2022學(xué)年高中物理 第2章 氣體 氣體熱現(xiàn)象的微觀意義學(xué)案 教科版選修3-3

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1、2022學(xué)年高中物理 第2章 氣體 氣體熱現(xiàn)象的微觀意義學(xué)案 教科版選修3-3 【學(xué)習(xí)目標】 1．知道氣體分子的運動特點，知道氣體分子的運動遵循統(tǒng)計規(guī)律． 2．知道氣體壓強的微觀意義． 3．知道三個氣體實驗定律的微觀解釋． 4．了解氣體壓強公式和推導(dǎo)過程． 【要點梳理】 要點一、統(tǒng)計規(guī)律 1．統(tǒng)計規(guī)律 由于物體是由數(shù)量極多的分子組成的，這些分子并沒有統(tǒng)一的運動步調(diào)，單獨看來，各個分子的運動都是不規(guī)則的，帶有偶然性，但從總體來看，大量分子的運動卻有一定的規(guī)律，這種規(guī)律叫做統(tǒng)計規(guī)律． 2．分子的分布密度 分子的個數(shù)與它們所占空間的體積之比叫

2、做分子的分布密度，通常用表示． 3．氣體分子運動的特點 （1）氣體分子之間的距離很大，失約是分子直徑的倍．因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，氣體分子不受力的作用，在空間自由移動． （2）分子的運動雜亂無章，在某一時刻，向著任何一個方向運動的分子都有，而且向各個方向運動的氣體分子數(shù)目都相等． （3）每個氣體分子都在做永不停息的運動，常溫下大多數(shù)氣體分子的速率都達到數(shù)百米每秒，在數(shù)量級上相當(dāng)于子彈的速率． （4）氣體分子的熱運動與溫度的關(guān)系 溫度越高，分子的熱運動越激烈． 理想氣體的熱力學(xué)溫度與分子的平均動能成正比，即：（式中是

3、比例常數(shù)），因此可以說，溫度是分子平均動能的標志． 要點詮釋：理想氣體沒有分子勢能，所以其內(nèi)能僅由溫度決定，溫度越高，內(nèi)能越大，溫度越低，內(nèi)能越?。? 要點二、對氣體的微觀解釋 1．氣體壓強的微觀意義 （1）氣體壓強的大小等于氣體作用在器壁單位面積上的壓力． （2）產(chǎn)生原因：大量氣體分子無規(guī)則運動碰撞器壁，形成對器壁各處均勻的持續(xù)的壓力而產(chǎn)生． （3）決定因素：一定氣體的壓強大小，微觀上決定于分子的平均動能和單位體積內(nèi)的分子數(shù)；宏觀上決定于氣體的溫度和體積 2．對氣體實驗定律的微觀解釋 （1）一定質(zhì)量的氣體，分子的總數(shù)是一定

4、的，在溫度保持不變時，分子的平均動能保持不變，氣體的體積減小到原來的幾分之一，氣體的密度就增大到幾倍，因此壓強就增大到幾倍，反之亦然，所以氣體壓強與體積成反比，這就是玻意耳定律． （2）一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變而溫度升高時，分子的平均動能增大，因而氣體壓強增大，溫度降低時，情況相反，這就是查理定律所表達的內(nèi)容． （3）一定質(zhì)量的氣體，溫度升高時要保持壓強不變，只有增大氣體體積，減小分子的分布密度才行，這就是蓋一呂薩克定律所表達的內(nèi)容． 要點三、分子的平均動能 1．分子的平均動能 物體分子動能的平均值叫分子平均動能． 溫度是分子平均動能

5、的標志，溫度越高，分子平均動能越大． 物體內(nèi)部各個分子的運動速率是不相同的，所以分子的動能也不相等．在研究熱現(xiàn)象時，有意義的不是一個分子的動能，而是物體內(nèi)所有分子動能的平均值——分子平均動能． 物體的溫度是大量分子熱運動劇烈程度的特征，分子熱運動越劇烈，物體的溫度越高，分子平均動能就越大，所以說溫度是分子平均動能的標志這是對溫度這一概念從物體的冷熱程度的簡單認識，進一步深化到它的微觀含義、本質(zhì)的含義． 2．判斷氣體分子平均動能變化的方法 （1）判斷氣體的平均動能的變化，關(guān)鍵是判斷氣體溫度的變化，因為溫度是氣體分子平均動能的標志． （2）理解氣體實驗定律的微觀解

