序 言


自然科学的形成


　　远古时代，人类慑于自然的力量，对雷电、风暴、地震、日食、月食、 彗星等自然现象，怀着畏惧和崇敬的心情，以为雷电是上天惩罚恶人的神 火，出现彗星预示着战祸、饥荒等灾难的来临。这种神话和迷信的产生， 反映了当时人们对自然的无知。
　　但是人们在长期的生存斗争中，逐步积累了对自然现象的点滴认识， 经过许多代人认真地观察、记录、研究和校正，整理概括出一些线索，终 于发现了某些现象之间的因果关系和规律，根据这些规律再去推断其他的 现象。这样，人们对各种自然现象的认识，就逐渐深入和丰富起来，发展 形成系统的认识。这些建立在实践和事实基础上的对自然现象及其规律的 系统认识，就形成了自然科学。
　　人们掌握了科学知识，在与自然的斗争中便获得了主动，推进了物质 文明和精神文明的建设。从此，对风暴、地震等自然现象，不仅能够解释， 而且在一定范围内还可以作出预报和防范，将它们造成的损害减小到最低 限度。


物理学和人类文明


　　物理学(physics)是自然科学中的一个基础学科，它研究物质运动最一 般的规律和物质的基本结构，它已成为现代科学技术的重要基础。物理学 的发展经历了三次重大的突破。17—18 世纪，牛顿力学的建立和热力学的 发展，导致了蒸汽机的发明，机械工业和交通运输有了突破性的进展，引 起了第一次工业革命；19 世纪，从法拉第发现电磁感应现象到麦克斯韦电 磁理论的诞生，推动了电机、电器和电信设备的设计与制造，引起了工业 电气化，人类社会由蒸汽时代进入了电气时代；20 世纪以来，相对论和量 子力学的创立，极大地拓宽了人们认识物质基本结构和基本性质的视野， 并深入到研究自然界一切相互作用的统一性。
　　人类社会正进入以微电子、新材料、新能源为主要内容的新技术革命 时期。这三次突破，在人类文明发展进程中起着里程碑的作用，近 20 年来， 物理学的新发展，对微电子技术的开发、新材料的研制和新能源的利用进 一步起着重要的指导作用；各种新型监测系统和精密测量手段的日益完 善，有可能使人们对宏观世界和微观世界认识的深度和广度，达到更为深 入的层次，更接近事物本来的面貌(图 0-2)。由此而产生的新思想、新观 念，又必将对科学技术、工农业生产和社会文明的进一步发展产生巨大的 影响。
　　
　　(a)1990 年 4 月 24 日，美国“发现号”航天飞机携带“哈(b)“哈勃” 太空望远镜发回的一张土星照片。由于不受“哈勃”太空望远镜，进入高 度约为 595 千米的低地球轨地球大气的干扰，该照片比从地面拍摄的清晰
近 10 道，开始了探索宇宙奥秘的新征途。“哈勃”太空望远倍。图中的内、 外光环是由无数平均直径不到 1 米的镜可以探测到暗至 29 等①的宇宙天
体；而在地面上小物体组成的。由于浓密的大气层的笼罩，最好的天文望 远镜也只能观察到 23 等的星体。1993 年 12 月经修复后的“哈勃”望远镜 观察范围可达 140 亿光年。
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怎样学好高中物理学


　　高中阶段学习物理学的目的，不仅是为了认识自然界的规律，更重要 的还在于将这些知识运用于实际，改善周围的环境和生活条件，更好地为 我国四化建设服务。学好物理知识必须提高运用知识解释现象、解决实际 问题的能力，并为今后学习打好必要的基础。与初中物理学相比较，高中 物理学有以下一些特点：
1．扩大了知识面，丰富了知识内容，对思维能力有较高的要求；
2．较多地通过实验定量研究物理定律；
3．较多地用数学公式和图象描述物理规律；
4．有较高的数学计算要求。 因此，学习高中物理课程时，要注意以下几方面： 主动学习，认真阅读课本。要理解为什么需要和怎样正确建立有关的
物理概念；要重视理解物理定律的意义和适用范围；要知道所学知识和技 能在生活和生产中的实际应用。
　　实验是学习物理的基础。在实验中要重视培养观察能力和动手能力。 对每个实验要弄清楚研究的是什么问题，为什么要研究这个问题，用什么 方法来研究。要学会按照合理的步骤正确使用仪器进行操作，记录数据， 并对实验结果进行分析和讨论，得出结论，以提高实验能力和思维能力。 做练习是学好物理的重要环节，要在复习课本内容的基础上独立完成各类 练习。在习题演算中，一旦发现做错，应分析发生错误的原因，认真订正。 对课文中的思考题，虽不是书面作业，但也要积极思考，认真讨论。本书 课文中的“问题探讨”专栏，是以师生对话的形式，帮助同学们理解概念 和提高思维能力的，希望同学们能有所领会，受到启发。课文中安排在“花 纹框”里的内容以及章末的“阅读材料”，是属于扩大知识面的内容；节 次标有“*”号的是选学内容，有兴趣的同学可以阅读和选学。此外，还可 以留意阅读书刊杂志上有关物理知识及科技新成就的科普文章，热心参加 科普讲座和参观等课外活动，关心周围发生的物理现象，并试着用学过的
　　
知识进行解释，以提高自学能力和理论联系实际的能力。 为了帮助同学们自己评价学习效果，本书在每章的最后，都具体提出
了这一章有关知识、技能和情意领域的学习要求，并提供相应的复习题。 物理是一门有趣的课程，入门并不难，相信你一定会根据高中物理的特点 和要求，逐步掌握有效的学习方法，努力学好物理的。



1．固体和液体
Solids and Liquids


1．天然水晶
2．二硫化亚铁(黄铁矿)多晶体
3．击球时网球和球拍的形变
4．溅起的液滴


　　20 世纪 20 年代，半导体材料的研制导致了晶体管的发明，由此推动 了电子工业的革命，促进了电子计算机的不断革新。50 年代以来，对各种 新合金、新型化学合成材料的研究，保证了航天、航宇技术的不断发展， 开创了人类探索宇宙空间的新时代。90 年代初，我国科研人员试制成功了 陶瓷发动机，这表明新材料的研究又进入了一个新阶段。各种新材料的研 制成功是新技术发展的重要标志，而应用这些新材料，又必须对它们的物 理特性进行研究。这一章我们将学习固体、液体的一些基本性质，并了解 这些性质在生产和生活中的一些实际应用。


一、晶体和非晶体


　　固体包括晶体(crystal)和非晶体两大类。晶体和非晶体在外形上和 物理性质上都有很大的区别。
　　常见的固体中，如天然金刚石(图 1－1)、硫酸铜、云母、明矾、石膏 等都是晶体。晶体具有天然规则的几何外形，如石英、方解石都呈天然规 则的多面体外形(图 1－2)，这是由于组成晶体的分子在空间按一定规律排 列的结果。而玻璃、松香、蜂蜡、沥青、木材等都是非晶体，它们的分子 在空间不按一定规律排列，所以它们没有天然的有规则的外形。
　　我们再观察下面的实验，从物理性质上比较晶体和非晶体。取一片很 薄的云母片和一片薄玻璃片，在它们的一个表面上均匀地涂一薄层蜡。把 一根长金属丝的一端放在酒精灯火焰上烧红，然后分别与云母片、玻璃片 上不涂蜡的一面接触[图 1－3(a)]。由于热传导，云母片和玻璃片上的蜡 层开始熔化，过一会儿可以发现，云母片上蜡层的熔化部分是一个椭圆[图
1－3(b)]，而玻璃片上蜡层的熔化部分却是一个图 1—3 圆[图 1－3(c)]。 这表明云母各个方向上的导热性不同，即各向异性；而玻璃各个方向上的 导热性相同，即各向同性。实验证明晶体除导热性外，导电性、折光性、 机械强度等其他物理性质也是各向异性的，而非晶体则表现为各向同性。 晶体的各向异性在生产和科学技术中有很多应用，例如有的晶体可作 为传递声振动的元件，只要测定声波在这种晶体内部各个方向上的传播速

度，然后沿传声速度最大的方向切割，就能使晶体沿这个方向最有效地传 递声振动。单晶体是科学技术上的重要原材料，各种晶体管就是用单晶硅、 单晶锗制造的。有一种超声波发生器的超声元件，也是用单晶硅制作的。 此外，晶体具有一定的熔点，而非晶体没有一定的熔点，这也是晶体
和非晶体在物理性质上的不同。


单晶体和多晶体


　　通常认为单晶体是以组成晶体的原子或原子团为单位，沿着空间的前 后、左右、上下三个方向整整齐齐地堆垛成的固体。单晶体可以在自然条 件下形成，例如天然水晶(本章导图 1)、岩盐、方解石等，课本彩图 1 的 砷化镓单晶是在人为条件下拉制出来的，它们都具有各向异性的特征。
　　多晶体是由许多取向不同的单晶体颗粒组成的固体。所以，多晶体在 整体上就不显示各向异性，也没有天然的规则的几何外形。从本章导图 2 可以清楚地看到黄铁矿的多晶体结构。各种金属材料都是多晶体。多晶体 不显示各向异性，但与非晶体的各向同性，本质上是不同的。
思考
1．雪花(图 1—4)是晶体还是非晶体？
　　2．闻名全国的哈尔滨冰雕制作是在冬季进行的。把松花江上的冰层锯 开，取得冰块，雕凿成各种亭台楼阁、灯具、花卉、虫鸟，并堆砌成景， 人们置身其间仿佛进入透剔晶莹的神话世界。这些用冰雕成的作品是晶体 还是非晶体？
　　3．把玻璃琢磨成有规则的外形(图 1－5)，这种玻璃“钻石”是晶体 吗？


*二、固体的弹性和范性


　　在修筑铁路、公路，建造厂房、桥梁，制造各种交通工具、生产设备 时，需要使用各种不同的材料，它们有的用来承受压力，有的用来承受拉 力。任何固体材料受力时都会发生形状的变化，铁轨、钢梁可以承受很大 的力，而人们几乎觉察不到它们受力时发生的形状变化；体操运动员在双 杠、高低杠上做动作时，却可以看到受力时杠子明显发生了弯曲。停止用 力后，有的材料能完全恢复原来形状，有的材料就不能；有的材料能承受 很大的力，有的材料即使受到较小的力也会被破坏。这些现象在工农业生 产和日常生活中都具有重要的意义，因此有必要研究固体材料的力学性 质。固体的弹性和范性是固体最重要的力学性质。
弹性和弹性形变
物体受力发生形变是力的作用效果之一。在有些情况下，物体受力发

