2023年物理第一轮第十五章第2讲　固体、液体和气体

第2讲固体、液体和气体

r目标要求11.了解固体的微观结构，知道晶体和非晶体的特点，了解液晶的主要性质2

了解表面张力现象和毛细现象，知道它们的产生原因.3.掌握气体压强的计算方法及气体压强

的微观解释4能用气体实验定律解决实际问题，并会分析气体图像问题.

考点一固体和液体性质的理解

■基础梳理夯实必备知识

1.固体

(1)分类：固体分为晶体和非晶体两类.晶体又分为单晶体和多晶体.

(2)晶体和非晶体的比较

分类晶体

比车4\^非晶体

单晶体多晶体

无确定的几何

外形有规则的形状无确定的几何外形

形状

熔点确定确定不确定

物理性质各向异性各向同性各向同性

玻璃、橡胶、蜂蜡、松香、

典型物质石英、云母、明矶、食盐各种金属

沥青

转化晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化

2.液体

液体的表面张力

①作用效果：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势,使液体表面积趋于最小，而在体积相

同的条件下，球形表面积最小.

②方向：表面张力跟液面相切,跟这部分液面的分界线垂直.

③形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力.

3.液晶

(1)液晶的物理性质

①具有液体的流动性.

②具有晶体的光学各向异性.

(2)液晶的微观结构

从某个方向上看，其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的.

•判断正误

1.单晶体的所有物理性质都是各向异性的.（X）

2.液晶是液体和晶体的混合物.（X）

3.烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶

体.（X）

4.在空间站完全失重的环境下，水滴能收缩成标准的球形是因为液体表面张力的作

用.（，）

考向1晶体和非晶体

r例在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上石蜡，用烧热的针尖接触薄片背面上的一点，石

A.甲一定是单晶体

B.乙可能是金属薄片

C.丙在一定条件下可能转化成乙

D.甲内部的微粒排列是规则的，丙内部的微粒排列是不规则的

答案C

解析由于单晶体是各向异性的，熔化在单晶体表面的石蜡应该是椭圆形，而非晶体和多晶

体是各向同性，则熔化在表面的石蜡是圆形，因此丙是单晶体，根据温度随加热时间变化关

系可知，甲是多晶体，乙是非晶体，金属属于晶体，故乙不可能是金属薄片，故A、B错误；

一定条件下，晶体和非晶体可以相互转化，故C正确；甲和丙都是晶体，所以其内部的微粒

排列都是规则的，故D错误.

考向2液体

r例23（2022•宁夏石嘴L市第三中学模拟）关于以下几幅图中现象的分析，下列说法正确的

是（）

A.甲图中水晶停在水面而不沉，是浮力作用的结果

B.乙图中将棉线圈中肥皂膜刺破后，扩成一个圆孔，是表面张力作用的结果

C.丙图中毛细管中液面高于管外液面的是毛细现象，低于管外液面的不是毛细现象

D.丁图中玻璃管的裂口在火焰上烧熔后，它的尖端会变钝，是一种浸润现象

答案B

解析因为液体表面张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如，故A错误;

将棉线圈中肥皂膜刺破后，扩成一个圆孔，是表面张力作用的结果，故B正确；浸润情况下,

容器壁对液体的吸引力较强，附着层内分子密度较大，分子间距较小，故液体分子间作用力

表现为斥力，附着层内液面升高，故浸润液体呈凹液面，不浸润液体呈凸液面，都属于毛细

现象，故C错误：玻璃管的裂口在火焰上烧熔后，它的尖端会变钝，是表面张力的原因，不

是浸润现象，故D错误.

考点二气体压强的计算及微观解释

I.气体压强的计算

(1)活塞模型

如图所示是最常见的封闭气体的两种方式.

求气体压强的基本方法：先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程.

图甲中活塞的质量为小，活塞横截面积为S,外界大气压强为P0.由于活塞处于平衡状态，所

以paS+ing=pS,

则气体的压强为

图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS+〃2g=poS,

则气体压强为p=po—等=〃0—p液g".

