高考物理一轮复习讲义专题15.2　固体、液体和气体（原卷版）

专题15.2固体、液体和气体【讲】【讲核心素养】物理观念：晶体、饱和汽、未饱和汽、相对湿度、液晶。1.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，并会分析气体图象问题.科学态度：能列举生活中的晶体和非晶体。通过实例，了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。【讲考点题型】【知识点一】固体和液体性质的理解1．晶体和非晶体分类比较项目晶体非晶体单晶体多晶体外形规则不规则不规则金属熔点确定确定不确定物质性质各向异性各向同性各向同性原子排列有规则每个晶粒的排列无规则无规则典型物质石英、云母、明矾、食盐玻璃、橡胶转化晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化2．晶体的微观结构(1)结构特点：组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列。(2)用晶体的微观结构特点解释晶体的特点：现象原因晶体有规则的外形由于内部微粒有规则的排列晶体各向异性由于内部从任一结点出发在不同方向的相同距离上的微粒数不同晶体的多形性由于组成晶体的微粒可以形成不同的空间点阵3．对晶体与非晶体的进一步说明(1)同一种物质在不同的条件下可能是晶体也可能是非晶体，晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。(2)晶体中的多晶体具有各向同性，晶体中的单晶体具有各向异性，但单晶体并不一定在各种物理性质上都表现出各向异性。4．液体的表面张力(1)概念液体表面各部分间互相吸引的力。(2)作用液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势。(3)方向表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直。(4)大小液体的温度越高，表面张力越小；液体中溶有杂质时，表面张力变小；液体的密度越大，表面张力越大。(5)原因液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。5．液晶(1)液晶分子既保持排列有序而显示各向异性，又可以自由移动位置，保持了液体的流动性。(2)液晶分子的位置无序使它像液体，排列有序使它像晶体。液晶分子和固态分子排列不相同，又不可以像液体一样任意流动，所以和液态分子排列不相同，(3)液晶分子的排列从某个方向看比较整齐，而从另外一个方向看则是杂乱无章的。(4)液晶的物理性质很容易在外界的影响下发生改变。当液晶通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。所以液晶的光学性质随外加电压的变化而变化.(5)通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。6．对液体性质的两点说明(1)液体表面层、附着层的分子结构特点是导致表面张力的根本原因。(2)液晶是一类处于液态和固态之间的特殊物质，其分子间的作用力较强，在体积发生变化时需要考虑分子间力的作用，分子势能和体积有关。【例1】（2022·北京海淀·模拟预测）下列四幅图所涉及的物理知识，论述正确的是（  ）A．图甲说明晶体都有确定熔点，且熔化过程分子平均动能变大B．图乙水黾可以在水面自由活动，说明它所受的浮力大于重力C．图丙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D．图丁中的酱油与左边材料浸润，与右边材料不浸润【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念。【变式训练1】（2022·云南·昆明一中高三开学考试）正确佩戴口罩是日常预防飞沫传播和呼吸道感染的有效途径之一。取一个新的医用防护口罩贴近皮肤一面朝上，平铺在桌面上，往口罩上滴几滴水，水滴没有浸湿口罩，呈椭球形，如图所示。下列说法正确的是（）A．水滴形状的成因与水的表面张力有关，与重力无关B．水滴不浸润口罩，换另一种液体，也不会浸润该口罩C．若处于完全失重的环境中，水滴将浸湿口罩D．水滴与口罩附着层内水分子间距比水滴内部分子间距大【技巧总结】1．晶体和非晶体(1)凡是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。(2)凡是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。(3)单晶体具有各向异性，但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。(4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。2．液体表面张力形成原因表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力表现为引力表面特性表面层分子间的引力使液面产生了表面张力，使液体表面好像一层绷紧的弹性薄膜表面张力的方向和液面相切，垂直于液面上的各条分界线表面张力的效果表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小典型现象球形液滴、肥皂泡、涟波、毛细现象，浸润和不浸润【知识点二】会用“两类模型”求解气体压强1.活塞模型如图所示是最常见的封闭气体的两种方式。对“活塞模型”类求压强的问题，其基本的方法就是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m，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p0S＋mg＝pS。则气体的压强为p＝p0＋eq\f(mg,S)。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＋mg＝p0S。则气体压强为p＝p0－eq\f(mg,S)＝p0－ρ液gh。2.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B和A的压强关系可由图中虚线联系起来。则有pB＋ρ液gh2＝pA。而pA＝p0＋ρ液gh1，所以气体B的压强为pB＝p0＋ρ液g(h1－h2)。【例2】（2022·河北秦皇岛·高三开学考试）如图甲所示，内壁光滑的绝热气缸用活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，此时气体体积为V1。将气缸缓慢转动90°，开口向右放置，稳定时气缸内气体的体积为V2（未知），如图乙所示。接着把气缸悬挂起来，使气缸倒置开口向下，气体未溢出，稳定时气缸内气体体积为V3（未知），如图丙所示。假设整个过程中气体温度和外界大气压p0保持不变。已知活塞质量为m，横截面积为S，重力加速度为g。求：（1）气缸开口向上放置时，气缸内气体的压强p1；（2）气缸开口向右放置时，气缸内气体的体积V2；（3）气缸开口向下放置时，气缸内气体的体积V3。【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练2】（2022·辽宁·东北育才学校模拟预测）如图所示，一根重力为G的上端封闭下端开口的横截面积为S的薄壁玻璃管静止直立于可视为无限大无限深的水槽中，已知水的密度为p，重力加速度为g，管内空气柱的长度为L，空气柱长度大于管内外液面高度差。大气压强为SKIPIF1<0，求：（1）管内外液面高度差；（2）若在A端施加竖直向下大小也为G的作用力，待平衡后，A端下移的高度。