技术物理 上册（第四版）教案 第6章 热力学基础

第6章热力学基础

在自然界里，热现象普遍存在并且与我们的生活密切相关。热现象是由物质内部大量微

观粒子永不停息、无规则的运动引起的。在不同的温度或压强等条件卜，物质内大量微观粒

子的热运动和粒了•间的相互作用也不相同，宏观物体存在的状态（固态、液态、气态等）也往

往会发生变化。物质的运动形式千变万化，每种运动形式的变化都有相应的能量转换伴I®着。

柴油的燃烧为何能转化为内燃机车的动力？刹车过程中，车的动能乂到哪里去了？

同学们：你知道热现象的实质吗？热现象遵从哪些规律呢？这一章我们先来学习一些

热学知识，然后再以热学知识为基础，深入了解•些有趣的自然现象及其产生的原因。

本章研究的对象是由大量分子组成的物质系统的热现象及其规律。将从分子运动理论

出发，主要讨论气体状态的变化规律和包括内能、机械能在内的能量转化与守恒的规律并介

绍一些新能源技术的应用及发展前景。

6-1分子热运动物态

一、教学目标

1.知道一般分子直径的数量级；知道什么是分子的热运动以及分子热运动的激烈程度

与温度的关系。知道分子间同时存在着相互作用的引力和斥力，表现出的分子力是引力和斥

力的合力，定性了解分子力随分子间距离变化而变化的规律。

2.使学生能用分子均理论要点解释一些简单的热现象。

3.通过•些基本物理事实和实验推理得出分子无规则运动的剧烈程度与温度有关，使

学生学会以事实和实验为依据推断出新的结论的思维过程，培养学生的逻辑推理能力。

4.了解固体、液体、气体三种不同物质状态下，分子运动的特点及液晶的特性。

5.会用分子动理论、能量守恒定律说明物态变化过程中的微观机理。

6.培养学生从能量角度解释常见物理现象的能力。

二、教学重点难点

重点：分子动理论要点。

难点：分子力，物质状态的微观解释。

三、教学器材

1烧杯凉水、1烧杯热水、高锌酸钾（或墨水笔）、香水（或其它易挥发的液体），注

射器或打气筒等。光盘。

四、教学建议

数法建议

实验和推理法，讨沦、讲解法。

数学设计方案

（一）引入新课

复习提问：

请同学们回忆初中所学的分子动理论的初步知识。

（物体是由大量分子组成的，一切物体的分子都在不停地做无规则的运动。分子间有相

互作用力。）

我们知道，分子间的引力、斥力和分子热运动的对立统一,使物质有了固体、液体、气

体等各种不同的形态，而正是这些物质微观结构的不同才使它们呈现出不同的状态和性质。

本次课我们将通过实验和推理的方法进一步学习分子动理论要点，介绍固体、液体、

气体三种不同物质状态下，分子运动的特点及液晶的特性。

（二）引出课程内容

1.物质都是由大量分子组成的，分子之间有一定间隙。

通过初中物理和化学的学习我们已经知道，一切宏观物体都是由大量分子组成的，组成

物质的分子并不连续分布，分子之间有一定间隙。

例如：把注射器或打气筒的出气口封闭，推动活塞，使筒内空气的体积变成一半或更小。

提问请同学们思考讨论：如果把空气换成水，推动活塞，结果会怎样？

讨论得到：气体的体积很容易被压缩。

观察实验：水和酒精混合后总体积减少。（可取水和酒精的体积之比为48：52,混合后

的体积约为混合前总体积为96.3%,水分子和酒精分子混合排列，空隙减小。）

结论：实验证明气体、液体分子之间有一定的间隙。

有人用两万标准大气压的压强压缩钢筒内的油，发现油可以透过筒壁溢出。说明固体分

子间也有一定间隙。工业上经常采用的表面渗碳就是利月这一事实，把要渗碳的工件放入木

炭或碳酸盐的混合物中，在高温下维持一定时间，使碳渗入工件的表面层里，以提高工件耐

磨性能和硬度。

2.分子的热运动：大量分子的无规则运动称为分子的热运动。分子热运动的剧烈程度

与温度有关，温度越高，分子热运动越剧烈。

请同学们回忆两个演示实验

两个演示实验的实验装置如图1,图2。

（1）把盛有二氧化氮的玻璃瓶与另一个盛有空气的玻璃瓶竖直方向对口相接触,看到二

氧化氮气体从下面的瓶内逐渐扩展到上面瓶内。

（2）在量筒里盛有液体，下面一半是硫酸铜溶液，上面一半是清水，界面清晰（图1）o

静放几天后，界面逐渐模糊不清。这表明液体分子也在不停地运动。

图1图2

①请同学们观察下面演示实验

在盛有凉水和热水的烧杯中分别滴入一、二滴墨汁后，墨汁在水中逐渐扩展开来。

提问：实验现象说明什么问题？

在学生回答的基础上总结：实验说明扩散现象的快慢直接与温度有关，温度高，扩散现

象加快。扩散现象说明组成物质的分子都在不停地运动着。通过实验可以进一步证明：分子

的运动是杂乱无章的无规则运动，而且这种无规则运动的剧烈程度与温度有关。因为温度越

高，扩散现象越快，说明分子无规则运动越剧烈，所以，我们把大量分子的无规则运动称为

分子的热运动。

②请同学们观察演示实验（图2）,两个圆柱体形铅块，当把端面刮平后，让它们端

面紧压在一起，合起来后，它们不分开，而且悬挂起来后，下面还可以吊一定量的重物。

根据这一实验事实分析、推理得出分子之间存在着引力。固体和液体很难被压缩，即

使气体压缩到了一定程度后再压缩也是很困难的（给自行车打气）；用力压缩固体（或液体、

气体）时，物体内会产生反抗压缩的弹力。这些事实都是分子之间存在斥力的表现。

3、分子间的相互作用

组成物质的分子之间些有引力又有斥力。分子间的引力和斥力是同时存在的，实际表现

出来的分子力，是分子引力和斥力的合力。

提问：分子之间什么时候会表现为引力，什么时候会表现为斥力呢？

教师分析讲解分子间引力和斥力的大小跟分子间距离的关系（图3）,进•步的理论研

究表明，分子间的斥力随分子间距离的变化得较快，分子间的引力随分子间距离的变化得较

慢。若以横轴表示分子间距离，纵轴向上表示引力，向下表示斥力，在图3中用虚线表示分

子间的斥力和引力随分子旬距离的变化曲线，用实线表示斥力和引力的合力。则下图中的图

线表明分子力（分子引力和斥力的合力）随距离而变化的情况。

可以看出，当分子间的距离等于w时。"约为引力和斥力平衡，这个位置称为

分子的平衡位置。当分子间的距离小于八）时，斥力和引力都随分子间距离的而增大，而斥

力增大的显著，斥力大于引力，其合力表现为斥力；当分子间的距离大于，-o时.，斥力和引力

都随分子间距离的而减小，而斥力减小的显著，故引力大于斥力，其合力表现为引力。当分

（1）固体、液体、气体的特点

固体的特点：具有一定的形状和体积。

晶体（雪花、食盐、石英、云母、明矶等）

（晶体的物理性质：

①有规则的天然外形

②有一定熔点

③有各向异性（在不同方向上的导热性、导电性、

,机械强度等都不相同）

固体〈

非晶体（玻璃、塑料、橡胶、蜂蜡、沥青等）

非晶体的物理性质：

①没有规则的几何形状

I②没有确定的熔点

③没有各向异性，是各向同性的

液体：具有流动性，没有一定的形状，但有一定的体积。

气体：既无一定形状，又无一定体积。

提问：固体、液体和气体在基本性质上为什么有这么大的差别呢？

请同学们用分子动理论的观点进行分析（引导学生看书后总结）

（2）分子力和分子热运动在物态形成中的作用：分子力使分子聚集在一起，在空间形成

某种有序排列；分子热运动破坏分子的有序排列，使分子分散开来。由于这两种对立因素在

物体中所处的地位不同，才决定了物质所处的状态。

(3)物质形成固态的微观解释：在固体中，分子间距离很小，分子间有强烈的分子力作

用，绝大多数分子被束缚在平衡位置附近，形成有规则的排列，分子无规则的热运动只能使

分子在平衡位置附近做微小的振动，但不能破坏分子的有规则排列。所以，固体有一定的形

状和体积。

(4)物质形成液态的微观解释：当温度较高时，分子无规则运动加剧，致使分子力不能

把分子束缚在平衡位置附近，分子间可以发生微小移动，但热运动还不能使分子远离，物体

表现为液体状态。所以，液体没有一定的形状，但有一定的体积。

(5)物质形成气态的微观解释：温度升到一定高度时，分子的热运动起决定性作用，剧

烈无规则运动，致使分子可以克服分子引力的束缚远离而去，成为气体分子。所以，气体的

分子相互作用力几乎等于零，气体分子能自由运动，气体没有一定的形状和体积。

5.液晶(教师适当介绍液晶的特点及应用)

