高中物理气体新人教版选修1-2

用心 爱心 专心 气体气体 教学目标 1 知道分子动理论的内容 2 能够用分子动理论的相关知识分析有关热现象 3 气体实验定律 能够运用气体状态方程分析解决有关问题 本讲重点 分子动理论的内容 气体实验定律 本讲难点 1 用分子动理论的相关知识分析有关热现象 2 运用气体状态方程分析解决有关问题 考点点拨 1 分子动理论 2 物体的内能 3 气体实验定律和理想气体状态方程 4 气体热现象的的微观意义 第一课时 一 考点扫描 一 知识整合 1 分子动理论 分子动理论是从物质微观结构的观点来研究热现象的理论 它的基本内容是 1 物体是由大量分子组成的 这里的分子是指构成物质的单元 可以是 也可以是分子 在热运 动中它们遵从相同的规律 所以统称为分子 这里建立了一个理想化模型 把分子看作是 所以求出的数据只在数量 级上是有意义的 一般认为分子直径大小的数量级为 m 固体 液体被理想化地认为各分子是 排列的 每个分子的体积 就是每个分子平均占有的空间 分子体积 物体体积 分子个数 气体分子仍视为小球 但分子间距离较大 不能看作一个挨一个紧密排列 所 以气体分子的体积远小于每个分子平均占有的空间 每个气体分子平均占有的空 间看作 边长的正立方体 是联系微观世界和宏观世界的桥梁 它把物质的摩尔质 量 摩尔体积这些宏观物理量和分子质量 分子体积这些微观物理量联系起来了 NA 6 02 1023mol 1 2 分子的热运动 物体里的分子永不停息地做无规则运动 这种运动跟温度有关 所以通常把分子 的这种运动叫做热运动 和 都可以很好地证明分子的热运动 用心 爱心 专心 布朗运动 是指 的无规则运动 布朗运动成因 影响布朗运动剧烈程度因素 3 分子间的相互作用力 分子力有如下几个特点 分子间同时存在引 力和斥力 分子力是引力和斥力的 引力和斥力都随着距离的增大而 斥力比引力变化得 分子间作用力 指引力和斥力的合力 随分子 间距离而变的规律是 rr0 时表现为 r 10r0 以后 分子力变得十分微弱 可以忽 略不计 2 单分子油膜法测定分子的直径 把在水面上尽可能散开的油膜视为 把形成单分子油膜的分子视为 排列的 形分子 把分子看作小球 这 就是分子的理想化模型 利用单分子油膜法可测定分子的直径 d V S 其中 V 是 S 是水面 上形成的单分子油膜的 3 内能 1 做热运动的分子具有的动能叫分子动能 温度是物体分子热运动的平均动能 的标志 温度越高 分子做热运动的平均动能越大 2 由分子间相对位置决定的势能叫分子势能 分子力做正功时分子势能 分子力作负功时分子势能 分子势能与物体的 有关 3 和 的总和叫做物体的内能 物体的内能跟物体的 和 都有关系 温度升高时物体内能 体积 变化时 物体内能变化 4 气体热现象的微观解释及气体实验定律 1 用分子动理论解释气体压强的产生 气体压强的微观意义 气体的压强是 产生的 压强的大小跟两个因素有关 2 气体的体积 压强 温度间的关系 一定质量的气体 在温度不变的情况下 体积减小时 增大 压强 写出玻意耳定律的公式 一定质量的气体 在压强不变的情况下 温度升高 增大 体积 o F斥 F分 F引 用心 爱心 专心 写出盖 吕萨克定律的公式 一定质量的气体 在体积不变的情况下 温度升高 增大 压强 写出查理定律的公式 3 理想气体状态方程为 二 重难点阐释 布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的无规则运动 关于布朗运动 要注意以 下几点 形成条件是 只要微粒足够小 微粒越小 温度越高 布朗运动越 激烈 观察到的是固体微粒 不是液体 不是固体分子 的无规则运动 反映 