（A端依然在水面上）【方法技巧】1．平衡状态下气体压强的求法(1)液片法：选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程，消去面积，得到液片两侧压强相等方程，求得气体的压强。(2)力平衡法：选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析，得到液柱(或活塞)的受力平衡方程，求得气体的压强。(3)等压面法：在连通器中，同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等。2．加速运动系统中封闭气体压强的求法选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象，进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解。【知识点三】气体实验定律气体分子运动的特点(1)分子很小，间距很大，除碰撞外，分子间的相互作用可以忽略。(2)气体分子向各个方向运动的气体分子数目都相等。(3)分子做无规则运动，大量分子的速率按“中间多、两头少”的规律分布。(4)温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，温度升高时，“中间多、两头少”的分布规律不变，气体分子的速率增大，分布曲线的峰值向速率大的一方移动。气体的三个状态参量(1)压强；(2)体积；(3)温度。气体实验定律的比较定律名称比较项目玻意耳定律(等温变化)查理定律(等容变化)盖—吕萨克定律(等压变化)数学表达式p1V1＝p2V2或pV＝C(常数)eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)或eq\f(p,T)＝C(常数)eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)或eq\f(V,T)＝C(常数)同一气体的两条图线平衡状态下气体压强的求法1.液片法：选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程，消去面积，得到液片两侧压强相等方程，求得气体的压强.2.力平衡法：选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析，得到液柱(或活塞)的受力平衡方程，求得气体的压强.3.等压面法：在连通器中，同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等.液体内深h处的总压强p＝p0＋ρgh，p0为液面上方的压强气体压强的产生1.产生的原因由于大量分子无规则运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强.2.决定因素(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.理想气体实验定律的微观解释1．等温变化一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能一定。在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强增大。2．等容变化一定质量的气体，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，气体的压强增大。3．等压变化一定质量的气体，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，使分子的密集程度减小，才能保持压强不变。【例3】（2022·山西·高三开学考试）如图，一竖直放置的绝热圆柱形汽缸上端开口，其顶端有一卡环，两个活塞M、N将两部分理想气体A、B封闭在汽缸内，两部分气体的温度均为t0=27℃，其中活塞M为导热活塞，活塞N为绝热活塞。活塞M距卡环的距离为0.5L，两活塞的间距为L，活塞N距汽缸底的距离为3L。汽缸的横截面积为S，其底部有一体积很小的加热装置，其体积可忽略不计。现用加热装置缓慢加热气体B，使其温度达到t1=127℃。已知外界的大气压为p0，环境的温度为27℃且保持不变，重力加速度大小为g，两活塞的厚度、质量及活塞与汽缸之间的摩擦均可忽略不计，两活塞始终在水平方向上。求此时两活塞之间的距离d。【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练3】（2022·浙江·高三开学考试）如图所示，一端水平悬挂的圆柱形容器用活塞密封体积V1=2×10－3m3的理想气体，活塞重力不计且能无摩擦地滑动，其下端悬挂质量m=60kg的重物，容器的横截面积S=10－2m2。整个装置放在大气压p0=1.0×105Pa的空气中，开始时气体的温度T1=300K，当气体从外界吸收300J的热量，体积变为V2=4×10－3m3时，求，密闭气体：（1）压强p；（2）温度T2；（3）内能增加量E。【方法总结】解决气体问题的基本思路和方法(1)将题目所给的文字信息或图象向描述气体状态的三个状态参量p、V、T转化．(2)选取一定质量的封闭气体为研究对象，写出研究过程(气体状态发生变化的过程)初、末状态的三个状态参量，在此期间寻找解题的难点和突破口．(3)根据气体状态变化的特点，选取合适的气体实验定律或状态方程解题．(4)对所求结果进行讨论，看是否与实际情况相符．【知识点四】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p－VpV＝CT，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远p－eq\f(1,V)p＝CTeq\f(1,V)，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高p－Tp＝eq\f(C,V)T，斜率k＝eq\f(C,V)，即斜率越大，体积越小V－TV＝eq\f(C,p)T，斜率k＝eq\f(C,p)，即斜率越大，压强越小2.分析技巧利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析不同温度的两条等温线、不同体积的两条等容线、不同压强的两条等压线的关系。例如：(1)在图甲中，V1对应虚线为等容线，A、B分别是虚线与T2、T1两线的交点，可以认为从B状态通过等容升压到A状态，温度必然升高，所以T2＞T1。(2)如图乙所示，A、B两点的温度相等，从B状态到A状态压强增大，体积一定减小，所以V2＜V1。【例4】（多选）（2022·云南省玉溪第三中学高三开学考试）如图，一定质量的理想气体从状态SKIPIF1<0经热力学过程SKIPIF1<0后又回到状态a，且外界环境为非真空状态。则下列说法正确的是（）A．b、c两个状态，气体的温度相同B．SKIPIF1<0过程中，每个气体分子热运动的速率都增大了一倍C．SKIPIF1<0过程中，气体的温度先降低再升高D．SKIPIF1<0过程中，外界对气体做功SKIPIF1<0E．SKIPIF1<0循环过程中，气体吸收的热量比放出的热量多SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练4】（2022·黑龙江·大庆实验中学高三期中）一定质量的理想气体，从初状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示。图中TA、VA和TD为已知量，则下列说法正确的是（）A．从A到B的过程中，气体向外放热B．从B到C的过程中，气体吸热C．从D到A的过程中，单位时间撞击到单位面积器壁上的分子数增多D．气体在状态D时的体积