早在1888年，德国物理学家列曼和奥地利植物学家莱尼茨就已经发现了某些有机化合

物被加热时，在一定的温度范围内，出现了一种介于固态与液态之间特殊的过渡性物质状态。

实验结果发现，在这种状态下，它既具有流体的流动性乂具有晶体的各向异性等特点，这种

过渡状态的特殊物质称为液态晶体，简称为液晶。

液晶对外界因素如声、光、热、力、电磁以及化学试剂等极为敏感，只需很小的能量

就能使它的排列发生明显的变化，因而被广泛应用于电子、航空、生命科学等现代科学技术

中。例如，利用液晶具有优异的光电效应而将其作为一种新型的显示材料，在数字与图像显

示技术上开创了新的方法,目前，我们使用的电子手表，电子计算器，笔记本电脑等仪器中，

均采用了液晶显示。液晶显示具有耗能少、体积小、视觉明显等优点。因而大大拓宽了电子

显示技术的应用范围。20世纪80年代开发的液晶电视，现已能像画匾一样方便地挂在墙壁

上收看了，而液晶立体电视也已获得了极大的成功。又如，利用液晶灵敏的温度效应制作的

温度探测器，在医学上可用来检查肿瘤，肿瘤部分温度与正常组织温度的差别通过液晶温度

探测器可以清楚地显示出来。科学家们还发现，生命过程中的很多生物反应都是在液晶环境

中进行的，因此对生物系统中液晶态的研究将使与生命有关的许多奇妙而又复杂的问题得到

更深刻的了解。

6.例题讲解

例题在地球大气层上垂直于太阳光的平面上，每平方米每秒可接收到1.35X10;J的

太阳能。这些能量平均大约只有15%能到达地球表面。已知地球表面水域占全球面积的71%,

设平均气化热/=2.47xIO6J/kg,试求每秒进入大气的平均水蒸发量mo

解地球大气层垂直于太阳光的每平方米面积上每秒接收的太阳能

/=1.35x103w/m2,称为太阳常数,

地球大气层垂直于太阳光的面积约为A=兀代=3.14x1014m2。

地球表面水域每秒吸收的太阳能约为。=0.15/x0.71A

因此，每秒平均蒸发量为

Q0.15X1.35X105X0.71X3.I4X10,4

=-=---------7----k-g

y2.47xlO6

=1.83x10'°kg

（三）小结

本节课我们在复习初中物理知识的基础上，进一步学习了分子运动理论要点，并用它解

释了物质形成固体、液体、气体状态的原因。分子动理论是分子物理学的基础理论，以后我

们还要用它解释更多的物理现象。

1.分子动理论的基本论点：一切物体都是由大量的分子组成的，分子间有一定间隙，

并有相互作用力，分子总是永远不停地无规则地运动着。

2.固体分类：晶体（单晶体、多晶体）、非晶体、准晶体。

晶体与非晶体的区别源于内部结构的根本不同，构成晶体的微粒在空间排列有序，导致

单晶体各向异性，有规则的几何外形，有确定的熔点。所以表现在熔化过程中有无固定的熔

化温度。

3.液体、其微观结构比较接近于固体，与非晶体很相似。具有一定的体积，不易被压缩。

分子间距很小，相互作用较大。

4.气体、分子间距比液体增加很多，分子间作用力几乎为零，分子间热运动起决定性作

用。没有一定的体积和形状。

5.从能量的角度表述：物态变化的物理概念及物理量。

（四）作业布置

1.P1572、3、6题2.《技术物理练习册》（第3版）相关习题

（五）教学说明

1.教学中要通过对初中所学的分子运动理论的初步知以的回顾，再通过实验和逻辑推

理，达到进•步学习理解分子运动理论的目的。

2.学生在初中学习过分子运动理论的初步知识，但是对分子力是引力和斥力的合力、

分子力随分子间距离变化而变化的定性规律并没有学习。学生易出现的问题是：当分子间的

距离大于ro时，分子间只有引力，而无斥力；当分子间的距离小于「0时，分子间只有斥力，

而无引力，教学中应注意引导。

3.分子间同时存在着相互作用的引力和斥力，表现出的分子力是引力和斥力的合力。

因此在教学中应在分子力随分子间距离的变化曲线图中，用虚线画出分子间的斥力和引力随

分子间距离的变化曲线，从而使学生更好的理解这一论点。

4.在复习分子力和物体内能的基础上引导学生说明物态变化过程中的微观机理。

阅读材料物质的第四态一一等离子体

我们已经知道，随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体这三种状态。

当气体的温度升高到数千摄氏度以上时，其中的许多（甚至全部）分子或原子将由于激烈的相

互碰撞而电离为电子和正离子。这种主要（或全部）由电子和正离子组成的物质叫等离子体，

被称为物质的第四态。除了用高温加热外，用强烈的红外线或X射线等照射，也可•使气体转

变成等离子体。

宇宙中99%的物质都是以等离子态存在着，如太阳和所有的恒星，星云等都是等离子体。

在地球上，物质主要以固、液、气三态存在，天然的等离子体非常稀少，只有闪电、极光等,

这是因为等离子体存在的条件和人类生存的条件是不相容的。地球表面上50千米到数万千

米的高空存在•层等离子体，称为电离层，它在地球的环境和无线电通信中扮演着十分重要

的角色。现代科学技术越来越多地利用人造的等离子体，例如霓虹灯、电弧、日光灯、场致

发光灯、水银灯和泉灯中的发光物质都是等离子体。

在等离子体的应用中，最诱人的项目是受控热核聚变。原子核的聚变反应是当前最有前

途的新能源，这种反应中主要的等离子体燃料笊在海水中的储量能满足人类几百亿年的所有

能量的需求。聚变不仅产生.的能量大而且非常“干净”，它的生成物是无害的原子核。但聚

变的发生需要等离子体燃料很高的温度（ICfK）以上，而任何实际的固体容器都不能用来

盛放这种等离子体，因为达4000K以上的温度时，现有的任何耐火材料都会熔化。现代技

术中的一种做法是利用磁场来“盛放”（约束）等离子体燃料，使它们在一定的范围内进行

聚变。这种实验装置叫托卡马克装置。

由于核聚变的能量前景诱人，世界各国都在研究受控热核反应的理论和技术。我国西南

