2024-2025学年高中物理第八章气体4气体热现象的微观意义学案新人教版选修3-31

PAGE11-第四节气体热现象的微观意义【素养目标定位】※知道气体分子运动的特点※※驾驭气体压强的微观意义※了解气体试验定律的微观说明【素养思维脉络】课前预习反馈学问点1随机性与统计规律1．必定事务在肯定条件下__必定__出现的事务。2．不行能事务在肯定条件下__不行能__出现的事务。3．随机事务在肯定条件下，__可能__出现，也__可能__不出现的事务。4．统计规律大量的__随机事务__整体表现出的规律。学问点2气体分子运动的特点1．气体分子运动的三个特性：自由性气体分子间距离比较大，分子间的作用力很弱，除相互碰撞或跟器壁碰撞外，可以认为分子不受力而做__匀速直线__运动，因而气体能充溢它能达到的整个空间无序性分子之间频繁地发生碰撞，使每个分子的速度大小和方向频繁地变更，分子的运动__杂乱无章__，在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向着各个方向运动的气体分子数目都__相等__规律性气体分子的速率分布呈现出“__中间多、两头少__”的分布规律。当气体温度上升时，分子的平均速率__增大__2.气体分子的热运动与温度的关系(1)温度__越高__，分子的热运动越猛烈。(2)志向气体的热力学温度T与分子的平均动能eq\x\to(E)K成正比，即：T＝aeq\x\to(E)K(式中a是比例常数)，因此可以说，__温度__是分子平均动能的标记。学问点3气体压强的微观意义1．气体压强的产生缘由气体的压强是大量气体分子频繁地__碰撞器壁__而产生的。2．影响气体压强的两个因素(1)气体分子的__平均动能__(2)分子的__密集程度__学问点4对气体试验定律的微观说明1．玻意耳定律的微观说明肯定质量的气体，温度保持不变时，分子的__平均动能__是肯定的。在这种状况下，体积减小时，分子的__密集程度__增大，气体的压强就增大。2．查理定律的微观说明肯定质量的气体，体积保持不变时，分子的__密集程度__保持不变。在这种状况下，温度上升时，分子的__平均动能__增大，气体的压强就增大。3．盖·吕萨克定律的微观说明肯定质量的气体，温度上升时，分子的__平均动能__增大。在这种状况下只有气体的__体积__同时增大，使分子的__密集程度__减小，才能保持压强不变。辨析思索『判一判』(1)大量随机事务的整体会表现出肯定的规律性。(√)(2)密闭气体的压强是由气体受到重力而产生的。(×)(3)气体的温度越高，压强就肯定越大。(×)(4)大气压强是由于空气受重力产生的。(√)(5)气体分子的速率各不相同，但遵守速率分布规律，即出现“中间多、两头少”的分布规律。(√)(6)气体的压强是大量气体分子频繁持续地碰撞器壁而产生的。(√)『选一选』如图，横坐标v表示分子速率，纵坐标f(v)表示各等间隔速率区间的分子数占总分子数的百分比。图中曲线能正确表示某一温度下气体分子麦克斯韦速率分布规律的是(D)A．曲线① B．曲线②C．曲线③ D．曲线④解析：分子速率分布曲线是正态分布，肯定温度下气体分子速率很大和很小的占总分子数的比率都很少，呈现“中间多，两头少”的规律，只有曲线④符合实际状况。本题易错选B，留意到曲线上速率为零的分子占有总分子数的比率是某一值，这是不行能的，因为分子在做永不停息的无规则热运动。『想一想』自行车的轮胎没气后会变瘪，用打气筒向里打气，打进去的气越多，轮胎会越“硬”。你怎样用分子动理论的观点来说明这种现象？(假设轮胎的容积和气体的温度不发生变更)答案：轮胎的容积不发生变更，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的密集程度不断增大，温度不变意味着气体分子的平均动能没有发生变更，故气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬”。课内互动探究探究统计规律与气体分子运动特点┃┃思索探讨1__■如图所示为肯定质量的氧气分子在0℃和100℃两种不同状况下的速率分布状况。(1)温度上升，全部分子的运动速率均变大吗？(2)结合图象，你能总结出气体分子运动速率的特点吗？提示：(1)不是(2)个别分子的运动状况无法确定，但大量气体分子的速率分布呈现“中间多、两头少”的规律。┃┃归纳总结__■1．对统计规律的理解(1)个别事务的出现具有偶然因素，但大量事务出现的机会，却遵从肯定的统计规律。(2)从微观角度看，由于气体是由数量极多的分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独来看，各个分子的运动都是不规则的，带有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动却有肯定的规律。2．如何正确理解气体分子运动的特点(1)气体分子距离大(约为分子直径的10倍)，分子力特别小(可忽视)，可以自由运动，所以气体没有肯定的体积和形态。(2)分子间的碰撞特别频繁，常见的碰撞使每个分子速度的大小和方向频繁地发生变更，造成气体分子做杂乱无章的热运动，因此气体分子沿各个方向运动的机会(几率)相等。