⑵连通器模型

如图所示，U形管竖直放置.同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体8和A的压

强关系可由图中虚线联系起来.则有P；?+pg〃2=PA，

而PA=po+pghi,

所以气体B的压强为pB=po+pg(h]-hl).

2.气体分子运动的速率分布图像

气体分子间距离大约是分子直径的10倍，分子间作用力十分微弱，可忽略不计；分子沿各个

方向运动的机会均等；分子速率的分布规律按“中间多、两头少”的统计规律分布，且这个

分布状态与温度有关，温度升高时，平均速率会增大，如图所示.

各速率区间的分子数

占总分子数的百分比

20

15一一温度为ot

1()

—温度为loot

&费器"子的速…)

3.气体压强的微观解释

(1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的

压力.

(2)决定因素(一定质量的某种理想气体)

①宏观上：决定于气体的温度和体积.

②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度.

r例3](多选)对于一定质量的理想气体，下列论述正确的是()

A.气体的压强由温度和单位体积内的分子个数共同决定

B.若单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，压强可能不变

C.若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数一定增加

D.若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数可能不变

答案AC

解析气体的压强由气体的温度和单位体积内的分子个数共同决定，故A正确；单位体积内

分子个数不变，当分子热运动加剧时，单位面积上的碰撞次数和碰撞的平均力都增大，因此

这时气体压强一定增大，故B错误；若气体的压强不变而温度降低，则气体的体积减小，则

单位体积内分子个数一定增加，故C正确，D错误.

r例4】若已知大气压强为外，图中各装置均处于静止状态.

(1)已知液体密度均为0重力加速度为g,求各被封闭气体的压强.

⑵如图中两个汽缸质量均为M,内部横截面积均为S,两个活塞的质量均为〃％左边的汽缸

静止在水平面上，右边的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下.两个汽缸内分别封闭有一定质量

的空气A、B,重力加速度为g,活塞与缸壁之间无摩擦，求封闭气体A、3的压强各多大？

答案（1）甲：PLPgh乙：po-pgh丙：pQ—^pgh

T：po+pghi戊：pa=po+pg（A2——〃3）Pb—po+pg（h2—h］）

_.msMg

（2）pA=po+$PB=PL5

解析⑴题图甲中，以高为/z的液柱为研究对象，由平衡条件有〃甲S+pg/6=poS

所以〃甲=p（）~pgh

题图乙中，以8液面为研究对象，由平衡条件有

PAS+pghS=p（）S

pc=pA=po—pgh

题图丙中，以3液面为研究对象，由平衡条件有

PA'S+pghsin6O°-S=poS

八

所以〃丙=〃/=P（）-专pgh

题图丁中，以A液面为研究对象，由平衡条件有

pyS=poS+pgh\S

所以pr=po+pgh\.

题图戊中，从开口端开始计算，右端大气压强为po,同种液体同一水平面上的压强相同,

所以。气柱的压强为p〃=po+"g（/l2一%1）,

故a气柱的压强为p〃=p/2—pg〃3=po+pg（比一⑶一九3）.

(2)题图甲中选活塞为研究对象，受力分析如图(a)所示，由平衡条件知pAS=poS+mg,

得PA=Po+W；

PAS

p<S

PBS

mgMg

(a)(b)

题图乙中选汽缸为研究对象，受力分析如图(b)所示，由平衡条件知p0S=p6S+Mg,

Mg

得pn=po

s.

