高三物理固体、液体和气体气体三定律人教实验版知识精讲

用心 爱心 专心 高三物理固体 液体和气体高三物理固体 液体和气体 气体三定律人教实验版气体三定律人教实验版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 固体 液体和气体 气体三定律 重点 难点解析 一 固体和液体 1 固体 具有一定的形状和体积 不易压缩 1 固体可分为晶体和非晶体 晶体又分为单晶体和多晶体 2 单晶体 有规则的几何形状 各向异性 有确定熔点 多晶体 没有规则的几何形状 不显示各向异性 有确定的熔点 3 非晶体 没有规则的几何形状 各向同性 没有一定的熔点 晶体和非晶体可以 相互转化 4 固体的微观结构 组成晶体的物质粒子依照一定规律在空间整齐排列 粒子在其 平衡位置附近做微振动 5 晶体的特性可以用固体的微观结构来解释 6 固体新材料如半导体材料 磁存储材料 纳米材料等 2 液体 有一定的体积 无一定的形状 不易压缩 1 液体的微观结构 液体分子排列是部分有序 整体无序 2 液体的微观结构可解释液体表现出的各向异性 3 液体的表面张力是表面层内分子力作用的结果 是液体表面具有收缩趋势的原因 3 液晶 1 液晶是一种介于固态和液态之间的中间态物质 2 液晶是现代应用广泛的新型材料 二 气体的状态参量 1 温度 T 或 t 1 意义 宏观上表示物体的冷热程度 微观上表示物体中分子平均动能的大小 2 数值表示法 摄氏温标 t 单位 在 1 个标准大气压下 水的冰点为 0 沸点为 100 热力学温标 T 单位 K 把 273 作为 0K 就每一度表示的温标变化来说 两种温标是相同的 只是零值起点不同 所以二者 关系 K273tT T t 2 体积 V 指气体分子所能达到的空间 即气体所充满容器的容积 单位 3 m mLcm10Ldm10m1 36333 3 压强 1 定义 器壁单位面积上受到的压力就是气体的压强 2 微观意义 它是大量气体分子对容器器壁的撞击产生的 它决定于单位体积内的 分子数和分子的平均动能 3 单位 帕斯卡 Pa atm1cmHg76Pa10013 1 5 用心 爱心 专心 4 气体的状态 一定质量的气体 如果温度 体积和压强这三个量都不变 就说气体处于一定的状态 气体状态变化时 只有一个参量改变是不可能的 至少两个或者三个参量同时改变 三 气体实验定律 1 玻意耳定律 1 内容 一定质量的气体 在温度保持不变时 它的压强和体积成反比 或者说 压强和体积的乘积保持不变 此即玻意耳定律 2 数学表达式 CpV 常量 或 2211 VpVp 3 适用条件 气体质量不变 温度不变 气体温度不太低 压强不太大 4 等温线 或 p V 图象或 V 1 p 图象如图 2 查理定律 1 等容变化 气体在体积保持不变的情况下发生的状态变化 叫做等容变化 2 实验结论 实验表明 一定质量的气体 在体积保持不变的情况下 它的压强随 着温度的升高而增大 随着温度的降低而减小 3 查理定律 内容 一定质量的某种气体 在体积不变的情况下 它的压强跟热力学温度成正比 这个规律叫做查理定律 数学表达式 C T p 对于一定质量的某种气体 在两个确定的状态 I 1 p 0 V 1 T 和 II 2 p 0 V 2 T 有 2 2 1 1 T p T p 或 2 1 2 1 T T p p 成立条件 a 温度不太低 与室温相比 b 压强不太高 与大气压相比 c 气 体的质量保持不变 d 气体的体积保持不变 4 等容变化图象 由函数式CTp 可知 在Tp 坐标系中 等容线是一条通过坐标原点的倾斜的直 线 如图所示 用心 爱心 专心 必须明确 质量一定的气体 不同等容线的直线斜率不同 斜率越小 体积越大 如图所示 12 VV 3 盖 吕萨克定律 1 等压变化 气体在压强不变的情况下发生的状态变化叫等压变化 2 盖 吕萨克定律 内容 一定质量的气体在压强不变的情况下 它的体积跟热力学温度成正比 数学表达式 C T V 或 2 2 1 1 T V T V 3 等压变化图象 由C T V 得CTV 在TV 坐标系中 等压线是一条通过坐 标原点的倾斜的直线 对于一定质量的气体 不同等压线的斜率不同 斜率越小 压强越 大 如图所示 12 pp 四 饱和蒸汽和空气的湿度 1 饱和汽和未饱和汽 当蒸汽的密度达到一定值以后 液体和蒸汽之间达到了动态平衡 单位时间内 出入 液面的分子数相同 这种状态的气体叫做饱和蒸汽 尚未达到平衡状态的气体称为未饱和 