生的形变并不明显，我们可以用实验方法把不易觉察的微小形变显示出来 (图 1－6)。例如在烧瓶中盛满染有颜色的水，用带细玻璃管的橡皮塞塞紧 烧瓶，使染色水在管内上升一段高度［图 1－6(a)］。当用手指紧压瓶底 时，玻璃管内的水位升高；手放松时，管内水柱高度又恢复到原来位置。
再如，在水平桌面上竖立两块平面镜 M1 和 M2，它们的反射面是平行的。用
一细束平行光照射在 M1 上，调节入射角，使从 M1 上反射的光线能照射到 M2
上，由 M2 再次反射到墙上形成一个光斑 P。用力压一下桌面，桌面发生微
小弯曲，M1、M2 两块镜面不再平行，光线在 M1 和 M2 上的入射角和反射角都
发生改变，可以看到墙上光斑向下移动。不压桌面时，光斑又回到原来位 置［图 1—6(b)］。
　　以上两个实验表明，烧瓶和桌面受到力的作用时都发生了形变，当力 停止作用后，它们又都能恢复原来的形状。
　　停止用力后，能完全消失的形变，叫做弹性形变。固体的这种能恢复 它原来形状的性质，叫做弹性。
　　上述实验中的烧瓶和桌面都具有弹性，观察到的形变都是弹性形变。 本章导图 3 球拍击球时，球和球拍都发生了形变，它们都具有弹性，它们 的形变也都是弹性形变。常见的弹性形变有拉伸、压缩、切变、弯曲和扭 转等几种。
　　固体材料发生弯曲时，在靠近凸面的物质层发生拉伸形变，在靠近凹 面的物质层发生压缩形变，可以推想在材料的中间，一定存在既不发生拉 伸形变，又不发生压缩形变的物质层，叫做中性面。中性面物质层不承担 力，离中性面越远的物质层，形变越大，承担的力也就越大[图 1－7(a)]。 在工程技术上，常把抗弯曲形变的构件设计成空心的，如住宅的楼板等。 这样，既节省了原材料，又减轻了构件的自重。工字钢、槽钢和直角钢[图
1－7(b)]就是根据这个道理设计制造的。
■
　　固体在不同的受力情况下，发生的形变有些是很复杂的。课本彩图 2 是用光学方法显示的、悬挂重物后模型吊钩内部受力的情况，从彩色条纹 的不均匀分布可以知道，吊钩内各部分发生弹性形变的程度是不同的，受 力也是不均匀的。
思考
1．跳水运动员起跳时对跳板施加的力，将使跳板产生什么形变(图 1
－8)？
　　2．将一张纸平放在玻璃杯口上[图 1－9(a)]，在纸上放一枚象棋子， 纸就坍落下去。但如果把这张纸折叠成图 1－9(b)所示的形状，这时即使 在纸上放几枚象棋子，纸也不会坍落。你能解释它的原因吗？


弹性形变的几种形式




名 称 产生条件 特 点 形变的图示 实 例 固体受到两个在同 长度增大，截面积
拉伸 一直线上方向相反 变小
的拉力 牵引钢索的形变 固体受到两个在同 长度缩短，截面积
压缩 一直线上方向相反 变大
的压力
固体受到两个方向 组成固体的物质
切变 相反、互相平行和 层之间发生相对
靠近的拉力或压力 移动
是一种复合形
杆状固体两端固 变。靠近凸面的物
弯曲 定，中间受重直于 质层发生拉伸形
杆的力 变，靠近凹面的物 质发生压缩形变 建筑物支柱的形变



铆钉的形变



钢轨、桥面的形变 扭转 杆状固体一端固
定，另一端沿垂直 组成固体的物质
于杆的方向受到两 层之间发生相对
个方向相反、互相 转动
平行的力 拧螺丝的螺丝刀



范性和范性形变
　　在许多实际工作中，人们并不是只需要利用固体的弹性和弹性形变， 还常常需要将金属材料加工成各种形状的金属制品，如把铁丝弯成衣架， 把铁片冲压成各种器皿等。事实上，不论固体材料发生哪种弹性形变，形 变的大小都跟所作用的力的大小以及材料的性质有关。作用的力越大，形 变也越大。但是当形变超过了某个限度，即使外力停止作用，固体也不能 完全恢复它原来的形状，有一部分形变将被永久地保留下来。
　　停止用力后，能被保留下来的永久形变，叫做范性形变。固体的这种 能保留永久形变的性质叫做范性。
　　范性和弹性都是固体材料的特性，范性形变和弹性形变在生活和生 产，在工业技术上都有重要意义。在一些情况下，人们需要利用材料的弹 性，例如，铁路上敷设的钢轨，当列车经过时，钢轨发生了弯曲，列车经 过以后，钢轨的弯曲形变会完全消失；吊车在吊运货物时，钢索被拉长， 卸下货物后，钢索的伸长形变也会完全消失。在另一些情况下，人们需要 利用材料的范性，例如工业生产中的锻压和轧制钢材(图 1－10)，用模具 把钢板冲压成型(课本彩图 3 的轿车车身)，铆合连接构件的铆钉等。
思考

1．举出日常生活和生产中，利用材料的范性形变的例子。
2．指针式压强计内部有一根弯成弧形的一端封闭的扁形金属管(图 1
－11)，当管内气体压强变化时，弯管的弯曲程度就发生改变。当管内气压 增大时，弯管就会伸张开一些；当气压减小时，弯管便又收拢些。通过齿 条、齿轮和指针就能把弯管的这些微小形变显示出来，从经过校正的刻度 盘上就能读出气压的数据。这是利用金属弯管的弹性形变还是范性形变？
练习一


1．自行车车架为什么都用钢管而不用实心圆钢制作？
2．指出下列物体的形变是弹性形变还是范性形变？ (1)机械钟表内上紧的发条；(2)起重时吊车的吊臂； (3)缠绕在熔丝盒接线柱上的熔丝；(4)碰瘪的铝锅。


三、液体表面的收缩趋势


　　池塘中的水跟盛放在敞口容器里的任何液体一样，都有一个跟空气接 触的自由表面。液体静止时它的自由表面都是水平的。但是即将从滴管口 滴下的液滴，洒落在荷叶上的水珠，它们的自由表面却不是平面，而是一 个曲面。
　　当液滴下落和向上溅起时(本章导图 4)，或者液体处在宇宙飞船的失 重①状态下(图 1－12)，液体的自由表面几乎成为球面。课本彩图 4 是一幅 高速摄影照片，显示了一滴下落的牛奶在平滑的大理石表面溅起时，形成 许多球形的小乳滴，像一顶“皇冠”。从几何学的知识知道，物体体积一 定时，以球形的表面积为最小。以上事实表明了液体表面有收缩到尽可 能小的趋势。
为了进一步观察液体表面的收缩趋势，我们再来做下面的实验。如图
1－13(a)所示，金属丝框架的一条边是可以上下滑动的，将框架放在皂液 中浸一下，竖直地从皂液中取出时，在框架间就形成一层皂液薄膜。这时 可以看到，由于液膜表面的收缩，框架的可动边就向上运动，直到接近框 架的顶端[图 1－13(b)]。图 1－14 和图 1－15 的实验现象同样也说明了液 体表面的收缩趋势。
思考
1．图 1－14 的实验中，当棉线一侧的皂液膜被刺破后，为什么棉线会 向另一侧绷紧？2．如图 1－16 所示，一支洗净的毛笔浸在水中时，笔毛是




① 星等是区分天体亮度强弱的等级。人们把肉眼能看见的恒星分为六等，星越亮，星等的数字越小。最亮
的星叫“1 等星”，肉眼勉强可以看见的星叫“6 等星”；1 等星的亮度等于 6 等星的 100 倍。亮度大于 1
等星的可为 0 等，甚至于负几等。如天狼星的星等是—1.4 等，太阳是—26.7 等。

松开的；当它被提出水面后，笔毛就聚在一起。这是什么原因？
　　3．你知道狩猎用的霰弹是怎样制作的吗？熔化的液态铅通过细孔从一 定高度下落到水中，一滴一滴的液态铅进入水中很快凝固，就成为一粒粒 球状的霰弹。霰弹是液态铅在空气中下落时形成球状的，还是在水中凝固 过程中形成球状的？


四、浸润现象和不浸润现象 毛细现象


　　下雨时，雨水会淋湿衣服，这是因为雨水能附着在衣服上。如果穿上 一件新雨衣，雨滴就沿着雨衣滚落，不能使它沾湿，表明雨水不能附着在 表面涂有防水胶的雨衣上。
　　液体能附着在固体表面的现象，叫做浸润；液体不能附着在固体表面 的现象，叫做不浸润。
　　将水盛放在洁净的玻璃烧杯内，与玻璃杯壁接触处的水面会出现向上 弯曲的形状(图 1－17)，使水和玻璃的接触面有所扩展。把杯中的水倒去， 杯的内壁和底部还会附着一薄层水。这说明水能浸润玻璃这种固体。将水 盛放在洁净的蜡纸杯内，与蜡纸杯壁接触处的水面会出现向下弯曲的形状
(图 1－18)，使水和蜡纸的接触面有所收缩。将杯中的水倒去，蜡纸杯内 可以不留一滴水。这说明水不能浸润蜡纸这种固体。
　　同一种液体能浸润某种固体，而不能浸润另一种固体的现象是很普遍 的。譬如水银能浸润表面清洁的铜、锌等金属，但是它却不能浸润玻璃。 浸润现象和不浸润现象在自然界和人们日常生活中是常见的。例如鸭 子能在水中游泳、钻入水底觅食而不会让水沾湿羽毛，这是因为这类游禽 尾部有一种腺体，能分泌油脂。它们在休息时，用喙把油脂涂抹在全身羽 毛上，由于水不能浸润油脂，羽毛就不会被水沾湿。人们采用表面经过特 殊涂层处理的织物制成衣帽，使水不能浸润，就能起到防雨作用。而医院
里使用的脱脂纱布和棉花球，水就很容易浸润它们。
思考
　　1．汽车驾驶室的挡风玻璃前面都安装着雨刷。能否应用本节所学知识 设想一项革新，取消雨刷而又不影响雨天行车时驾驶员的视线。
　　2．图 1—19 所示的两个玻璃试管中盛有不同的液体，哪一个试管中的 液体对玻璃是不浸润的？
　　3．使用玻璃量筒测量水、酒精等液体的体积时，为什么应以液面最低 处为准来读数(图 1－20)？
毛细现象
　　课本彩图 6 表示钢笔尖接触滤纸，墨水在纸上化开的现象。水、酒精、 油等液体为什么会沿着纸内的细纤维或纤维之间的隙缝移动呢？现在让我 们把几根内径不同的细玻璃管插在盛水的槽缸中，可以观察到，管内的水
　　
面比管外的水面高，玻璃管内径越细，管内、外水面高度差越大(图 1－
21)。如果把蜡纸制成的细管插在水中，管内的水面就比管外的水面低，管 子越细，管内、外水面的高度差也越大(图 1－22)。
　　像这种浸润液体在细管里升高一段高度和不浸润液体在细管里降低一 段高度的现象，叫做毛细现象。能发生毛细现象的管子叫做毛细管。
　　毛细现象在隙缝中也能发生，自然界和日常生活中是常见的。滤纸和 脱脂纱布很容易吸水，这是因为纸张和纱布的纤维间形成了许多细小的隙 缝，发生毛细现象，水能沿着这些隙缝上升。由于土壤隙缝中的毛细现象， 地下水就能上升到达地表，被植物的根系所吸收。
思考
　　1．平时人们使用的毛巾、手帕等物品，要求它们的毛细现象显著还是 不显著？
　　2．砌墙时，为什么在墙基处先要垫放一层油毡纸(这是用沥青涂制成 的一种垫衬料)？
　　3．在棉花、玉米等农作物生长期间，必须经常锄松作物根部附近的泥 土，这样做是为了加快还是减慢土壤中水分的蒸发，为什么？