物理研究院1984年启动“中国环流器1号（HL-I）”，2002年又建成更大更先进的“中国环

流器2号（HL-2A）”，取得等离子体温度5500x10』匕，等离子体电流433kA的重要实验

成果。2015年前后将设计建造笊、僦燃烧试验装置（HL-3）。中国科学院合肥等离子体物理

研究所1994年建成了超导环流器（HT-7）,2008年连续重复:实现了长达400s的等离子体放

电。2006年初建成HT-7的升级版，大型全超导核聚变实验装置（EAST①），主机直径8m、

高11m。目标是产生lOOxIO^A的等离子体电流；持续放电时间达到I000s,在高功率加

热下等离子体温度超过lxIO*℃，为设计建设运行核聚变堆奠定基础。投入运行后，成功

获得了稳定、重复和可控的高温等离子体。这是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷

却结构的环流器，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。

6-2理想气体物态方程

一、教学目标

1.知道气体的温度、体积和压强是描述气体状态的状态参量；了解气体的压强是大量

气体分子频繁地碰撞器壁产生的。

2.理解理想气体物态方程及其三个实验定律，并能进行有关的计算。

3.会用丁=，+273公式计算热力学温度；会根据U形管压强计中两管水银面的百度差

判断气体压强与大气压强的关系，会用〃=〃o+外计算气体压强。

4.培养学生运用理想气体物态方程对定质量气体状态变化过程进行定量计算的初步能

力。

5.知道理想气体是一种理想化的物理模型，在压强不太大，温度不太低的情况下，实

际气体可以当作理想气体处理。通过对理想气体这一模型的引入，培养学生的科学思维方法。

二、教学重点难点

重点：理想气体物态方程

难点：运用理想气体物态方程对定质量气体状态变化过程进行定量计算。

三、教学器材

小型水银气压计，温度计，烧杯等（不做实验，展示实验仪器可引起学生对实验过程

的回忆）。

四、教学建议

数法建议

发现教学法。

敏小设计方案

（一）引入新课

在讲授本节课之前，让学生完成理想气体方程的实验。上课时，利用学生实验的一组

数据进行分析，归纳总结出气体物态方程，再引入理想气体。

（二）引出课程内容

1.气体的状态参量

（1）体积V

由于气体分子可以自由移动，所以气体具有充满整个容器的性质。因而气体的体枳由

容器的容积决定。气体的体积就是盛装气体的容器的容积。

体积的单位：立方米，符号是n?。体积的分数单位还有dn?（立方分米）和cm%立方厘

米）。日常生活和生产中还用I,L（升）作单位。

各种体积单位的关系：

1m3=103L=103dm3=106cm3

（2）温度

温度是用来表示物体冷热程度的物理量。要定量地确定温度，必须给物体的温度以具

体的数值，这个数值决定于温度零点的选择和分度的方法。温度数值的表示方法称为温标。

①日常生活中常用的温标称为摄氏温标。它是把L013Xl（rPa气压下水的冰点定为

零度，沸点定为100℃,口间分为100等分，每一等分代表用这种温标表示的温度称为

摄氏温度，用符号，表示。

摄氏温度单位：摄氏度，符号是

温标：温度数值的表示方法称为温标。

②在国际单位制中，以热力学温标（又称为绝对温标）作为基本温标。这种温标以

-273.15℃作为零度。用这种温标表示的温度，称为热力学温度，用符号7表示。

热力学温度单位：开尔文，简称开，符号是Ko

热力学温度和摄氏温度只是零点的选择不同，但它们的分度方法相同，即二者每一度

的大小相同。

③热力学温度和摄氏温度之间的数值关系：

7=1+273（为计算上的简化，可取绝时零度为-273℃）

例如气压为1.013XI炉Pa时

冰的熔点/=0℃->T=273K

水的沸点/=1（M）℃一7=（100+273）K

温度与物质分子的热运动关系：温度越高，分子热运动越剧烈。分子平均速率也越大（各

分子速率的平均值），因而分子平均动能也越大（各分子动能的平均植）：温度越低，分子

平均速率和平均动能越小。所以，温度的高低标志着物体分子平均动能的大小。分子平均动

能与热力学温度成正比。瓦ocT

人们使用的温度计越来越完善，种类也越来越多。常用的温度计见表G-4。（教师介绍讲

解）

豪6-4几种常用的温度计

测温越围

类型原理

)/t

水银温度计热胀冷缩-30-300

电阻温度计电阻的热敏特性-259-1000

温差电偶温度计温差电效应-273~2100

光学温度计元件的光敏特性600-3000

幅射高温计热藕射强度随温度变化700以上

随着科学技术的发展，人类对温度的视野越来越广，目前实验室中能获得的最高温度接

近K,最低温度为2.4x10“K,上下跨越了19个数量级。表6-5给出了一些实际的温度

值。（教师介绍讲解）

衰6-5一按实际的温度值

宇宙大爆炸后的1O,XK

氢弹爆炸中心lO'K

实验室内已获得的最育温度6xlO'K

太阳中心1.5xlO'K

地球中心4x101K

乙狭焰2.9xlO'K

金的爰因点.1337.33K

忸的凝固点•933.473K

锡的凝固点•505.078K

月球向阳面4xlOJK(127X)

地球上出现的最高温度(利比亚)331K(58I)

吐务春盆地最高温度323K(50T)

水的三相点.273.16K(0.01t)

地球上出现的最低温度(南极)185K(-88t)

月球“阴面90K(-183X)

氨的沸点(101325Pa)77K

♦的三相点.54.3584K

氢的三相点.13.8033K

乳的沸点(101325Pa)4.2K

星际空间2.7K

实险室内巳获得的最低温度：核自旋冷却法2xlO-*0K

激光冷却法2.4xlO'nK

(3)压强"

