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选修.docx

4气体热现象的微观意义1气体分子运动的特点(1)由于物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，具有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动服从一定的统计规律。(2)气体分子之间的距离很大，大约是分子直径的10倍，因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动。能达到分子能达到的空间，所以气体没有确定的形状和体积，其体积等于容器的体积。(3)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，而且向各个方向运动的气体分子数目都相等。即气体分子沿各个方向运动的机会(机率)相等。(4)每个气体分子都在做永不停息的运动，常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒，在数量级上相当于子弹的速率。(5)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。(6)温度升高时，所有分子热运动的平均速率增大，即大部分分子的速率增大了，但也有少数分子的速率减小，这也是统计规律的体现。特别提醒：单个或少量分子的运动是“个别行为”，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。【例1】 关于气体分子的运动情况，下列说法中正确的是()A某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的B某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的C某一时刻向任意一个方向运动的分子数目相等D某一温度下大多数气体分子的速率不会发生变化解析：具有某一速率的分子数目并不是相等的，呈“中间多，两头少”的统计分布规律，选项A错误。由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己运动速度的大小和方向，因此在某一时刻一个分子速度的大小和方向完全是偶然的，选项B正确。虽然每个分子的速度瞬息万变，但是大量分子的整体存在着统计规律。由于分子数目巨大，某一时刻向任意一个方向运动的分子数目只有很小的差别，可以认为是相等的，选项C正确。某一温度下，每个分子的速率仍然是瞬息万变的，只是分子运动的平均速率相同，选项D是错误的，该题的正确选项为B、C。答案：BC2气体压强的产生及决定因素(1)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看来，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)决定气体压强大小的因素微观因素a气体分子的密度：气体分子密度(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；b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，在单位时间里，器壁受气体分子撞击的次数就多，累计冲力就大。宏观因素a温度：在体积不变的情况下，温度越高，气体的平均动能越大，气体的压强越大；b体积：在温度不变的情况下，体积越小，气体分子的密度越大，气体的压强越大。辨误区：气体压强与大气压的区别气体的压强是由于气体分子频繁地碰撞器壁而产生的，而大气压是由于大气层的重力而产生的，其随离地面高度的增加而减小。【例2】 对于一定质量的理想气体，下列四个叙述中正确的是()A当分子热运动变剧烈时，压强必变大B当分子热运动变剧烈时，压强可以不变C当分子间的平均距离变大时，压强必变小D当分子间的平均距离变大时，压强必变大解析：根据气体压强产生的原因可知：一定质量的理想气体的压强，由气体分子的平均动能和气体分子的密集程度共同决定。分子平均动能越大，单位时间内分子撞击器壁的次数越多，气体压强越大。A、C、D三个选项均只给定了其中一个因素，而另一个因素不确定，不能判断压强是变大还是变小，所以只有B正确。答案：B释疑点：影响理想气体压强的两个因素分子平均动能k和气体分子密度，不能根据一个方面得出压强变化的结论。3气体实验定律的微观解释(1)玻意耳定律宏观表现：一定质量的气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大，体积增大，压强减小。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。(2)查理定律宏观表现：一定质量的气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大，温度降低，压强减小。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。分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大。(3)盖吕萨克定律宏观表现：一定质量的气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小。微观解释：压强不变，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分子密度减小，所以气体的体积增大。注意：对气体实验定律的解释是紧紧围绕决定气体压强的两个因素：气体分子密度与分子平均动能进行讨论。