考点三气体实验定律及应用

■基础梳理夯实必备知识

1.气体实验定律

玻意耳定律查理定律盖一吕萨克定律

一定质量的某种气一定质量的某种气体，一定质量的某种气

体，在温度不变的情在体积不变的情况下，体，在压强不变的情

内容

况下，压强与体积成压强与热力学温度成正况下，其体积与热力

反比比学温度成正比

包=也匕_选

TI~T2TX~T2

表达式P\V\=必於

拓展：拓展：AV=yj-AT

一定质量的某种理想

一定质量的某种理想一定质量的某种理想气

气体，温度升高时，

气体，温度保持不变体，体积保持不变时，

分子的平均动能增

时，分子的平均动能分子的密集程度保持不

微观解释大.只有气体的体积

不变.体积减小时,变，温度升高时，分子

同时增大，使分子的

分子的密集程度增的平均动能增大,气体

密集程度减小,才能

大，气体的压强增大的压强增大

保持压强不变

P1/

图像1/

Kvcr--------»Ta---------T

2.理想气体状态方程

(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.

①在压强不太大、温度不太低时，实际气体可以看作理想气体.

②理想气体的分子间除碰撞外不考虑其他作用，一定质量的某种理想气体的内能仅由温度决

定.

(2)理想气体状态方程：噌=噌或＜=C.(质量一定的理想气体)

•判断正误

1.压强极大的实际气体不遵从气体实验定律.(V)

2.一定质量的理想气体，当温度升高时，压强一定增大.(X)

3.一定质量的理想气体，温度升高，气体的内能一定增大.(V)

・方法技巧提升关键能力

1.解题基本思路

根据题意，选出所研究的某一部分一定

质量的气体

分别找出这部分气体状态发生变化前后

的P、v、r,其中压强的确定是关键

认清变化过程，正确选用物理规律

选用理想气体状态方程或某一气体实验

定律列式求解，有时要讨论结果的合理性

2.分析气体状态变化的问题要抓住三点

(1)弄清一个物理过程分为哪几个阶段.

(2)找出几个阶段之间是由什么物理量联系起来的.

(3)明确哪个阶段应遵循什么实验定律.

r例51为了监控锅炉外壁的温度变化，某锅炉外壁上镶嵌了一个底部水平、开口向上的圆

柱形导热缸，汽缸内有一质量不计、横截面积5=10cn?的活塞封闭着一定质量理想气体，

活塞上方用轻绳悬挂着矩形重物.当缸内温度为7=360K时，活塞与缸底相距H=6cm、

与重物相距〃=4cm.已知锅炉房内空气压强为=1.0XI()5pa,重力加速度大小g=10m/s*2,3

不计活塞厚度及活塞与缸壁间的摩擦，缸内气体温度等于锅炉外壁温度.

(1)当活塞刚好接触重物时，求锅炉外壁的温度T2.

(2)当锅炉外壁的温度为660K时，轻绳拉力刚好为零，警报器开始报警，求重物的质量

答案(1)600K(2)1kg

解析(1)活塞上升过程中，缸内气体发生等压变化，Vt=HS,V2=(H+h)S

由盖一吕萨克定律有向

代入数据解得乙=600K

(2)活塞刚好接触重物到轻绳拉力为零的过程中，缸内气体发生等容变化73=660K

由平衡条件有p=po+等

由查理定律有策=,

1213

代入数据解得M=1kg.

r例6】如图所示，一粗细均匀的“山”形管竖直放置，A管上端封闭，B管上端与大气相通,

C管内装有带柄的活塞，活塞下方直接与水银接触.A管上方用水银封有长度乙=10cm的空

气柱，温度力=27℃；8管水银面比4管中高出/z=4cm.已知大气压强po=76cmHg.为了使

A、B管中的水银面等高，可以用以下两种方法：

(1)固定C管中的活塞，改变A管中气体的温度，使A、3管中的水银面等高，求此时A管中

气体的热力学温度72；

(2)在温度不变的条件下，向上抽动活塞，使A、8管中的水银面等高，求活塞上移的距离AL(结

果保留一位小数)

答案(1)228K(2)5.1cm

解析(1)设“山”形管的横截面积为S,对A部分气体，

初态有pi=po+/?=76cmHg+4cmHg=80cmHg

末态有「2=76cmHg

气柱长度为L=10cm,L'=8cm

根据理想气体状态方程噌=陪

/I/2

山”LSp?US

故为丁一丁

1\12

解得乃=228K

（2）由于丁不变，对A部分气体根据玻意耳定律可得piVi=p3V3

即有p\LS=p（）L3s

解得£3^10.53cm

所以C管中水银长度的增加量为

AL=4cm+0.53cm+0.53W5.1cm

即活塞上移的距离为5.1cm.