的是液体分子运动的无规则性 实验中描绘出的是某固体微粒每隔 30 秒的位置 的连线 不是该微粒的运动轨迹 二 高考要点精析 一 分子动理论 考点点拨 分子动理论是从物质微观结构的观点来研究热现象的理论 它的基本内容是 物 体是由大量分子组成的 分子永不停息地做无规则运动 分子间存在相互作用力 进行有关估算时要注意 1 固体 液体被理想化地认为各分子是一个挨一个紧密排列的 每个分子的体 积就是每个分子平均占有的空间 分子体积 物体体积 分子个数 2 气体分子仍视为小球 但分子间距离较大 不能看作一个挨一个紧密排列 所以气体分子的体积远小于每个分子平均占有的空间 每个气体分子平均占有的 空间看作以相邻分子间距离为边长的正立方体 3 阿伏加德罗常数 NA 6 02 1023mol 1 是联系微观世界和宏观世界的桥梁 它把物质的摩尔质量 摩尔体积这些宏观物理量和分子质量 分子体积这些微观 物理量联系起来了 例 1 根据水的密度为 1 0 103kg m3 和水的摩尔质量 M 1 8 10 2kg 利用阿伏加德罗常数 估算水分子的质量和水分子的直径 解析 每个水分子的质量 m M NA 1 8 10 2 6 02 1023 3 0 10 26kg 水的 摩尔体积 V M 把水分子看作一个挨一个紧密排列的小球 则每个分子的体积 为 v V NA 而根据球体积的计算公式 用 d 表示水分子直径 v 4 r3 3 d3 6 得 d 4 10 10 m 例 2 下面关于分子力的说法中正确的有 A 铁丝很难被拉长 这一事实说明铁丝分子间存在引力 B 水很难被压缩 这一事实说明水分子间存在斥力 C 将打气管的出口端封住 向下压活塞 当空气被压缩到一定程度后很难再压缩 这一事实说明这时空气分子间表现为斥力 用心 爱心 专心 D 磁铁可以吸引铁屑 这一事实说明分子间存在引 力 解析 A B 正确 无论怎样压缩 气体分子间距离一 定大于 r0 所以气体分子间一定表现为引力 空气压 缩到一定程度很难再压缩不是因为分子斥力的作用 而是气体分子频繁撞击活塞产生压强的结果 应该用 压强增大解释 所以 C 不正确 磁铁吸引铁屑是磁场 力的作用 不是分子力的作用 所以 D 也不正确 例 3 观察布朗运动时 下列说法中正确的是 A 温度越高 布朗运动越明显 B 大气压强的变化 对布朗运动没有影响 C 悬浮颗粒越大 布朗运动越明显 D 悬浮颗粒的布朗运动 就是构成悬浮颗粒的物质的分子热运动 解析 A 选项正确 布朗运动是悬浮的固体小颗粒的运动 间接的反映了液体分 子的运动 其剧烈程度与温度 颗粒大小有关 温度越高 布朗运动越明显 颗 粒越小 布朗运动越明显 点评 学生容易出现的错误 认为大气压强的变化对布朗运动会产生影响 把布 朗运动和分子热运动混为一谈 考点精炼 1 利用阿伏加德罗常数 估算在标准状态下相邻气体分子间的平均距离 D 2 从下列哪一组数据可以算出阿伏伽德罗常数 A 水的密度和水的摩尔质量 B 水的摩尔质量和水分子的体积 C 水分子的体积和水分子的质量 D 水分子的质量和水的摩尔质量 3 如图所示 设有一分子位于图中的坐标原点 O 处不动 另一分子可位于 x 轴上不同位置处 图中纵坐标表示这两 个分子间分子力的大小 两条曲线分别表示斥力和引力的 大小随两分子间距离变化的关系 e 为两曲线的交点 则 A ab 表示吸力 cd 表示斥力 e 点的横坐标可能为 10 15m B ab 表示斥力 cd 表示吸力 e 点的横坐标可能为 10 10m C ab 表示吸力 cd 表示斥力 e 点的横坐标可能为 10 10m D ab 表示斥力 cd 表示吸力 e 点的横坐标可能为 10 15m 二 物体的内能 r E r0 o 用心 爱心 专心 