人教版高中物理选修3-3第八章气体学案5

学案5气体热现象的微观意义[目标定位]1.理解气体分子运动的特点及气体分子运动速率的统计分布规律.2.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义；知道气体的压强、温度、体积与所对应的微观物理量间的相关联系.3.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律．一、气体分子运动的特点和气体温度的微观意义[问题设计]1．把4枚硬币投掷10次并记录正面朝上的个数．比较个人、小组、大组、全班的数据，你能发现什么规律吗？答案随着投掷次数增多，2枚硬币正面朝上的次数比例最多，占总数的eq\f(3,8)；1枚和3枚正面朝上的次数各占总数的eq\f(1,4)，全朝上或全朝下次数最少，各占总数的eq\f(1,16).说明大量随机事件的整体会表现出一定的规律性．2．气体分子间的作用力很小，若没有分子力作用，气体分子将处于怎样的自由状态？答案无碰撞时气体分子将做直线运动，但由于分子之间的频繁碰撞，使得气体分子的速度大小和方向频繁改变，运动变得杂乱无章．3．温度不变时，每个分子的速率都相同吗？温度升高，所有分子运动速率都增大吗？答案分子在做无规则运动，造成其速率有大有小．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．[要点提炼]1．统计规律在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件叫随机事件；大量随机事件整体表现出的规律叫统计规律．2．气体分子运动的特点(1)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．(2)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．(3)每个气体分子都在做永不停息的无规则运动．(4)大量气体分子的速率分布呈“中间多、两头少”的规律．3．气体温度的微观意义(1)温度越高，分子的热运动越激烈．当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的方向移动，即速率大的分子数目增多，速率小的分子数目减少，分子的平均速率增大．(2)温度是分子平均动能的标志．理想气体的热力学温度T与分子的平均动能eq\x\to(E)k成正比，即T＝aeq\x\to(E)k.二、气体压强的微观意义[问题设计]如图1所示，(1)把一颗豆粒拿到台秤上方约10cm的位置，放手后使它落在秤盘上，观察秤的指针的摆动情况．(2)再从相同高度把100粒或更多的豆粒连续地倒在秤盘上，观察指针的摆动情况．(3)使这些豆粒从更高的位置落在秤盘上，观察指针的摆动情况．用豆粒做气体分子的模型，试说明气体压强产生的原理．图1答案说明气体压强的产生跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度．[要点提炼]1．气体压强的大小等于气体作用在器壁单位面积上的压力．2．产生原因：是大量气体分子对器壁的碰撞引起的．3．决定因素：(1)微观上决定于分子的平均动能和分子的密集程度，(2)宏观上决定于气体的温度T和体积V.三、对气体实验定律的微观解释[问题设计]如何从微观角度来解释气体实验定律？答案从决定气体压强的微观因素上来解释，即气体分子的平均动能和气体分子的密集程度．[要点提炼]1．玻意耳定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度不变，分子的平均动能不变．体积减小，分子的密集程度增大(填“增大”或“减小”)，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数就增多，气体的压强就增大(填“增大”或“减小”)．2．查理定律的微观解释一定质量的某种理想气体，体积不变，则分子的密集程度不变，温度升高，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大(填“增大”或“减小”)．3．盖—吕萨克定律一定质量的某种理想气体，温度升高，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，分子撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需使影响压强的另一个因素分子的密集程度减小，所以气体的体积增大(填“增大”或“减小”)．一、气体分子运动的特点和气体温度的微观意义例1在一定温度下，某种理想气体的分子速率分布应该是()A．每个气体分子速率都相等B．每个气体分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子数目很少C．每个气体分子速率一般都不相等，但在不同速率范围内，分子数目的分布是均匀的D．每个气体分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子数目很多解析气体分子做无规则运动，速率大小各不相同，但分子的速率遵循一定的分布规律．气体的大多数分子速率在某个数值附近，离这个数值越近，分子数目越多，离这个数值越远，分子数目越少，总体表现出“中间多、两头少”的分布规律．答案B例2如图2是氧气分子在不同温度(0℃和100℃)下的速率分布图，由图可得信息()图2A．同一温度下，氧气分子呈现出“中间多、两头少”的分布规律B．随着温度的升高，每一个氧气分子的速率都增大C．随着温度的升高，氧气分子中速率小的分子所占的比例增加D．随着温度的升高，氧气分子的平均速率变小答案A解析温度升高后，并不是每一个氧气分子的速率都增大，而是氧气分子的平均速率变大，并且速率小的分子所占的比例减小，则B、C、D错误；同一温度下，氧气分子呈现出“中间多、两头少”的分布规律，A正确．二、气体压强的微观意义和对气体实验定律的微观解释例3关于气体的压强，下列说法正确的是()A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大B．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大C．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大D．气体分子的平均动能增大，气体的压强有可能减小解析气体的压强在微观上与两个因素有关：一是气体分子的平均动能，二是气体分子的密集程度，密集程度或平均动能增大，都只强调问题的一方面，也就是说，平均动能增大的同时，分子的密集程度可能减小，使得压强可能减小；同理，当分子的密集程度增大时，分子的平均动能也可能减小，气体的压强变化不能确定，故正确答案为D.答案D例4一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，温度升高，体积增大，从分子动理论的观点来分析，正确的是()A．此过程中分子的平均速率不变，所以压强保持不变B．此过程中每个气体分子碰撞器壁的平均冲击力不变，所以压强保持不变C．此过程中单位时间内气体分子对单位面积器壁的碰撞次数不变，所以压强保持不变D．以上说法都不对解析压强与单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数和每个分子的冲击力有关，温度升高，分子与器壁的平均冲击力增大，单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数应减小，压强才可能保持不变．答案D1．(气体分子的运动特点)下列对气体分子运动的描述正确的是()A．气体分子的运动是杂乱无章的没有一定的规律B．