第二章气体分子运动论的基本概念
§1 物质的微观模型
一、物质微观模型:
1、宏观物体是由大量微粒—分子(或原子)组成的,
2、物体内的分子在不停地运动着,这种运动是无规则的剧烈程度与物体的温度有关。
3、分子之间有相互作用。
二、物质三种聚集态的成因
分子力的作用将使分子聚集在一起,在空间形成某种规则的分布(有序排列),而分子的无规则运动将破坏这种有序排列,使分子分散开来。事实上,物质分子在不同的温度下所以会表现为三种不同的聚集态,正是由这两种相互对立的作用所决定的。
§2 理想气体的压强
一、理想气体的微观模型:
1、分子本身的形成比起分子之间的平均距离来可以忽略不计。
2、除碰撞的瞬间外,分子之间以及分子与容器器壁之间都无相互作用。
3、分子之间以及分子与容器器壁之间的碰撞是完全弹性的,即气体分子的动能不因碰撞而损失。
二、压强公式
1、压强产生的微观实质:是大量气体分子对器壁不断碰撞的结果。(举例说明)。
2、理想气体压强公式的推导过程:思路:欲求分子施于器壁的压强P,应先求出大量分子施于器壁的力F。这个力除以器壁的面积,就得到分子施于器壁的压强。设:有一个边长分别为L1、L2、L3的长方体容器,在平衡态下,共有N个Array分子,分子的质量为m,分子数密度为n=N/V。
①单个分子在一次碰撞中施于A1面的冲
量,(A1面垂直于x轴)
设某一分子的速度为V i,速度三个分量分别为:
V ix、V iy、V iz由于碰撞是完全弹性的,所以碰
撞前后分子在y、z两方向上的速度分量不变,
在x方向上的速度分量由V ix变为-V ix,
大小不变方向反向。这样,分子在碰撞过程中
的动量改变为:-m V ix -m V ix =-2m V ix.按动量定理,这就等于A1面施于分子的冲量,而根据牛顿第三定律,分子施于A1面的冲量为:+2m V ix
②dt时间内分子之施于A1面的冲量:它应等于2m V ix乘以dt时间内分子之于A1面碰
撞的次数,即:
③容器内所有分子,在dt 时间内施于A 1面的总冲量,这显然等于dt 时间内所有分子施
于器壁A 1面的冲量之和,即:
dt
v l m dt v v v l m dI N i ix Nx x x ?=+++=∑=)()(1
212
22211
根据动量定理,单位时间内施于器壁A 1的总冲量,就等于分子施于A 1面的作用力F 。
(即F·dt=dI )
∑===N i ix v l m dt dI F 1
2
1
④求分子施于A 1面的压强:由于A 1面的面积=L 2·L 3,故压强为: 2
1
21212321ix N
i ix
N i ix N i ix v nm N
v m V N v V m v l l l m dA dt dI dA F P ====?==∑∑∑===
即:
2
ix
P nmv =
在平衡态下,气体的性质与方向无关,分子向各个方向运动的几率相等,对大量分子来说, 三个速度分量的平均值必然相等(统计思想)。即:
2
22z y x v v v == 222z y x v v v ==
又 2222
iz iy ix i
v v v v ++= 即:2222z
y x v v v v ++=
故有:
代入上式,得: 21
3
P nmv =
令2
2
1v m =
∈表示气体分子的平均平动动能,则上式可写成(理想气体的压强公式): dt
l mv v l dt
mv ix ix ix ?=?1
21222
02
223
1v v v v z y x =
++
2212()323
P n mv n ==∈
3、压强公式的物理意义:
∈=n P 3
2公式将宏观量压强P 和微观量
∈ 联系起来了,在 2x nmv P = 及
22
3
1v v x =式中计入了统计的概念和统计的方法,所以压强是一个统计平均量。
§3 温度的微观解释
一、温度的微观解释
1、气体分子的平均平动能与温度的关系: 由理想气体的压强公式和气体状态方程:
m N Nm M A ==μ
∴②式形变为:③ nkT T N R V N RT m N Nm V P A
A =?=?=
1 式中1
231
23111038.11002.6314.8-----??=???==k J mol k mol J N R k A (玻耳兹曼常数) 联合①②得:3
2
kT ∈=
上式表明:气体分子的平均平动能只与温度有关,并与热力学温度成正比。
2、温度的微观实质:
温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度,温度越高,就表示平均说来物体内部分子热运动越剧烈。温度是大量分子热运动的集体表现,具有统计意义,对单个分子,说它有温度是没有意义的。 3、方均根速率:
由2
2
1v m =
∈ 和 kT 23=∈ 可得:
=
= =
2②
①
RT M
P n P μ
=
∈
3
二、对阿伏加德罗定律的验证:
由③P=nkT 可以看出:在相同的温度和压强下各种气体在相同的体积内所含的分子数相等,这就是阿伏伽德罗定律。
例如,在标准状态下,任何气体在1立方米的体积中含有的分子数都等于:
325323
5
106876.22731038.110013.1---?=???==m m k
kT P n 这个数目叫做落喜密脱数。
§4 分子力
一、分子间互相作用力的半经验公式
)(t s r
r
f t
s
>-
=
μ
λ
(假设分子间的相互作用力具有球对称性)
说明:
① r —个分子中心间的距离,λ.μ.s.t 都是函数。 ②第一项为正代表斥力,第二项为负代表引力。
③s.t 都比较大, f 随r 的增大而急剧地减小。s>t ,所以斥力的有效作用距离比引力小。 二、分子作用曲线
图2-7a 中的两条虚线分别表示斥力和引力随距离处变化的情况:由图可见,在一定距
离处s t r r -
==10)(λ
μ处,斥力和引力相抵消,合力为零,这个位置叫做平衡位置。在平衡
位置以内, 即r
2-7a 2-7b
三、分子间的势能曲线:
如图2-7(b)由于分子是保守力,两个分子间的距离改变dr时,分子间的势能的增量就等于分子力f在距离dr内所作功的负值,即:dE p=-fdr
在图2-7(b)中的实线是分子势能曲线,在平衡位置r=r0处,分子力f=0,而f=-dE p/dr,所以在这里势能有极小值,当r>r0时,势能曲线的斜率是正的,这相当于引力。
四、分子间的相互“碰撞”过程:
下面根据势能曲线来说明两个分子间的“碰撞”过程,设一个分子静止不动,其中心固定在图2-7(b)中坐标原点o处,另一个分子从极远处以动能Eu0(这时势能为零,所以E u0也就是总能量E)趋进。
当距离r>r0时,分子力是引力,所以势能Ep不断减小,而动能E R不断增大;
当r=r0时,势能最小,而动能最大;
当r=d时,势能与分子原来在极远处的动能E R0相等,即动能全部转化为势能,分子的速度成为零,分子不能再趋进,这时,分子在强大的斥力作用下被排斥开来,这便是通常被形象地看作分子间的弹性碰撞过程。
五、分子的有效直径:
由于斥力的存在,两个分子在相隔一定距离d处便互相排开,可以把分子看作直径为d
有关,但由于分子的势能曲线在斥力作用的的弹性球,则分子的大小显然与原来的动能E k
相对应的d值实际相差很小,我们可以取d的平均值为分子一段非常陡,所以与不同的E k
的有效直经。实验证明,分子有效直径的数量级为米。
六、物质处于凝聚态时分子运动的图象:如果在温度比较低的情况下,分子平衡位置r=r0附近处的动能小于势能的绝对值,也就是说,分子所构成的系统的总能量小于零,则分子将在平衡位置附近作微小振动,这便是物质处在凝聚态(液态或固态)时分子运动的图象。
[1]The Shine-Dalgarno sequence(AGGAGG), proposed by Australian scientists John Shine and Lynn Dalgarno,[1] is a ribosomal binding site located upstream of the start codon AUG. It is a consensus sequence that helps recruit the ribosome to the mRNA to initiate protein synthesis by aligning it with the start codon. The complementary sequence (CCUCCU), is called the anti-Shine-Dalgarno sequence and is located at the 3' end of the 16S rRNA in the ribosome.Mutations in the Shine-Dalgarno sequence can reduce translation. This reduction is due to a reduced mRNA-ribosome pairing efficiency, as evidenced by the fact that complementary mutations in the anti-Shine-Dalgarno sequence can restore translation.When the Shine-Dalgarno sequence and the anti-Shine-Dalgarno sequence pair, the translation initiation factors IF2-GTP, IF1, IF3, as well as the initiator tRNA fMet-tRNA(fMET) are recruited to the ribosome.Shine-Dalgarno sequence vs. ribosomal S1 protein in Gram-negative bacteria, however, Shine-Dalgarno sequence presence is not obligatory for ribosome to locate initiator codon, since deletion of anti-Shine-Dalgarno sequence from 16S rRNA doesn't lead to translation initiation at non-authentic sites. Moreover, numerous prokaryotic mRNAs don't possess Shine-Dalgarno sequences at all. What principally attracts ribosome to mRNA initiation region is apparently ribosomal protein S1, which binds to AU-rich sequences found in many prokaryotic mRNAs 15-30 nucleotides upstream of start-codon. It should be noted, that S1 is only present in Gram-negative bacteria, being absent from Gram-positive species.SD序列(16S互补区)是位于原核生物mRNA 起始密码子(AUG)上游5~10个核苷酸处,一段富含嘌呤的序列。 其与核糖体小亚基中的16S rRNA的3’末端互补配对,促进mRNA 的翻译。 [2]ORF:An open reading frame (ORF) is a portion of a gene’s sequence that contains a sequence of bases, uninterrupted by stop sequences, that could potentially encode a protein. When a new gene is identified and its DNA sequence deciphered, it is still unclear what its corresponding protein sequence is. This is because, in the absence of
