人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：3 第2课时 理想气体、气体实验定律的微观解释

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第2课时理想气体、气体实验定律的微观解释〖学习目标〗1.了解理想气体的模型，并知道实际气体看成理想气体的条件.2.掌握理想气体状态方程的内容和表达式，并能应用方程解决实际问题.3.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律．一、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时，可以当成理想气体来处理．二、理想气体的状态方程1．内容：一定质量的某种理想气体，在从一个状态(p1、V1、T1)变化到另一个状态(p2、V2、T2)时，压强p跟体积V的乘积与热力学温度T的比值保持不变．2．表达式：eq\f(pV,T)＝C.3．成立条件：一定质量的理想气体．三、气体实验定律的微观解释1．玻意耳定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的．体积减小时，分子的数密度增大(填“增大”或“减小”)，单位时间内、单位面积上碰撞器壁的分子数就多，气体的压强就增大(填“增大”或“减小”)．2．盖－吕萨克定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，只有气体的体积同时增大，使分子的数密度减小，才能保持压强不变(填“增大”“减小”或“不变”)．3．查理定律的微观解释一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的数密度保持不变，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，气体的压强增大(填“增大”或“减小”)．1．判断下列说法的正误．(1)理想气体在超低温和超高压时，气体的实验定律不适用了．(×)(2)对于不同的理想气体，其状态方程eq\f(pV,T)＝C中的常量C相同．(×)(3)一定质量的理想气体，温度和体积均增大到原来的2倍时，压强增大到原来的4倍．(×)(4)一定质量的某种理想气体，若p不变，V增大，则T增大，是由于分子数密度减小，要使压强不变，需使分子的平均动能增大．(√)2．一定质量的某种理想气体的压强为p，温度为27℃时，气体的密度为ρ，当气体的压强增为2p，温度升为327℃时，气体的密度是________．〖答案〗ρ一、理想气体导学探究气体实验定律对任何气体都适用吗？为什么要引入理想气体的概念？〖答案〗由于气体实验定律只在压强不太大、温度不太低的条件下理论结果与实验结果一致，为了使气体在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律，引入了理想气体的概念．知识深化1．理想气体严格遵守气体实验定律及理想气体状态方程．2．理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可忽略不计，分子不占空间，可视为质点．它是对实际气体的一种科学抽象，是一种理想模型，实际并不存在．3．理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力．4．理想气体分子无分子势能的变化，内能等于所有分子热运动的动能之和，只和温度有关．(多选)下列对理想气体的理解，正确的有()A．理想气体实际上并不存在，只是一种理想模型B．只要气体压强不是很高就可视为理想气体C．一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关D．在任何温度、任何压强下，理想气体都遵从气体实验定律〖答案〗AD〖解析〗理想气体是一种理想模型，温度不太低、压强不太大的实际气体可视为理想气体；理想气体在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律，选项A、D正确，选项B错误．一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关，与体积无关，选项C错误．二、理想气体的状态方程导学探究如图1所示，一定质量的某种理想气体从状态A到B经历了一个等温过程，又从状态B到C经历了一个等容过程，请推导状态A的三个参量pA、VA、TA和状态C的三个参量pC、VC、TC之间的关系．图1〖答案〗从A→B为等温变化过程，根据玻意耳定律可得pAVA＝pBVB①从B→C为等容变化过程，根据查理定律可得eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)②由题意可知：TA＝TB③VB＝VC④联立①②③④式可得eq\f(pAVA,TA)＝eq\f(pCVC,TC).知识深化1．对理想气体状态方程的理解(1)成立条件：一定质量的理想气体．(2)该方程表示的是气体三个状态参量的关系，与中间的变化过程无关．(3)公式中常量C仅由气体的种类和质量决定，与状态参量(p、V、T)无关．(4)方程中各量的单位：温度T必须是热力学温度，公式两边中压强p和体积V单位必须统一，但不一定是国际单位制中的单位．2．理想气体状态方程与气体实验定律eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(T1＝T2时，p1V1＝p2V2玻意耳定律,V1＝V2时，\f(p1,T1)＝\f(p2,T2)查理定律,p1＝p2时，\f(V1,T1)＝\f(V2,T2)盖－吕萨克定律))关于气体的状态变化，下列说法正确的是()A．一定质量的理想气体，当压强不变而温度由100℃上升到200℃时，其体积增大为原来的2倍B．任何气体由状态1变化到状态2时，一定满足方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)C．