蒸汽 在一定温度下 饱和蒸汽的密度是一定的 未饱和蒸汽的密度小于饱和蒸汽的密度 2 饱和汽压 饱和汽所具有的压强 叫做这种液体的饱和汽压 实验得出以下结论 1 在相同的温度下 不同液体的饱和汽压一般是不同的 挥发性大的液体 饱和汽 压大 2 饱和汽压随温度的升高而升高 3 饱和汽压与其体积大小无关 3 空气湿度 空气中所含水蒸气的压强表征空气的绝对湿度 某一温度下 空气中水蒸气的实际压 强与该温度下水的饱和汽压的百分比叫做这时空气的相对湿度 一般说来 相对湿度为 40 60 时 是我国大多数人民感觉理想舒适的气候环境 相对湿度的计算式 100 P P B s 其中 P 表示空气的绝对湿度 S P表示同一温度下水的饱和汽压 B 表示相对湿度 典型例题典型例题 一 几种常见情况的压强计算 1 在气体流通的区域 各处压强相等 如容器与外界相通 容器内外压强相等 用细管 相连的容器 平衡时两边气体压强相等 2 液体内深为 h 处的总压强为ghpp 0 式中 0 p为液面上方的大气压强 在水银内 用心 爱心 专心 用cmHg作单位时可表示为hHp 3 连通器内静止的液体 同种液体同一水平面上各处压强相等 4 参考液片法的一般思路 1 选取假想的一个液体薄片 其自重不计 为研究对象 2 分析液片两侧受力情况 建立力的方程 消去横截面积 得到液片两侧的压强平 衡方程 3 解方程 求得气体压强 5 平衡条件法 欲求用固体 如活塞等 封闭在静止容器内的气体压强 应对固体进行受力分析 然 后根据平衡条件求解 6 当封闭气体所在的系统处于力学非平衡的状态时 欲求封闭气体的压强 首先选择恰 当的对象 如与气体相关联的液柱 活塞等 并对其进行正确的受力分析 特别注意内 外气体的压力 然后根据牛顿第二定律列方程求解 例 1 一圆形气缸静置于地面上 如图 1 所示 气缸筒的质量为 M 活塞的质量为 m 活塞面积为 S 大气压强为 0 p 现将活塞缓慢上提 求气缸离地面时气缸内气体的压 强 忽略摩擦 解析 解析 此题中的活塞和气缸处于平衡状态 以活塞为对象 受力分析如图 2 由平 衡条件得 SpmgpSF 0 再以活塞和气缸整体为对象 则有 gmMF 由 式解得 S Mg pp 0 答案 答案 S Mg pp 0 方法点拨 求固体 活塞或气缸 封闭的气体的压强 由于该固体必定受到气体的压 力 所以可通过对该固体进行受力分析 由平衡条件建立方程 来找出气体的压强 这里 要特别注意大气压力 何时必须考虑 何时可不考虑 本题也可以取气缸为对象有 SpMgpS 0 得 S Mg pp 0 例 2 如图所示的试管内由水银封有一定质量的气体 静止时气柱长为 0 L 大气压强为 0 p 当试管绕竖直轴以角速度 在水平面内匀速转动时气柱长变为 L 其他尺寸如图所示 求转动时的气体压强 设温度不变 管截面积为 S 水银密度为 用心 爱心 专心 解析 解析 选取水银柱为研究对象 转动所需向心力由液柱两侧气体压力差提供 RmSpp 2 0 而SLm 1 2 L LR 1 2 所以 2 L LLpp 1 2 2 10 答案 答案 2 L LLpp 1 2 2 10 二 气体实验定律的应用 理想气体的状态方程为 T pV 恒量 由此可以看出 当其中一个参量发生变化时 另 两个参量至少有一个会发生变化 例 3 一活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内 初始时气体体积为 33m 100 3 用 DIS 实验系统测得此时气体的温度和压强分别为K300和Pa100 1 5 推动活塞压缩气体 测得气体的温度和压强分别为K320和Pa100 1 5 1 求此时气体的体积 2 保持温度不变 缓慢改变作用在活塞上的力 使气体压强变为Pa100 8 4 求 此时气体的体积 解析 解析 1 以气缸内封闭气体为研究对象 初始状态 33 1 m100 3V K300T1 Pa100 1p 5 1 末状态 K320T2 Pa100 1p 5 2 由理想气体状态方程 2 22 1 11 T Vp T Vp 得 33 12 211 2 m102 3 Tp VVp V 2 由查理定律 3322 VpVp 得 33 3 22 3 m100 4 p Vp V 答案 答案 1 33m 102 3 2 33m 100 4 例 4 内壁光滑的导热气缸竖直浸放在盛有冰水混合物的水槽中 用不计质量的活塞封闭 压强为Pa100 1 5 体积为 33m 100 2 的理想气体 