高中物理竞赛热学教程 第五讲机械振动和机械波 第一讲 温度和气体分子运动论 第一讲 温度和气体分子运动论 §1。1 温度 1.1.1、平衡态、状态参量 温度是表示物体冷热程度的物理量。凡是跟温度有关的现象均称为热现象。热现象是自然界中的一种普遍现象。 热学是研究热现象规律的科学。热学研究的对象都是由大量分子组成的宏观物体,称为热力学系统或简称系统。在不受外界影响的条件下,系统的宏观性质不再随时间变化的状态称为平衡态,否则就称为非平衡态。可见系统平衡态的改变依赖于外界影响(作功、传热)。 系统处于平衡态,所有宏观物理都具有确定的值,我们就可以选择其中几个物理量来描述平衡态,这几个量称为状态参量。P 、V 、T 就是气体的状态参量。 气体的体积V 是指盛放气体的容器的容积,国际单位制中,体积的单位是m 3 。 1m 3 =103L=106 cm 3 气体的压强P 是气体作用在容器的单位面积器壁上的平均压力,单位是p a 。 1atm=76cmHg=1.013?105 p a 1mmHg=133.3p a 1.1.2、 温标 温度的数值表示法称为温标。建立温标的三要素是: 1、选择某种物质的一个随温度改变发生单调显著变化的属性来标志温度,制作温度计。例如液体温度计T(V)、电阻温度计T(R)、气体温度计T(P)、T(V)等等。这种选用某种测温物质的某一测温属性建立的温标称为经验温标。 2、规定固定点,即选定某一易于复现的特定平衡态指定其温度值。1954年以前,规定冰点为0℃,汽点为100℃,其间等分100份,从而构成旧摄氏温标。1954年以后,国际上选定水的三相点为基本固定点,温度值规定为273.16K 。这样0℃与冰点,100℃与汽点不再严格相等,百分温标的概念已被废弃。 3、规定测温属性随温度变化的函数关系。如果某种温标(例如气体温度计)选定为线性关系,由于不同物质的同一属性或者同一物质的不同属性随温度变化的函数关系不会相同,因而其它的温标就会出现非线性的函数关系。 1.1.3、理想气体温标 定容气体温度计是利用其测温泡内气体压强的大小来标志温度的高低的。 T(P)=αP α是比例系数,对水的三相点有 T 3= αP 3=273.16K P 3是273.16K 时定容测温泡内气体的压强。于是 T(P)=273.16K 3P P (1) 同样,对于定压气体温度计有 T(V)=273.16K 3V V (2) 3V 是273.16K 时定压测温泡内气体的体积。 用不同温度计测量同一物体的温度,除固定点外,其值并不相等。对于气体温度计也有)()(V T P T ≠。但是当测温泡内气体的压强趋于零时,所有气体温度计,无论用什么气体,无论是定容式的还是定压式的,所测温度值的差别消失而趋于一个共同的极限值,这个极限值就是理想气体温标的值,单位为K ,定义式为 T=lim 0 →p T(V)=lim 0 →p T(P) =273.16K lim →p 3V V =273.16K lim 0→p 3P P (3) 1.1.4、热力学温标 理想气体温标虽与气体个性无关,但它依赖于气体共性即理想气体的性质。利用气体温度计通过实验与外推相结合的方法可以实现理想气体温标。但其测温范围有限(1K ~1000℃),T <1K ,气体早都已液化,理想气体温标也就失去意义。 国际上规定热力学温标为基本温标,它完全不依赖于任何测温物质的性质,能在整个测温范围内采用,具有“绝对”的意义,有时称它为绝对温度。在理想气体温标适用的范围内,热力学温标与理想气体温标是一致的,因而可以不去区分它们,统一用T(K)表示。 国际上还规定摄氏温标由热力学温标导出。其关系式是: t=T-273.15o (4) 这样,新摄氏温标也与测温物质性质无关,能在整个测温范围内使用。目前已达到的最低温度为5?108 -K , 但是绝对零度是不可能达到的。 例1、定义温标t *与测温参量X 之间的关系式为t * =ln(kX),k 为常数 试求:(1)设X 为定容稀薄气体的压强,并假定水的三相点 16.273*3=T ,试确定t *与热力学温标之间的关系。(2)在温标t * 中,冰点和汽点各为多少度;(3)在温标t * 中,是否存在零度? 解:(1)设在水三相点时,X 之值是3X ,则有273.16o =In(kX 3)将K 值代入温标t * 定义式,有 3316.273*16.273X X In X X e In t +=? ???? ?= (2) 热力学温标可采用理想气体温标定义式,X 是定容气体温度计测温泡中稀薄气体压强。故有 30 lim 16.273X X K T x →= (3) 因测温物质是定容稀薄气体,故满足X →0的要求,因而(2)式可写成 ) lim ln(16.273lim 30 *X X t x x →→+= (4) 16.27316.273*T In t += 这是温标* t 与温标T 之间关系式。 (2)在热力学温标中,冰点K T i 15.273=,汽点K T s 15.373=。在温标* t 中其值分别为 16.27316.27315 .27316.273*=+=In t 47.27315.27315 .37316.273*=+=In t (3)在温标*t 中是否存在零度?令* t =0,有 K e T 116.27316.273<<=- 低于1K 任何气体都早已液化了,这种温标中* t =0的温度是没有物理意义的。 §1-2 气体实验定律 1.2.1、玻意耳定律
第10章 气体分子运动论 一、选择题 1(B),2(C),3(C),4(B),5(D),6(E),7(B),8(B),9(A),10(C) 二、填空题 (1). 23kT ,25kT ,2 5 MRT /M mol .; (2). 1.2×10-24 kg m / s ,3 1×1028 m -2s-1 ,4×103 Pa . (3). 分布在v p ~∞速率区间的分子数在总分子数中占的百分率, 分子平动动能的平均值. (4). v v v d )(0 ? ∞ Nf , v v v/v v v v d )(d )(0 ?? ∞ ∞ f f , v v v d )(0 ? ∞ f . (5). 氢,1.58×103.; (6). 保持不变. 参考解答:令,2,m kT x p p == v v v 麦克斯韦速率分布函数可以写作: x e x N N x d 4d 22-=π 又,8πm kT =v .2π =p v v 所以有 .d 4π2 1 22x e x N N x ?-=?-πv v p 这个积分显然与温度无关! (7). 理想气体处于热平衡状态 , A N iPV /21或R ikPV /2 1 .; (8). B A B B A A N N f N f N ++) ()(v v . (9). 2; (10). 1 . 三、计算题 1. 一超声波源发射超声波的功率为10 W .假设它工作10 s ,并且全部波动能量都被1 mol 氧气吸收而用于增加其内能,则氧气的温度升高了多少? (氧气分子视为刚性分子,普适气体常量R =8.31 J ·mol -1·K -1 ) 解: A = Pt = T iR v ?2 1 , ∴ ?T = 2Pt /(v iR )=4.81 K . 2. 储有1 mol 氧气,容积为1 m 3的容器以v =10 m ·s -1 的速度运动.设容器突然停止,其中氧气的80%的机械运动动能转化为气体分子热运动动能,问气体的温度及压强各升高了多少? (氧气分子视为刚性分子,普适气体常量R =8.31 J ·mol -1·K -1 ) 解: 0.8× 221v M =(M / M mol )T R ?2 5 , ∴ T =0.8 M mol v 2 / (5R )=0.062 K