压强是物体单位面积上所受的压力。

气体对容器器壁的压强，是由于大量的气体分子对器壁的撞击而产生的，虽然每个分子

对器壁的撞击力很小，而且也不连续，但是做热运动的大量气体分子的撞击，就对器壁产生

了持续稳定的压力。这就像人们在骤雨中打伞行走，大量雨点打在伞上那样，虽然单个雨滴

对雨伞的撞击力不大，也不连续，但大量雨滴对伞产生一个平均的持续压力。再如，一粒一

粒的豆子不连续地打在台秤上，产生的压力很小，也不连续，但大量的豆子连续不断地打在

台秤上，就会对台秤产生一个平均的持续压力。而大量的气体分子在做无规则运动，所以平

均说来，对器壁任何一处，在相同的时间内，单位面积上的撞击次数和撞击作用是一样的，

故气体对器壁各个方向的压强相等(图1)。

图1

气体压强产生的原因；是大量的气体分子对器壁的撞击而产生的。

提问：气体的压强与哪些因素有关呢？

①与单位体积内气体的分子数一一分子数密度Ui=N/V）有关。

因为气体的分子密度越大，单位时间内器壁单位面积上受到的撞击次数也越多，对器壁

的压强也越大。

②与气体的温度有关。

气体的温度越高，气体分子的平均动能越大，分子对器壁每一次撞击作用也越大，产生

的压强也越大。

理论上可证明，气体的压强与气体的分子密度和热力学温度的乘积成正比

pocnT

压强的单位：帕斯卡，简称帕，符号是Pa。

1Pa在数值上就是1n?面积上作用1N的压力，即

IPa=lN/m2

气体压强的测量：常用开口U形管压强计来测量

气体的压强

图2中，A处的压强为瓶内气体的压强p,8处的

压强是大气压强和力高的水银柱产主的压强p/,之和。

在平衡的情况下，U形管两侧同一水平面上A、B两处

的压强应相等，所以

P=/>o+Ph

同理，在图3所示的情形中，应有p+p/尸po,即

P二po-Ph

图3

2.理想气体物态方程

在研究气体的性质时，人们最容易发现的是气体状态参量的变化。例如：皮球、充过气

的轮胎，若把它们放在夏天的阳光下晒，皮球、轮胎内气体的压强、体积、温度都会变化；

压瘪了的乒乓球浸泡到热水中，球里的空气温度升高，结果体积增大，球往往会鼓起来；把

氧气装入钢罐中，氧气的这三个参量也会变化，等等。自然界和工程中所遇到的现象，大多

数都是气体的压强、体积和温度这三个量同时发生变化的情况，只有两个量变化，另一个量

不变化的情况也是有的。对于一定质量的气体，如果这三个量都不改变，我们就说气体处于

一定的状态。如果这三个量或任意两个量同时变化，我们就说气体的状态改变了。那么，在

气体状态改变时，这三个量的变化是任意的还是相互关联，遵循一定的规律呢？

在理想气体方程的实捡中，我们对U形管封闭端的定质量的气体的体积、温度、压强

进行了测量。对每次测得的叱值进行比较。我们可以发现，这个值是一个常量（相差很小,

T

可认为是相等的）。由此可得出如下的结论：

一定质量的气体，它的压强和体枳的乘积与热力学温度的比，在状态变化时始终保

持不变，即

型=常量，或且上L=匕.。

TT,T2

精密实验指出，实际气体在状态变化过程中，压强和体积的乘积与热力学温度的比值

并不是一个常量，再精确的实验每一次的比值总有偏差。随着压强的增大，温度的降低，所

得结果的数值偏差将越来越大。在压强不太大，温度不太低的情况下，所得结果的数值偏差

较小。为此在物理学中引入了这样一种物理模型一一理想气体。即把能够严格遵守压强和体

积的乘积与热力学温度的比，在状态变化时始终保持不变的气体称为理想气体。表示这一规

律的方程称为理想气体物态方程，简称气态方程。

在对气体状态的研究中，为了形象的描写一定质量气体的状态变化，可用〃V图来

表示它的变化过程。由气态方程可知，对一定质量的理想气体，当〃和V的值确定后，7的

值也随之确定，气体的状态也就确定了。因此〃-V图上每一点，对应气体的一个确定状态,

〃-V图上的•段曲线，则表示气体的•个变化过程。现将一-定质量的理想气体的等温、等

体和等压过程用〃-丫图表示，如图4所示。（教师讲解〃-V图）

图4

3.例题讨论讲解

例题1在温度等于50°C而压强等于LOximPa时，内燃机里气态混合物的体积是

930mL。如果经活塞压缩,气态混合物的压强增大到1.0x106pa,体积减小到果5mL,那么

气态混合物的温度将升高到多少？

解在应用气态方程旦匕=之』工解题时，由于N或P在等式中的可比性，它们的单

位不一定都要统一成国际单位制单位，用其他非国际单位制的法定计量单位也可以，只要公

式中同一物理量p或V的单位相同即可，而物理量7必须用K(开)作单位。

56

己知：Vi=930mL,/?i=l.OxlOPa,Ti=(273+50)K=323K,V2=155mL,p2=1.Ox10Pa

求：T2

it]PM二2匕

工T2

得T-〃2匕彳_LOxWPaxl55mLx323K2

2-AM-1OxiO5P;ix93OmT.-…”

