普通高中教科书·物理选择性必修 第三册.pdf

普通高中教科书总主编束炳如何润伟上海科技教育出版社物 理选择性必修第 三 册2每章的开头都有一些情境，提出一些问题，让你明确本章研究的主要内容。亲爱的同学：欢迎你学习物理（选择性必修 3）！本书是高中物理选择性必修的最后一册教材。它涵盖了近代物理学的一些基本知识，在高中物理中处于特别重要的地位。我们将首次运用统计思想来研究大量分子做无规则运动的规律,从宏观和微观两个角度研究固体、液体和气体的性质,在量子论视野下探索原子世界的奥秘，认识光及实物粒子的波粒二象性。我们将通过一系列的实验探究活动，增强科学探究意识；并通过回顾热力学定律和能量守恒定律的发现历程和原子世界的探秘过程等，增强科学探究能力和科学献身精神，树立可持续发展意识和社会参与意识，养成关心社会和对社会负责的态度。为了让你在学习物理（选择性必修 3）的过程中获得更大的成功，请浏览下面的栏目介绍。物质世界在不断地运动变化着。自然界发生的任何运动变化过程都遵循着一条最基本、最普遍的规律能量守恒定律。你知道人们是怎样发现能量守恒定律的吗？自然界的能量不会消失，那么它可以被人们反复利用吗？能量可以相互转化，那么燃料的内能是否可以全部用来做功呢？自然界宏观过程的方向性蕴含着怎样的物理原理？本章将以能量为主线，研究改变内能的方式与规律热力学第一定律，理解能量守恒定律及其应用；由自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律；回顾热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。第4章 热力学定律图 3-2-2观察表面张力现象用的金属框架abcd实验探究观察液体表面张力现象1.在杯子内装满水，试着把若干枚小硬币轻轻地平放在水面上。观察水面形状有什么变化？小硬币为什么不沉下去呢？2.用金属丝制成如图 3-2-2 所示各种形状的框架，分别把它们浸入肥皂液内，轻轻取出后观察框架上皂膜的形状。如图 3-2-3 a 所示，用针捅破金属圆环棉线上边的皂膜，棉线的形状有什么变化？如图 3-2-3 b 所示，为什么金属框上的皂膜把细金属丝向左拉？对图 3-2-3 c 和图 3-2-3 d 所形成的皂膜形状，你有什么猜测？3.如图 3-2-4 所示，把橄榄油滴入水和酒精的混合液中，橄榄油滴呈什么形状？这些实验表明，液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着一种收缩的趋势。使液体表面具有收缩趋势的力叫做表面张力（surface tension）。那么，表面张力是怎样产生的呢？实验探究这里将要求你提出问题，设计实验方案，动手做一些有意义的实验，进行科学探究。3第 章 分子动理论1分析与论证这里你将进行分析、综合,并运用数学工具进行推理,得出物理学规律和公式。通过这一过程,你将体会科学思维的魅力。学生必做实验这里为你提供了完整的实验活动，让你通过动手实验，探索物理规律，学习物理方法，形成物理观念，提高解决问题的能力，体验成功的喜悦。分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质的体积 V 和铺展开来的面积 S，就可以估算出分子的直径及其大小。即分子直径 D=VS分子体积 V1=16 D3=16VS3学生必做实验学生必做实验用油膜法估测油酸分子的大小信息浏览、STSE这里为你提供了各种有趣、有用的资料，包括物理学史上的经典事例、科学家小故事等，它们反映了物理学与科学、技术、社会、环境的紧密联系。你的视野将更开阔，你会更加热爱科学。分析与论证综合上面的研究可以知道，使热力学系统从一个状态变化到另一个状态，既可以通过做功也可以通过热传递的方式。实验表明，这两种方式的物理过程虽然不同，对于系统内能的改变却是等效的。系统内能的改变过程可用能流图（图 4-1-5）形象地表示。