第二章?????气体分子运动论的基本概念2013-7-22崎山苑工作室1 2.1物质的微观模型分子运动论是从物质的微观结构出发来阐明热现象的规律的。 一、宏观物体是由大量微粒--分子(或原子)组成的宏观物体是由分子组成的,在分子之间存在着一定的空隙。例如气体很容易被压缩,又如水和酒精混合后的体积小于两者原有体积之和,这都说明分子间有空隙。用20000atm的压强压缩钢筒中的油,结果发现油可以透过筒壁渗出,这说明钢的分子间也有空隙。目前用高分辨率的扫描隧道显微镜已能观察晶体横截面内原子结构的图像,并且能够操纵原子和分子。2013-7-22崎山苑工作室2 2013-7-22崎山苑工作室
二、物体内的分子在不停地运动着,这种运动是无规则的,其剧烈程度与物体的温度有关扩散现象说明:一切物体(气体、液体、固体)的分子都在不停地运动着 在显微镜下观 察到悬浮在液 体中的小颗粒 都在不停地作 无规则运动,
该运动由布朗 最早发现,称 为布朗运动。 2013-7-22崎山苑工作室4 布朗运动的无规则性,实际上反映了液体内部分子运动的无规则性。 所谓“无规则”指的是: 1。由于分子间的相互碰撞,每个分子的运动方向和速率都在不断地改变; 2。任何时刻,在液体或气体内部,沿各个方向运动的分子都有,而且分子运动的速率有大有小。 实验结果:扩散的快慢和布朗运动的剧烈程度都与温度的高低有显著的关系。随着温度的升高,扩散过程加快,悬浮颗粒的运动加剧。 结论:分子无规则运动的剧烈程度与温度有关,温度越高,分子的无规则运动就越剧烈。通常把分子的这种运动称为热运动。 2013-7-22崎山苑工作室5 三、分子之间有相互作用力吸引力:由于固体与液体的分子之间存在着相互的吸引力使固体能够保持一定的形状与体积而液体能保持一定的体积。 右图演示实验说明分子之间存在着相互的吸引力 排斥力:固体和液体的很难压缩说明分子之间存在着斥力结论:一切宏观物体都是由大量分子(或原子)组成的;所有的分子都处在不停的、无规则热运动中;分子之间有相互作用力。 2013-7-22崎山苑工作室6 三、分子之间有相互作用力吸引力:由于固体与液体的分子之间存在着相互的吸引力使固体能够保持一定的形状与体积而液体能保持一定的体积。 右图演示实验说明分子之间存在着相互的吸引力
分子生物学与基因工程复习重点 第一讲绪论 1、分子生物学与基因工程的含义 从狭义上讲,分子生物学主要是研究生物体主要遗传物质-基因或DNA的结构及其复制、转录、表达和调节控制等过程的科学。 基因工程是一项将生物的某个基因通过载体运送到另一种生物的活体细胞中,并使之无性繁殖和行使正常功能,从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。 2、分子生物学与基因工程的发展简史,特别是里程碑事件,要求掌握其必要的理由 上个世纪50年代,Watson和Crick提出了的DNA双螺旋模型; 60年代,法国科学家Jacob和Monod提出了的乳糖操纵子模型; 70年代,Berg首先发现了DNA连接酶,并构建了世界上第一个重组DNA分子; 80年代,Mullis发明了聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)技术; 90年代,开展了“人类基因组计划”和模式生物的基因组测序,分子生物学进入“基因组时代”; 目前,分子生物学进入了“后基因组时代”或“蛋白质组时代”。 3、分子生物学与基因工程的专业地位与作用:从专业基础课角度阐述对专业课程的支 撑作用 第二讲核酸概述 1、核酸的化学组成(图画说明) 2、核酸的种类与特点:DNA和RNA的区别 (1)DNA含的糖分子是脱氧核糖,RNA含的是核糖; (2)DNA含有的碱基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T),RNA含有的碱基前3个与DNA完全相同,只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)所代替; (3)DNA通常是双链,而RNA主要为单链;
(4)DNA的分子链一般较长,而RNA分子链较短。 3、DNA作为遗传物质的直接和间接证据; 间接: (1)一种生物不同组织的细胞,不论年龄大小,功能如何,它的DNA含量是恒定的,而生殖细胞精子的DNA含量则刚好是体细胞的一半。多倍体生物细胞的DNA含量是按其染色体倍数性的增加而递增的,但细胞核里的蛋白质并没有相似的分布规律。 (2)DNA在代谢上较稳定。 (3)DNA是所有生物的染色体所共有的,而某些生物的染色体上则没有蛋白质。(4)DNA通常只存在于细胞核染色体上,但某些能自体复制的细胞器,如线粒体、叶绿体有其自己的DNA。 (5)在各类生物中能引起DNA结构改变的化学物质都可引起基因突变。 直接:肺炎链球菌试验、噬菌体侵染实验 4、DNA的变性与复性:两者的含义与特点及应用 变性:它是指当双螺旋DNA加热至生理温度以上(接近100oC)时,它就失去生理活性。这时DNA双股链间的氢键断裂,最后双股链完全分开并成为无规则线团的过程。简而言之,就是DNA从双链变成单链的过程。增色效应:它是指在DNA的变性过程中,它在260 nm的吸收值先是缓慢上升,到达某一温度后即骤然上升的效应。 复性:它是指热变性的DNA如缓慢冷却,已分开的互补链又可能重新缔合成双螺旋的过程。复性的速度与DNA的浓度有关,因为两互补序列间的配对决定于它们碰撞频率。DNA复性的应用-分子杂交:由DNA复性研究发展成的一种实验技术是分子杂交技术。杂交可发生在DNA和DNA或DNA与RNA间。 5、Tm的含义与影响因素 Tm的含义:是指吸收值增加的中点。 影响因素: 1)DNA序列中G + C的含量或比例含量越高,Tm值也越大(决定性因素);2)溶液的离子强度 3)核酸分子的长度有关:核酸分子越长,Tm值越大