练习二


　　1．夏天，人们穿了单薄的衣服，如果突然淋上一阵大雨，衣服湿透后 就会贴紧在身上，这是什么原因？
　　2．课本彩图 5 是清晨蜘蛛网丝上的露滴，它们是什么形状的？这表明 了什么？你是否还见过其他类似的现象？
3．用钢笔在涂蜡的纸上写字，写得出吗？为什么？
　　4．化验白血球时，只需少量的血。医务人员在你的手指上用针尖扎一 下，挤出一小滴血后，用一根内径很细的玻璃管接触这滴血，为什么血液 就会自动地进入玻璃管达几厘米的高度？


*五、液晶


　　人们在日常生活中广泛使用的电子计算器、电子手表、测温仪等，常 采用数字显示的方式。这种反应快、耗电省的元件是利用某些有机物晶体 特有的性质制成的。
液晶
　　晶体具有各向异性的特点，给一般晶体不断加热，到达熔点就开始熔 化，熔为液态后具有流动性，晶体原有的各种特点也就随着消失，成为各 向同性的液体。
　　
　　人们发现，某些有机物晶体(如胆甾①醇酯)在熔化时，并不是从固体直 接变成各向同性的液体，而是出现一个过渡阶段：当把晶体加热到达熔点
T1 时，它就熔化成粘稠状并稍微呈浑浊的液体，再继续加热到温度为 T2 时，
它才变成透明液体，所以温度 T2 又叫做清亮点。实验结果表明，各种不同
有机物晶体的熔点 T1 和清亮点 T2 是不同的。
对温度处在 T1 到 T2 间的不同的液态晶体进行试验，结果表明，它们在
各个方向呈现出的光学性质和电学性质是不相同的。这种既具有像一般液 体那样的流动性和连续性，又具有像晶体那样各向异性的特点的流体，叫 做液晶。
液晶的应用
　　根据液晶对温度变化和电压变化的灵敏反应，可以把它用作各种显示 元件。
　　液晶对射到它表面的光线，通常是有选择、地吸收掉白光中的某些成 分，所以看到的反射光是有颜色的。同一种液晶材料，表血反射出的光的 颜色，是随环境温度的变化而发生变化的。当温度升高时，反射出的光由 红逐渐变紫；温度降低时，反射出的光由紫逐渐变红(图 1—23)。液晶的 这种性质，可以用来探测温度。例如在医学上可用来诊断肿瘤，在皮肤表 面涂上液晶，由于肿瘤部分的温度与周围正常组织的温度不一样，液晶就 会显示出不同的颜色。又如，还可以把它用作标示化学试剂安全温度的试 剂标签。
　　还有一种液晶，如果对它加上电压，就会改变它的浑浊程度，从而改 变了它对光线的反射与折射的能力。利用液晶的这种性质，人们制成了各 种显示元件，并组成显示屏，既可以显示数字，也可以显示文字，如电子 数字式手表、电子计算器等。近年来制成的液晶电视，与目前使用的电视 机相比较，突出的优点是工作电压低，电能消耗少。液晶电视机可以做成 薄型，整机体积小，图象清晰，色彩柔和(图 1—24)，液晶电视屏不会射 出其他射线，对人体健康无损害。现在液晶电视机已经问世，液晶显示屏 已逐渐地用于微电脑中(图 1—25)。
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阅读材料 液晶的发展与应用
液晶发展简介
　　1888 年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸酯结晶的实 验中，发现在 145.5℃时，结晶熔化成浑浊粘稠的液体，继续加热到 178.5
℃时，就形成了透明的液体。第二年，德国物理学家莱曼又发现，上述 145.5
℃～178.5℃之间的粘稠浑浊液体还具有光学各向异性的特点，于是莱曼把 这种具有光学各向异性、又具有流动性的液体称为液晶。莱尼茨尔和莱曼




① 甾读作 zāi。

都曾经观察和注意到，把胆甾醇苯甲酸酯或胆甾醇醋酸酯的熔化液逐渐冷 却至凝固点之前时，会出现许多独特的鲜艳色彩。
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　　在以后的几十年里，许多科学家对液晶进行了一系列的理论研究和进 一步的实验探索，但在液晶的实用方面还没有取得突破性的进展。近 10 多年来，工业、技术的迅速发展，大大促进了液晶的研究，在液晶光学、 液晶分子物理学、生物液晶等领域都取得了进展，尤其是室温液晶的研究， 更促进了液晶的广泛应用。
电子计算器、电子手表的数字显示原理
　　在两面装有透明电极的夹层式盒内，盛满某种液晶(图 1－26)。控制 加在透明电极上的电压，可以改变从液晶表面反射光线的强弱(图 1－
27)，也可以改变透过液晶的折射光线的强弱。 电子计算器和电子手表的显示屏上，每一个数字都镶嵌七个上述夹层
式液晶盒，每一个液晶盒作为一个笔划，由这七个笔划组成一个“8”字[图
1－28(a)]，并与相应的控制电路连接。在不加控制电压的情况下，七个液 晶盒反射光线的情况与屏上其他部分完全一样。如果第 1、2、4、6、7 这 五个液晶盒上加了控制电压，它们反射光的本领就改变了，它们吸收所有 入射光线，几乎不产生反射光线，这样在第 1、2、4、6、7 笔划处，与周 围能反射光线的区域比较起来，就呈黑色，屏上的“8”字由于缺少了第 3、
第 5 两个笔划，就显示出数字“5”[图 1－28(b)]。根据同样的道理，就 可以显示从 0～9 的任意数字。还可以做成显示文字、标点、各种符号的显 示屏，以满足不同的需要。
　　还有一种液晶显示屏，是通过控制折射光线的强度来显示的，它的基 本原理和工作过程与上述类似。


本章学习要求


1．知道晶体的主要特征。知道非晶体。
2．知道液体表面有收缩趋势。
3．知道浸润现象和不浸润现象。
4．知道毛细现象。


复习题


1．晶体有哪些主要特征？非晶体和晶体有哪些主要区别？
　　2．已知汽油能浸润石蜡，而水不能浸润石蜡，现将一段石蜡分别浸在 水、石蜡油、汽油三种液体里，观察图 1－29 所示的液体和石蜡接触处的
　　
液面形状，判断哪一个图中的液体是汽油，哪一个图中的液体是水？
3．为了使医用药棉容易吸水，必须经过脱脂处理，为什么？
　　4．你观察过金鱼缸里的水草吗？水草上面附着的气泡都是球形的，这 是什么道理？
　　


2．气体 Gases


1．工人使用风镐清理地基
2．带有压缩空气罐的潜水员
3．潜艇起浮
4．织布车间的空调进风口


　　地球周围被一层稠密的大气包围着，人类和其他生物就生活在大气的 海洋中。大气中含有 78％的氮气，21％的氧气，还有少量的惰性气体、二 氧化碳和其他包括水蒸气在内的各种气体。其中氧气是人类赖以生存的重 要气体，但也有一些气体对人类是有害的。
　　各种气体有不同的化学性质，但在可以压缩和受热膨胀等方面却具有 基本相同的物理性质。研究和掌握气体的这些性质，就能使气体为人类服 务。例如利用压缩空气来启闭车门、开挖隧道、使潜艇上浮(本章导图 3)； 把天然气、煤气、石油气等各种气体燃料压缩后，可以方便地贮存和运输； 热机的气缸中作为工作物质的气体可以膨胀做功等等。同时，人们注意到 由于工业的发展，特别近 10 年来，每年排放的二氧化碳多达 50 多亿吨， 大气中二氧化碳含量便急剧增加，加剧了温室效应，结果使平均气温升高， 这将影响乃至破坏原有的生态平衡，加快地表水分蒸发，扩大干旱地区， 影响农业生产和人们的正常生活。
　　气体和液体有许多相似的性质，如它们都没有一定的形状，都具有流 动性，所以气体和液体通称为流体(fluid)。气体和液体一样，都会对跟它 接触的物体表面产生压强。气体和液体也还有许多不同的性质。例如，一 定质量的液体放在不同的容器中，它的形状虽然是随着容器而改变的，但 体积是一定的(图 2—1)。而一定质量的气体，它既没有一定的形状，也没 有一定的体积，不论容器的容积有多大，它都能充满整个容器。气体的体 积总是等于盛放它的容器的容积，所以一定质量的气体放在不同容积的容 器内，气体的密度是不同的(图 2－2)。
■
　　气体和液体在性质上的另一个区别，表现在它们的可压缩性上。液体 几乎是不可压缩的，而气体是很容易被压缩的。