答：经活塞压缩后，气态混合物的温度将升高到5.4X10?K。

例题2如图5所示，在一端封闭粗细均匀的细玻璃管中，长

为力:0.16m的水银柱封住一段气柱。当玻璃管竖直放置开口向上

时，气柱长为了弓二0.15m,这时大气压强po=1.0x1()5Pao当开

口向下时，管内空气柱6的长度是多少？若将玻璃管水平放置，空

气柱A的长度是多少？

解在上述过程中，可以认为温度保持不变。设玻璃管的

横截面积为S,0.16m高的水银柱产生的压强为p〃。

5

已知：po=l.OxlOPa图5

〃o=pg〃=13.6xl()3x9.8xO.16Pa=2.1xIO4Pa

空气柱长/i=O.I5m

1.管竖直放置，开口向上时，空气柱的体积%=/上，压强〃尸〃。+/%

开口向下时，空气柱的体积V2=/2S,压强“2二〃0-〃八

根据玻意耳定律pW产p2V2,得

(po+p/J/15=(po~ph)I2S

,_(〃<)+凡)4_(10+2.1)xl04Paxl5cm_

J——:-NDC1I1

为一必(I0-2.1)xl04Pa

即玻璃管开口向卜.竖直放置时，管内空气柱的长度是23cm。

2.若将玻璃管水平放置，气柱的压强P3=P。

则由p3V3二pWi,得pohS=(po+ph)l\S

.p.+p.1.0X105+2.13X105八y八y

L=~}——hA=-------------z------x0.15m=0.18m

Po1.0x10s

例题3在标准状态下氧气的密度为1.43kg/m\一个容积为100L的氧气钢瓶，在16c

的室温下,气压表读数为6.OXIO,Pa,求瓶内氧气的质量m。

36

解已知：p0=1.34kg/mpi=6.0X10Pa7；=(16+273)K=289K

35

V=100L=0.1mpo=l.OxlOPaT{y=273K

先求标准状态下的体积匕）

由皿二处得

,,pM7；）6.0xl06x0.10x273-）3

V（）=—..-=-----------------T---m=5.7nr

7；po289xl.0xl05

m=pVQ=1.43x5.7kg=8.1kg

（三）小结

本节我们乂建立了一种物理模型一一理想气体模型，了解了气体的三个状态参量，学习

了一个气态方程。应用气态方程解决问题时需要注意以下几点：

1.该方程只适用于理想气体。

2.实际气体可看作理想气体的条件为压强不太大、温度不太低：

3.气体状态变化时，质量不变；

4.注意公式中各量的单位。温度必须是热力学温度，公式两边的压强、体积的单位必

须统一。

（四）作业布置

1.P1644、5题2.《技术物理练习册》（第3版）相关习题

（五）教学说明

1.本节在复习初中知识的基础上，进行理论分析，得出〃、K7的意义及计算方法。

主要使用的教学方法有发现法、回顾历史法、归纳法、讲练法等。

2.学生在应用理想气体物态方程进行定量计算时，容易出现的问题是：（1）不同单位

的压强不换算成统一单位，就代入公式运算；（2）摄氏温度值不换算为热力学温度就直接代

入公式计算。

3.在进行运用理想气体物态方程对定质量气体状态变化过程计算时。首先要使学生清

楚应用理想气体物态方程的前提是气体的质量保持不变，其次是对某一状态的〃、K7•值

的正确分析•，方程两边压强单位的统二温度值为热力学温度值。这样才能正确运用理想气

体物态方程。

4.部分学生弄不清U形管压强计中两管水银面的高度差对封闭气体压强的影响，是增

压还是减压，要通过较多的实例进行强化训练。

5.通过对理想气体这一模型的引入，培养学生的科学思维方法。即在研究物理现象时,

要抓住主要因素，可以忽略次要因素，使问题得以简化。

阅读材料温度面面观

温度是热学中最核心的概念，在科学史上相当长的时期内这一概念是含混不清的，“但

是一经辨别清楚，就使得科学得到飞速的发展”（爱因斯坦语）.