学科:物理 教学内容:气体分子运动理论 【基础知识精讲】 1.气体分子运动的特点 (1)气体分子之间的距离很大,距离大约是分子直径的10倍,因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外,气体分子不受力的作用,在空间自由移动. 气体能充满它们所能达到的空间,没有一定的体积和形状. (2)每个气体分子都在做永不停息的运动,大量气体分子频繁地发生碰撞使每个气体分子都在做杂乱无章的运动. (3)大量气体分子的杂乱无章的热运动,在宏观上表现出一定的规律性. ①气体分子沿各个方向运动的数目是相等的. ②对于任一温度下的任何气体来说,多数气体分子的速率都在某一数值范围之内,比这一数值范围速率大的分子数和比这一数值范围速率小的分子数依次递减.速率很大和速率很小的分子数都很少.在确定温度下的某种气体的速率分布情况是确定的. 在温度升高时,多数气体分子所在的速率范围升高,而且在这一速度范围的分子数增多. 2.气体压强的产生 (1)气体压强的定义 气体作用在器壁单位面积上的压力就是气体的压强,即P=F/S. (2)气体压强的形成原因 气体作用在器壁上的压力是由碰撞产生的,一个气体分子和器壁的碰撞时间是极其短暂的.它施于器壁的作用力是不连续的,但大量分子频繁地碰撞器壁,从宏观上看,可以认为气体对器壁的作用力是持续的、均匀的. (3)气体压强的决定因素 ①分子的平均动能与密集程度 从微观角度来看,气体分子的质量越大,速度越大,即分子的平均动能越大,每个气体分子撞一次器壁对器壁的作用力越大,而单位时间内气体分子撞击器壁的次数越多,对器壁的总压力也越大,而撞击次数又取决于单位体积内分子数(分子的密集程度)和平均动能(分子在容器中往返运动着,其平均动能越大,分子平均速率也越大,连续两次碰撞某器壁的时间间隔越短,即单位时间内撞击次数越多),所以从微观角度看,气体的压强决定于气体的平均动能和密集程度. ②气体的温度与体积 从宏观角度看,一定质量的气体的压强跟气体的体积和温度有关.对于一定质量的气体,体积的大小决定分子的密集程度,而温度的高低是分子平均动能的标志. (4)几个问题的说明 ①在一个不太高的容器中,我们可以认为各点气体的压强相等的. ②气体的压强经常通过液体的压强来反映. ③容器内气体压强的大小与气体的重力无关,这一点与液体的压强不同(液体的压强是由液体的重力造成的).这是因为一般容器内气体质量很小,且容器高度有限,所以不同高度
有关概念: 热运动:分子做不停的无规则运动 热现象:物质中大量分子的热运动的宏观表现(如:热传导、扩散、液化、凝固、溶解、汽化等都是热现象)。 分子物理学与热力学的研究对象:热现象 微观量:描述单个分子运动的物理量。(如:分子质量、速度、能量等) 宏观量:描述大量分子热运动集体特征的物理量。(如:气体体积、压力、温度等)统计方法: 对个别分子运动用力学规律,然后对大量分子求微观两的统计平均值。 分子物理学研究方法: 建立宏观量与微观量统计平均值的关系从微观角度来说明 宏观现象的本质。分子物理学是一种微观理论。 热力学研究方法: 实验定律为基础,从能量观点出发,研究热现象的宏观规律。它是 一种宏观理论。 一、热学的基本概念 热学是物理学的一个重要分支学科,它研究的是热现象的宏观特征及其微观本质。热学研究的对象是大量粒子(如原子、分子)组成的物质体系,称为热力学系统或简称系统。 二、分子运动的基本概念 从微观上看,热现象是组成系统的大量粒子热运动的集体表现,热运动也称为分子运动、分子热运动。它是不同于机械运动的一种更加复杂的物质运动形式。因此,对于大量粒子的无规则热运动,不可能像力学中那样,对每个粒子的运动进行逐个的描述,而只能探索它的群体运动规律。就单个粒子而言,由于受到其它粒子的复杂作用,其具体的运动过程可以变化万千,具有极大的偶然性;但在总体上,运动却在一定条件下遵循确定的规律,如分子的速率分布,平均碰撞频率等,正是这种特点,使得统计方法在研究热运动时得到广泛应用,从而形成了统计物理学。统计物理学是从物质的微观结构出发,依据每个粒子所遵循的力学规律,用统计的方法来推求宏观量与微观量统计平均值之间的关系,解释与揭示系统宏观热现象及其有关规律的微观本质。 三、相关的一些概念 通常我们把描述单个粒子运动状态的物理量称为微观量,如粒子的质量、位置、动量、能量等,相应的用系统中各粒子的微观量描述的系统状态,称为微观态;描述系统整体特性的可观测物理量称为宏观量,如温度、压强、热容等,相应的用一组宏观量描述的系统状态,称为宏观态。 四、热学相关内容的分类 按研究角度和研究方法的不同,热学可分成热力学和气体动理论两个组成部分。热力学不涉及物质的微观结构,只是根据由观察和实验所总结得到的热力学规律,用严密的逻辑推理方法,着重分析研究系统在物态变化过程中有关热功转换等关系和实
蛋白质合成后的分泌及加工修饰 不论是原核还是真核生物,在细胞浆内合成的蛋白质需定位于细胞特定的区域,有些蛋白质合成后要分泌到细胞外,这些蛋白质叫做分必蛋白。在细菌细胞内起作用的蛋白质一般靠扩散作用而分布到它们的目的地。如内膜含有参与能量代谢和营养物质转运的蛋白质;外膜含有促进离子和营养物质进入细胞的蛋白质;在内膜与外膜之间的间隙称为周质,其中含有各种水解酶以及营养物质结合蛋白。 真核生物细胞结构更为复杂,而且有多种不同的细胞器,它们又具有各不相同的膜结构,因此合成好的蛋白质还要面临跨越不同的膜而到达细胞器械,有些蛋白质在翻译完成后还要经过多种共价修饰,这个过程叫做翻译后处理。 (一)细菌中蛋白质的越膜 细胞的内膜蛋白,外膜蛋白和周质蛋白是怎样越过内膜而到其目的地的呢?绝大多数越膜蛋白的N端都具有大约15-30个以疏水氨基酸为主的N端信号序列或称信号肽。信号肽的疏水段能形成一段α螺旋结构。在信号序列之后的一段氨基酸残基也能形成一段α螺旋,两段α螺旋以反平行方式组成一个发夹结构,很容易进入内膜的脂双层结构,一旦分泌蛋白质的N端锚在膜内,后续合成的其它肽段部分将顺利通过膜。疏水性信号肽对于新生肽链跨膜及把它固定的膜上起一个拐掍作用。之后位于内膜外表面的信号肽酶将信号肽序列切除。当蛋白质全部翻译出来后,羧端穿过内膜,在周质中折叠成蛋白质的最终构象(图1)。