6、釋關(guān)鍵在于理解壓強的微觀意義． 要點四、宏觀、微觀的區(qū)別與聯(lián)系 1．宏觀、微觀的區(qū)別與聯(lián)系 從宏觀上看，一定質(zhì)量的氣體僅溫度升高或僅體積減小都會使壓強增大，從微觀上看，這兩種情況有沒有什么區(qū)別？ 分析：因為一定質(zhì)量的氣體的壓強是由單位體積內(nèi)的分子數(shù)和氣體的溫度決定的．氣體溫度升高，即氣體分子運動加劇，分子的平均速率增大，分子撞擊器壁的作用力增大，故壓強增大．氣體體積減小時，雖然分子的平均速率不變，分子對容器的撞擊力不變，但單位體積內(nèi)的分子數(shù)增多，單位時間內(nèi)撞擊器壁的分子數(shù)增多，故壓強增大，所以這兩種情況下在微觀上是有區(qū)別的． 2．氣體壓強的公式 現(xiàn)在從分子

7、動理論的觀點推導(dǎo)氣體壓強的公式． 設(shè)想有一個向右運動的分子與器壁發(fā)生碰撞（圖8-5-1），碰撞前的速率為，碰撞前的動量為，碰撞后向左運動。速率為，碰撞后的動量為．碰撞前后的動量變化為．設(shè)分子與器壁的碰撞沒有能量損失，分子碰撞前后的速率相等，即，因而碰撞前后的動量變化量為． 這個動量變化量等于器壁對分子的沖量，從牛頓第三定律知道，分子對器壁也有一個大小相等方向相反的沖量．可見，氣體分子每碰撞一次器壁，就給器壁的沖量． 單位時間內(nèi)大量分子對器壁的總沖量等于器壁所受的平均壓力，對單位面積器壁的總沖量就等于氣體的壓強．怎樣算出這個總沖量呢？單靠力學(xué)知識不行，需要

8、用到統(tǒng)計方法． 大量氣體分子做無規(guī)則的熱運動，它們沿各個方向運動的機會是均等的，從統(tǒng)計的觀點來看，可以認為各有的分子向著上、下、前、后、左、右這六個方向運動，氣體分子的速率是按照一定的統(tǒng)計規(guī)律分布的，可以認為所有分子都以平均速率v向著各個方向運動．計算出大量氣體分子碰撞器壁的總沖量，就可以進一步求出器壁所受的壓力，進而求出氣體的壓強來． 如圖所示，在氣體內(nèi)部設(shè)想一個柱體，底面積為單位面積，高度為分子平均速率v的數(shù)值，設(shè)氣體單位體積中的分子數(shù)為，則在這個柱體中有個向右運動的分子．因此，在單位時間內(nèi)，這個分子會與器壁發(fā)生碰撞．分子每碰撞一次器壁，給器壁的沖量為．

9、 因此，單位時間內(nèi)分子給單位面積器壁的總沖量等于 ． 單位時間內(nèi)氣體對器壁的總沖量等于器壁所受的平均壓力，單位器壁所受的平均壓力就等于氣體的壓強（如圖）．于是我們得到氣體的壓強公式： ． 氣體分子的平均動能 ， 上式化為 ． 從這個公式可以知道，單位體積內(nèi)的分子數(shù)越多，氣體分子的平均動能越大，氣體的壓強就越大． 要點四、知識歸納與提升 1．知識梳理 （1）氣體分子沿各個方向運動的機會均等，分子速率按一定的“中間多，兩頭少”的統(tǒng)計規(guī)律分布． （2）影響氣體壓強的兩個因素是：分子的

10、平均動能和單位體積內(nèi)的分子數(shù)，而且氣體的壓強正比于二者的乘積． 2．規(guī)律方法總結(jié) （1）判斷氣體的平均動能的變化，關(guān)鍵是判斷氣體溫度的變化，因為溫度是氣體分子平均動能的標志． （2）理解氣體實驗定律的微觀解釋關(guān)鍵在于理解壓強的微觀意義． 【典型例題】 類型一、微觀解釋 例1．下列說法正確的是（ ）． A．氣體的溫度升高時，并非所有分子的速率都增大 B．盛有氣體的容器做減速運動時，容器中氣體的內(nèi)能隨之減小 C．理想氣體在等容變化過程中，氣體對外不做功，氣體的內(nèi)能不變 D．一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)等溫壓縮后，