一、气体的状态和状态参量


　　为了便于研究气体的热学性质，我们总是把盛放在密闭容器中的一定 质量的气体作为研究对象，这样，这些气体就有了一定的体积。因为容器 中的气体分子是大量的，它们向各个方向运动的机会是均等的，各部分气
　　
体分子热运动的剧烈程度相同，所以容器中一定质量气体各部分的温度都 相同，压强也都相等，并且总是跟外加于该气体的压强相平衡。此时，对 这一定质量的气体来说，它是处于某个一定的平衡状态之中，有着一定的 体积、温度和压强。如果体积、温度或压强发生变化，它就会从这个平衡 状态变化到另一个新的平衡状态。所以我们用体积、温度、压强这三个物 理量来描述气体的状态，并且把它们称作气体状态参量。也就是说，对于 一定质量的气体，如果体积、温度、压强这三个量被确定了，那么这一定 质量气体的状态也就是确定的。


二、气体压强的测量


　　气体压强等于接触面(如器壁)单位面积上受到的气体压力，单位是帕 斯卡，简称帕，符号是 Pa。1 帕=1 牛/米 2。
气体的压强是怎样测量的呢？
1．用水银压强计测量 我们周围的大气总有一个确定的压强值，所以我们常可采用与大气压
强相比较的方法，来测量容器中的气体压强。图 2－3 所示的水银压强计就 是这样的一种装置。
■
　　测量时，可将水银压强计竖直放置，并将容器和它的 U 形管的一臂相 连通。如果水银压强计两臂内水银面高度相等，表明容器中的气体压强 p 等于大气压强 p0[图 2—3(a)]，即
p=p0。
　　如果水银压强计两臂内水银面的高度差为 h，与容器连通的一个臂内 水银面高度较低，表明容器内的气体压强 p 大于大气压强 p0[图 2－3(b)]，
即
　　　　　　　　　　　　　　　　p=p0+ρgh，
式中ρ为水银密度，g=9.8 牛/千克。 如果水银压强计两臂内水银面的高度差为 h，与容器连通的一个臂内
水银面较高，表明容器内的气体压强 p 小于大气压强 p0[图 2－3(C)]，即
p=p0-ρgh。
2．用指针式金属压强计测量 盛放在贮气筒里的压缩空气和盛放在钢瓶里的氧气或氢气的压强，通
常用上一章中图 1－11 所示的指针式金属压强计直接显示。
[例题]
　　图 2－3(b)中，如果水银压强计两臂内水银面的高度差为 1 厘米。已 知大气压强为 1.0×103 帕，水银密度为 13.6×103 千克/米 3。求容器内的 气体压强，它比大气压强大多少？
　　
解 已知大气压强 p0=1.0×105 帕，水银压强计两臂内水银面的高度
差 h=1 厘米=10-2 米，水银密度ρ=13.6×103 千克/米 3。 容器中气体压强
p=p0+ρgh=1.0×105 帕+13.6×103×9.8×10-2 帕=101.333 千帕。
p-p0=101.333 千帕-100 千帕=1.333 千帕。
　　它比大气压强大。上述例题告诉我们，1 厘米高的水银柱产生的压强 等于 1.333 千帕。


气体压强产生的原因


　　气体的压强是由于组成气体的大量分子向各个方向运动，撞击器壁而 产生的。关于这一点，可用一个类比实验来加以模拟。把磅秤的托盘翻过 来放置，将若干小钢珠(或黄豆)倒在托盘上，小钢珠与托盘撞击后都反弹 开去。由于许多小钢珠的不断撞击，托盘就受到一个持续的压力，磅秤的 指针会发生一定角度的偏转(图 2－4)。这只是模拟，气体分子并不像小钢 珠那样，由于受重力作用而只沿着一个方向运动。盛放气体的容器内，大 量分子不停地向各个方向运动撞击器壁，使器壁各部分单位面积都受到大 小相同的持续压力的作用。


练习三


　　1．一端封闭、内径均匀的玻璃管内有一段长为 l 的水银，将一定质量 的气体封闭在管内，设大气压强为 p0，试写出图 2－5 所示几种情况下管 内气体压强的表达式。
■
　　2．如果图 2—3 所示的 U 形管中所盛液体是水，用橡皮管将 U 形管的 左臂接在实验室煤气管道上。打开开关后，测得 U 形管右臂内的水面比左 臂内水面高 6 厘米，求管道煤气的压强。已知大气压强为 1.0×105 帕。
　　3．如图 2—6 所示，一端封闭的玻璃管内盛有一段水银，堵住管口， 将玻璃管竖直向下倒插入水银槽内。平衡后，测得管内水银柱的高度 h 为
50 厘米，则管内水银柱上方的气体压强为多大？设大气压强 p0 为 1.0×105
帕，水银密度ρ为 13.6×103 千克／米 3。
■
三、气体的压强跟温度的关系


　　在日常生活中，我们常会遇到这样一些情况：夏天给旧的自行车车胎 打气，不宜打得很足，不然，在太阳下骑行，车胎容易爆裂；卡车在运输 汽水等饮料时，由于太阳曝晒，一些质地较差的汽水瓶往往会爆裂。这些
　　
现象都表明气体压强的大小跟温度的高低有关。 我们可以用实验的方法来研究一定质量的气体，在体积不变时，它的
压强跟温度的关系。
查理定律
　　通过实验探索，我们初步得出一定质量气体在体积不变时，它的压强 随着温度的升高而增大的结论。从实验数据描绘出的 p—t 图象，基本上是 一条倾斜的直线(图 2—7)，但是这样还没有反映出压强和温度间确切的关 系。
最早定量研究气体压强跟温度的关系的是法国物理学家查理(1746—
1823)。我们为了精确测量一定质量气体在体积不变时，不同温度下的压 强，采用了图 2—8 所示的实验装置。容器 A 中有一定质量的空气，空气的 温度可由温度计读出，空气的压强可由跟容器 A 连在一起的水银压强计读 出。但温度升高后，容器 A 中的空气会膨胀，由于压强计两臂间是用橡皮 管相连的，它的右臂可以上下移动。移上时，受热膨胀后的空气就能被压 缩到原来的体积。


控制变量法


　　自然界发生的各种现象，往往是错综复杂的。决定某一个现象的产生 和变化的因素常常也很多。为了弄清事物变化的原因和规律，必须设法把 其中的一个或几个因素用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比 较、研究其他两个变量之间的关系，这是一种研究问题的科学方法。
　　例如物体吸收热量温度会升高，温度升高多少是由多个因素决定的， 跟吸收的热量、物体的质量以及组成物体的物质性质有关。在研究时，可 以先使一些因素保持不变，如在物质相同、质量相同的情况下，观察物体 温度升高跟所吸收热量的关系；接着再研究同种物质，不同质量的物体吸 收相等热量时，温度升高跟质量的关系等等，从而得出物体温度升高跟所 吸收的热量、物体的质量和组成物体的物质性质的关系。控制变量的科学 方法在物理学的研究中是经常使用的。
这个实验是按以下步骤进行的：
　　先把容器 A 浸没在冰水混和物中，这时容器 A 中的空气温度为 0℃， 调节压强计右臂的位置，使两臂内水银面位于同一高度，这时容器 A 中的 空气压强就等于大气压强，记下压强计左臂内水银面的位置 B，这就是 0
℃时容器 A 内空气体积 V0 的一个标记[图 2－8(a)]。
　　然后将烧杯中的冰水混和物倒去，换成热水，经搅拌器搅拌后，读取 热水温度，即为容器 A 中空气的温度。容器 A 中的空气受热后压强增大， 体积也变大，这时压强计两臂内的水银面的高度差并不表示气体体积不变 时的压强增加量，必须提起压强计的可动臂(右臂)，使左臂内水银面回到
　　
位置 B，增大容器 A 内空气的压强，以保持原来的空气体积 V0，这时，压
强计两臂内的水银面的高度差将变大，读出这一高度差 h，如图 2－8(b) 所示，就可根据 p=p0+ρgh，算出这一温度下容器 A 中空气的压强。
　　实验时每一次改变热水温度后，都必须重新调节压强计可动臂的高 度，使容器 A 中的空气体积保持不变，并应记录每一次改变温度后，容器 中空气的温度值和相应的压强值。
　　查理用各种气体进行实验，结果表明，一定质量的各种气体在体积 不变时，温度升高(或降低)1℃，压强的增加量(或减小量)等于
　　
它在0 ℃时压强的

1
273

这个实验结论叫做查理定律。 ①热力学温标

根据查理定律可知，一定质量的气体在体积不变时，它的温度从 0℃

降低到 -1℃，气体压强将减小0℃时压强的

1
273

。若把这个结论进行合理外

推，便可得出当温度降低到-273℃时，气体压强将减小到零的推论(图 2－
9)。
　　英国物理学家、数学家开尔文(1824—1907)认为，既然-273℃时气体 的压强为零，就意味着这时气体分子的运动已停顿，这是绝对的零度，因 此—273℃被称为绝对零度。1848 年，开尔文提出了建立以-273℃为零点 的温标，叫做开氏温标，现称做热力学温标。用热力学温标表示的温度， 叫做热力学温度。热力学温度用 T 表示，它的单位是开尔文，简称为开， 符号是 K。就每一开和每一度的大小来说，热力学温度和摄氏温度是相等 的。热力学温度 T 和摄氏温度 t 之间的换算关系是
T＝t＋273，t＝T—273。
■
　　我们从图 2－9 的 p—t 图象可以看出，如果把直角坐标系的横坐标由 摄氏温度 t 变为热力学温度 T，将坐标轴的原点取在热力学温度的零开(即
-273℃)处。这样，气体压强 p 和热力学温度 T 之间就有了正比关系(图 2
－10)。于是，查理定律的表述就可以简化为： 一定质量的气体在体积不变时，它的压强跟热力学温度成正比。 若气体压强用 p 表示，热力学温度用 T 表示，查理定律可用以下公式
表示
p1 ? T1
p 2 T2


绝对零度


绝对零度是热力学理论所断言的自然界中的最低极限温度。上面查理
定律的表达式可以写成 p1 ，其比值是一常数，当T、p为零时这一比值就
p 2

没有意义了。实际情况也是这样，任何气体在到达绝对零度以前都已液化 了，甚至已经变成了固体，查理定律已不再适用。虽然如此，绝对零度仍 具有物理意义，它是低温的极限，能够趋近它，但是不能达到。
[例题 1]
室温为 20℃时，把一只空瓶盖紧，当时的大气压强为 1.0×105 帕。把 这只瓶移到炉灶旁，当瓶内空气温度升高到 40℃时，它的压强是多大？
解 把瓶子盖紧时，瓶内空气压强 p1＝p0=1.0×105 帕，温度 T1＝
(20+273)开。移到炉灶旁，温度 T2＝(40+273)开，瓶内空气的压强发生了
变化，但它的质量和体积都保持不变。