考点四气体状态变化的图像问题

1.四种图像的比较

类别特点（其中C为常量）举例

pV=CT,即夕丫之积越大的等温线温P

p-v

度越高，线离原点越远0V

T2>TX

T

1p=C7p,斜率k=CT,即斜率越大，2

P-V>4

温度越高0T2>TtV

P=§T,斜率无=牍即斜率越大，体P

P-T

积越小U%〈匕』

V=jT,斜率耳，即斜率越大，压V

V-T

强越小Cpi<Pi

2.处理气体状态变化的图像问题的技巧

（1）首先应明确图像上的点表示一定质量的理想气体的一个状态，它对应着三个状态量；图像

上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程.看此过程属于等

温、等容还是等压变化，然后用相应规律求解.

（2）在V-T图像（或p-T图像）中，比较两个状态的压强（或体积）时，可比较这两个状态到原

点连线的斜率的大小，斜率越大，压强（或体积）越小；斜率越小，压强（或体积）越大.

【例71一定质量的气体经历一系列状态变化，其?一上图像如图所示，变化顺序为

ai-Ldfa,图中外线段延长线过坐标原点，cd线段与p轴垂直，公线段与&由垂直.气

体在此状态变化过程中()

A.”一。过程，压强减小，温度不变，体积增大

B.b-c过程，压强增大，温度降低，体积减小

C.c-d过程，压强不变，温度升高，体积减小

D.过程，压强减小，温度升高，体积不变

答案A

解析由题图可知，“一。过程，气体发生等温变化，气体压强减小而体积增大，故A正确；

由理想气体状态方程华=(7可知斜率A=CT,连接。、。的直线比连接0、c的直

线的斜率小，所以。的温度低，b-c过程，温度升高，压强增大，且体积也增大，故B错误：

c-d过程，气体压强不变而体积变小，由理想气体状态方程华=<7可知，气体温度降低，故

C错误；d-a过程，气体体积不变，压强变小，由理想气体状态方程竿=(7可知，气体温度

降低，故D错误.

【例8】一定质量的理想气体经历了温度缓慢升高的变化，如图所示，p-T图像和V-T图像

各记录了其部分变化过程.

(1)求温度为600K时气体的压强；

(2)在p—7图像上将温度从400K升高到600K的变化过程补充完整.

答案(1)1.25X105Pa(2)见解析图

解析(1)由p-T图像可知，气体由200K到400K的过程中做等容变化，由V-7图像可知,

气体由400K到500K仍做等容变化，对应9-7图可得,7=500K时，气体的压强为1.25X105Pa：

由M-T图像可知，气体由500K到600K做等压变化，故7=600K时，气体的压强为1.25X

105Pa.

(2)在p—T图像上补充画出400〜600K的气体状态变化图像，如图所示.

课时精练

立必备基础练

1.（多选）（2020•江苏卷J3A（1））玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史，它是一

种非晶体.下列关于玻璃的说法正确的是（）

A.没有固定的熔点

B.天然具有规则的几何形状

C.沿不同方向的导热性能相同

D.分子在空间上周期性排列

答案AC

2.规范佩戴医用防护口罩是预防新冠肺炎的有效措施之一、合格的医用防护口罩内侧所用材

料对水都是不浸润的，图为一水滴落在某防护口罩内侧的示意图，以下说法正确的是（）

A.图片中的口罩为不合格产品

B.图片中水滴形状的成因与液体表面张力有关

C.图片中水滴与口罩间附着层内水分子比水滴内部分子密集

D.该材料对所有的液体都是不浸润的

答案B

解析根据题意合格的医用防护口罩内侧所用材料对水都是不浸润的，题图所示水没有浸涧

口罩内侧，所以图片中的口罩为合格产品，故A错误；如题图所示，小水滴为球形是由于液

体表面张力造成的，图片中附着层内水分子比水滴内部分子稀疏，故B正确，C错误；浸润

与不浸润现象是相对的，故D错误.