考点点拨 物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能 物体的内能 跟物体的温度和体积都有关系 温度升高时物体内能增加 体积变化时 物体内 能变化 分析分子势能的变化是可以通过分析分子力做功的情况来确定 例 4 下列说法中正确的是 A 物体自由下落时速度增大 所以物体内能也增大 B 物体的机械能为零时内能也为零 C 物体的体积减小温度不变时 物体内能一定减小 D 气体体积增大时气体分子势能一定增大 解析 物体的机械能和内能是两个完全不同的概念 物体的动能由物体的宏观速 率决定 而物体内分子的动能由分子热运动的速率决定 分子动能不可能为零 温度不可能达到绝对零度 而物体的动能可能为零 所以 A B 不正确 物体 体积减小时 分子间距离减小 但分子势能不一定减小 例如将处于原长的弹簧 压缩 分子势能将增大 所以 C 也不正确 由于气体分子间距离一定大于 r0 体 积增大时分子间距离增大 分子力做负功 分子势能增大 所以 D 正确 考点精炼 4 关于分子势能的下面说法中 正确的是 A 当分子距离为 r0 平衡距离 时分子势能最大 B 当分子距离为 r0 平衡距离 时分子势能最小 但不一定为零 C 当分子距离为 r0 平衡距离 时 由于分子力为零 所以分子势能为零 D 分子相距无穷远时分子势能为零 在相互靠近到不能再靠近的过程中 分子势 能逐渐增大 第二课时 三 气体实验定律和理想气体状态方程 考点点拨 1 玻意耳定律描述了气体的等温变化规律 一定质量的某种气体 在温度不变 的情况下 压强 p 与体积 V 成反比 公式 pV 常量 或 2211 VpVp 一定质量的某种气体 等温变化的 p V 图象是双曲线 称为等温线 一定质量的 气体 不同温度下的等温线不同 2 查理定律描述了气体的等容变化规律 一定质量的某种气体 在体积不变的 情况下 压强 p 与热力学温度 T 成正比 用心 爱心 专心 公式 C T p C 是比例常数 或 2 2 1 1 T p T p 一定质量的某种气体 等容变化的 p T 图象是过原点的直线 称为等容线 一定 质量的气体 不同体积下的等容线不同 3 盖 吕萨克定律描述了气体的等压变化规律 一定质量的某种气体 在压强 不变的情况下 体积 V 与热力学温度 T 成正比 公式 C T V C 是比例常数 或 2 2 1 1 T V T V 一定质量的某种气体 等压变化的 V T 图象是过原点的直线 称为等压线 一定 质量的气体 不同压强下的等压线不同 4 理想气体的状态方程 一定质量的某种理想气体在从一个状态 1 变化到另一 个状态 2 时 尽管其 p T V 都可能改变 但是压强跟体积的乘积与热力学温度 的比值保持不变 公式 T pV 常数 或 2 22 1 11 T Vp T Vp 考点点拨 例 5 一定质量的理想气体 要使气体温度在经过不同的状态变化过程后返回 初始状态的温度 可能的过程是 A 先等压膨胀 后等容降压 B 先等压压缩 后等容降压 C 先等容升压 后等压膨胀 D 先等容降压 后等压压缩 解析 本题采用图解法直观 先作出气体的 p V 图线 如图 设气体的初状态为 Q 作出过 Q 的等温线 双曲线 然后画 A 选项的过程图线如 其中平行 V 轴为 等压膨胀过程 平行 p 轴线段为等容降压过程 可见过程图 能与等温线相交 即能返回到 Q 状态的温度 故 A 选项正确 同理可作出 B C D 三选项的图线分别如图 都不能与过 Q 点的等温 线相交 故 B C D 选项不正确 答案 A 例 6 如图所示 表示一定质量的理想气体沿箭头所示的方向发生状态变化的 过程 则该气体压强变化情况是 A 从状态 c 