朴素的温度概念来源于人们在日常生活中的感觉.起初，冷热的程度靠身体来触摸。我

国南北朝贾思勰的《齐民要求》中指出：制酪的温度要“小暖于人体”，做豉则“令温如腋

卜.为佳”。显然，这是以人自身的体温作为衡量温度的标准，当然很不可靠。例如，在热水

中浸泡过的手，立即放到温水中，会觉得温水凉；而被凉水浸泡过的手，立即放到温水中，

会觉得温水热。再如，冬天在室外触摸铜器和木块，感到前者比后者凉得多，实际上二者温

度相同，只是因为它们导热性能差异造成人感觉的不同。因此，测温需要用客观的手段一一

温度计来测量，要定量地表示温度就必须建立温标。除了热力学温标和初中我们已了解的摄

氏温标外，早年建立的还有华氏温标，它是由从德国迁居荷兰的华伦海特于1714年建立的。

华氏温标的单位是华氏度，符号是下。该温标把无盐的冰水混合物的温度定为32°F,把大

气压下的水的沸点定为212下。在华氏温标里，人体正常体温为98.6°F左右。现今，只有

英美等国在工程界和生活中还保留着华氏温标，在科学界和其他国家已很少有人使用了。

我国古代有“冰炭不同器”之说，古人把冰和炭火看成是冷热的两个极端，这是由J'-

当时人们的认识水平所限，其实二者的温度之差只不过才几百开。当代的科学工作者对温度

的视野已远非昔比。人们已认识到，近200亿年前我们的宇宙在大爆炸中诞生时的温度高达

IO^K以上。随着宇宙的膨胀，当温度降到109K时，宇宙中合成了第一个稳定的复合核素

4

（He）o经过几十万年当温度降到4000K时，随着中性原子的复合宇宙变得透明了。今天

宇宙的温度已冷却到3K左右，这已由宇宙微波背景辐射测得（详见6-7节阅读材料1太

阳中心的温度约lO,K,这是热核聚变（见12-4节）的起码温度,而太阳表面的温度约6000K。

一些难熔金属（如铝、伯等）的熔点也属于这一数量级（103K）O金星表面的温度为733K

左右，在那里铅、锌等到金属都以液态存在。地球表面的平均温度为288K（15°C）左右，

在这一温度环境下，1（）9种生物大分子可以生存。可见，今天人们认识的温度最高已达1039K,

而最低可达10川K（实验室中已能获得），上下跨越了51个数量级。相比之下，我们生活环

境温度的起伏I：下不过几十摄氏度，这是多么狭窄的温区啊！在地球发展史上多次出现的冰

河期中，地球平均气温仅降低10°C左右，就使大批物种灭绝。假如地球大气层里CO2的含

量加倍，所产生的温室效应将使地球平均气温升高3℃,海平面将上涨2〜5m,它所淹没的

肥沃土地会使农业减产四分之一，迫使10亿人背井离乡。由此可见，我们安乐的家园一

地球生物圈，在温度变化面前是何等的脆弱。因此，每一个人都有义务来爱护环境，保护好

我们赖以生存的家园——地球。

6-3饱和蒸气空气的湿度

一、教学目标

1.知道什么是饱和蒸气和未饱和蒸气，知道饱和蒸气压随温度而变化，与体积大小无

关。

2.了解绝对湿度和相对湿度的概念，知道二者之间的定量关系，能计算相对湿度。了

解湿度计的原理。

3.会用分子动理论来说明饱和蒸气压的特点。

4.能解释与空气的湿度相关的热现象，会从数据表中查出数据进行计算。

5.学习用科学方法去研究自然现象，解释自然现象，提高学生的科学素质。

二、教学重点难点

重点：理解液体和蒸气之间的动态平衡，饱和蒸气和未饱和蒸气的概念。绝对湿度和相

对湿度的概念。

难点：对绝对湿度和相对湿度概念的理解。

三、教学器材

光盘。

四、教学建议

敛法建议

实验、讲解法。

数学设计方案

（一）引入新课

同学们不知注意到没有，装在敞口容器里的液体，例如我们洗脸盆中的水，经过一段时

间会全部蒸发干净；而盛在密闭容器里的液体，例如瓶中的饮料，即使时间很长也很难蒸发,

这是什么原因呢？夏天，雷雨前后人的感觉迥然不同：雨前感觉十分闷热，雨后感觉格外清

爽，这乂是什么原因呢?为什么我们周围的空气里总含有水蒸气？

江河里的水在蒸发，动植物的表皮和呼吸也在不断地散发出水蒸气，一定温度和体积的

空气中含的水蒸气越多，空气就越潮湿；含的水蒸气越少，空气就越干燥。空气的干湿程度

跟我们的生活和生产有密切的关系。空气太潮湿，我们会感到气闷，东西容易发霉；空气太

干燥，我们的口腔和鼻腔会感到干燥难受，植物容易枯萎。纺织厂、博物馆等都要求空气保

持适当的湿度。那么，什么是空气的湿度呢？空气的湿度如何来表示？这是我们本次课要学

习的问题。

（二）引出课程内容

1.饱和蒸气