气体分子间除相互碰撞外，几乎无相互作用C．大量气体分子的运动符合统计规律D．气体之所以能充满整个空间，是因为气体分子间相互作用的引力和斥力十分微弱，气体分子可以在空间自由运动答案BCD解析气体分子间距离很大，相互作用的引力和斥力很弱，能自由运动；气体分子的运动是杂乱无章的，但大量气体分子的运动符合统计规律，故A错，B、C、D正确．2．(气体分子速率的分布规律)如图3所示，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()图3A．曲线①B．曲线②C．曲线③D．曲线④答案D解析根据麦克斯韦气体分子速率分布规律可知，某一速率范围内分子数量最大，速率过大或过小的数量较小，曲线向两侧逐渐减小，曲线④符合题意．选项D正确．3．(对气体实验定律的微观解释)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答案AB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，温度升高，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，气体的密度减小．压强不变，温度降低时，体积减小，气体密度增大．温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变．综上所述，正确答案为A、B.题组一对气体分子运动的特点和温度的理解1．关于气体分子的运动情况，下列说法中正确的是()A．某一时刻具有任意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．某一温度下，大多数气体分子的速率不会发生变化D．分子的速率分布毫无规律答案B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”的统计规律分布，故A、D项错误．由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己的运动情况，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，故B项正确．某一温度下，每个分子的速率仍然是随时变化的，只是分子运动的平均速率不变，故C项错误．故正确答案为B.2．密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大．从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的________增大了．该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图1所示，则T1________(选填“大于”或“小于”)T2.图1答案平均动能小于解析温度升高时，气体分子平均速率变大，平均动能增大，即速率较大的分子占总分子数的比例增大，所以T1<T2.题组二气体压强和气体实验定律的微观解释3．如图2所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中恰好装满水，乙中充满空气，则下列说法中正确的是(容器容积恒定)()图2A．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．当温度升高时，pA、pB变大，pC、pD也要变大答案C解析甲容器压强产生的原因是水受到重力的作用，而乙容器压强产生的原因是分子撞击器壁，A、B错；水的压强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，C对；温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD变大，D错．4．两个相同的密闭容器中分别装有等质量的同种理想气体，已知容器中气体的压强不相同，则下列判断中正确的是()A．压强小的容器中气体的温度比较高B．压强大的容器中气体单位体积内的分子数比较少C．压强小的容器中气体分子的平均动能比较小D．压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大答案CD解析相同的密闭容器中分别装有等质量的同种理想气体，说明它们所含的分子总数相同，即分子密度相同，B错；压强不同，一定是因为两容器气体分子平均动能不同造成的，压强小的容器中分子的平均动能一定较小，温度较低，故A错，C对；压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大，故D正确．5．x、y两容器中装有相同质量的氦气，已知x容器中氦气的温度高于y容器中氦气的温度，但压强却低于y容器中氦气的压强．由此可知()A．x中氦气分子的平均动能一定大于y中氦气分子的平均动能B．x中每个氦气分子的动能一定都大于y中每个氦气分子的动能C．x中动能大的氦气分子数一定多于y中动能大的氦气分子数D．x中氦气分子的热运动一定比y中氦气分子的热运动剧烈答案ACD解析分子的平均动能取决于温度，温度越高，分子的平均动能越大，但对于任一个氦气分子来说并不一定成立，故A项正确，B项错误；分子的动能也应遵从统计规律，即“中间多、两头少”，温度较高时，动能大的分子数一定多于温度较低时动能大的分子数，C项正确；温度越高，分子的无规则热运动越剧烈，D项正确．6．一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，体积增大，则()A．气体分子的平均动能增大B．气体分子的平均动能减小C．气体分子的平均动能不变D．条件不足，无法判定气体分子平均动能的变化情况答案A解析一定质量的理想气体，在压强不变时，由盖—吕萨克定律eq\f(V,T)＝C可知，体积增大，温度升高，所以气体分子的平均动能增大，故A正确．题组三综合应用7．封闭在气缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是()A．气体的密度增大B．气体的压强增大C．气体分子的平均动能减小D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多答案BD解析由理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C(常量)可知，当体积不变时，eq\f(p,T)＝常量，T升高，压强增大，B对．由于质量不变，体积不变，分子密度不变，而温度升高，分子的平均动能增大，所以单位时间内，气体分子对容器单位面积器壁碰撞次数增多，D对，A、C错．8．对于一定质量的理想气体，下列说法中正确的是()A．气体的体积是所有气体分子的体积之和B．气体温度越高，气体分子的热运动就越剧烈C．气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的D．当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减小答案BC解析气体分子间有较大空隙，气体分子的体积之和远小于气体的体积，所以选项A错误．气体温度越高，分子平均动能越大，分子热运动越剧烈，则选项B正确．由压强的定义可知：单位面积上的压力叫压强，器壁内侧受到的压力就是气体分子对器壁不断碰撞而产生的，所以选项C正确．当气体膨胀时，气体的温度如何变化无法确定，故内能如何变化也无法确定，所以选项D错误．9.图3中的实线表示一定质量的理想气体状态变化的p—T图象，变化过程如图中箭头所示，则下列说法中正确的是()图3A．ab过程中气体内能增加，密度不变B．bc过程中气体内能增加，密度也增大C．cd过程中，气体分子的平均动能不变D．da过程中，气体内能增加，