7. 2、分子的热运动

教学目标

1．物理知识方面的要求：（1）知道并记住什么是布朗运动，知道影响布朗运动激烈程度的因素，知道布朗运动产生的原因。（2）知道布朗运动是分子无规则运动的反映。（3）知道什么是分子的热运动，知道分子热运动的激烈程度与温度的关系。

2．通过对布朗运动的观察，发现其特征，分析概括出布朗运动的原因；培养学生概括、分析能力和推理判断能力。从对悬浮颗粒无规则运动的原因分析，使学生初步接触到用概率统计的观点分析大量偶然事件的必然结果。

重点、难点分析

1．通过学生对布朗运动的观察，引导学生思考、分析出布朗运动不是外界影响产生的，是液体分子撞击微粒不平衡性产生的。布朗运动是永不停息的无规则运动，反映了液体分子的永不停息的无规则运动。这一连串结论的得出是这堂课的教学重点。

2．学生观察到的布朗运动不是分子运动，但它又间接反映液体分子无规则运动的特点。这是课堂上的难点。这个难点要从开始分析显微镜下看不到分子运动这个问题逐渐分散解疑。

主要教学过程

引入新课

让学生观察两个演示实验：

1．把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个玻璃瓶竖直方向对口相接触，看到二氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。

2．在一烧杯的净水中，滴入一二滴红墨水后，红墨水在水中逐渐扩展开来。

上述实验是气体、液体的扩散现象（不同物质相互接触时彼此进入对方的现象），扩散现象是一种热现象。它说明分子在做永不停息的无规则运动。而且扩散现象的快慢直接与温度有关，温度高，扩散现象加快。

新课教学过程

一．介绍布朗运动现象

1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉，发现花粉颗粒在水中不停地做无规则运动，后来把颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动。不只是花粉，其他的物质如藤黄、墨汁中的炭粒，这些小微粒悬浮在水中都有布朗运动存在。

让学生看教科书上图，图上画的几个布朗颗粒运动的路线，指出这不是布朗微粒运动的轨迹，它只是每隔30s观察到的位置的一些连线。实际上在这短短的30s内微粒运动也极不规则，绝不是直线运动。

二．介绍布朗运动的几个特点

（1）连续观察布朗运动，发现在多天甚至几个月时间内，只要液体不干涸，就看不到这种运动停下来。这种布朗运动不分白天和黑夜，不分夏天和冬天（只要悬浮液不冰冻），永远在运动着。所以说，这种布朗运动是永不停息的。

（2）换不同种类悬浮颗粒，如花粉、藤黄、墨汁中的炭粒等都存在布朗运动，说明布朗运动不取决于颗粒本身。更换不同种类液体，都不存在布朗运动。

（3）悬浮的颗粒越小，布朗运动越明显。颗粒大了，布朗运动不明显，甚至观察不到运动。

（4）布朗运动随着温度的升高而愈加激烈。

三．分析、解释布朗运动的原因

（1）布朗运动不是由外界因素影响产生的，所谓外界因素的影响，是指存在温度差、压强差、液体振动等等。

问：若液体两端有温度差，液体是怎样传递热量的？液体中的悬浮颗粒将做定向移动，还是无规则运动？温度差这样的外界因素能产生布朗运动吗？

答：液体存在着温度差时，液体依靠对流传递热量，这样悬浮颗粒将随液体有定向移动。但布朗运动对不同颗粒运动情况不相同，因此液体的温度差不可能产生布朗运动。又如液体的压强差或振动等都只能使液体具有定向运动，悬浮在液体中的小颗粒的定向移动不是布朗运动。因此，推理得出外界因素的影响不是产生布朗运动的原因，只能是液体内部造成的。

（2）布朗运动是悬浮在液体中的微小颗粒受到液体各个方向液体分子撞击作用不平衡造成的。

显微镜下看到的是固体的微小悬浮颗粒，液体分子是看不到的，因为液体分子太小。但液体中许许多多做无规则运动的分子不断地撞击微小悬浮颗粒，当微小颗粒足够小时，它受到来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。

在某一瞬间，微小颗粒在某个方向受到撞击作用强，它就沿着这个方向运动。在下一瞬间，微小颗粒在另一方向受到的撞击作用强，它又向着另一个方向运动。任一时刻微小颗粒所受的撞击在某一方向上占优势只能是偶然的，这样就引起了微粒的无规则的布朗运动。

悬浮在液体中的颗粒越小，在某一瞬间跟它相撞击的分子数越少。布朗运动微粒大小在10－6m数量级，液体分子大小在10－10m数量级，撞击作用的不平衡性就表现得

越明显，因此，布朗运动越明显。悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间跟它相撞击的分子越多，撞击作用的不平衡性就表现得越不明显，以至可以认为撞击作用互相平衡，因此布朗运动不明显，甚至观察不到。