应该指出，“做功”和“热传递”虽有其等效的一面，但在物理本质上仍然存在着区别。“做功”（机械功）伴随着一定的宏观位移，它是系统外的有序运动的能量与系统内分子无规则运动能量之间的转化，从而改变系统的内能。“热传递”是通过分子之间的相互作用，是系统外的物质分子无规则运动的能量向系统内物质分子无规则运动能量之间完成的一种转移，从而改变系统的内能。课题研究这里提供了一些课题供你选择研究，这种研究将使你的才智得到充分的展示。多学一点 如何理解分子之间既有引力又有斥力我们先来研究一下原子间的引力和斥力是如何产生的。原子中有一个直径约 10-15 m 的带正电的核，核外有带负电的电子组成的电子云。整个原子呈电中性。当两个原子相距较远时（图 1-3-6a），可以认为相互间没有静电力的作用。当两个原子接近到如图 1-3-6b 所示的情况时，它们有一部分电子云互相重叠。原子 1 的电子已不能把原子 1 的核的正图 1-3-6 分子间相互作用的微观解释a 两原子相距较远时c两 原子相当靠近时b 两原子接近时1212abc1212abc1212abc多学一点这里将介绍更多更深的奥秘，以开阔你的视野。你如果有兴趣，可以作进一步的探索。肥皂水与清水的表面张力比较研究请你设计一个实验，比较肥皂水与清水的表面张力，并粗略地研究表面张力与哪些因素有关。做一下这个实验，并写出课题研究报告，在同学间相互交流评价。课题研究原子，请你排好队！借助光学显微镜，人们可以观察到细胞、细菌和其他微生物，其分辨本领可达 2 10-4 mm。尽管从技术上来说，提高光学显微镜的放大倍数并不困难，但不管放大倍数有多大，比 2 10-4 mm还小的物体，如大多数病毒，在光学显微镜下都不能被看清楚。要提高显微镜的分辨本领，必须改用波长比可见光短得多的射线。电子的德布罗意波长很短，因此用电子束代替光束成为上佳选择。1931 年德国物理学家鲁斯卡（E.Ruska）发明了世界上第一台电子显微镜。1982 年，美国 IBM 公司的物理学家宾尼希和他的老师罗雷尔发明了世界上第一台扫描隧穿显微镜，它应用了电子的量子隧穿效应，能直接观测到单个原子的立体形貌。利用 STM，人类还实现了直接操纵和排布原子的奇迹（图 6-4-4）。信息浏览图 6-4-4 用扫描隧穿显微镜把碳原子排布在铜表面上的“原子”两字第1章 分子动理论 61.1走进分子世界 71.2无序中的有序 141.3分子动理论 内能 20第2章 气体定律与人类生活 252.1气体的状态 262.2玻意耳定律 292.3查理定律和盖-吕萨克定律 34第3章 固体、液体与新材料 403.1固体的性质 413.2液体的表面性质 453.3液晶与显示器 513.4半导体材料和纳米材料 56第4章 热力学定律 644.1热力学第一定律 654.2能量守恒定律 704.3热力学第二定律 75目 录第5章 原子世界探秘 825.1电子的发现 835.2原子模型的提出 865.3量子论视野下的原子模型 89第6章 波粒二象性 966.1光电效应现象 976.2光电效应的理论解释 1006.3光的波粒二象性 1036.4实物粒子具有波动性 105第7章 原子核与核能 1107.1原子核结构探秘 1117.2原子核的衰变 1157.3原子核的结合能 1227.4裂变与聚变 1267.5粒子物理与宇宙起源 134总结与评价 课题研究成果报告会140研究课题示例 140评价表 14161827 年，英国植物学家布朗（R.Brown）在研究一种花粉的繁殖过程时注意到，悬浮在水中的花粉颗粒会不停地毫无规则地跳动，就像“活的”一样。这种由植物学家发现的现象，却难倒了当时的许多物理学家。悬浮颗粒为什么会不停地做着这种杂乱无章的运动呢？这种运动是否就是人们猜测的分子运动的宏观表现？组成物质的分子究竟有多大？大量分子的运动有什么特点？物质分子的微观运动在宏观上有何表现？