根据查理定律

瓶内空气压强

p 1 ?
p 2

T1 ，
T2


p2 ?

p1T2
T1

1.0×105 ×(40 ? 273)
?
20 ? 273

帕 ? 313 ×105 帕
293

=1.07×105 帕。
[例题 2]
钢瓶内贮有一定质量的氧气，在温度为 20℃时，瓶内氧气压强为 6.0
×106 帕。如钢瓶的耐压值为 14×106 帕，则存放这瓶氧气的环境温度不得 高于几度？解由于钢瓶的容积不变，当环境温度升高时，瓶内氧气的压强 会增大，钢瓶的耐压值也就是瓶内氧气允许达到的压强最大值。

根据查理定律 p1

? T1 ，已知T = （20 + 273）开，p = 6.0×106 帕，

p 2 T2
p2＝14×106 帕，所以


T2 ?

p2 T1
p1

14×106 ×(20 ? 273)
?
6.0×106


开≈684开，

即环境温度不得超过 t2=T2-273＝(684-273)℃=4ll℃。
　　所以在常温下使用或存放这瓶氧气是安全的，但不可把它放在十分靠 近锅炉等温度很高的地方。工厂或医院发生火灾时，消防人员十分注意火 区中是否存放氧气瓶。如果有，则首先要控制住这些地方的火势，迅速将 氧气瓶转移到安全的地方。不然，温度过高引起氧气瓶爆炸，会造成更大 的破坏。
思考
　　1．上海地区 1990 年 7～8 月份的平均气温比 1989 年相同月份的平均 气温高出 4.8℃，怎样用热力学温度来表示？
■
　　2．采用密封式罐装、使用助推剂喷雾的杀虫药水，说明书上写明“本 品切勿放置在温度高于 50 摄氏度的地方”。因此，即使把用完了的药水罐 随手搁在暖气片上(图 2－11)，也是不允许的。这是什么道理？
3．在炉灶上放一块铁板，烧热后，将一些带壳的干稻谷放在铁板上。

过一会儿只听到稻谷“噼”“啪”作响，同时有一些就变成了爆米花(图 2
－12)。试说明原因。


练习四


1．在固定容积的容器里有一定质量的氧气，当温度从 30℃上升到 60
℃时，有的同学说，容器里的氧气压强将会增大到原来压强的 2 倍。这样 的考虑对吗？如果要使它的压强增大到原来压强的 2 倍，则容器里的氧气 温度必须从 30℃升高到几度？
　　2．盛在钢瓶中的氢气，在 0℃时，测得其压强为 910 千帕。当温度升 高到 27℃时，压强将变为多大？
　　3．盛在钢瓶中的氧气，在 17℃时，测得其压强为 9.0 兆帕。把它搬 到环境温度为 37℃的高温车间内，钢瓶内氧气的压强变为 9.3 兆帕。钢瓶 中的氧气是否有泄漏？为什么？
　　4．在大气压强为 1.0×105 帕、温度为 30℃时，把一只空瓶用橡皮塞 塞住，然后把这只瓶子放在-18℃的冰箱冷冻室内，过一会儿取出瓶子。如 果要计算橡皮塞所受压力的大小，还必须知道什么条件？
5．白炽灯泡内充有氮和氩的混合气体，要使灯泡内的混合气体在 100
℃时压强不超过 1.0×105 帕，那么在室温 20℃制作灯泡时，所充混合气体 的压强至多只能多大？


四、气体的体积跟温度的关系


　　在初中我们已经学习过物体的热膨胀，并且知道固体、液体和气体在 相同情况下，以气体的热膨胀最为明显。固体和液体热膨胀程度跟它们原 来的体积、温度的变化以及物质的性质有关，而气体的热膨胀具有不同于 固体、液体热膨胀的特点。
　　1787 年，法国物理学家查理首先从大量实验中得出压强不变时，一定 质量的气体的热膨胀跟温度的升高成正比例的结果。1802 年，法国物理学 家盖·吕萨克对气体的热膨胀进行了定量研究，他在温度为 0℃～100℃的 范围内，精确测定了空气、氧气、氢气、氮气、乙醚蒸汽等各种气体的热 膨胀，得出了在相同情况下，所有气体的膨胀量几乎都相等的结果。
　　这个实验可利用图 2－13 的装置来进行。一根一端开口、粗细均匀的 细玻璃管，用一小段水银把气体封闭在管内，然后把细玻璃管水平地放在 冰水混合物中，设法调节管内封闭端气体的量，使管内气体柱在 0℃时的 长度恰等于 273 毫米。然后在容器中通入热蒸汽加热，直到容器中的水达 到沸腾，即可测得在 100℃时管内气体柱长度为 373 毫米。由于管内一定 质量的气体在温度升高、体积膨胀的过程中，气体压强始终等于大气压强，
　　
所以这一实验结果可表述为：
一定质量的气体在压强不变时，温度升高 1℃，体积的增加量等

于它在0 ℃时体积的

1
273

。这个结论叫做盖·吕萨克定律。

由盖·吕萨克定律可以推知，在压强不变时，一定质量气体的温度从

0℃降低到—1℃，气体体积将减小0℃时体积的

1
273

，如果温度降低到

-273℃时，气体体积将减小到零。若引入热力学温度，盖·吕萨克定律的 表述就可简化为：
一定质量的气体在压强不变时，它的体积跟热力学温度成正比。
　　若气体体积用 V 表示，热力学温度用 T 表示，盖·吕萨克定律可用以 下公式表示
V1 ? T1
V2 T2
　　一定质量气体在压强不变时，它的体积跟热力学温度的关系可用 V-T 图象(图 2－14)表示，它是一条通过坐标轴原点的倾斜直线。
思考
　　如图 2－15 所示，平底烧瓶的橡皮瓶塞内有一根直角弯管，弯管的水 平部分 A 处有一小段水银，把烧瓶内的空气和外界隔开。用手捂住瓶壁时， 水平管内的一小段水银将从 A 处向 B 处移动，在这过程中烧瓶内空气的膨 胀是不是等压膨胀？为什么？
　　如果瓶塞上的细玻璃管是竖直的，里面也有一小段水银，烧瓶中的空 气受热膨胀时是不是等压膨胀？为什么？


练习五


　　1．一定质量的气体在 17℃时的体积为 250 厘米 3。在压强不变的情况 下，当温度升高到 34℃时，它的体积多大？
■
　　2．如图 2—16 所示，气缸中有一可自由移动、且与器壁无摩擦的活塞。 活塞面积为 100 厘米 2，活塞左侧气缸的容积为 2 升，盛有温度为 27℃的 氧气。当温度升高到 77℃时，活塞向右移动的距离多大？


五、气体的压强跟体积的关系


　　我们知道气体分子间的平均距离很大，所以一定质量气体的体积很容 易改变。作为动力使用的压缩空气就是把一定质量的空气的体积压缩得很 小，使它具有很大的压强，通常可达 6×105～8×105 帕(相当于大气压强
的 6～8 倍)。本章导图 1 中，建筑工人清理地基使用的风镐，就是利用压

缩空气作为动力的。钢笔吸墨水是利用钢笔里的橡皮管恢复原状时，它里 面存留的空气体积变大，压强随着变小，墨水就被吸入橡皮管内。
　　日常生活中还会见到如图 2—17 所示的一些现象，好像空气是具有“弹 性” 的。其实这都表明气体的压强跟体积有关。
玻意耳定律
　　注意到气体压强随体积变化而变化的事实，并首先进行定量研究的是 英国科学家玻意耳(1627—1691)。
　　1662 年，玻意耳用水银把空气封闭在很长的 J 形玻璃管的短臂内进行 实验。设法调节封在短臂内的空气，使管子竖直放置时，J 形管两臂内的 水银面在同一高度上[图 2—18(a)]。这时，封闭在管内的空气压强等于当 时的大气压强。由于玻璃管内径均匀，管内空气体积便可由空气柱的长度 来表示。
　　玻意耳采用在 J 形管长臂内注入更多水银的方法来增大短臂内空气的 压强，他发现当 J 形管长臂内的水银面高于短臂内的水银面时，短臂内的 空气柱长度变短了，这表明空气被压缩时，空气体积减小的同时，压强在 增大。他又注意到用湿布揩拭短臂或晚间照明的烛焰靠近短臂时，短臂内 空气柱的体积都会发生变化。这就提醒了玻意耳，在整个实验过程中，空 气柱的温度必须保持不变，只有这样，才能找出只由于压强变化所引起的 空气体积变化的规律。
　　因此，玻意耳设法使实验在温度保持不变的条件下进行。他发现当短 臂内的空气柱体积被压缩一半时，长臂内的水银面比短臂内的水银面高出
760 毫米(760 毫米水银柱产生的压强约等于大气压强)。这就是说，当短臂 内的空气的压强增大到等于大气压强的 2 倍时，空气的体积减小为原来的
1/2[图 2—18(b)]。
■
　　图 2－19 是根据玻意耳实验的原始数据描绘的压强-体积图象(p-V 图 象)。图中以直角坐标系的纵轴表示 J 形管短臂内空气压强 p(其大小等于 外加于这部分空气的压强)，单位用水银柱高度 cmHg①来表示；横轴表示空 气体积 V，用空气柱长度的厘米数表示(因管内空气柱粗细均匀，所以可用 空气柱的长度来表示空气柱的体积)，单位用 cm。由图象可以看出这是一 段等轴双曲线，它表明
　　一定质量气体在温度不变时，它的压强跟体积成反比。这一实验 结论叫做玻意耳定律。
若气体压强用 p 表示，体积用 V 表示，玻意耳定律可用以下公式表示
p1V1=p2V2，




① 按国务院 1984 年关于实行法定计量单位的通知，压强的单位 mmHg、cmHg 已经废除，应一律用帕做单
位，1cmHg=1333 帕。

或 pV＝C(常数)。 运用玻意耳定律解决实际问题时，应注意这样几点：
　　1．认清被研究的对象是哪部分气体，这部分气体的质量必须是一定 的；
2．它只能在温度不变的条件下适用；
3．要分清气体状态变化前、后的压强和体积；
4．气体状态变化前、后，压强和体积必须分别用同一单位。