图1蛋白质合成后的分泌过程 (二)真核生物蛋白质的分泌 真核生物不但有细胞核、细胞质和细胞膜,而且还有许多膜性结构的细胞器,在细胞须内合成的蛋白质怎样的到达细胞的不同部位呢?了解比较清楚的是分泌性蛋白质的转运。 像原核细胞一要,真核细胞合成的蛋白质N端也有信号肽也能形成两个α螺旋的发夹结构,这个结构可插入到内质网的膜中,将正在合成中的多肽链带和内质网内腔。80年代中期在胞浆中发现一种由小分子RNA和蛋白质共同组成的复合物,它能特异地与信号肽识别而命名为信号肽识别颗粒。它的作用是识别信号肽与核糖体结合并暂时阻断多肽链的合成。内质网外膜上的SRP受体,当ARP与受体结合后,信号肽就可插入内质网进入内腔,被内质网内膜壁上的信号肽酶水解除去SRP与受体结合后,信号肽就可插入内质网进入内腔,被内质网内腔壁上的信号肽酶水解除去SRP与受体解离并进入新的循环,而信号肽后序肽段也进入内质网内腔,并开始继续合成多肽链(图2)。
分子运动论内能复习学案 一、教学目标 知识与技能:1会用分子热运动的观点解释生活中的一些现象。 ?2掌握改变物体内能的两种方式;能够区分内能与温度的关系。 ?3知道比热容是物质的属性,会运用公式进行热量的相关计算。 过程与方法:基础知识的讲解与深入,知识重难点区分和概括总结,典型例题分析,巩固训练强化解题技巧,课后习题锻炼独立解题力。 情感态度与价值观:关注学生内心感受,培养学生学习的主动性,引发物理学习兴趣。培养同学认真的学习态度。 二、教学重点与难点 重点:区分内能、热量、温度三者的区别与联系,理解比热容的概念并学会做相关的计算题。 难点:区分内能、热量、温度三者的区别与联系,理解比热容的概念并学会做相关的计算题。 教学过程 知识清单 一、分子热运动(分子动理论) 1、物质由构成 2、扩散现象:不同物质相互接触时,彼此进入对方的现象。扩散现象说明: (1)分子间有; (2)一切物质的分子都在不停做运动; (3)扩散与有关 3、分子间存在着相互作用的和。 二、内能 1、定义:物体内部分子无规则运动的和的总和叫做内能。 2、特点:一切物体任何时候都有内能。 3、内能的主要影响因素: (1)温度:同一物体,温度越高,内能越。 (2)质量:温度相同、物态相同的情况下,质量越大的物体内能。 (3)状态:冰融化成水,温度不变,但要吸收热量,内能。 4、改变物体内能的方法:和。 三、比热容(C) 1、比热容是物质的一种 ,只与物质的种类,状态有关,不同物质的比热容一般。(特例:冰和煤油比热容一样)
2、热量的计算:。 3、水的比热容大,吸热能力;水的比热容大,温度变化(温差)。 考点梳理 考点一、分子热运动 例1.下列哪种现象不能用分子动理论来解释() A.走进花园闻到玫瑰花香 B.放入水中的糖块会使水变甜 C.天空中飞舞的雪花 D.水和酒精混合后总体积变小 例2.在苹果园中,会闻到苹果的清香味儿,说明分子在不停地;把两个铅 块紧压在一起,结合成一个整体,需要用足够大的力才能把它们拉开,说明分子之间存在。 考点二、内能 例3.冬天,路上的行人一边搓手,一边对着手哈气,从而使手感到暖和。“搓手”是通过改 变内能,“哈气”是通过改变内能。 例4、下列关于物体内能的说法中正确的是() A.物体运动速度越大,内能越大 B.静止的物体没有动能,但有内能 C.内能和温度有关,所以0℃的水没有内能 D.温度高的物体一定比温度低的物体内能大 考点三、比热容 例5、旅游景区“金沙滩”烈日下湖边的沙子热得烫脚,而湖水却是冰凉的,这是因为() A.水的温度变化较大 B.水的比热容较大 C.水吸收的热量较多 D.沙子的比热容较大 例6、一瓶水喝掉一半后,质量减小,体积减小,比热容。质量为2Kg的水温 度从20 ℃升高到70 ℃,所吸收的热量是 J 考点四、实验探究 比较不同物质吸热的能力 【实验装置】如右图 【测量器材】测温度:______,测时间: 。 【实验关键】 (1)实验设计:加热质量_____的水和食用油,升高_____的温度,比较加热时间。 小组液体名称质量m/g 初温t1/℃末温t2/℃通电时间 t/min 1组水60 20 45 6 2组食用油60 20 45 4 (2)分析现象得出:质量相同的水和油,升高相同的温度, 要吸收更多的热量。 (3)通过实验可以得到不同物质的吸热能力是不同的,物质的这种特性用这个物 理量来描述。 课堂练习 1.茉莉花开的季节,走近花园就能闻到扑鼻的花香,这是因为()
二、气体分子运动论基础 1. 处于平衡状态的理想气体分子,其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律。气体分子热运动率介于v~v+dv之间的几率为 dN/N = F(v)dv = 4π(m o/2πkT)3/2·exp·(-m o v2/2kT)·v2dv (9) 式中F(v)是速率v(m/s)的连续函数,称为速率分布函数。m o = M/N A,为一个气体分子的质量(kg)。 利用速率分布函数,可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。最可几速率v m是在气体分子所具有的各种不同热运动速度中出现几率最大的速度,即与F(v)最大值相对应的v值;所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度v;把所有气体分子的速度的平方加起来,然后被分子总数除,再开方就得到均方根速度v s。它们的计算公式如下: 2.理想气体的压力基本公式,将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起来: P = 1/3(nm o v s2 = 1/3(pv s2) (11) 3.气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为自由程,自由程有长有短,差异很大,但大量自由程的统计平均值却是一定的,称为平均自由程页λ(m)。单一种类气体分子的平均自由程为(12-见下文) 如果是含有k种成份的混合气体,则(13) 式中σ是气体分子的有效直径(m),下标l、j分别代表第1、j种气体成份的参数。 还可定义电子和离子在气体中运动的平均自由程λe和λi(m)。需要强调说明的是,这里所说电子或离子的自由程,是指电子或离子在气体中运动时与气体分子连续二次碰撞间所走过的路程,而没有考虑电子或离子本身之间的碰撞,所以电子和离子平均自由程计算式中出现的都是气体分子的参数,而与电子或离子的空间密度无关。(14)(15) 4.气体分子的某一次自由程取值完全是随机的,但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律。