2022-2023学年粤教版选择性必修第三册 2.3 气体实验定律的微观解释 学案

学习目标物理与STSE1．理解气体压强产生的原因及决定因素．(重点)2．学会用分子动理论和统计规律的观点解释三个气体实验定律．(难点)3．知道理想气体的模型，并知道实验气体在什么情况下可以看成理想气体．(重点)4．学会用气体实验定律推导出理想气体的状态方程．(重点)5．掌握理想气体状态方程的内容、表达式及物理意义(重点、难点)eq\a\vs4\al(储气罐中的高压气体,不能看作理想气体)eq\a\vs4\al(当容器内外的压强差,大于容器所承受限度,时，容器发生爆炸)知识点一气体压强的微观解释1．产生原因．气体的压强是由气体中大量做无规则热运动的分子对器壁频繁持续的碰撞产生的．压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．2．从微观角度来看，气体压强的决定因素．(1)一个是气体分子的平均动能．(2)一个是分子的密集程度．知识点二气体实验定律的微观解释1．玻意耳定律．一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的．在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强就增大．这就是玻意耳定律的微观解释．2．查理定律．一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变．在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大．这就是查理定律的微观解释．3．盖吕萨克定律．一定质量的气体，温度升高时，分子的平均动能增大．只有气体的体积同时增大，使分子密集程度减小，才能保持压强不变．这就是盖吕萨克定律的微观解释．知识点三理想气体1．理想气体．在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体．2．理想气体与实际气体．在温度不低于零下几十摄氏度、压强不超过大气压的几倍的条件下，把实际气体当作理想气体来处理．3．理想气体的状态方程．(1)内容．一定质量的某种理想气体，在从状态1变化到状态2时，尽管p、V、T都可能改变，但是压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变．(2)表达式．①eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)．②eq\f(pV,T)＝c．(3)成立条件．一定质量的理想气体．小试身手1．(多选)有关气体压强，下列说法不正确的是()A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大B．气体分子的平均速率增大，则气体的压强有可能减小C．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大D．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大ACD解析：气体的压强与两个因素有关：一是气体分子的平均动能，二是气体分子的密集程度．即一是温度，二是体积．密集程度或平均动能增大，都只强调问题的一方面，也就是说，平均动能增大的同时，气体的体积可能增大，使得分子密集程度减小，所以压强可能增大，也可能减小或不变．同理，当分子数密度增大时，分子平均动能也可能减小，压强的变化不能确定．故符合题意的答案为A、C、D.2．(多选)在一定的温度下，一定质量的气体体积减小时，气体的压强增大，下列说法不正确的是()A．单位体积内的分子数增多，单位时间内分子对器壁碰撞的次数增多B．气体分子的密度变大，分子对器壁的吸引力变大C．每个气体分子对器壁的平均撞击力都变大D．气体密度增大，单位体积内分子重量变大BCD解析：气体压强的微观表现是气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数，是由分子的平均动能和单位体积内的分子数共同决定的．温度不变一定说明气体分子的平均动能不变，气体体积减小时．单位体积内分子数增多，故气体的压强增大．故A正确，B、C、D错误．3．(多选)关于理想气体，下列说法正确的是()A．理想气体能严格遵守气体实验定律B．实际气体在温度不太高、压强不太大的情况下，可看成理想气体C．实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下，可看成理想气体D．所有的实际气体在任何情况下，都可以看成理想气体AC解析：理想气体是在任何温度、任何压强下都能遵守气体实验定律的气体，选项A正确．它是实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下的抽象，故C正确．探究一气体压强的微观意义的理解1．气体压强的产生原因．大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生了气体的压强．单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．2．气体压强的决定因素．(1)微观因素．①气体分子的密集程度：气体分子密集程度(即单位体积内气体分子的数目)越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，气体压强就越大．②气体分子的平均动能：气体的温度越高，气体分子的平均动能就越大，每个气体分子与器壁碰撞时给器壁的冲力就越大；从另一方面讲，分子的平均速率越大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多，累计冲力就越大，气体压强就越大．(2)宏观因素．①与温度有关：温度越高，分子的平均动能越大，其他物理量不变时，气体的压强就越大．②与体积有关：体积越小，分子的密集程度越大，其他物理量不变时，气体的压强就越大．3．气体压强与大气压强的区别与联系．(1)区别：①气体压强．因密闭容器的气体分子的密集程度一般很小，由气体自身重力产生的压强极小，可忽略不计，故气体压强由气体分子碰撞器壁产生，大小由气体分子的密集程度和温度决定，与地球的引力无关，气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的．②大气压强．大气压强是由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强．如果没有地球引力作用，地球表面就没有大气，从而也不会有大气压强．地面大气压强的值与地球表面积的乘积，近似等于地球大气层所受的重力值，大气压强最终还是通过分子碰撞实现对放入其中的物体产生压强．(2)联系：两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而实现的．【典例1】(多选)如图所示，封闭在气缸内一定质量的气体，如果保持体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是()A．气体的密度增大B．气体的压强增大C．气体分子的平均动能减小D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多BD解析：由查理定律eq\f(p,T)＝c可知，当温度T升高时，压强增大，B正确；由于质量不变，体积不变，则分子密度不变，而温度升高，分子的平均动能增多，所以单位时间内气体分子对器壁碰撞次数增多，D正确，A、C错误．