等温过程的获得


　　在研究一定质量的气体的压强和体积的关系时，必须控制温度保持不 变，这样的过程叫做等温过程。例如将被研究的气体放在大量冰水混和物 中被压缩、体积减小时，外界对这部分气体做功，气体的温度将升高，这 就不是一个等温过程。但是，如果压缩过程很缓慢，则这部分气体可以及 时向周围的冰水混和物放热，使 0℃的冰逐步熔化一部分，而气体温度始 终保持在 0℃。相反，当气体体积增大、气体对外做功时，温度将降低， 这也不是一个等温过程。但是，如果膨胀过程很缓慢，则这时气体也可以 从周围冰水混和物中及时吸收热量，使部分 0℃的水逐渐凝固成冰，而气 体温度始终保持在 0℃。所以为了让气体来得及跟周围物质进行热交换， 以使它的温度保持不变，等温过程必须进行得十分缓慢。
　　在其他温度下(不一定是 0℃)做实验，要使气体经历一个等温过程， 首先必须使环境温度保持不变。
[例题 1]
　　一个体积为 V 的沼气泡自池塘底浮起，若水深为 3 米，沼气泡从池底 上升到水面时，它的体积将变为原来的多少倍(图 2－20)？(设水底和水面 温度相同，大气压强为 1.0×105 帕。)




　　解 沼气泡在池底时，气泡内的气体压强等于大气压强和池水产生的 压强之和，即 p1=p0+ρgh，设这时气泡内气体体积为 V1＝V。当气泡上升 到水面时，气泡内气体压强 p2=P0，体积为 V2。根据玻意耳定律 p1V1＝p2V2，
得

V ρ1V1

( p 0 ? ρgh) (1.0×10

5 ? 1.0×10 3

×9.8×3) V V

2 ? ? ?
2 ρ 0

1.0 ×10 3

? 1.29 ，



即气泡上升到水面时，体积扩大为原来体积的 1.29 倍。
[例题 2]
一端封闭的、足够长的均匀直玻璃管内有一段长 3 厘米的水银，当玻

璃管水平放置时，封闭在管内的空气柱长 5 厘米[图 2－21(a)]。如果小心 地将这根玻璃管竖立起来，并使开口的一端向下[图 2－21(b)]，这时管内 空气柱的长度是多少？(设温度保持不变，大气的压强为 1.0×105 帕，水 银的密度为 13.6×103 千克/米 3。)
解 玻璃管水平放置时，管内空气柱的压强等于大气压强，即 p1=p0，
因玻璃管内径均匀，设空气柱截面积为 a 米 2，则空气柱体积 V1=l1a。当
玻璃管开口的一端向下竖直放置时，管内空气压强将减小为 p2，p2=p0-ρ
gh。根据玻意耳定律 p1V1=p2V2，得


V2 ?


?

p1 V1
p2

? ρ0 ·l1a p 0 ? ρgh
1.0×105 ×5×10?2 a






? 米3

1.0×105 ? 13.6×103 ×9.8×3×10?2
? 0.052a米3
管内空气柱长度

l ? V2
2 a

? 0.052 a 米 ? 0.052 米 ? 5.2厘米。
a

思考
1．请你解释图 2－17 所示的空气具有“弹性”的现象。
　　2．罐装牛奶是密封的，如果只在罐子顶部开一个小孔，牛奶很难从小 孔倒出(图 2－22)，这是什么原因？
　　S(学生)：将一根两端开口的玻璃管竖直插入水中，用手指紧紧按住露 出水面一端的管口，然后将玻璃管向上提起几厘米，这时管中的水面为什 么会比管外水面高一些，而又比玻璃管向上提起的高度小？应当怎样来分 析这类问题呢？
　　T(教师)：首先，管中的液面不可能一点也不上升，否则管内、外液面 持平，被封闭在管内的空气柱压强不变，而体积却增大了，这是不可能的
3 其次，管中的液面上升的高度也不可能跟玻璃管上提的高度相等，否则， 空气柱的体积不变，而压强却小于原来的大气压强了，这同样也是不符合 玻意耳定律的。只有管内水面比管外水面高一些，又比玻璃管向上提起的 高度小一些，管中空气体积增大、压强减小才符合玻意耳定律。由此可见， 分析这类体积变化问题的同时，还要分析气体压强的变化。


练习六


　　1．如图 2—23 所示，带有活塞的容器内有一定质量的气体，已知气体 压强为 1.0×105 帕，体积为 2 升。如果在外力作用下，将活塞向右拉动， 使容器内的气体体积增大到 4 升，则容器内气体的压强将变为多大？如果 不计活塞与器壁间的摩擦，活塞的截面积为 100 厘米 2，为了使活塞平衡，
　　
这时需用多大的拉力？(设温度保持不变，大气压强为 1.0×105 帕。)
2．如果上题中的已知条件是：原来气体的压强为 1.0×105 帕，
　　密度为 1.29 千克／米 3。在外力作用下，十分缓慢地将活塞向左推动， 当容器里气体的压强达到 5×105 帕时，容器里气体的密度将是多大？
　　3．这里介绍一种简单的测定大气压强的实验方法：在一端封闭的均匀 直玻璃管中，用一段水银封住一定量的空气，当玻璃管开口端向上竖直放 置时[图 2—24(a)]，测得水银柱高度为 h，空气柱长度为 l1。小心地把玻 璃管放成水平，测得空气柱长度为 l2[图 2—24(b)]。设温度保持不变，水
银密度为ρ，根据上面的数据，试写出大气压强 p0。的表达式。
　　如果仍用这根装有一段水银柱的玻璃管，将开口端向下竖直放置，是 否也能测出大气压强？
　　4．如图 2－25 所示，一端开口、一端封闭的均匀 U 形管内盛有水银， 左臂内封有一定质量的空气，当 U 形管竖直放置时，两臂内的水银面在同 一高度；现从开口的一端再灌入一些水银，使两臂内水银面的高度差为 2 厘米，左臂内的空气被压缩 1 厘米，求左臂内原来的空气柱长。(设温度不 变，大气压强为 1.0×105 帕。)
　　5．将一根长 1 米、一端封闭的均匀玻璃管开口的一端竖直地向下插入 水中，当把玻璃管的一半长度插入水中时，进入玻璃管中的水柱高度 h 为 多大(图 2－26)？(设温度保持不变，大气压强为 1.0×105 帕。)


*六、理想气体的状态方程


　　前面我们已经学习了用控制变量的方法，研究一定质量的气体在体积 不变时(等体积过程)，它的压强跟温度的关系，压强不变时(等压过程)， 它的体积跟温度的关系，以及在温度不变时(等温过程)，它的压强跟体积 的关系，并且分别得出查理定律、盖·吕萨克定律和玻意耳定律。但在实 际情况中，经常会遇到气体的温度、体积和压强这三个量中，有一个量发 生变化时，会引起其他两个量同时发生变化的复杂情况。例如四冲程柴油 机压缩冲程开始后，进气阀和排气阀就都关闭，这时活塞把已经吸入气缸 的一定质量的空气压缩，气缸内空气体积迅速减小的同时，它的温度和压 强都急剧地增大，到压缩冲程末，当气缸内空气体积减小为原来体积的
1 时，温度可升高到700℃，压强可高达4×10 6 帕，这时向气缸内喷入
20
雾状燃油，燃油立即燃烧。再如图 2－27(a)所示的竖直放置的 U 形管中， 封闭端内有一定质量的气体，当气体温度升高时，它的体积膨胀了，压强 也一定相应增大[图 2－27(b)]。
　　怎样研究一定质量气体的温度、体积和压强三个量同时发生变化的情 况呢？它们在发生变化的过程中，是否也具有某种规律呢？
理想气体

　　气体的三个实验定律是研究上述情况的基础，但它们都是在温度不太 低、压强不太大(相对于室温和通常的大气压强)的情况下得出的。如果在 温度很强很大的情况下，实验结果将会出现很大偏离，而且在温度非常低、 压强非常大时，真实气体可能已经变成液态甚至变成固态了。为了便于研 究问题，我们可以设想一种气体模型，这种气体在任何温度和压强下，都 将严格遵循上述研究气体热学性质的实验定律，这种气体叫做理想气体。


物理模型


　　物理学是研究物质运动最一般的规律和物质的基本结构的科学。在实 际情况中，影响物质运动变化的因素往往是复杂的。为了简化问题，有利 于所研究问题的逐步展开和顺利解决，在物理学研究中常常忽略一些次要 因素，而只考虑起决定作用的主要因素，因此，就需建立物理模型。
　　例如把物质分子看成一个个不连续的弹性小球，在物质三态中有着不 同的空间分布与结构，这就是物质结构的分子模型。
　　为便于研究真实气体的性质，建立了理想气体模型，并假设它有如下 性质：
1．分子之间除碰撞外，不存在分子作用力。
2．分子只有质量而无体积，理想气体可以无限压缩。 这些假设使在研究真实气体时能抓住气体的主要性质与特征，忽略在
低温、高压下跟气体实验定律之间出现的偏离，从而使研究的问题得以简 化。
建立物理模型是一种科学方法，在今后学习中经常用到。 理想气体的状态方程
　　如图 2—28(a)所示，在一个带有活塞的竖直放置的容器里，盛有一定 质量的理想气体，它的温度为 T，体积为 V1，压强为 p1，这是它的一个平 衡状态，设为状态 1。
如果要使它变化到另一个平衡状态 2，这时的温度为 T2(T2＞T1)，体
积为 V2(V2＜V1)，压强为 p2(p2＞p1)[图 2-28(c)]。设想这一定质量的气体
是先后经过两个过程来实现这一状态变化的。假定它先经过一个等体积过 程，到达某一个中间状态 C，这时的温度 TC=T2，体积保持不变 VC=V1，压 强为 pC[图 2－28(b)]。根据查理定律，可得出在这过程中压强跟温度的关
系是
P1 ? T1
Pc T2
然后使气体再经过一个等温过程到达状态 2，这时温度仍为 T2，体积为
V2，压强为 p2[图 2－28(C)]。根据玻意耳定律，可得出这过程中压强跟体
积的关系是

pcV1=p2V2。 (2)


从(1) 式得PC

? p1T2
T1
p v


? 代入（2 ）式，整理后得

p V

1 1 ? 2 2
T1 T2
　　这个方程叫做理想气体状态方程。表明一定质量的理想气体的压强和 体积的乘积，除以它的热力学温度得到的商，在状态变化过程中是保持不 变的。即
　　　　　　　　pV ? C（常数），
T