到状态 d 压强减小 B 从状态 d 到状态 a 压强增大 用心 爱心 专心 C 从状态 a 到状态 b 压强增大 D 从状态 b 到状态 c 压强不变 解析 在 V T 图象中等压线是过坐标原点的直线 故可在图中作过 a b c d 四点的等压线 图中虚线 由理想气体状态方程知 p C T V 可见 当压强增大时 等压线的斜率 k p C T V 变小 由图中比较可确定 bcda pppp 答案 AC 例 7 甲 乙两个相同的密闭容器中分别装有等质量的同种气体 已知甲 乙 容器中气体的压强分别为 p 甲 p 乙 且 p 甲 p 乙 则 2004 年 江苏 A 甲容器中气体的温度高于乙容器中气体的温度 B 甲容器中气体的温度低于乙容器中气体的温度 C 甲容器中气体分子的平均动能小于乙容器中气体分子的平均动能 D 甲容器中气体分子的平均动能大于乙容器中气体分子的平均动能 解析 据理想气体的状态方程可知 乙 乙乙 甲 甲甲 T Vp T Vp 因为 p 甲 p 乙 且 V 甲 V 乙 则可判断出 T 甲 T 乙 B 正确 气体的温度直接反映出气体分子的平均动能 大小 故 C 对 答案 BC 考点精炼 5 一定质量的理想气体处于某一平衡状态 此时其压强为 p0 有人设计了四种 途径 使气体经过每种途径后压强仍为 p0 这四种途径是 先保持体积不变 降 低压强 再保持温度不变 压缩体积 先保持体积不变 使气体升温 再保持 温度不变 让体积膨胀 先保持温度不变 使体积膨胀 再保持体积不变 使气 体升温 先保持温度不变 压缩气体 再保持体积不变 使气体降温 可以断 定 2004 年 全国 A 不可能 B 不可能 C 不可能 D 都可能 6 一定质量的理想气体 2003 年 江苏 A 先等压膨胀 再等容降温 其温度必低于起始温度 B 先等温膨胀 再等压压缩 其体积必小于起始体积 用心 爱心 专心 C 先等容升温 再等压压缩 其温度有可能等于起始温度 D 先等容加热 再绝热压缩 其内能必大于起始内能 四 气体热现象的的微观意义 考点点拨 1 气体分子运动的特点 大量分子做无规则运动 速率有大有小 但分子的速 率却按一定的规律分布 温度越高 分子的热运动越激烈 2 气体热现象的的微观意义 从微观的角度看 气体的压强是大量气体分子频 繁撞击器壁而产生的 气体分子的平均动能决定于温度 分子的密集程度决定于 体积 所以 气体压强与温度和体积有关 一定质量的气体 温度保持不变时 分子的平均动能是一定的 体积保持不变时 分子的密集程度保持不变 温度升 高时 分子的平均动能增大 例 8 一定质量的气体 在等温变化过程中 下列物理量中不发生改变的有 A 分子的平均速率 B 单位体积内的分子数 C 气体的压强 D 分子总数 解析 气体等温变化过程中 温度保持不变 温度是分子平均动能大小的标志 故分子的平均速率不变 A 正确 气体的压强和体积都可以变化 故单位体积内 的分子数会变化 B C 都错误 气体质量不变 则分子总数不变 D 正确 答案 AD 例 9 封闭在容积不变的容器中的气体 当温度升高时 则气体的 A 分子的平均速率增大 B 分子密度增大 C 分子的平均速率减小 D 分子密度不变 解析 容器的容积不变 则分子密度不变 B 错 D 对 当温度升高时 气体的分 子平均动能增大 分子的平均速率增大 A 对 C 错 答案 AD 考点精炼 7 一定质量气体作等容变化 温度降低时 气体的压强减小 这时 A 分子平均动能减小 B 分子与器壁碰撞时 对器壁的总冲量减小 C 分子平均密度变小了 D 单位时间内分子对器壁单位面积的碰撞次数减少 8 一定质量的理想气体 体积变大的同时 温度也升高了 那么下面判断正确的 是 A 气体分子平均