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谈谈高中物理中的宏观与微观知识学习物理知识的宏观与微观对引入新概念的方法和途径很多。
可以结合实例设疑引入,也可以采用演示实验直观引入等。
但是不管采用什么途径引入这一概念,都必须使学生认识到引入新概念的必要性和重要性,从而激发学生的学习兴趣和探索新知识的欲望。
这是教好物理宏观与微观概念的重要环节。
归纳总结如下:1、物理规律。
(1)牛顿定律:以牛顿定律为基础的经典力学适用于解决低速运动的物体,不能用来处理高速运动问题;适用于宏观物体,一般不适用于微观粒子。
(2)动量守恒定律和能量转化和守恒定律是宏观和微观世界普遍适用的规律。
2、作用力。
自然界存在四中基本相互作用:万有引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用。
在宏观世界里,能显示其作用的只有两种:引力和电磁力。
由于引力常量很小,因此对于通常大小的物体,引力非常微弱,常被忽略不计。
但是,对于一个具有极大质量的天体,引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。
电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。
宏观物体之间的相互作用,除引力外,所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。
若相互作用和强相互作用是短程力,短程力的相互作用范围在原子核尺度内。
强作用力只在10-15 m范围内有显著作用,弱作用力的范围不超过10-16m 。
这两种力只有在原子核内部和基本粒子的相互作用中才显示出来,宏观世界里不能觉察他们的存在。
3、摩擦现象。
从15世纪至18世纪,科学家们提出了一种解释摩擦本质的凹凸啮合说,这个理论认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生。
两个物体接触挤压时,接触面上很多凹凸部分就相互啮合。
如果一个物体沿接触面滑动,两个物体接触面的凸起部分相碰撞,缠身断裂、磨损,就形成了对运动的阻碍。
此后,英国学者提出粘附说,认为产生摩擦的真正原因在于接触面间的分子力作用。
表面越光滑,接触越紧密,分子力的影响越大,摩擦力越大。
到20世纪中期,诞生了新的摩擦粘附论。
5 热力学第二定律的微观解释6 能源和可持续发展一、热力学第二定律的微观解释1．有序和无序(1)概念：一个系统的个体按确定的某种规则有顺序地排列即为有序；如果对个体的分布没有确定的要求，“怎样分布都可以”即为无序．(2)特点：有序和无序是相对的，即存在一个有序程度的问题．2．宏观态和微观态(1)概念：在统计物理学中，规定了某种规则，我们就规定了一个“宏观态”，这个“宏观态”可能包含一种或几种“微观态”，不同的“宏观态”对应的“微观态”的个数不同．(2)特点：如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，那么这个“宏观态”是比较无序的．3．热力学第二定律的微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大(选填“增大”或“减小”)的方向进行．这就是热力学第二定律的微观意义．4．熵及熵增加原理(1)熵①物理意义：用来量度系统无序程度的物理量叫作熵．②表达式：S＝k lnΩ，其中k表示玻尔兹曼常数，Ω表示一个宏观态所对应的微观态的数目，S表示熵．(2)熵增加原理：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小．这就是用熵的概念表示的热力学第二定律．一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化？提示：气体被压缩过程中，体积减小，分子间的相对位置越来越确定，系统的无序程度越来越小，所以熵减小．二、能源和可持续发展1．能量耗散和品质降低(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的．(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性．(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式．流动的水带动水磨做功，由于磨盘之间的摩擦、磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的空气中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用．请思考：内能与机械能相比，哪种能量的品质低？提示：内能．能量的耗散虽然不会使能量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．故内能较之机械能是一种低品质的能量．2．能源与环境(1)能源的种类①常规能源：煤、石油、天然气等．②新能源：太阳能、生物质能、风能、水能等．