式中 C 跟气体的质量和性质有关。理想气体状态方程反映了一定质量理想
气体的温度、体积和压强这三个状态量间的关系，对于真实气体来说，在 温度不太低、压强不太大的情况下也是适用的。
　　理想气体的状态方程实际上包含了前几节所学过的气体实验定律。例 如温度不变时(T1=T2)，理想气体状态方程就是玻意耳定律的表达形式；体 积不变时(V1=V2)，理想气体状态方程就是查理定律的表达形式；压强不变 时(p2=p2)，理想气体状态方程就是盖·吕萨克定律的表达形式。
　　在应用理想气体状态方程解决实际问题时，要注意气体的质量必须是 一定的，气体先后所处的两个状态的压强和体积应分别取相同的单位，而 温度则必须用热力学温度表示。
[例题]
　　如图 2－29 所示，两个容积相等的容器 A 和 B，用一细管相连，关闭 阀门 S，将容器 B 抽成真空。容器 A 中有一定质量的气体，压强为 1.0×105 帕，温度为 27℃。打开阀门 S，一部分气体将从容器 A 进入容器 B。如果 两个容器中的气体温度都降低到 10℃，这时容器 A 内的气体压强是多大？
解 容器 A 中一定质量气体初始状态的体积设为 V1，温度T1=(273+27)
开，压强 p1=1.0×105 帕。阀门 S 打开后，气体体积增大为 V2=2V1，温度
降低为 T2=(273+10)开。达到平衡后，容器 A 内的气体压强与容器 B 中的
气体压强是相等的，设为 p2。
根据理想气体状态方程

p 1V1
T1

? p 2 V2
T2

得 p ? p1V1T2 ? 1.0×105 ×V1 ×(273 ? 10) 帕

2 V2T1

2V1×(273 ? 27)

? 283 ×105 帕 ? 0.47×105 帕。
600
即容器 A 内的气体压强为 0.47×105 帕。 可见，容器中气体压强比原来减小一半还多。这是因为气体体积增大

到原来 2 倍的同时，气体的温度也降低的缘故。 S：一定质量的理想气体在状态变化时，是否可能温度升高体积反而减
小？如果可能的话，跟盖·吕萨克定律是否相矛盾？ T：一定质量的理想气体在状态变化时，温度升高，只要压强同时增大，
体积减小是有可能的。如内燃机在压缩冲程中，气缸内气体的情况就是这 样。这跟盖·吕萨克定律并不矛盾，因为盖·吕萨克定律是在气体压强不 变的条件下(即等压过程中)才适用，而你假定的状态变化是 p、V、T 三个 量都在发生变化的。
■
练习七


1．一个沼气泡从池塘底升起到达水面。若已知池水深 5 米，池底温度
为 17℃，水面温度为 27℃，大气压强为 1.0×105 帕。这一沼气泡自池底 升到水面时体积增大为原来的几倍？
2．某一内燃机吸入气缸的燃料混和气的压强为 1.0×105 帕，
　　温度为 47℃。在压缩冲程末，气缸内混和气的压强达到 1.2×106 帕， 压缩前、后混和气的体积之比是 6∶1，压缩后气缸内混和气的温度升高到 多少摄氏度？
　　3．如图 2－30 所示，气缸总容积为 20 升，内有一个面积为 0.04 米 2 的绝热活塞，把气缸分隔成两部分。开始时，活塞左、右两侧空气的温度、 压强、体积都相等，活塞在气缸的正中央恰保持平衡。现使气缸内活塞左 侧空气温度升高到 47℃，活塞右侧空气温度降低到 0℃，试求活塞最终平 衡时的位置。
4．某一定质量的理想气体在状态 1 时的温度为 T1，体积为 V1，压强
为 p1。如果先让它经过一个等温压缩过程，到达某一中间状态 C，使压强
增大为 p2，体积减小为 Vc；再经过一个等压膨胀过程，到达状态 2，使它
的温度升高为 T2，体积增大为 V2。试利用有关的气体实验定律推导出理想
气体的状态方程。


*七、饱和气和未饱和气空气的湿度


　　上海及江南地区每年的 5 月～6 月间，常常会遇到这样的现象，洗好 的衣服晾出去一整天也干不了，人们就说因为这是梅雨季节，气候潮湿。 平时粮食、棉花仓库都必须十分注意防潮，不然谷物、棉花就会霉变；图 书馆、博物馆的陈列室内要安装吸湿设备，在藏有名画、孤本等文物珍品 的玻璃柜里也要放置干燥剂，不然展品将会损坏。一些工业产品、精密仪 表也必须保持干燥。这些情况表明，空气干湿程度的大小对生产和生活都 有密切的关系，那么空气的干湿程度又跟哪些因素有关呢？
　　
饱和气和未饱和气
　　生活经验告诉我们，液体盛放在敞口容器中，很容易蒸发掉。要保存 液体，必须把它盛放在密闭容器中。这是因为液体分子始终在不停地运动， 其中速度较大的分子很容易冲出液体表面层进入空间；由于容器是敞口 的，已经冲出液面的分子中，只有极少数的分子会跟器壁碰撞或因分子间 相互碰撞而重新回到液体中[图 2－31(a)]。在相同时间里，逸出液面的分 子数大于重新回到液体的分子数，即液体的蒸发量大于气体的液化量，因 此时间长了，敞口容器中的液体会全部蒸发掉。
　　如果液体盛放在密闭容器中，情况就不同了。蒸发形成的气体分子不 可能跑到容器之外的空间去［图 2－31(b)］，随着液体的不断蒸发，液面 上方气的密度不断增大，由于碰撞而回到液体中的气体分子数也逐渐增 加，如果在相同时间里，回到液体中的分子数等于逸出液面的分子数，液 面上方气的密度就不再增大，达到饱和状态；液体的量也不再减小，液体 和气体之间达到了动态平衡。处于动态平衡下的气叫做饱和气。
　　未达到饱和状态的气，叫做未饱和气。通常盛有液体的敞口容器内， 液面上方的气是未饱和气。未饱和气具有和一般气体相同的性质。
　　实验表明，饱和气具有跟一般气体不同的性质：在体积一定时，由于 温度升高，一方面分子运动加剧，饱和气压强将随温度升高而增大；另一 方面液体蒸发加快，饱和气密度也将随温度升高而增大，所以饱和气压强 将随温度升高而增大得更快。反之，当温度降低时，饱和气密度将随温度 降低而减小，饱和气压强也将随温度降低而减小得更快。在温度一定时， 同种液体的饱和气密度是一定值，当体积增大时，有更多的液体将蒸发成 气，当体积减小时，有更多的气分子将回到液体中，而饱和气压强将不随 其体积的变化而变化。总之，不论是温度变化还是体积变化，都会使饱和 气的质量发生相应的变化，因此，对于饱和气，气体实验定律是不适用的。
空气的湿度
　　人们常说我国南方比北方潮湿，沿海地区比内陆地区潮湿，潮湿的含 义究竟是什么呢？
　　我们知道空气的主要成分是氮气和氧气，水气只占极小的比例。在局 部范围内，如沼泽地带、森林、沿海地区，空气中的水气比例会比山区、 沙漠高些，但总的来说，水气在空气中所占比例还是很小的。空气的干湿 程度可以用空气中所含的水气密度来表示。由于直接测量空气中的水气密 度比较困难，而水气的压强是随其密度的增大而增大的，通常都用空气中 水气的压强来表示空气的湿度。空气中所含水气的压强叫做空气的绝对湿 度，它的值通常只有几千帕。然而人们的潮湿感觉并不是由空气的绝对湿 度来决定的，而主要是跟空气中所含水气离饱和状态的远近有关。人们将 某一温度时，空气的绝对湿度跟同一温度下饱和水气压的百分比，叫做空 气的相对湿度。如果某一温度时的绝对湿度用 p 表示，同一温度下的饱和
　　
水气压用 ps 表示，则空气的相对湿度 B 可用下式表示：


B ? p p s

×100%

当水气离饱和状态远时，相对湿度就小，人们就觉得干燥；当水气离饱和 状态近时，相对湿度就大，人们就觉得潮湿。
[例题]
白天气温为 20℃时，测得空气所含水气的压强是 1.384 千帕。已知 20
℃时的饱和水气压为 2.308 千帕，求当时空气的相对湿度。如果夜晚气温 降低到 17℃，空气的绝对湿度不变，已知 17℃时的饱和水气压为 1.912 千帕，这时的相对湿度为多大？

解 白天的相对湿度


B ? p p s

×100%

? 1384 ×100% ? 60.0%
2308

夜晚的相对湿度

B′ ?

p1
p′s

×100%

? 1384 ×100% ? 72.4%
1912
通常人们所说的湿度大或湿度小都是指相对湿度。比较适宜的湿度是
60～70%。湿度过大或过小都会使人感到不适。譬如，冬天的公共浴室内的 湿度接近 100%，天花板上会往下滴水，人们会感到闷得透不过气来。北方 的冬季湿度很小，人们的皮肤会开裂。空气的湿度跟温度有关，空气中含 有同样比例的水气，在温度较高时，水气离开饱和状态较远；而在温度较 低时，水气可能已经达到饱和。例如白天气温较高，空气中所含水气未达 到饱和，到了夜间，气温降低，水气就已达到饱和，于是接近地面的空气 中的水气，就以尘埃等小颗粒为凝结中心形成许多小水滴悬浮在空中，空 气便变得不透明，这就是雾；如果水气凝结成水滴，附着在地面物体的表 面，这就是露。
　　湿度对工农业生产影响很大，例如水稻在抽穗扬花期间，最适宜的湿 度是 70～80%，湿度太大会使花粉飞扬不开，湿度太小又会使花粉很快干 枯，水稻雌蕊不易受精，影响水稻产量。纺织厂在生产棉纱和布匹时，对 空气湿度的要求很严格，如前纺车间要求湿度控制在 65%左右，细纱车间 要求湿度控制在 55%左右，而布机车间则要求湿度为 68%，不然就会影响坯 布的质量。各车间所需的湿度是通过调节水雾量和空气的比例，由空调室 的送风系统将调节好湿度的空气送入各车间来实现的(见本章导图 4，车间 顶部的送风口)。
　　测定某处的空气湿度，可以用多种仪器，这里介绍一种叫做毛发湿度 计的仪器。我们知道，经过脱脂处理后的头发，长度会随湿度变化而改变， 毛发湿度计就是根据这一特点制作的。湿度大时，头发(图 2－32 中的 C)
　　
长度会增长；湿度小时，头发长度会缩短。指针(图 2－32 中的 S)能把头 发长度的微小变化显示出来，从刻度表上可直接读出空气的湿度。
思考
1．怎样理解盛放在密闭容器中的液体不再减少的现象？
　　2．夏天夜晚，人们在室外乘凉，夜深以后，用手摸自己的头发或者坐 椅，会有一种阴湿的感觉，这是什么原因？
　　3．冬天从室外走进温暖的室内，戴眼镜的人立即会发现眼镜片变得模 糊起来，你有这样的体验吗？这是什么原因？
　　4．上海等大城市郊县农村中采用大型塑料暖棚(图 2－33)培育蔬菜， 即使在冬季也能为城市居民供应各种蔬菜，这种暖棚除了能透入阳光和保 温外，还有什么重要作用？
■