3.（多选）密闭容器内有一定质量的理想气体，如果保持气体的压强不变，气体的温度升高，

下列说法中正确的是（）

A.气体分子的平均速率增大

B.器壁单位面积受到气体分子碰撞的平均作用力变大

C.气体分子对器壁的平均作用力变大

D.该气体的密度减小

答案ACD

解析气体的温度升高，气体分子的平均速率增大，气体分子对器壁的平均作用力变大，故

A、C正确；气体压强是器壁单位面积上受到大量气体分子频繁地碰撞而产生的平均作用力

的结果，气体压强不变，单位面积受到气体分子碰撞的平均作用力不变，故B错误；气体的

温度升高，气体分子平均动能增大，压强不变，则气体分子的密集程度减小，故体积增大，

密度减小，故D正确.

4.下列四幅图所涉及的物理知识，论述正确的是（）

A.图甲说明可以通过是否存在固定的熔点来判断固体是晶体或非晶体

B.图乙液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向同性的特点制成的

C.图丙水用可以在水面自由活动，说明其受到的浮力大于重力

D.图丁中的酱油与左边材料不浸润，与右边材料浸润

答案A

解析晶体和非晶体的最大区别是：是否有固定的熔点，因此可以通过是否存在固定的熔点

来判断固体是晶体或非晶体，A正确；液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向异性的特点

制成的，B错误；水电可以在水面自由活动，是由于液体的表面张力造成的，与浮力无关，

C错误；酱油与左边材料浸润，与右边材料不浸润，D错误.

5.（多选）如图所示，一定质量的理想气体，从A状态开始，经历了B、C状态，最后到。状

态，下列说法正确的是（）

A.A-B过程温度升高，压强不变

B.8-C过程体积不变，压强变小

C.B—C过程体积不变，压强不变

D.Cf£＞过程体积变小，压强变大

答案ABD

解析由题图可知，A3为等压线，A-B的过程中，气体温度升高，压强不变，故选项A正

确；在8-C的过程中，气体体积不变，温度降低，由竿=C可知，气体压强变小，故选项

B正确，C错误；在C-O的过程中，气体温度不变，体积变小，由牛=C可知，气体压强

变大，故选项D正确.

6.(2021•全国甲卷-33(1))如图，一定量的理想气体经历的两个不同过程，分别由体积一温度

(V—f)图上的两条直线I和H表示，％和匕分别为两直线与纵轴交点的纵坐标；”是它们的

延长线与横轴交点的横坐标，/o=-273.15℃；。为直线I上的一点.由图可知，气体在状态

。和。的压强之比§=_____；气体在状态b和c的压强之比华=________.

PbPc

阳

h〃七

V2

答案

V|

解析由体积一温度(丫一。图像可知，直线I为等压线，则4、人两点压强相等，则有匹=1；

Pb

f=0℃时，当气体体积为V]时，设其压强为0,当气体体积为L时，设其压强为〃2,温度

相等，由玻意耳定律有P1V]=P2v2

由于直线i和n为两条等压线，则有pi=paP2=pc

联立解得也=包=守.

PcP2V\

7.(2019・全国卷H-33(l))如p—U图所示，1、2、3三个点代表某容器中一定量理想气体的三个

不同状态，对应的温度分别是丁卜不、73.用M、此、M分别表示这三个状态下气体分子在

单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数，则NiM，7]73,

MM.(填“大于”“小于”或“等于”)

P\

5

V,2V,V

答案大于等于大于

解析对一定质量的理想气体，华为定值，由题中p—V图像可知，2?|玉=?「2%>「「山，所

以八=73>72.状态1与状态2时气体体积相同，单位体积内分子数相同，但状态1下的气体

分子平均动能更大，在单位时间内撞击器壁单位面积的平均次数更多，即状态2与

状态3时气体压强相同，状态3下的气体分子平均动能更大，在单位时间内撞击器壁单位面

积的平均次数较少，即M>M.