气体分子自由程大于一给定长度χ的几率为(16) 类似地可得出,电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度χ的几率为(17)(18) 利用这种分布规律,结合平均自由程计算公式(12)~(15),可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率,或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度。 例如:一台离子束真空设备中,高能离子流由离子源射向25cm处的靶,若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5%,那么温度为27o C的残余气体压力应为多少? 根据题意,可知当χ=O.25m时,要求P i(λi>χ)≥1%~5%,由(18)式,解出 exp(-0.25/λi)≥0.95,则λi≥0.25/(-ln0.95),即λi≥4.87m。再将此结果代入(15)式得 kT/πσ2p≥4.87m;取空气的分子有效直径σ=3.72 × 10-10m,则要求残余气体压力p≤1.38 ×10-23 × 300/(π×3.722×10-20×4.87),即p≤1.95 × 10-3Pa。 5.关于气体分子对所接触固体表面(如容器壁)的碰撞问题,可以从入射方向和入射数量二方面加以讨论。若一立体角dw与面积元ds的法线间的夹角为θ,则单位时间内由dw方向飞来碰撞到ds上的气体分子数目dNθ与cosθ成正比,这就是通常所说的余弦定律:(19) 单位时间内碰撞在固体表面单位面积上的气体分子数目称为气体分子对表面的入射率
第二章 气体分子运动论的基本概念 2-1 目前可获得的极限真空度为10-13 mmHg 的数量级,问在此真空度下每立方厘米内有多少空气分子,设空气的温度为27℃。 解: 由P=n K T 可知 n =P/KT=) 27327(1038.11033.1101023 213+?????-- =3.21×109(m –3 ) 注:1mmHg=1.33×102 N/m 2 2-2 钠黄光的波长为5893埃,即5.893×10-7 m ,设想一立方体长5.893×10-7 m , 试问在标准状态下,其中有多少个空气分子。 解:∵P=nKT ∴PV=NKT 其中T=273K P=1.013×105 N/m 2 ∴N=6 23375105.5273 1038.1)10893.5(10013.1?=?????=--KT PV 个 2-3 一容积为11.2L 的真空系统已被抽到1.0×10-5 mmHg 的真空。为了提高其真空度, 将它放在300℃的烘箱内烘烤,使器壁释放出吸附的气体。若烘烤后压强增为1.0×10-2 mmHg ,问器壁原来吸附了多少个气体分子。 解:设烘烤前容器内分子数为N 。,烘烤后的分子数为N 。根据上题导出的公式PV = NKT 则有: )(0 110011101T P T P K V KT V P KT V P N N N -=-= -=? 因为P 0与P 1相比差103 数量,而烘烤前后温度差与压强差相比可以忽略,因此 T P 与 1 1 T P 相比可以忽略 1823 2 23111088.1) 300273(1038.11033.1100.1102.11??+???????=?=?---T P K N N 个 2-4 容积为2500cm 3 的烧瓶内有1.0×1015 个氧分子,有4.0×1015 个氮分子和3.3×10-7 g
第二章气体分子运动论的基本概念 §1 物质的微观模型 一、物质微观模型: 1、宏观物体是由大量微粒—分子(或原子)组成的, 2、物体内的分子在不停地运动着,这种运动是无规则的剧烈程度与物体的温度有关。 3、分子之间有相互作用。 二、物质三种聚集态的成因 分子力的作用将使分子聚集在一起,在空间形成某种规则的分布(有序排列),而分子的无规则运动将破坏这种有序排列,使分子分散开来。事实上,物质分子在不同的温度下所以会表现为三种不同的聚集态,正是由这两种相互对立的作用所决定的。 §2 理想气体的压强 一、理想气体的微观模型: 1、分子本身的形成比起分子之间的平均距离来可以忽略不计。 2、除碰撞的瞬间外,分子之间以及分子与容器器壁之间都无相互作用。 3、分子之间以及分子与容器器壁之间的碰撞是完全弹性的,即气体分子的动能不因碰撞而损失。 二、压强公式 1、压强产生的微观实质:是大量气体分子对器壁不断碰撞的结果。(举例说明)。 2、理想气体压强公式的推导过程:思路:欲求分子施于器壁的压强P,应先求出大量分子施于器壁的力F。这个力除以器壁的面积,就得到分子施于器壁的压强。设:有一个边长分别为L1、L2、L3的长方体容器,在平衡态下,共有N个Array分子,分子的质量为m,分子数密度为n=N/V。 ①单个分子在一次碰撞中施于A1面的冲 量,(A1面垂直于x轴) 设某一分子的速度为V i,速度三个分量分别为: V ix、V iy、V iz由于碰撞是完全弹性的,所以碰 撞前后分子在y、z两方向上的速度分量不变, 在x方向上的速度分量由V ix变为-V ix, 大小不变方向反向。这样,分子在碰撞过程中 的动量改变为:-m V ix -m V ix =-2m V ix.按动量定理,这就等于A1面施于分子的冲量,而根据牛顿第三定律,分子施于A1面的冲量为:+2m V ix ②dt时间内分子之施于A1面的冲量:它应等于2m V ix乘以dt时间内分子之于A1面碰 撞的次数,即:
分子生物学 分子生物学的基本含义(p8) 分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学,是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘,由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。 分子生物学与其它学科的关系 分子生物学是由生物化学、生物物理学、遗传学、微生物学、细胞学、以至信息科学等多学科相互渗透、综合融会而产生并发展起来的,凝聚了不同学科专长的科学家的共同努力。它虽产生于上述各个学科,但已形成它独特的理论体系和研究手段,成为一个独立的学科。 生物化学与分子生物学关系最为密切: 生物化学是从化学角度研究生命现象的科学,它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。