八、分子运动论内能


　　我们已经学习过固体、液体和气体的基本性质，现在要进一步通过学 习分子运动论，讨论热现象的本质。并学习物体内能的概念，从能量的观 点认识热现象。
分子运动论
　　分子运动论是人们在对大量实验事实观察的基础上提出的对物质结构 的一种基本假设。其要点是：物体是由大量分子组成的，分子永不停息 地做无规则运动，分子之间存在着相互作用的引力和斥力。下面我们 着重介绍分子运动论的实验基础。
物体是由大量分子组成的。
　　我们知道，物体是由大量分子组成的，1 摩尔(mol)的任何物质含有的 分子数相同，这叫做阿伏伽德罗常数。它的值 NA=6.02×1023/摩尔。
　　分子是很小的。物理学中有各种不同的方法来测定分子的大小，一种 粗略地测定分子大小的方法是油膜法。把一小滴体积为 V 的油滴，滴在静 止的水面上，油在水面上会尽可能散开，形成单分子薄膜。测出油膜的表 面积 S，就可算出单分子油膜的厚度 d=V/S。如果把分子看成球形，并认为 分子紧密排列在一起，这油膜的厚度就等于油分子的直径。测定结果表明， 油分子直径的数量级是 10-10 米。
　　要注意的是：把分子看作球形，是一种简化的模型。实际上分子的内 部结构很复杂，我们一般只要知道分子大小的数量级就可以了。
分子永不停息地做无规则运动
　　1827 年，英国植物学家布朗在显微镜下观察到水中的花粉微粒和其他 悬浮着的小颗粒在不停地做无规则运动。以后，人们又发现在温度均匀和 没有外力作用时，在显微镜下都能观察到悬浮在液体和气体中的小颗粒的
　　
无规则运动。人们把这种小颗粒的无规则运动叫做布朗运动。我们把少量 烟墨墨汁用水稀释后，取一小滴放在显微镜下观察(图 2－34)，就可看到 小碳粒的布朗运动，而且碳粒越小，运动越明显；温度越高，运动越明显。
图 2－35 所示的是在显微镜下观察到的做布朗运动的三颗微粒的运动情 况。这个图是根据每隔 30 秒记录的微粒所在位置，用直线把这些位置依次 连接起来形成的三条折线。从这些折线可以看出小颗粒的运动是无规则
的。
　　布朗运动产生的原因是什么呢？图 2－36 描绘了一个小颗粒受到周围 液体分子撞击的情景，每个液体分子撞击小颗粒时都给小颗粒一个作用 力，由于颗粒体积很小，在某一瞬间和它相撞的分子数也比较少，如果从 某一方向撞击的分子数多于其他方向撞击的分子数，小颗粒受到的作用力 就不平衡，这个瞬时合力使小颗粒的运动状态发生变化。下一瞬间，在另 外方向上的作用力大一些，那么小颗粒的运动状态又发生变化，这样就引 起了小颗粒的无规则运动。做布朗运动的小颗粒虽然不是分子，但它的无 规则运动正是液体分子做无规则运动的反映。
■
　　如果颗粒较大，虽然它也受到周围液体分子的撞击，但由于同时跟它 撞击的分子较多，来自各个方向的撞击作用可以认为是相互平衡的，所以 较大的颗粒的布朗运动极不明显，难以观察。
　　从温度越高小颗粒的运动越激烈的实验事实，表明分子的无规则运动 是跟温度有关的，温度越高，分子运动越激烈，所以分子的无规则运动也 叫热运动。
　　S：从图 2－35 来看，我认为在较短的时间内颗粒的运动还是有规则 的，因为至少在 30 秒内，颗粒的运动轨迹是直线。
T：图 2－35 所画的并不是颗粒实际运动的轨迹，而是记录了颗粒每隔
30 秒所在位置的变化，若干段短直线只是这一系列位置变化的连线。如果 时间间隔取得再短一些，那么每一小段直线将被另外一些不规则的折线所 代替。这些折线也不是颗粒的运动轨迹，所以说颗粒在任何时间内的运动 是无规则的。
分子间的相互作用力
　　组成物体的分子之间存在着相互作用力，把物体拉长或压缩都要用 力，这表明拉长物体时，分子之间相互作用力表现为引力；压缩物体时， 分子之间的相互作用力表现为斥力。
　　分子间的相互作用力是分子引力和斥力的合力，它是一种短程力，只 有在分子间距离很近时才显现出来。例如把两块表面平整的铅块靠放在一 起，它们之间不显现分子力的作用；当把它们紧密地贴在一起时，这两块 铅块可以承受很大的拉力而不会分离，如图 2－37 所示。理论研究指出， 分子力跟分子间的距离有关，当分子间的距离增大时，分子间的引力和斥
　　
力都随着距离的增大而减小；当分子间的距离 r=r0 时，引力和斥力平衡， 合力为零，这是平衡位置，r0 约为 10-10 米；当 r＜r0 时，斥力的增大大于 引力的增大，分子间相互作用力表现为斥力，并且随着 r 的减小，斥力迅
速增大；当 r＞r0 时，斥力的减小大于引力的减小，相互作用力表现为引
力；当 r＞10r0 时，可以认为分子间的相互作用力为零。
■
　　从以上介绍的分子运动论的基本要点可以知道，分子不停地做无规则 运动，分子之间又存在相互作用力。分子力的作用使分子聚集在一起，分 子的无规则运动使它们分散开来。由大量分子组成的物体在不同条件下可 以固、液、气三种不同状态存在，正是由这两种相反因素决定的。对于固 体来说，分子间的作用力比较强，绝大多数分子被束缚在平衡位置附近做 微小的振动，所以固体有一定的形状。随着温度升高，分子的无规则运动 加剧，到一定时候，分子力不能把分子束缚在固定的平衡位置附近，于是 出现了流动性，表现为液体状态，但分子还不能分散远离，所以液体也具 有一定的体积。当温度再升高，分子的无规则运动更加剧，到一定程度， 分子分散远离，分子力的作用很微弱，分子可以到处自由运动，物体就处 于气体状态，所以气体没有一定的体积。
内能
　　组成物体的大量分子总是在不停地作无规则运动，运动着的分子具有 动能。由于分子运动是无规则的，物体内各个分子的动能并不相同，难以 一一测出。因此在研究分子热现象时，人们关心的是物体内所有分子的动 能的平均值，这个平均值叫做分子热运动的平均动能，简称分子的动能。 理论研究指出：任何物体在同一温度下，分子的平均动能都相同。温 度升高，物体内分子的热运动加剧，分子的动能也增大；温度降低，分子 的动能减小。因此从分子运动论的观点看，温度是物体分子热运动的平
均动能的标志。分子热运动的平均动能跟物体的温度有关。 分子间由于存在相互作用而具有由分子间的相对位置决定的势能，叫
做分子势能。 分子势能是随着分子之间的距离的变化而变化的。当分子力表现为引
力时，分子势能随着分子间距离的增大而增大，或随着分子间距离的减小 而减小；当分子力表现为斥力时，分子势能随着分子间距离的增大而减小， 或随着分子间距离的减小而增大。
　　物体的体积发生变化时，分子间的距离要发生变化，因此分子势能也 随着发生变化。可见分子势能跟物体的体积都有关。
　　物体内所有分子的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。物 体都是由不停地做无规则运动并且相互作用着的分子组成的，因此任何物 体都具有内能。由于分子热运动的平均动能跟温度有关，分子势能跟体积 有关，所以物体的内能跟它的温度和体积都有关。
　　
　　要指出的是，实际需要了解的是物体经过某一变化过程后，它的内能 是增加还是减小，改变了多少。
物体内能的改变
　　对铁块加热，铁块吸热后温度升高，体积增大，内能增大；用锯条锯 铁块时，外力克服摩擦力做功，锯条和铁块的温度也会升高，内能增大。 一块冰可以通过加热，用热传递的方式使其内能增加而熔化；也可以通过 摩擦做功的方式，增加它的内能，使它熔化。
　　在一个厚壁玻璃筒里放一小块硝化棉(或一小块浸过乙醚的棉花)，迅 速压下活塞，筒内的硝化棉就会燃烧(图 2－38)。这个实验表明，外力对 筒里的空气做功，机械能①转化为内能；空气的内能增大，温度升高，当温 度升高达到硝化棉的着火点时，硝化棉就燃烧起来。
　　大量事例表明，物体内能的改变可以通过做功和热传递这两种不同的 方式来实现。
　　做功使物体内能发生改变时，内能的变化可用做功的数值来量度。外 界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体 的内能就减少多少。
　　热传递使物体内能发生变化时，内能的变化是用热量来量度的。外界 对物体传递了多少热量，或者说物体吸收了多少热量，物体的内能就增加 多少；物体传递给外界多少热量，或者说物体放出了多少热量，物体的内 能就减少多少。所以，热量是热传递过程中物体内能改变的量度。
　　正因为做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，所以功、热量和 能量用同一单位量度是自然和合理的。在我国法定单位制中，热量的单位 是焦耳。
　　要指出的是：虽然做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但它们 之间有着本质的区别。做功使物体的内能改变，是其他形式的能转化为内 能，例如克服摩擦做机械功时，是机械能转化为内能；热传递使物体内能 改变，是物体间内能的转移，例如把炽热的铁块投入水中，就是铁块的一 部分内能转移到水里，使水的温度升高，内能增大，而能量形式没有发生 变化。
思考
　　1．图 2－38 的实验中，将活塞迅速压下，硝化棉燃烧，活塞猛烈向上 弹起，怎样从气体内能的改变来解释这一现象？
2．一个物体吸收热量，物体的内能是否一定增加？为什么？
3．一个物体对外界做了一定的功，物体的内能是否一定减少？为什 么？
练习八