2.1 温度和温标（备课堂课件）-【上好课】2020-2021学年高二物理同步备课系列（新教材人教版选择性必修第三册）

物理选择性必修第三册 第二章 气体液体固体 第一节 温度和温标 1.知道系统的状态参量及平衡态. 2.明确温度的概念，知道热平衡定律及其与温度的关系. 3.了解温度计的的原理，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系. 学习目标 新知导入 假如一个容器用挡板K隔开，容器中的气体被分为A、B两部分，它们的压强分别为PA、PB，温度分别为TA、TB。打开挡板K后，如果容器与外界没有能量交换，经过一段时间后，容器内的气体会是什么状态？ 新知讲解 一、状态参量与平衡态 1、系统：在物理学中，通常把研究的对象称为系统． 系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称为外界（或环境）。在物理学研究中，对系统内部问题，往往采取“隔离”分析方法，对系统与外界的相互作用问题，往往采取“整体”分析的方法． 容器和酒精灯就是外界 新知讲解 2、状态参量 ： 描述物质系统状态的宏观物理量叫做状态参量 物理学中，需要研究系统的各种性质，包括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质等等。为了描述系统的状态，需要用到一些物理量。 系统间力的作用用压强P 力学参量 几何参量 确定系统冷热程度用温度T 热学参量 容积为100L 温度为20oC 确定空间范围用体积V 状态参量 新知讲解 冷空气 在有外界作用时，系统中各部分也可能达到稳定状态，但并非为平衡态。平衡态对应的是无外界影响下的状态。 由于分子做无规则的热运动，在这样的条件下达到的平衡往往整体平衡局部不平衡，且达到的平衡态具有一定的不稳定性，存在一定的起伏。这样的平衡称为动态平衡。 热水 热水 温空气 热水 温水 非平衡态 平衡态 3、平衡态：系统所有宏观性质不随时间变化时状态称之为平衡态 新知讲解 注意： ①平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。 ②类似于化学平衡，热力学系统达到的平衡态也是一种动态平衡。 ③处于平衡态的系统各处温度相等，但温度各处相等的系统未必处于平衡态。 课堂练习 例1：在热学中，要描述一定气体的宏观状态，需要确定下列哪些物理量( ) A．每个气体分子的运动速率 B．压强 C．体积 D．温度 气体的压强、体积、温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观状态的三个状态参量． BCD 描述系统的宏观状态，其参量是宏观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不是气体的宏观状态参量． 新知讲解 1.热平衡：两个系统发生热传递，最后它们各自的状态参量不再变化，达到相对稳定状态，也就说明他们已经具有了某种共同的性质，这时候我们就说它们达到了热平衡状态。 二、热平衡与温度 新知讲解 热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。因此可以说，只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的。 甲 T甲 乙 T乙 T甲=T乙 新知讲解 2、热平衡定律(又叫热力学第零定律)： 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律。 新知讲解 3、温度：两个系统处于热平衡时，它们具有一个“共同热学性质”。我们就把表征这一“共同热学性质”的物理量定义为温度。 温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量，它的特征就是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”这就是常用温度计能够用来测量温度的基本原理。 水银温度不再升高，这个系统达到平衡态 水的温度不再升高，这个系统达到平衡态 这两个系统达到热平衡 新知讲解 系统达到热平衡的宏观标志就是温度相同，若温度不同即系统处于非平衡态，则系统一定存在着热交换。 k 10oC 50oC 课堂练习 例2：一金属棒的一端与0℃冰接触，另一端与100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度不变．问当经过充分长时间后，金属棒所处的状态是否为热平衡态?为什么? 解析：因金属棒一端与0℃冰接触，另一端与100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度不变时，金属棒两端温度始终不相同，虽然金属棒内部温度分布处于一种从低到高逐渐升高稳定状态，但其内部总存在着沿一定方向的能量交换，所以金属棒所处的状态不是平衡态。 答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存在能量交换． 