(3)大量气体分子的速率分布呈现中间多(占有分子数目多)两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。(4)当温度上升时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动，即速度大的分子数目增多，速率小的分子数目减小，分子的平均速率增大，分子的热运动猛烈，定量的分析表明志向气体的热力学温度T与分子的平均动能EK成正比，即T＝aeq\x\to(EK)，因此说，温度是分子平均动能的标记。特殊提示单个或少量分子的运动是“特性行为”，具有不确定性。大量分子运动是“集体行为”，具有规律性即遵守统计规律。┃┃典例剖析__■典例1(2024·黑龙江哈尔滨六中高二下学期期中)如图1所示，在斯特林循环的p－V图象中，肯定质量志向气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，整个过程由两个等温柔两个等容过程组成，B→C的过程中，单位体积中的气体分子数目__不变__(选填“增大”“减小”或“不变”)，状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图象如图2所示，则状态A对应的是__①__(选填“①”或“②”)。解题指导：依据气体分子运动的特点求解。解析：从B→C的过程中，气体的体积不变，因此单位体积中气体分子数目不变，从状态D到状态A，气体的体积不变，压强减小，温度降低，分子平均动能减小，因此A状态对应的是①。┃┃对点训练__■1．(多选)下列关于气体分子运动的说法正确的是(ABC)A．分子除相互碰撞或跟容器碰撞外，可在空间自由移动B．分子的频繁碰撞致使它做杂乱无章的热运动C．分子沿各个方向运动的机会相等D．分子的速率分布毫无规律解析：分子的频繁碰撞使其做杂乱无章的无规则运动，除碰撞外，分子可做匀速直线运动，A、B对。大量分子的运动遵守统计规律，如分子向各方向运动机会均等，分子速率分布呈“中间多，两头少”的规律，C对，D错。探究气体压强的微观意义┃┃思索探讨2__■试用气体分子热运动的观点说明：在燥热的夏天，打足了气的汽车轮胎在日光的曝晒下简单胀破。提示：在日光曝晒下，胎内气体温度显著上升，气体分子热运动加剧，分子的平均动能增大，使气体压强进一步加大，这样气体的压强一旦超过轮胎的承受实力，轮胎便胀破。┃┃归纳总结__■1．产生缘由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、匀称的压力。气体的压强等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。2．确定气体压强大小的因素(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)大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就多，气体压强就越大；②气体分子的平均动能：气体的温度高，气体分子的平均动能就大，每个气体分子与器壁的碰撞(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就大；从另一方面讲，分子的平均速率大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就多，累计冲力就大，气体压强就越大。(2)宏观因素①与温度有关：温度越高，气体的压强越大；②与体积有关：体积越小，气体的压强越大。(3)气体压强与大气压强不同大气压强由重力而产生，随高度增大而减小。气体压强是由大量分子撞击器壁产生的，大小不随高度而变更。┃┃典例剖析__■典例2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)中充溢空气，则下列说法中正确的是(容器容积恒定)(C)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都是由所装物质的重力而产生的C．(甲)容器中pA>pB，(乙)容器中pC＝pDD．当温度上升时，pA、pB变大，pC、pD也要变大解题指导：解决此类问题的关键是：(1)了解气体压强产生的缘由——大量做无规则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在单位时间内作用在器壁单位面积上的平均作用力。(2)明确气体压强的确定因素——气体分子的密集程度与平均动能。解析：逐项分析如下：选项诊断结论A对(甲)容器压强产生的缘由是由于液体受到重力作用，而(乙)容器压强产生的缘由是分子撞击器壁产生的×B×C液体的压强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√D温度上升时，pA、pB不变，而pC、pD增大×┃┃对点训练__■2.(2024·福建省三明市A片区中学联盟高三上学期期末)用豆粒模拟气体分子，可以模拟气体压强产生的原理。如图所示，从距秤盘80cm高度把1000粒的豆粒连续匀称地倒在秤盘上，持续作用时间为1s，豆粒弹起时竖直方向的速度变为碰前的一半。若每个豆粒只与秤盘碰撞一次，且碰撞时间极短(在豆粒与秤盘碰撞极短时间内，碰撞力远大于豆粒受到的重力)，已知1000粒的豆粒的总质量为100g。