根据分子动理论，分子的热运动是无规则的，各个分子的运动速度都不一定相同。因

此，在任何温度下，由于分子的热运动，液体表面总有一些动能较大的液体分子，能够克服

液体对它的束缚，而从液体表面逸出成为蒸气。这些蒸气分子由于热运动和空气的流动，将

分散到周围的空间里去，同时也有一部分蒸气分了•会返回到液体内。由于单位时间内飞出液

面的分子数总是多于回到液体中的分子数，于是敞口容器中的液体就不断地被蒸发掉。如图

1所示。

在封闭容器内的液体，由于蒸汽分子不能散逸到容器外部，因而蒸发情况就与敞口容器

的情况大不相同。如图2所示，最初从液面飞出来的分子数多于返回液体里的分子数的，容

器里的蒸气分子数逐渐增多，蒸气的密度逐渐增大，相应地回到液体里的分子数也增多。最

后，总会达到这样的状态：单位时间内从液面飞出来的蒸气分子数等于回到液体中的蒸气分

子数。这时，液面上部蒸气的密度不再增大，液体不再减少，这样，蒸气和形成蒸气的液体

之间就达到了动态平衡，或者说，液面上的蒸气达到饱和状态。形成蒸气的液体处于动态平

衡的蒸气叫做饱和蒸气。

图2

例如，盛有水、酒精、汽油等密闭容器中液面上部的蒸气一般都是饱和蒸气。

提问：密闭容器中液面上部的蒸气成为饱和蒸气后，液体是否还会蒸发？

教师讲解：汽液之间处于动态平衡状态下，液体表面动能大的分子照样要克服其它液体

分子的引力脱离液体成为蒸气，蒸气分子照样也会返回液体成为液体分子，只是单位时间内

从液而飞出来的蒸气分子数等于回到液体中的蒸气分子数.从宏观上看,液体不再减少,蒸

气不再增加，好像蒸发现象停止了，实际上蒸发在不停地进行着。

如果在一定的空间内，蒸气的密度还可以增大，这时蒸气未达到饱和状态，这样的蒸气

叫做未饱和蒸气。

2.饱和蒸气压

（1）饱和蒸气压：饱和蒸气产生的压强叫做饱和蒸气压。

（2）饱和蒸气压与温度的关系：饱和蒸气压随温度的升高而增大。

实验表明，饱和蒸气压随温度的升高而增大。这一现象可以用分子动理论解释。当液体

的温度升高时，液体分子的平均动能增大，单位时间内逸出液面的分子数增多，因而饱和蒸

气的密度将变大；同时，随着温度的升高，蒸气分子运动的平均速率增大，这样，蒸气分子

单位时间内撞击液面和器壁的次数增多，且撞击作用增强，所以，饱和蒸气压随着温度的升

高而增大。

如果我们用实验来研究饱和蒸气压与体积的关系。我们会发现，饱和蒸气压与体积无关。

实验：把一个装满水银长玻璃管倒立在水银槽里，向玻璃管里移入一些乙醛，使乙酸蒸

发后水银面上还留有少量乙渔。这时管内乙隧的饱和蒸气汽压等于〃。-必（图3），其中“0

是大气压强。

现把管子往上提高一些，使水银面上乙醛的体积增大（图4）,可以看到，水银面上液

态乙醛减少了，但是管里水银柱的高度还跟原来•样。这表明，在温度不变的情况下，体积

增大时饱和蒸气汽压不改变。

若把管子放下一些，使乙醛汽的体积减小（图5）。这时水银面上液态乙醛增多，但是

管里水银柱的高度仍保持不变。这表明，在温度不变的情况下，体积减小时饱和蒸气汽压也

不改变。

（3）饱和蒸气压与体积的关系：在一定的温度下，饱和蒸气压与蒸气的体积无关。

实验现象可以这样来解释：当水银面上方蒸气的体积增大时，管里蒸气分子的密度将减小，

这时管里的蒸气将由饱和状态变为未饱和状态，于是液体继续蒸发，直到未饱和蒸气成为饱

和蒸气为止；由于温度不变，饱和蒸气的密度跟原来的一样，所以压强不变。当水银面

图3图4图5

上方蒸气的体积减小时，管里蒸气分子的密度将增大，回到液体中的分子数多于从液

面飞出的分子数，于是一部分蒸气变成液体，直到蒸气的密度减小到等于该温度下饱和蒸气

的密度为止；同样由于温度不变，饱和蒸气的密度跟原来的一样，所以压强也不变。

3.空气的湿度

空气的湿度可用空气中水蒸气的密度，即每立方米空气中水蒸气的质量来表示。由于

直接测量空气中水蒸气的密度比较困难，而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大，所以

通常用空气中水蒸气所产生的压强来表示空气的湿度，叫做空气的绝对湿度。

（1）绝对湿度：空气中水蒸气所产生的压强叫做空气的绝对湿度。

绝对湿度常用百帕（hPa）为单位。例如：空气中水蒸气的压强是2.0X10,Pa,空气

的绝对湿度就是20hPao

许多跟湿度有关的现象并不只决定于空气的绝对湿度，主要是看空气中的水蒸气离饱

和状态远近的程度。表6-6是不同温度下水的饱和蒸气压强表。(教师介绍讲解)