11、其壓強一定增大 【答案】A、D 【解析】氣體的溫度升高時，氣體分子的平均動能增大，但不是所有分子的速率都增大了，選項A正確；盛有氣體的容器做減速運動是一種宏觀運動，與容器中氣體的微觀內(nèi)能沒有必然的因果關(guān)系，選項B錯誤；在理想氣體的等容變化過程中，氣體對外不做功，若溫度變化，則其內(nèi)能必然變化，選項C錯誤；一定質(zhì)量的氣體經(jīng)等溫壓縮后，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以確定其壓強必然增大，選項D也正確． 舉一反三: 【變式1】容積不變的容器內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)溫度升高時（ ）． A．每個氣體分子的速率都增大 B．單位時間內(nèi)氣體分子撞擊單位面積器壁的次數(shù)增多

12、 C．氣體分子對器壁的撞擊在單位面積上每秒鐘內(nèi)的個數(shù)增多 D．氣體分子在單位時間內(nèi)，作用于單位面積器壁的總沖量增大 【答案】B、C、D 【解析】氣體溫度增加時，從平均效果來說，物體內(nèi)部分子的熱運動加劇，是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)．而對單個的分子而言，說它的溫度與動能之間有聯(lián)系是沒有意義的，故選項A不正確． 理想氣體的溫度升高，分子的無規(guī)則熱運動加劇，使分子每秒鐘與單位面積器壁的碰撞次數(shù)增多，因分子平均動能增大，分子每次碰撞而施于器壁的沖量也增大，因而氣體分子在單位時間內(nèi)，作用于單位面積器壁的總沖量也增大，故選項B、C、D正確．

13、舉一反三: 【變式2】對于一定量的稀薄氣體，下列說法正確的是（ ）． A．壓強變大時，分子熱運動必然變得劇烈 B．保持壓強不變時，分子熱運動可能變得劇烈 C．壓強變大時，分子間的平均距離必然變小 D．壓強變小時，分子間的平均距離可能變小 【答案】BD 【解析】一定質(zhì)量的稀薄氣體可以看做理想氣體，分子運動的劇烈程度與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運動的越劇烈；壓強變大可能是的原因是體積變小或溫度升高，所以壓強變大，分子熱運動不一定劇烈，AC項錯誤，B項正確；壓強變小時，也可能體積不變，可能變大，也可能變?。粶囟瓤赡芙档?，可能不變，可能升高，所以分子間距離不能確定，D項正

14、確。 例2．一定質(zhì)量的某種理想氣體，當(dāng)它的熱力學(xué)溫度升高為原來的1.5倍、體積增大為原來的3倍時，壓強將變?yōu)樵瓉淼亩嗌伲空埬銖膲簭姾蜏囟鹊奈⒂^意義來說明． 【思路點撥】氣體的壓強在微觀意義上正比于單位體積內(nèi)氣體分子個數(shù)和氣體分子平均動能的乘積． 【答案】見解析 【解析】在微觀意義上，氣體的壓強等于單位面積上氣體碰撞器壁的作用力，找出單位時間內(nèi)碰撞器壁作用力的決定因素，即可求解． 若單位體積內(nèi)的分子數(shù)為n0個，則單位面積上單位時間內(nèi)能碰撞器壁的分子所占的體積，所以碰撞器壁的分子個數(shù)n∝n0V，即．每個氣體分子以平均速率碰撞器壁時的速率變化量為，則由牛頓第二定律得．氣體的壓強

15、等于在單位面積上的器壁受的碰撞力，則有， 即． ① 由于熱力學(xué)溫度升高為原來的1.5倍，由得． ② 體積增大為原來的3倍，則氣體單位體積內(nèi)的分子個數(shù)減為原來的，即， ③ 由①②③式得 ，即氣體的壓強變?yōu)樵瓉淼谋叮? 【總結(jié)升華】氣體的壓強在微觀意義上正比于單位體積內(nèi)氣體分子個數(shù)和氣體分子平均動能的乘積． 舉一反三: 【變式】對于一定質(zhì)量的理想氣體，下列論述中正確的是（ ）． A．當(dāng)分子熱運動變得劇烈時，壓強必變大 B．當(dāng)分子熱運動變得劇烈時，壓強可以不變 C．當(dāng)分子間的平均距離變大時，壓強必變小