一定质量的理想气体体积增大到原来的4倍，则气体可能压强减半，热力学温度加倍D．一定质量的理想气体压强增大到原来的4倍，则气体可能体积加倍，热力学温度减半〖答案〗C〖解析〗一定质量的理想气体压强不变，体积与热力学温度成正比，温度由100℃上升到200℃时，体积增大为原来的1.27倍，故A错误；理想气体状态方程成立的条件为气体可看作理想气体且质量不变，故B错误；由理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C可知，C正确，D错误．如图2所示为上端开口的“凸”形玻璃管，管内有一部分水银柱密封一定量的理想气体，细管足够长，粗、细管的横截面积分别为S1＝4cm2、S2＝2cm2，密封的气体柱长度为L＝20cm，水银柱长度h1＝h2＝5cm，封闭气体初始温度为67℃，大气压强p0＝75cmHg.图2(1)求封闭气体初始状态的压强．(2)若缓慢升高气体温度，升高至多少K方可将所有水银全部压入细管内？〖答案〗(1)85cmHg(2)450K〖解析〗(1)封闭气体初始状态的压强p＝p0＋ρg(h1＋h2)＝85cmHg(2)封闭气体初始状态的体积为V＝LS1＝80cm3温度T＝(67＋273)K＝340K水银刚全部压入细管时水银柱高度为15cm，此时封闭气体压强p1＝p0＋15cmHg＝90cmHg体积为V1＝(L＋h1)S1＝100cm3由理想气体状态方程得eq\f(pV,T)＝eq\f(p1V1,T1)解得T1＝450K.应用理想气体状态方程解题的一般步骤1．明确研究对象，即一定质量的理想气体；2．确定气体在初、末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；3．由理想气体状态方程列式求解；4．必要时讨论结果的合理性．三、气体实验定律的微观解释导学探究(1)气体实验定律中温度、体积、压强在微观上分别与什么相关？(2)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”．怎样从微观角度来解释这种现象？(假设轮胎的容积和气体的温度不发生变化)〖答案〗(1)在微观上，气体的温度决定气体分子的平均动能，体积决定分子的数密度，而分子的平均动能和分子数密度决定气体的压强．(2)轮胎的容积不发生变化，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的数密度不断增大，温度不变意味着气体分子的平均动能没有发生变化，单位时间内单位面积上碰撞次数增多，故气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬”．知识深化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，分子的数密度增大，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3.图32．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，则分子数密度不变，温度升高，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4.图43．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，即分子的数密度减小，所以气体的体积增大，如图5.图5如图6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()图6A．气体的平均动能不变B．气体的内能增加C．气体分子的数密度减小D．气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数不变〖答案〗B〖解析〗从p－V图像中的AB图线看，气体由状态A到状态B为等容升压变化，根据查理定律，一定质量的理想气体，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，分子平均动能增加，故A错误；理想气体的内能只与温度有关，气体的温度升高，内能增加，故B正确；气体体积不变，气体分子的数密度不变，温度升高，气体分子平均速率增大，则气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数增加，故C、D错误．对气体实验定律的解释，注意从两个途径进行分析：一是从微观角度分析，二是从理想气体状态方程分析.1．(理想气体)(多选)关于理想气体的认识，下列说法正确的是()A．它是一种能够在任何条件下都能严格遵守气体实验定律的气体B．它是一种从实际气体中忽略次要因素，简化抽象出来的理想模型C．在温度不太高、压强不太小的情况下，气体可视为理想气体D．被压缩的气体，不能视为理想气体〖答案〗AB2．(气体实验定律的微观解释)(多选)关于一定质量的理想气体，下列说法正确的是()A．体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大B．温度不变，压强减小时，气体分子的数密度一定减小C．压强不变，温度降低时，气体分子的数密度一定减小D．温度升高，压强和体积可能都不变〖答案〗AB〖解析〗体积不变，分子的数密度就保持不变，压强增大，说明分子的平均撞击力变大了，即分子的平均动能增大了，A正确．温度不变，分子平均动能不变，压强减小，说明单位时间内撞击器壁的分子数在减小，表明气体分子的数密度减小了，B正确．温度降低，分子平均动能减小，分子撞击器壁的作用力减小，要保持压强不变，则要增大单位时间内撞击器壁的分子数，即气体分子的数密度要增大，C错误．温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变，D错误．3．(理想气体状态方程的应用)一定质量的理想气体由状态A经状态B、C变为状态D，其有关数据如图7甲所示，若状态D的压强是2×104Pa.图7(1)求状态A的压强；(2)请在乙图中画出该状态变化过程的p－T