例如夏日中午的气温较高，设为29C,如果空气的绝对湿度为21hPa,这时人们会感

到干燥，查表6-6可知，29℃时的饱和蒸气压是40.04hPa,说明这时的绝对湿度离饱和状

态较远。到了夜间，假若气温降到2()°C,它所对应的饱和水蒸气压强为23.38hPa,这时若

绝对湿度不变，但因离饱和状态较近，人们感到湿润。所以，在研窕空气的湿度时，单用绝

对湿度是不够的，还需要引入一个能表示空气中水蒸气离饱和状态远近的物理量一一相对湿

度：某温度时空气的绝对湿度跟同•温度时饱和水蒸气压强的百分比，叫做该温度时空气的

相对湿度。

衰，-6惚和水奈气的压■与■度的关奈

温度，/七忸和蒸气氐淙度饱和蒸气压1温度“七饱和蒸气压

P/P.P/P61p.m

-15.68x1O3101.228x10，222.643xl0J

06.11x1O1111.312xlO1283.779xtO,

i6.57x1OJ121.402x10’294.004x10'

27.OxIO1131.479x10*304.242x101

37.58x10s141.598x10,314.492x10s

48.13x10，151.705x10'324.753xtOs

58.72xIO1161.817x10J501.233x10*

69.34x10'17L937xl。'601.991x】0’

7I.001xlO,182.064xIO5703.115x10’

81.073xiO,192.197x10'804.733x104

91.148x101202.338x10J907.009x10’

(2)相对湿度：某温度时空气的绝对湿度跟同一温度时饱和水蒸气压强的百分比，叫

做该温度时空气的相对湿度.相对湿度常简称为湿度。

如果在某温度下，空气的水蒸气压强用p表示，同一温度时饱和蒸气压强用pw表示，

相对湿度用8表示，那么

B=—2-xlOO%

〃饱和

例题1当夏日中午的气温为30C时，如果空气的绝对湿度为21hPa,到了夜间，假

若气温降到20℃,空气的绝对湿度不变，求中午、夜间的相对湿度。

解由表77查得，气温为30℃、2（）℃时•，水的饱和蒸气压强分别为内和尸42.41hPa,

内和2=26.43hPa,贝!中午、夜间的相对湿度分别为

£=—^―x100%=-^―x100%=49.5%

〃饱和II42.41

G1

B,=—^―x100%=-------x100%=89.8%

P饱和223.38

不同温度下的水的饱和蒸气压强可以从表6-3得到。这样，如果知道了空气的绝对湿度，

利用上面的公式就可以求出空气的相对湿度。反过来，如果知道了空气的相对湿度，也可算

出空气的绝对湿度。

在住人的房间里，空气的相对湿度为40%〜70%时，大的感觉比较舒适。水稻在抽穗扬花

期，最适宜的相对湿度是70$〜80机

*4.露点

使空气中未饱和水蒸气变成饱和水蒸气的温度叫露点。

露珠的形成：空气中含有一定的水蒸气，在夜晚温度卜.降到空气的露点或露点以卜时,

水蒸气分子就会凝结在草木上面形成露珠。

*5.湿度的测量

（1）干湿球湿度计

干湿球湿度计测量结果较准确，但受气温的影响较大，结冰期间不能用。

（2）毛发湿度计

这种湿度计读数方便，且不受气温的影响，结冰期间也可使用，缺点是精密度较差。

（三）小结

本节学习了饱和蒸气和未饱和蒸气的概念，学习了饱和蒸气压的概念、饱和汽压与温度、

体积的关系。还学习了绝对湿度和相对湿度的概念，相对湿度的计算。学习了湿度计的原理。

重点要掌握绝对湿度和相对湿度的概念，学会从数据表中查找数据，再通过公式计算出相对

湿度。

（四）作业布置

1.P1686、*7题2.《技术物理练习册》（第3版）相关习题

（五）教学说明

1.饱和蒸气、饱和气压的概念比较抽象，教学中可通过对敞口容器和密闭容器中液体的

汽化现象的分析引入汽液动态平衡的概念，建立饱和气、饱和气压的概念。通过动画片显示

动态平衡的微观景象，使抽象的分析变成直观的图样。

2.学生容易把饱和气当成理想气体去处理，教学中注意引导学生加以区别。

3.对绝对湿度和相对湿度概念的理解，应讲清为什么要用空气中水蒸气所产生的压强

来表示空气的湿度；要通过举例分析，引导学生从数据表中查找数据，计算出相对湿度。

6-4流体的连续性原理

一、教学目标

1.理解理想流体、定常流动、流量的概念。

2.掌握流体的连续性原理，会用连续性方程解决相关问题。

二、教学重点难点

重点:流体的连续性原理。

难点:理解理想流体、定常流动的概念。

三、教学器材

教学挂图。

四、教学建议

致法庭议

讲解法。

数学设计方案

（一）引入新课

往小河里扔几片树叶