则在碰撞过程中秤盘受到的压力大小约为(B)A．0.2N B．0.6NC．1.0N D．1.6N解析：由题意知v1＝eq\r(2gh)＝4m/s，v2＝－2m/s依据动量定理F·Δt＝Δp＝mΔv得F＝eq\f(Δp,Δt)＝0.6N，故选B。探究气体试验定律的微观说明┃┃思索探讨3__■肯定质量的志向气体有压强p、体积V和温度T三个状态参量，如图所示。从微观的角度分析肯定质量的志向气体的压强、体积和温度，有没有可能只有一个状态参量发生变更？提示：没有┃┃归纳总结__■1．玻意耳定律(1)宏观表现：肯定质量的气体，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)微观说明：温度不变，分子的平均动能不变。体积减小，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：肯定质量的气体，在体积保持不变时，温度上升，压强增大，温度降低，压强减小。(2)微观说明：体积不变，则分子密度不变，温度上升，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，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：肯定质量的某种志向气体，在压强不变时，温度上升，体积增大，温度降低，体积减小。(2)微观说明：温度上升，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分子密度减小，所以气体的体积增大，如图所示。┃┃典例剖析__■典例3(多选)对于肯定质量的气体，当它们的压强和体积发生变更时，以下说法正确的是(AD)A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不行能不变B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小C．压强增大，体积减小时，其分子平均动能肯定不变D．压强减小，体积增大时，其分子平均动能可能增大解题指导：对于这类定性推断的问题，可从两个途径进行分析：一是从微观角度分析；二是用志向气体状态方程分析。解析：质量肯定的气体，分子总数不变，体积增大，单位体积内的分子数削减；体积减小，单位体积的分子数增加。依据气体的压强与单位体积内的分子数和分子的平均动能这两个因素的关系，可判知A、D选项正确，B、C选项错误。┃┃对点训练__■3.(多选)(2024·山东省淄川中学高二下学期段考)如图所示是肯定质量的志向气体的p－V图线，若其状态为A→B→C→A，且A→B等容，B→C等压，C→A等温，则气体在A、B、C三个状态时(CD)A．单位体积内气体的分子数nA＝nB＝nCB．气体分子的平均速率vA＞vB＞vCC．气体分子在单位时间内对器壁单位面积的平均作用力FA＞FB，FB＝FCD．气体分子在单位时间内，对器壁单位面积碰撞的次数是NA＞NB，NA＞NC解析：由题图可知B→C，气体的体积增大，密度减小，A错；C→A为等温变更，分子平均速率vA＝vC，B错；而气体分子对器壁产生作用力，B→C为等压过程，pB＝pC，FB＝FC，由题图知，pA＞pB，则FA＞FB，C正确；A→B为等容降压过程，密度不变，温度降低，NA＞NB，C→A为等温压缩过程，温度不变，密度增大，应有NA＞NC，D正确。核心素养提升密闭容器中气体压强与大气压强的差别1．因密闭容器中的气体密度一般很小，由气体自身重力产生的压强微小，可忽视不计，故气体压强由气体分子碰撞器壁产生，大小由气体的密度和温度确定，与地球的引力无关，气体对上下左右器壁的压强都是大小相等的。2．大气压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。假如没有地球引力作用，地球表面就没有大气，从而也不会有大气压。地面大气压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。案例下面关于气体压强的说法正确的是(D)A．气体压强是由于气体受到重力而产生的B．失重状况下气体对器壁不会产生压强C．气体对容器底的压强比侧壁压强大 D．气体的压强是由于气体分子不断地碰撞器壁而产生的解析：气体的压强是由于气体分子不断对容器壁碰撞而产生的，而不是由于气体本身的重力而产生的，所以A错误，D正确；在失重状况下气体分子的热运动不会受到影响，对器壁的压强不会变更，B错误；气体的密度很小，重力的影响可以忽视不计，所以气体对器壁的压强各处都是相等的，C错误。课堂巩固达标1．(2024·陕西省运城市风陵渡中学高二段考)下面的表格是某地区1～7月份气温与气压的比照表：月份/月1234567平均最高气温/℃1.43.910.719.626.730.230.8平均大气压/105Pa1.0211.0191.0141.0081.0030.99840.99607月份与1月份相比较，正确的是(D)A．空气分子无规则热运动的状况几乎不变B．空气分子无规则热运动减弱了C．单位时间内空气分子对地面的撞击次数增多了D．单位时间内空气分子对单位面积地面撞击次数削减了解析：由表中数据知，7月份与1月份相比，温度上升，压强减小，温度上升使气体分子