现在活塞上方缓缓倒上沙子 使封 闭气体的体积变为原来的一半 然后将气缸移出水槽缓慢加热 使气体温度变为 127 用心 爱心 专心 1 求气缸内气体的最终体积 2 在图上画出整个过程中气缸内气体状态变化的Vp 图象 大气压强为 Pa100 1 5 解析 解析 在活塞上方倒沙的过程中温度保持不变 在缓慢加热到 127 的过程中压强保 持不变 1 在活塞上方倒沙的过程中温度保持不变 即 1100 VpVp 由 式解得Pa100 2Pa100 1 100 1 100 2 p V V p 55 3 3 0 1 0 1 在缓慢加热到 127 的过程中压强保持不变 则 2 2 0 1 T V T V 所以 3333 1 0 2 2 m1047 1 m100 1 273 127273 V T T V 2 如图所示 答案 答案 1 33m 1047 1 2 见解析图 三 实验定律图象的应用 对于气体实验定律的图象 一定分清是什么图象即图象的性质 等温线是双曲线 双曲线与两轴间的面积愈大 温度愈高 等容线是一条过原点的直线 直线的斜率表示等容的容积 斜率小的体积大 等压线是一条过原点的直线 其斜率表示压强 斜率越小 压强愈大 例 5 气缸中有一定质量的理想气体 开始时处于状态 A 在保持体积不变的条件下 逐 渐增加气体的压强 到达状态 B 再保持温度不变 体积逐渐膨胀到达状态 C 最后保持 压强不变 体积减小 回到状态 A 下面图中哪些能正确反映上述过程 用心 爱心 专心 A 只有 和 B 只有 和 C 只有 和 D 只有 和 答案 答案 B 例 6 一定质量的某种气体自状态 A 经状态 C 变化到状态 B 这一过程在TV 图上表 示如图所示 则 A 在过程 AC 中 气体的压强不断变大 B 在过程 CB 中 气体的压强不断变小 C 在状态 A 时 气体的压强最大 D 在状态 B 时 气体的压强最大 解析 解析 气体的 AC 变化过程是等温变化 由CpV 可知 体积减小 压强增大 故 A 正确 在 CB 变化过程中 气体的体积不发生变化 即为等容变化 由CT p 可知 温 度升高 压强增大 B 错 综上所述在 ACB 过程中气体压强始终增大 所以气体在状态 B 时的压强最大 故 C 错 D 对 答案 答案 AD 模拟试题模拟试题 1 某种气体的温度是 0 可以说 A 气体中分子的温度是 0 B 气体中分子运动速度快的温度一定高于 0 运动速度慢的温度一定低于 0 所 以气体平均温度是 0 C 气体温度升高时 分子平均速率要增大 D 该气体分子的平均速率是确定的 2 如图所示 一定质量的理想气体 由状态 a 沿直线 ab 变化到状态 b 在此过程中 气 体分子平均速率的变化情况是 用心 爱心 专心 A 不断增大B 不断减小C 先减小后增大D 先增大后减小 3 如图所示 一根一端封闭的玻璃管开口向下插入水银槽中 内封一定质量的气体 管 内水银面低于管外 在温度不变时 将玻璃管稍向下插一些 下列说法正确的是 A 玻璃管内气体体积减小 B 玻璃管内气体体积增大 C 管内外水银面高度差减小 D 管内外水银面高度差增大 4 云母薄片和玻璃片分别涂一层很薄的石蜡 然后用烧热的钢针去接触云母片及玻璃片 的反面 石蜡熔化 如图所示 那么 A 熔化的石蜡呈圆形的是玻璃片 B 熔化的石蜡呈圆形的是云母片 C 实验说明玻璃片各向同性是非晶体 D 实验说明云母片各向同性是晶体 5 如图所示 长度为m1 内径均匀的细直玻璃管 一端封闭 开口向上竖直放置 管 内用 25cm 长的水银柱封闭 44cm 长的空气柱 外界大气压为 75cmHg 若将玻璃管在竖直 平面内缓慢转 180 使管开口向下 此过程 A 水银全部流出管外 B 水银不会流出 封闭气柱长 75cm C 水银部分流出 封闭气柱长 88cm D 水银部分流出 封闭气柱长 80cm 用心 爱心 专心 6 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 甲 p 乙 p 且 乙甲 pp 则 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 7 对一定量的气体 若用 N 表示单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数 则 A 当体积减小时 N 必定增加 B 当温度升高时 N 必定增加 C 当压强不变而体积和温度变化时 N 必定变化 D 当压强不变而体积和温