．
2、热力学第一定律（能量守恒定律）
(1) 内容： 一般情况下， 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程， 外界对物体做的功 W与物体从外界吸收的热
量 Q之和等于物体的内能的增加量Δ U
(2) 数学表达式为：Δ U＝W+Q
(3) 符号法则：
做功 W 热量 Q 内能的改变Δ U
取正值“ +” 外界对系统做功 系统从外界吸收热量 系统的内能增加
取负值“－” 系统对外界做功 系统向外界放出热量 系统的内能减少
(4) 绝热过程 Q＝0，关键词“绝热材料”或“变化迅速”
(5) 对理想气体：①Δ U取决于温度变化，温度升高Δ U>0，温度降低Δ U<0
②W取决于体积变化， v 增大时，气体对外做功， W<0；v 减小时，外界对气体做功， W>0；
③特例：如果是气体向真空扩散， W＝0
3、能量守恒定律：
（1）能量既不会凭空产生， 也不会凭空消失， 它只能从一种形式转化为另一种形式， 或者从一个物体转移到别的
物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。
（2）第一类永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功的机器。（违背能量守恒定律）
4 、热力学第二定律
（1）热传导的方向性： 热传导的过程可以自发地由高温物体向低温物体进行， 但相反方向却不能自发地进行， 即热
传导具有方向性，是一个不可逆过程。
（2）说明：①“自发地”过程就是在不受外来干扰的条件下进行的自然过程。
②热量可以自发地从高温物体传向低温物体，热量却不能自发地从低温物体传向高温物体。
③热量可以从低温物体传向高温物体，必须有“外界的影响或帮助”，就是要由外界对其做功才能完成。
（3）热力学第二定律的两种表述
①克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。
②开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。
（4）热机
①热机是把内能转化为机械能的装置。
其原理是热机从高温热源吸收热量 Q1，推动活塞做功 W，然后向低温热源 （冷
凝器）释放热量 Q2。（工作条件：需要两个热源）
10
②由能量守恒定律可得： Q1=W+Q2
③我们把热机做的功和它从热源吸收的热量的比值叫做热机效率，用η表示，即η = W / Q 1
④热机效率不可能达到 100%
（5）第二类永动机
①设想：只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。
②第二类永动机不可能制成，不违反热力学第一定律或能量守恒定律，违反热力学第二定律。原因：尽管机械能可
以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。
（6）推广：与热现象有关的宏观过程都是不可逆的。例如；扩散、气体向真空的膨胀、能量耗散。
（7）熵和熵增加原理
①热力学第二定律微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动无序程度增大的方向进行。
②熵：衡量系统无序程度的物理量，系统越混乱，无序程度越高，熵值越大。
③熵增加原理：在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。热力学第二定律也叫做熵增加原理。
（8）能量退降： 在熵增加的同时， 一切不可逆过程总是使能量逐渐丧失做功的本领， 从可利用状态变成不可利用状
态，能量的品质退化了。（另一种解释：在能量转化过程中，总伴随着内能的产生，分子无序程度增加，同时内能
耗散到周围环境中，无法重新收集起来加以利用）
11