液体温度越高，分子做无规则运动越激烈，撞击微小颗粒的作用就越激烈，而且撞击次数也加大，造成布朗运动越激烈。

四．布朗运动的发现及原因分析的重要意义

（1）布朗运动是悬浮在液体中的固体微粒分子的运动吗？是液体分子无规则运动吗？布朗微粒是被谁无规则撞击而造成的？布朗运动间接地反映了谁的无规则运动？

固体颗粒是由大量分子组成的，是宏观物体；显微镜下看到的只是固体微小颗粒，光学显微镜是看不到分子的；布朗运动不是固体颗粒中分子的运动，也不是液体分子的无规则运动，而是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动。无规则运动的原因是液体分子对它无规则撞击的不平衡性。因此，布朗运动间接地证实了液体分子的无规则运动。

（2）布朗运动随温度升高而愈激烈，在扩散现象中，也是温度越高，扩散进行的越快，而这两种现象都是分子无规则运动的反映。这说明分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子无规则运动越激烈。所以通常把分子的这种无规则运动叫做热运动。

多维链接

1.布朗（Robert Brown，1773—1858）

英国植物学家。1773年12月21日诞生于苏格兰的蒙特罗斯。

布朗从小就很聪明，性格倔强。他先在阿巴丁的马里歇尔学院学习，毕业后进入爱丁堡大学攻读医学。1795年应征入伍，前往爱尔兰服役，在英军中任助理外科医师。服役期间，他边为军队工作，边进行自修。他利用业余时间收集各种植物，制作标本。1789年布朗来到伦敦，一个偶然的机会，拜见了英国伦敦皇家学会公长尤素福•彭克斯，并跟随他作了一段研究工作。1800年布朗取得博士学位，后由彭克斯介绍参加澳大利亚远洋考察船“调查者号”，负责研究植物。1801年开始远行，在大洋洲进行了为期五年的考察活动，收集近3900种的标本，系统地整理写入《澳洲植物志》一书中，对植物分类学作出贡献。

布朗在物理学中的贡献是发现了著名的布朗运动。1827年6月，布朗用显微镜观察克拉花花粉，发现悬浮在液面上的花粉微粒在杂乱无章地、不断地运动。布朗对这个现象进行了反复研究。开始，他错误地认为，花粉虽然死了，但是好像有一种具有生命潜力的东西遗留下来，促使花粉微粒不断地运动。他这样写道：“它们（花粉微粒）的运动既不是由液体的流动引起的，也不是液体渐渐蒸发引起的、而是由于微粒本身的原因引起的。”接着，他把这个研究推广到各种各样的植物，观察了他收集到的所有新鲜花粉，都看到了类似现象。后来布朗又对煤粉、玻璃粉、各种岩石粉、金属粉等无生命物质的微粒进行了观察，也都看到了类似花粉的不停地运动的现象，各种粉末都存在着某种活性。布朗感到问题不那么简单，一时无法正确解释这个现象。1828年6月到8月，布朗接连发表了《论植物花粉中的微粒》、《论有机物和无机物中活性分子的普遍存在》两篇文章，宣布了他的重大发现。以后人们就把这种现象叫做“布朗运动”。对于布朗运动，直到1860年才由英国物理学家麦克斯韦根据他自己建立的分子运动论作出初步的解释，他认为这种杂乱无章的运动是水分子对悬浮微粒不断撞击引起的。布朗运动的发现，给物质是由分子组成的理论提供了第一个直接的证据。

1811年布朗当选为英国伦敦皇家学会会员。1820年，任大英博物馆馆长。1822年当选为柯尼斯学会会员，1849到1853年任会长。布朗还兼任几个国家的科学院院士。

2.能否说“某个分子的热运动”？

提示：某个分子的热运动这种说法是不正确的。

因为单个分子的运动，从原则上讲是遵循力学规律的。设想我们追踪气体中某个分子的运动，那会看到这个分子忽左、忽右、忽前、忽后。有时速度快，有时速度慢.其动能也时大时小。其轨迹是一条极不规则的折线.总之，对个别分子来说，速度、能量以及运动路程都是偶然的量值。

我们讲的热运动是指大量分子的无规则运动。随着分子数量的增加，它们的运动就逐渐偏离力学规律。它们的运动呈现出混乱状态，不再遵循力学规律，而遵从统计规律.这时，对个别分子的运动来说，是完全偶然的。大量分子的运动虽然是无序的，但并不是无规律的，它们也能表现出一些必然的规律。