8.(2021・广东卷-15(2))为方便抽取密封药瓶里的药液，护士一般先用注射器注入少量气体到

药瓶里后再抽取药液，如图所示，某种药瓶的容积为0.9mL,内装有0.5mL的药液，瓶内

气体压强为1.0X105pa,护士把注射器内横截面积为0.3cn?、长度为o.4cm、压强为1.0X

105Pa的气体注入药瓶，若瓶内外温度相同且保持不变，气体视为理想气体，求此时药瓶内

气体的压强.

三三三-

管

答案1.3X105pa

解析以注入后的所有气体为研究对象，由题意可知瓶内气体发生等温变化，设瓶内气体体

积为Vi,有Vi=0.9mL-0.5mL=0.4mL=0.4cm3

注射器内气体体积为V2,

33

有V2=0.3X0.4cm=0.12cm

根据玻意耳定律有po（Vi+V2）=piVi

代入数据解得pi=1.3X105Pa.

过能力综合练

9.一定质量的理想气体经历了如图所示的ab、be、cd、da四个过程，其中be的延长线通过

原点，cd垂直于诏且与水平轴平行，da与be平行,则气体体积在（）

A.出?过程中不断减小B.be过程中保持不变

C.cd过程中不断增加D.而过程中保持不变

答案B

解析因为6c的延长线通过原点，所以机•是等容线，即气体体积在儿过程中保持不变，B

正确；外是等温线，压强减小则体积增大，A错误；cd是等压线，温度降低则体积减小，C

错误；连接交cd于e,则ae是等容线，即匕=匕，因为为＜匕，所以为＜匕，所以而过

程中气体体积发生变化，D错误.

10.如图所示，横截面积S=100enP的容器内，有一个质量不计的轻活塞，活塞的气密性良好,

当容器内气体的温度式）=330K时，容器内外的压强均为次=1.0X105pa,活塞和底面相距

L=\\cm,在活塞上放物体甲，活塞最终下降d=1cm后保持静止，容器内气体的温度仍为

7i)=330K,活塞与容器壁间的摩擦均不计，取g=10m/s2.

(1)求物体甲的质量加；

(2)在活塞上再放上物体乙，若把容器内气体加热到7=360K,系统平衡后，活塞保持放上物

体甲平衡后的位置不变，求物体乙的质量皿2.

答案⑴10kg⑵10kg

解析(1)活塞上放上物体甲，系统稳定后气体的压强为p=po+亭

容器内的气体做等温变化，则有poLS=p(L-d)S

解得m\=10kg

(2)设活塞上再放上物体乙时系统稳定后气体的压强为p',容器内的气体做等容变化，

则有会=今"

/o1

由平衡条件，则有机2g=(p'_p)S

解得,“2=10kg.

11.(2021•全国乙卷・33(2))如图，一玻璃装置放在水平桌面上，竖直玻璃管A、B、C粗细均

匀，A、3两管的上端封闭，C管上端开口，三管的下端在同一水平面内且相互连通.A、B

两管的长度分别为八=13.5cm,,2=32cm.将水银从C管缓慢注入，直至B、C两管内水银柱

的高度差h=5cm.已知外界大气压为加=75cmHg.求A、B两管内水银柱的高度差.

答案1cm

解析设A、8两管的横截面积分别为Si、SI,注入水银后如图所示,

A、B气柱分别减少了和//2,压强分别为pi和以

则有：po/iSi=pi(/i—/zi)5i

p(>/2s2=P2«2—/?2)$2

压强：P2=pn+pgh

P\=P2+pg(h2-h\)

代入数