本章将采用宏观和微观相结合的方法，以统计思想和能量观点为主线来研究分子的运动；通过实例和活动，了解分子动理论的基本观点及相关的实验证据；了解分子运动速率分布的统计规律；结合分子动理论阐释温度和气体压强的微观意义，研究由分子运动所决定的物质系统的内能。第1章 分子动理论7第 章 分子动理论1图 1-1-1 场离子显微镜（FIM）拍摄的图像显示了铂针顶端的原子（橘黄色）排列情况，这个图像放大了20 万倍1.1 走进分子世界我们知道，物体都是由许多很小的分子组成的。那么，分子有多大？怎样知道分子的大小呢？物质的分子有多少呢？它们的运动状态是怎样的？分子的大小实际分子有着复杂的内部结构，建立分子的球模型，仅是为了便于研究。图 1-1-2 用扫描隧穿显微镜描绘的遗传分子（DNA）形状 分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质的体积 V 和铺展开来的面积 S，就可以估算出分子的直径和体积的大小。即分子直径 D=VS分子体积 V1=16 D3=16VS3思考讨论1.怎样使某部分的物质分子一个紧挨一个地铺展开来呢？学生必做实验学生必做实验用油膜法估测油酸分子的大小用油膜法估测分子的大小，提供了一个测量微观量的思想和方法。82.如何测量铺展后形成的不规则图形的面积？设计实验以油酸（C17 H33 COOH）为例，为了使分子排列起来，可以利用油酸分子的酸根COOH对水有很强的亲和力这一特点。把一滴用酒精稀释过的油酸溶液滴在水面上，油酸就在水面散开，形成一层薄薄的膜（酒精溶于水，并会很快挥发）。这层薄膜可以看成是单分子层，它的厚度可以认为等于油酸分子的直径（图 1-1-3）。实验操作 1.配制浓度为 0.1%的油酸酒精溶液。2.将配制好的油酸酒精溶液放在小量筒中，用滴管吸取1 cm3的溶液，数出均匀滴出时的总滴数 N，得 1 滴溶液的体积。根据配制的浓度，即得 1 滴溶液中油酸的体积V=1N 0.1%cm33.在一个 30 cm 30 cm 的浅盘里倒入约 2 cm 深的水，将痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上。再用滴管吸取配制好的油酸酒精溶液，滴入一小滴到水面上，液滴很快会形成如图 1-1-4所示的油酸薄膜。图 1-1-3 油酸分子形成单分子层的示意图图 1-1-4 油酸薄膜形状实验序号油酸溶液体积油膜面积123设计本实验的思想方法是：如何将难以测量的微观量，转化为相对容易测量的宏观量。科学合理的实验操作是获取正确实验数据的关键，有助于减小实验中的误差。要正确地读出和记录实验数据，运用恰当的方法处理数据并得出正确结论。4.用玻璃板盖在浅盘上，在玻璃板上覆一张半透明的坐标纸，将油膜形状描画在坐标纸上。收集证据油酸分子9第 章 分子动理论1实验结论通过计算可得油酸分子直径的测量值的数量级为 10-9 10-10 m，由此可见，分子是何其小！你的测量值是多少呢？请你写出完整、规范的实验报告，正确表达科学探究的过程和结果。研究表明，一般分子直径的数量级为 10-10 m。例如，水分子的直径约为 4 10-10 m，氢分子的直径约为 2.3 10-10 m。现在，用扫描隧穿显微镜已经可以看到原子尺度的微观世界（图 1-1-5）。1993 年 5 月，美 国 IBM 公司的科学家在 4 K 的温度下，用电子束将单层的铁原子蒸发到铜表面，然后用扫描隧穿显微镜针尖将 48 个铁原子排列成直径为14.3 nm 的圆形量子围栏。对于一个系统，从整体上对其状态加以描述的方法叫做宏观描述。这时表征系统状态和属性的物理量叫宏观量。通过微观粒子运动状态的说明，对系统的状态加以描述的方法叫做微观描述。描述微观粒子运动状态的物理量叫微观量。图 1-1-5 扫描隧穿显微镜观察到的圆形量子围栏扫描隧穿显微镜（scanning tunneling microscope，简称 STM）是在 1982 年由德国科学家宾尼