【例3】 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解析：从pV图象中的AB图线可知，气体状态由A变到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。选项A中温度不变是不对的；应该是压强增大，温度升高，气体的温度升高，内能增加，选项B对；气体的温度升高，分子平均速率增加，故选项C错；气体压强增大，则气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数增加，故选项D是错误的。答案：B4采用统计的方法理解气体分子的运动(1)气体分子运动的统计规律统计规律：大量偶发事件整体表现出来的规律叫统计规律；气体分子沿各个方向运动的机会相等；大量气体分子的速率分布呈现中间多(具有中间速率的分子数多)、两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。(2)从统计规律看气体状态参量变化根据统计规律，从微观领域分析，气体的压强由气体的分子数密度和气体分子的平均动能决定。而温度是平均动能的标志。对一定质量的理想气体，若体积变化，温度不变，分子密度必然发生变化，必引起压强变化；若温度变化，体积不变，则分子平均动能发生变化，那么气体的压强必然发生变化。若气体的压强发生变化，必然是决定气体压强的因素发生变化，即气体分子密度或气体分子的平均动能发生变化。所以说气体状态发生变化时，不可能只一个参量发生变化，其他两个参量不变。5气体压强与大气压强、液体压强的区别(1)气体压强。因密闭容器中的气体密度一般很小，由于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，大小由气体的分子密度和温度决定，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。大气压却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。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。(3)液体压强。液体压强是由液体的重力而产生的，其公式为pgh。【例41】 关于理想气体的温度、分子平均速率、内能的关系，下列说法正确的是()A温度升高时，气体分子的平均速率增大B温度相同时，各种气体分子的平均速率都相同C温度相同时，各种气体分子的平均动能相同D温度相同时，各种气体的内能都相同解析：温度是物体所处热运动状态的一个重要参量。从分子动理论的角度看，温度是物体分子热运动的平均动能大小的标志。温度升高，气体分子的平均动能增大，气体分子的平均速率增大，因此，选项A正确。温度相同时，一定质量的各种理想气体平均动能相同，但由于是不同气体，分子质量不同，所以各种气体分子的平均速率不同，所以选项C正确，选项B错误。各种理想气体的温度相同，只说明它们的平均动能相同，气体的内能大小还和气体的质量有关，即便是相同质量的气体，由于是不同气体，所含分子数不同，其内能也不相同，所以选项D错误。答案：AC【例42】 用一导热的可自由滑动的轻质隔板把一圆柱形容器分隔成A、B两部分，如图所示，A和B中分别封闭有质量相等的氮气和氧气，均可视为理想气体，则可知两部分气体处于热平衡时()A内能相等B分子的平均动能相等C分子的平均速率相等D分子数相等解析：两种理想气体的温度相同，所以分子的平均动能相同，而气体种类不同，其分子质量不同，所以分子的平均速率不同，故B正确，C错误。两种气体的质量相同，而摩尔质量不同，所以分子数不同，故D错误。两种气体的分子平均动能相同，但分子个数不同，内能也不相同，故A错误。答案：B【例5】如图所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中装有与容器容积相等的水，乙中充满空气，试问：(1)两容器各侧壁压强的大小关系及压强的大小决定于哪些因素？(容器容积恒定)(2)若让两容器同时做自由落体运动，容器侧壁上所受压强将怎样变化？解析：(1)对甲容器，上壁的压强为零，底面的压强最大，其数值为pgh(h为上下底面间的距离)。侧壁的压强自上而下，由小变大，其数值大小与侧壁上各点距水面的竖直距离x的关系是pgx。对乙容器，各处器壁上的压强大小都相等，其大小决定于气体的分子密度和温度。(2)甲容器做自由落体运动时器壁各处的压强均为零。乙容器做自由落体运动时，器壁各处的压强不发生变化。点评：掌握好气体分子压强的微观解释。千万不要把液体和气体压强混淆，要从产生原因上加以区别。6分子动理论与气体实验定律的综合应用从微观角度解释气体实验定律，对于气体实验定律，学习时应采用宏观物理量与微观物理量相结合的方法从本质上解释宏观物理量(如压强)的变化情况。气体分子间的距离比分子的长度大得多，在进行估算时，可以认为气体分子均匀分布在空间中，每个分子占一个小立方体的空间，分子位于各小立方体的中心。这样，气体的摩尔体积可视为NA个分子所占的小立方体体积的总和，则每个分子所占的体积V占，气体分子间的距离可认为与立方体边长相等，d。气体分子运动特点内容在高考中很少单独考查，往往是和气体实验定律和热力学定律一起综合考查。本节内容与分子动理论和气体实验定律往往是不可分割的，应从微观角度想象出气体分子运动的情况。【例61】 对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，气体的密度一定减小C压强不变、温度降低时，气体的密度一定减小D温度升高、压强和体积都可能不变解析：根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变、压强增大时，气体分子的平均动能一定增大，选项A正确。温度不变、压强减小时，气体体积增大，气体的