气体压强的产生原因及决定因素(1)气体压强产生的原因——大量做无规则运动的分子对器壁频繁持续地碰撞产生的．(2)气体压强的决定因素——气体分子的密集程度与平均动能．1．(多选)如图所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中恰好装满水，乙中充满空气，则下列说法中正确的是(容器容积恒定)()A．两容器中器壁的压强都是由于分子撞击器壁而产生的B．两容器中器壁的压强产生的原因不同C．甲容器中pA>pB、乙容器中pC＝pDD．当温度升高时，pA、pB变大、pC、pD也要变大BC解析：甲容器压强产生的原因是水受到重力的作用，而乙容器压强产生的原因是分子撞击器壁，A错误，B正确；水的压强p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密闭容器中气体压强各处均相等，与位置无关，pC＝pD，C正确；温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD变大，D错误．探究二气体实验定律的微观解释1．玻意耳定律．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小．(2)微观解释：温度不变，分子的平均动能不变．体积越小，分子越密集，单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大，如图所示．2．查理定律．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小．(2)微观解释：体积不变，则分子密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁单位面积的作用力变大，所以气体的压强增大，如图所示．3．盖吕萨克定律．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小．(2)微观解释：温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的密集程度减小，所以气体的体积增大，如图所示．【典例2】(多选)对于一定质量的气体，当它的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是()A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小C．压强和体积都增大时，其分子的平均动能一定增大D．压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变AC解析：质量一定的气体，分子总数不变，体积增大，单位体积内的分子数减小；体积减小，单位体积内的分子数增大，根据气体压强与单位体积内分子数和分子的平均动能这两个因素的关系，可判断A、C正确；B、D错误．(1)宏观量温度的变化对应着微观量分子动能平均值的变化．宏观量体积的变化对应着气体分子密集程度的变化．(2)压强的变化可能由两个因素引起，即分子热运动的平均动能和分子的密集程度，可以根据气体变化情况选择相应的实验定律加以判断．2．如图所示，一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则它的状态变化过程是()A．气体的温度不变B．气体的内能增加C．气体分子的平均速率减小D．气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数不变B解析：从p-V图像中的AB图线看，气体由状态A变到状态B为等容升压，根据查理定律，一定质量的气体，当体积不变时，压强跟热力学温度成正比，由A到B是压强增大，温度升高，故A错误；气体的温度升高，内能增加，故B正确；气体的温度升高，分子平均速率增加，故C错误；气体体积不变，分子密集程度不变，温度升高，分子平均速率增大，则气体分子在单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数增加，故D错误．3．一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，温度升高，体积增大，从分子动理论的观点来分析，正确的是()A．此过程中分子的平均速率不变，所以压强保持不变B．此过程中每个气体分子碰撞器壁的平均冲击力不变，所以压强保持不变C．此过程中单位时间内气体分子对单位面积器壁的碰撞次数不变，所以压强保持不变D．以上说法都不对D解析：压强与单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数和每个分子的冲击力有关，温度升高，分子与器壁的平均撞击力增大，单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数应减小，压强才可能保持不变．探究三理想气体及理想气体状态方程的应用1．理想气体的状态方程可由三条实验定律中的任意两条推导而得．例如，让气体先做等温变化，再做等容变化来推导理想气体状态方程．一定质量的理想气体，在等温变化过程中，气体的压强与体积成反比，即p∝eq\f(1,V)；在等容变化过程中，压强与热力学温度成正比，即p∝T，所以p∝eq\f(T,V)，写成等式为p＝ceq\f(T,V)，故有eq\f(pV,T)＝c，或写成eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2).2．理想气体的状态方程可包含气体的三个实验定律．由eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)(m一定)有：①当T1＝T2时，p1V1＝p2V2(玻意耳定律)；②当V1＝V2时，eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)(查理定律)；③当p1＝p2时，eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)(盖吕萨克定律)．【典例3】一定质量的理想气体，在某一平衡状态下的压强、体积和温度分别为p1、V1、T1，在另一平衡状态下的压强、体积和温度分别为p2、V2、T2，下列关系正确的是()A．p1＝p2，V1＝2V2，T1＝eq\f(1,2)T2B．p1＝p2，V1＝eq\f(1,2)V2，T1＝2T2C．p1＝2p2，V1＝2V2，T1＝2T2D．p1＝2p2，V1＝V2，T1＝2T2D解析：由理想气体状态方程：eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)，当p1＝p2时，如果V1＝2V2，则T1＝2T2，如果V1＝eq\f(1,2)V2，则T1＝eq\f(1,2)T2，A、B均错误；当p1＝2p2时，如果V1＝2V2，则T1＝4T2，如果V1＝V2，则T1＝2T2，C错误，D正确．气体的三条定律都是实验定律，都由实验总结归纳得出，而且都是在温度不太低(与常温比较)和压强不太大(与大气压强相比)的条件下得出的．4．(多选)关于理想气体，下列说法中正确的是()A．严格遵守玻意耳定律、盖吕萨克定律和查理定律的气体称为理想气体B．理想气体客观上是不存在的，它只是实际气体在一定程度上的近似C．温度不太低(和室温比较)和压强不太大(和大气压比较)条件下的实际气体可以近似看成理想气体D．和质点的概念一样，理想气体是一种理想化的模型ABCD解析：理想气体是一种理想化模型，是对实际气体的科学抽象；温度不太低、压强不太大