(2)环境问题：化石能源的资源有限，而且使用时对环境有很大的破坏，造成的环境污染主要有：温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等．考点一热力学第二定律的微观意义1．热力学第二定律的微观解释(1)高温物体和低温物体中的分子都在做无规则的热运动，但是高温物体中分子热运动的平均速率要大于低温物体．所以在高温物体分子与低温物体分子的碰撞过程中，低温物体分子运动的剧烈程度会逐渐加剧，即低温物体的温度升高了，而高温物体分子运动的剧烈程度会减缓，即高温物体的温度降低了．所以从宏观热现象角度来看，热传递具有方向性，总是从高温物体传给低温物体．(2)换一种角度看，初始状态我们根据温度的高低来区分两个物体，而终了状态两个物体上的温度处处相同，无法区别，我们就说系统的无序程度增加了．(3)同理可知，在通过做功使系统内能增加的过程中，自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程．2．热力学第二定律的微观意义：热力学第二定律揭示了涉及热现象的一切宏观自然过程都只能在一个方向上发生，而不会可逆地在相反的方向上出现．它指出在能量得以平衡的众多过程中，哪些可能发生，哪些不可能发生．自然界涉及热现象的一切宏观过程都是不可逆的，宏观自发过程的这种方向性(熵增加的方向)，也就成为时间的方向性．所以，“熵”又常常被称为“时间箭头”．3．熵和熵增加原理(1)熵是反映系统无序程度的物理量，正如温度反映物体内分子平均动能大小一样．系统越混乱，无序程度越大，就称这个系统的熵越大．(2)系统自发变化时，总是向着无序程度增加的方向发展，至少无序程度不会减少．也就是说，系统自发变化时，总是由热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行．从熵的意义上来说，系统自发变化时，总是向着熵增加的方向发展，不会使熵减小．(3)任何宏观物质系统都有一定量的熵，熵也可以在系统的变化过程中产生或传递．【例1】热力学第二定律指出了热量传递方向和热量转化方向的不可逆性，这一结论可以从微观角度出发，从统计意义来进行解释．气体自由膨胀的不可逆性可以用概率来说明(下图)．a、b、c三个分子在A、B两室的分配方式(下图)则：(1)a 分子出现在A 室的概率为________；(2)a 、b 、c 三个分子全部回到A 室的概率为________；(3)N 个分子全部自动收缩到A 室的概率为________．利用统计理论中的概率知识求解．【解析】 a 分子在自由运动后，在A 室、B 室的概率均为12，b 分子在A 室、B 室的概率也为12，c 分子在A 室、B 室的概率亦为12，则a 、b 、c 同时出现在A 室的概率为：12×12×12＝18，则当有N 个分子时，它们同时出现在A 室的概率为12N . 【答案】 (1)12 (2)18 (3)12N 总结提能 从“宏观态”和“微观态”反映有序和无序，充分利用统计学的知识解释热力学第二定律，是本部分的重要题型，这类题目不仅需要有物理知识，还要熟知数学统计学、概率等知识的基本内容．(多选)关于热力学第二定律的微观意义，下列说法正确的是( CD )A ．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动B ．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程C ．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程D ．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析：热力学第二定律的微观意义明确指出：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序程度增大的方向进行，所以答案C、D正确．考点二能源的分类【例2】据《中国环境报》报道：从一份科技攻关课题研究结果显示，我国酸雨区已占国土面积的40%以上，研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿元．为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规．(1)在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可有效地降低地面SO2浓度．在20世纪的60～70年代的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35%，但由于建造高烟囱的原因，地面浓度降低了30%，请你从全球环境保护的角度，分析这种做法是否可取？说明理由．(2)用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油作燃料相比，哪种物质可以作为新能源？主要优点是什么，缺点又是什么？温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大大增加，导致“温室效应”，造成地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响．酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡．同时，还会腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康．【解析】(1)这种方法并不可取，因为虽然高烟囱可有效地降低地面SO2浓度，但并不能减少排放到大气中的SO2总量，总污染量并未减少，并且高空中的SO2很容易与雨水结合，形成酸雨危害环境．(2)传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是燃烧过程中产生污染，危害环境．氢这种物质可以作为新能源，因为相同质量的氢与煤、石油相比，放出的热量更多，并且燃烧后只产生水，无污染物形成．缺点是大量的单质氢不容易获得，成本太高，并且氢的熔点很低，不容易液化，给运输带来不安全因素．总结提能过度开采常规能源已造成能源危机，使用常规能源也直接污染着地球环境．(多选)煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境．最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”．下列有关说法正确的是( ACD )A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化C．该技术实现了煤的清洁利用D．该技术实现了煤的高效利用解析：煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化，又有化学变化，A正确，B错误；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D正确．1．已知一个系统的两个宏观态甲、乙，其对应微观态的个数分别为较少、较多，则下列关于两个宏观态的描述及自发过程的可能方向的说法中正确的是( A )A．甲比较有序，乙比较无序，甲→乙B．甲比较无序，乙比较有序，甲→乙C．甲比较有序，乙比较无序，乙→甲D．甲比较无序，乙比较有序，乙→甲解析：一个宏观态对应微观态的多少标志了宏观态的无序程度，从中还可以推知系统自发地进行方向，微观态数目越多，表示越无序，故甲较有序，乙较无序，C、D错误；一切自发过程总沿着无序性增大的方向进行，即甲→乙，A正确，B错误．2．关于气体向真空中扩散的规律，下列叙述中错误的是( B )A．气体分子数越少，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大B．气体分子数越多，扩散到真空中的分子全部回到原状态的可能性越大C．扩散到真空中的分子在整个容器中分布得越均匀，其宏观态对应的微观态数目越大D．气体向真空中扩散时，总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行解析：气体分子数越多，其宏观态对应的微观态数目越多，无序性越大，所以回到原状态的可能性越小，因此B错误．3．(多选)下列关于晶体熔化的说法中正确的是( BD )A．在晶体熔化的过程中，温度不变，分子热运动的平均速率不变，则无序程度不变B．晶体熔化时，分子的平衡位置在空间的较为规则排列，变为分子的平衡位置的较为无序排列，则无序度增大C．在晶体熔化的过程中，熵将保持不变D．在晶体熔化的过程中，熵将增加解析：在晶体熔化的过程中，分子的平衡位置由较有规则变为无规则，无序度增大，熵将增加，故B、D对．4．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是( BC )A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化D．“温室效应”使得土壤酸化解析：“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量．它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C选项正确．5．下列供热方式最有利于环境保护的是( D )A．用煤供热B．用石油供热C．用天然气或煤气供热D．用太阳灶供热解析：煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有的粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，是不会污染环境的，应大力推广，故答案应选D.。
热力学和统计物理一、基本概念1. 热力学- 系统与外界- 热力学研究的对象称为系统，系统以外与系统有相互作用的部分称为外界。
例如，研究气缸内气体的性质时，气缸内的气体就是系统，气缸壁、活塞以及周围的环境等就是外界。
- 平衡态- 一个孤立系统经过足够长的时间后，宏观性质不再随时间变化的状态称为平衡态。
例如，将一个盛有热水的容器放在绝热环境中，经过一段时间后，水的温度不再变化，水就达到了平衡态。
平衡态可以用一些宏观参量来描述，如压强p、体积V、温度T等。
- 状态参量- 用来描述系统平衡态的宏观物理量称为状态参量。
- 几何参量：如体积V，它描述了系统的几何大小。
对于理想气体，体积就是气体分子所能到达的空间范围。