16、 D．當(dāng)分子間的平均距離變大時，壓強必變大 【答案】B 【解析】解此題應(yīng)把握以下兩個方面：①分子熱運動的劇烈程度由溫度高低決定；②對一定質(zhì)量的理想氣體，恒量． 選項A、B中，“分子熱運動變得劇烈”說明溫度升高。但不知體積變化情況，所以壓強變化情況不確定，所以A錯。B對；選項C、D中，“分子間的平均距離變大”說明體積變大．但溫度的變化情況未知，故不能確定壓強變化情況，所以C、D均不對，正確選項為B． 類型二、平均動能 例3．給一定質(zhì)量、溫度為0℃的水加熱，在水的溫度由0℃上升到4℃的過程中，水的體積隨著溫度升高反而減小，我們稱之為“反常膨脹”。某研

17、究小組通過查閱資料知道：水分子之間存在一種結(jié)合力，這種結(jié)合力可以形成多分子結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，水分了之間也存在相互作用的勢能。在水反常膨脹的過程中，體積減小是由于水分子之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但所有水分子間的總勢能是增大的。關(guān)于這個問題的下列說法中正確的是（ ）． A．水分子的平均動能減小，吸收的熱量一部分用于分子間的結(jié)合力做正功 B．水分子的平均動能減小，吸收的熱量一部分用于克服分子間的結(jié)合力做功 C．水分子的平均動能增大，吸收的熱量一部分用于分子間的結(jié)合力做正功 D．水分子的平均動能增大，吸收的熱量一部分用于克服分子間的結(jié)合力做功 【答案】D

18、 【解析】由于水的溫度在升高，故水分子的平均動能增大，所以A、B錯誤；吸收熱量的一部分使水分子之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，而變化時是需要一定能量的，用來克服原來分子間原來的結(jié)合力而做功，故D的說法是正確的。 舉一反三: 【變式】有關(guān)氣體壓強，下列說法正確的是（ ）． A．氣體分子的平均速率增大，則氣體的壓強一定增大 B．氣體分子的密集程度增大，則氣體的壓強一定增大 C．氣體分子的平均動能增大，則氣體的壓強一定增大 D．氣體分子的平均動能增大，氣體的壓強有可能減小 【答案】D 【解析】氣體的壓強與兩個因素有關(guān)，一是氣體分子的平均動能，二

19、是氣體分子的密集程度，或者說，一是溫度，二是體積．平均動能或密集程度增大，都只強調(diào)問題的一方面，也就是說，平均動能增大的同時，氣體的體積也可能增大，使得分子密集程度減小，所以壓強可能增大，也可能減小．同理，當(dāng)分子的密集程度增大時，分子平均動能也可能減小，壓強的變化不能確定． 綜上所述，正確答案為D． 例4．對一定質(zhì)量的理想氣體，下列說法正確的是（ ）． A．體積不變，壓強增大時，氣體分子的平均動能一定增大 B．溫度不變，壓強減小時，氣體的密度一定減小 C．壓強不變，溫度降低時，氣體的密度一定減小 D．溫度升高，壓強和體積都可

20、能不變 【答案】A、B 【解析】根據(jù)氣體壓強、體積、溫度的關(guān)系可知，體積不變，壓強增大時，氣體分子的平均動能一定增大，選項A正確．溫度不變，壓強減小時，氣體體積增大，氣體的密度減小，選項B正確．壓強不變，溫度降低時，體積減小，氣體密度增大，選項C錯誤．溫度升高，壓強、體積中至少有一個發(fā)生改變，選項D錯誤． 綜上所述，正確答案為A、B． 舉一反三: 【變式】對一定質(zhì)量的理想氣體，下列說法正確的是（ ）． A．壓強增大，體積增大，分子的平均動能一定增大 B．壓強減小，體積減小，分子的平均動能一定 增大 C．壓強減小，體積增大，分子的平均動能一定增大 D．壓強增大，體積減小，分子的平均動能一定增大 【答案】A