传统生物化学的中心内容是代谢,包括糖、脂类、氨基酸、核苷酸、以及能量代谢等与生理功能的联系。 分子生物学则着重阐明生命的本质----主要研究生物大分子核酸与蛋白质的结构与功能、生命信息的传递和调控。 细胞生物学与分子生物学关系也十分密切: 传统的细胞生物学主要研究细胞和亚细胞器的形态、结构与功能。探讨组成细胞的分子结构比单纯观察大体结构能更加深入认识细胞的结构与功能,因此现代细胞生物学的发展越来越多地应用分子生物学的理论和方法。 分子生物学则是从研究各个生物大分子的结构入手,但各个分子不能孤立发挥作用,生命绝非组成成分的随意加和或混合,分子生物学还需要进一步研究各生物分子间的高层次组织和相互作用,尤其是细胞整体反应的分子机理,这在某种程度上是向细胞生物学的靠拢。 第一章序论 1859年发表了《物种起源》,用事实证明“物竞天择,适者生存”的进化论思想。 指出:物种的变异是由于大自然的环境和生物群体的生存竞争造成的,彻底否定了“创世说”。达尔文第一个认识到生物世界的不连续性。 意义:达尔文关于生物进化的学说及其唯物主义的物种起源理论,是生物科学史上最伟大的创举之一,具有不可磨灭的贡献。
气体动理论 一、选择题 1.按照气体分子运动论,气体压强的形成是由于 ( ) (A )气体分子之间不断发生碰撞; (B )气体分子的扩散; (C )气体分子不断碰撞器壁; (D )理想气体的热胀冷缩现象. 2.理想气体中仅由温度决定其大小的物理量是( ) (A )气体的压强 (B )气体分子的平均速率 (C )气体的内能 (D )气体分子的平均平动动能 3. 在一个容积不变的封闭容器内理想气体分子平均速率若提高为原来的2倍,则( ) A .温度和压强都提高为原来的2倍 B .温度为原来的2倍,压强为原来的4倍 C .温度为原来的4倍,压强为原来的2倍 D .温度和压强都为原来的4倍 4.关于温度的意义,下列几种说法中错误的是:( ) A .气体的温度是分子平均平动动能的量度. B .气体的温度是大量气体分子热运动的集体表现,具有统计意义. C .温度的高低反映物质内部分子运动剧烈程度的不同. D .从微观上看,气体的温度表示每个气体分子的冷热程度. 5.容积为V 的容器中,贮有1N 个氧分子、2N 个氮分子和M kg 氩气的混合气体,则混合 气体在温度为T 时的压强为(其中A N 为阿佛伽德罗常数,μ为氩分子的摩尔质量)[ ] (A )kT V N 1 (B )kT V N 2 (C )kT V MN A μ (D )kT N M N N V A )(121μ ++ 6.一瓶氦气和一瓶氮气(均为理想气体)都处于平衡状态,质量密度相同,分子平均平动动 能相同,则它们( ) A 、温度相同、压强相同; B 、温度相同,但氦气的压强大于氮气的压强; C 、温度、压强都不相同; D 、温度相同,但氦气的压强小于氮气的压强 7.压强、温度相同的氩气和氮气,它们的分子平均平动动能k ε和平均动能ε的关系为 ( ) (A )和k ε都相等 (B )和k ε都不相等 (C )k ε相等,而 ε不相等 (D )ε相等,而k ε不相等 8.mol 2的刚性分子理想气体甲烷,温度为T ,其内能可表示为:( ) A 、kT 5; B 、kT 6; C 、RT 5; D 、RT 6.
《分子生物学》教学大纲 总学时:90学时,讲授:72学时,实习:18学时 适用专业:生物技术及应用专业 一、课程的性质及任务 《分子生物学》是我院应用生物技术专业一门重要的专业必修课。分子生物学是一门近年来发展迅速并且在生命科学领域里应用越来越广泛、影响越来越深远的一个学科。从学科角度来讲,分子生物学函盖面非常广,与生物化学和细胞生物学等生命科学主干课程有一些交叉。为了避免重复,本课程主要从生物大分子的水平来阐述遗传信息的传递(DNA复制和突变修复等),及基因表达(DNA 到RNA到蛋白质)这两个重要的生命过程;将突出生物大分子结构与功能的关系及其如何操作这两个重要的生命过程。通过与实践教学相结合,系统地介绍与基因克隆相关的DNA技术,使学生们掌握一些基本的分子生物学技术。 二、课程的基本要求 设置本课程目的是让学生比较全面、系统地学习分子生物学基本理论、基础知识和基本操作技术,了解和认识分子生物学研究及发展方向,为今后进一步学习和从事本专业相关工作奠定基础。教学上要求:1.授课内容逻辑清晰、主次分明;2.语言简明、易懂、生动;3.幻灯等多媒体制作精细;4.讲课态度认真、负责,让学生听明白,领会。教学方法:多媒体教学,多途径考核(平时小考、作业、课堂讨论和期末考试等结合)。 三、教学内容 第一章绪论 目的要求:了解和学习分子生物学概况,为进一步学习本课程后续内容做铺垫。重点、难点:分子生物学的研究内容、分子生物学发展前景。 教学内容:分子生物学发展简史、人类基因组计划简介、分子生物学的研究内容、分子生物学发展前景。
第二章分子生物学技术 目的要求:介绍核酸的提取和纯化、凝胶电泳技术、PCR技术、核酸分子杂交技术等。 重点、难点:核酸的提取和纯化、凝胶电泳技术、PCR技术、核酸分子杂交技术、蛋白质分析技术。 教学内容:核酸的提取和纯化、凝胶电泳技术、DNA序列测定、PCR技术、核酸分子杂交技术、蛋白质分析技术、基因克隆技术。 第三章 DNA的结构与性质 目的要求:介绍核酸的一些基本性质,为了解遗传信息遗传、基因表达与调控和掌握DNA技术做铺垫。 重点、难点:DNA结构、DNA的光谱和热性质、RNA结构、基因组的复杂性、DNA 超螺旋。 教学内容:DNA结构、DNA的化学和物理性质、DNA的光谱和热性质、染色体、RNA结构、DNA 超螺旋。 第四章 DNA复制 目的要求:使学生掌握DNA复制的基本概念和机制,为学生理解和掌握DNA技术打下基础 重点、难点:DNA聚合酶、细菌DNA复制、真核DNA复制、DNA复制的调控。 教学内容:DNA复制概览、细菌DNA复制、真核DNA复制、DNA复制的调控。 第五章 DNA损伤与修复 目的要求:使学生了解和掌握DNA损伤的原因、类型和修复机制。 重点、难点:DNA损伤、DNA修复。 教学内容:DNA突变、DNA损伤、DNA修复、基因重组 第六章 RNA的转录与加工 目的要求:使学生掌握转录的基本概念、真核转录的三种主要RNA聚合酶和原核转录的主要参与者(RNA聚合酶和启动子)以及原核转录的过程(起始、延伸和终止),使学生了解不同前体RNA的加工机制。 重点、难点:真核转录的三种RNA聚合酶基本特征和功能、大肠杆菌RNA聚合酶、大肠杆菌s70启动子,原核转录的起始、延伸和终止、真核转录后的加工机制、选择性剪切。