- 力学参量：压强p是典型的力学参量，它是垂直作用于容器壁单位面积上的力。
- 热学参量：温度T是热学参量，它反映了物体的冷热程度。
从微观角度看，温度与分子热运动的剧烈程度有关。
2. 统计物理- 微观态与宏观态- 微观态是指系统内每个粒子的微观状态（如每个粒子的位置、动量等）都确定的状态。
而宏观态是指由一些宏观参量（如压强、体积、温度等）确定的状态。
一个宏观态往往包含大量的微观态。
例如，对于一个由N个粒子组成的气体系统，给定气体的压强、体积和温度，这就是一个宏观态，但这些粒子的具体位置和动量有多种可能组合，每一种组合就是一个微观态。
- 等概率原理- 对于处于平衡态的孤立系统，系统各个可能的微观态出现的概率相等。
这是统计物理的一个基本假设。
二、热力学定律1. 热力学第零定律- 如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必定处于热平衡。
这一定律为温度的测量提供了依据。
例如，我们可以用温度计（第三个系统）去测量不同物体（两个系统）的温度，当温度计与物体达到热平衡时，就可以确定物体的温度，并且如果两个物体与同一温度计达到热平衡，那么这两个物体之间也处于热平衡，它们具有相同的温度。
统计力学的基础概念统计力学是一门探究宏观热力学性质的物理学分支。
它通过对微观粒子的统计分析，将热力学和量子力学结合起来，从而能够解释诸如热传导、热膨胀、相变等现象。
在统计力学中，定义了一些重要的基础概念，这些概念为我们理解热力学性质提供了重要的基础。
1. 熵熵是一种描述物体混乱程度的概念。
在热力学中，熵是表示物质热力学状态的基本参量之一。
在统计力学中，熵的统计定义则是熵等于系统的自由能和温度的乘积减去系统的内能。
它为我们提供了从微观角度理解热力学第二定律的手段。
2. 统计系综统计力学中的一个重要概念是统计系综。
它是描述热力学体系的一组样本在某一时刻的总体。
在统计系综中，每个样本代表一个可能的微观态，而系统的宏观态则是由这些微观态组合而成的。
统计系综在研究概率的物理过程时具有重要意义。
3. 泊松分布泊松分布是统计物理学中的一个重要模型。
它描述了一个随机事件在一定时间或空间内发生的概率。
在热力学中，泊松分布通常用于描述分子自由运动和碰撞的情况。
泊松分布的具体形式为P(n) = e^-μ * μ^n / n!，其中P(n)表示事件发生n次的概率，μ表示平均发生率。
4. 固定能量系综固定能量系综是指在一定能量下的所有可能的微观态组成的集合。
在固定能量系综中，系统与外界不进行热量交换，因此系统的内能是固定的。
在实际的固定能量系综中，能量的取值是连续分布的，因此需要使用能量密度函数来描述系统的状态。
5. 统计物理学和量子场论统计物理学与量子场论的结合被视为是现代物理学的重要发展方向之一。
量子场论描述了所有粒子的物理属性，其中包括它们的质量、自旋等，而统计物理学研究的是宏观物体的状态。
因此，将两者结合起来可以提供对宏观物体行为的更深入理解，如超导电性和超流性。
6. 统计力学和化学动力学统计力学与化学动力学的结合也是一个重要的领域。
化学反应涉及到分子之间的相互作用，而统计力学可以提供分子运动和相互作用的信息。
因此，使用统计力学的方法可以更好地确定化学动力学模型的参数和动力学方程。
统计物理学与量子力学的关系在物理学领域中，统计物理学和量子力学是两个重要且相互关联的分支。
统计物理学研究物质中的大量粒子之间的统计规律，而量子力学则描述微观粒子的行为。
尽管它们研究的物理现象属于不同尺度，但二者之间存在着深刻的内在联系。
本文将就统计物理学与量子力学之间的关系展开论述。
一、统计物理学的基本原理统计物理学是一门研究大量粒子系统的行为的学科，其核心原理是基于统计的概率性，而非经典力学中的确定性。
统计物理学基于粒子的微观状态和其宏观性质之间的关系，将大量的微观粒子系统的统计行为用概率论和统计学的方法加以描述。
在统计物理学中，一个重要的概念是微观状态和宏观态。
微观状态指的是系统中每个粒子的准确状态和位置，而宏观态则是描述系统整体性质的量。
统计物理学的目标是研究在给定的微观条件下，系统处于各个可能的微观状态的概率分布，并通过统计方法得到系统宏观性质的平均值。
二、量子力学的基本原理与统计物理学不同，量子力学是研究微观领域的物理学，主要研究原子、分子和基本粒子等微观粒子系统。
量子力学的基本原理是基于波粒二象性，即微观粒子既可以以粒子的形式存在，又可以以波的形式传播。
量子力学的核心概念包括波函数、不确定性原理和量子态等。
波函数描述了微观粒子的状态和性质，其演化符合薛定谔方程。
不确定性原理指出在给定时间内，无法完全确定微观粒子的位置和动量，只能给出它们的概率分布。
量子态用于描述系统的整体性质，通过波函数的叠加来表示。
三、统计物理学与量子力学的关系统计物理学和量子力学之间存在着紧密的联系。
首先，统计物理学在量子力学的基础上发展起来，是对量子力学的一种推广和应用。
统计物理学通过引入概率的概念，以统计方法研究大量微观粒子的平均行为，从而揭示了微观粒子的统计规律。
其次，统计物理学为量子力学提供了一种解释微观粒子行为的视角。
在统计物理学中，用统计方法研究的宏观量可以被看作微观粒子行为的统计平均。
这些宏观量的统计性质与量子力学中的运算符和算符的期望值相对应。