新知讲解 1、温标：定量描述温度的方法称为温标。 （1）温标的建立包含三个要素： ①选择温度计中用于测量温度的物质，即测温物质； ②对测温物质的测温属性随温度变化规律的定量关系作出某种规定； ③确定固定点即温度的零点和分度方法。 三、温度计与温标 新知讲解 （2）两种温标： ①摄氏温标：一种常用的表示温度的方法，这种温标规定标准大气压下冰的熔点为0℃，水的沸点为100℃。在0℃和100℃之间均匀分成100等份，每份算作1℃。 ②热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法，这种温标规定摄氏温度的－273.15℃为零值。 新知讲解 2、摄氏温度与热力学温度： (2)热力学温度：用热力学温标表示的温度叫做热力学温度，它是国际单位制中七个基本物理量之一。用符号T表示 。单位：开尔文，简称开，符号为K。 (3) 摄氏温度t与热力学温度T的换算关系： T＝t+273.15（K） (1)摄氏温度：用摄氏温标表示的温度叫做热力学温度，用符号t表示。单位：摄氏度，符号为℃。 新知讲解 (4)注意： ①摄氏温标的单位“℃”是温度的常用单位，但不是国际制单位，温度的国际制单位是开尔文，符号为K。在今后各种相关热力学计算中，一定要牢记将温度单位转换为热力学温度即开尔文； ②由T＝t+273.15 K可知，物体温度变化1℃与变化1 K的变化量是等同的，但物体所处状态为1℃与1 K是相隔甚远的。 课堂练习 例3．关于热力学温度和摄氏温度，以下说法中正确的是( ) A．热力学温度的单位“K”是国际单位制中个基本单位之一 B．温度升高了1℃就是升高了1K C．物体的温度由本身决定，数值与所选温标无关 D．0℃ 的温度可用热力学温度粗略地表示为273K ABD 拓展提高 常见温度计的测温原理 名 称 原 理 水银温度计 根据水银的热膨胀性质来测量温度的 金属电阻温度计 根据铂的电阻随温度的变化来测量温度的 气体温度计 根据气体的压强随温度的变化来测量温度的 热电偶温度计 根据不同导体因温差产生电动势的大小来测量温度的 1.(平衡态)如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的 A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化 B.温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的 C.温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固” 　状态 D.温度、压强稳定，但体积仍可变化 1 2 3 随堂演练 4 √ 1 2 3 4 解析　如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量如温度、压强和体积等不再随时间发生变化. 温度达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态. 2.(热平衡与温度)(多选)下列说法正确的是 A.放在腋下足够长时间的水银体温计中的水银与人体达到热平衡 B.温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡 C.若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡 D.两物体温度相同，可以说两物体达到了热平衡 1 2 3 4 √ √ √ 1 2 3 4 解析　当温度计的液泡与被测物体紧密接触时，如果两者的温度有差异，它们之间就会发生热传递，高温物体将向低温物体传热，最终使二者的温度达到相等，即达到热平衡，故A、D正确； 两个物体的温度相同时，不会发生热传递，已经达到热平衡，故B错误； 若a与b、c分别达到热平衡，三者温度一定相等，所以b、c之间也达到了热平衡，故C正确. 3.(温度和温标)(多选)关于温度与温标，下列说法正确的是 A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法 B.水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 K C.水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到 　373.15 K D.温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度由T升到2T 1 2 3 4 √ √ √ 解析　温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，选项A正确； 根据T＝t＋273.15 K可知，100 ℃相当于热力学温度373.15 K，水从0 ℃升高到100 ℃，即从273.15 K升高到373.15 K； 温度由摄氏温度t升高到2t，对应的热力学温度从T＝t＋273.15 K升高到2t＋273.15 K，选项B、C正确，D错误. 1 2 3 4 1 2 3 4 4.(温度计)(多选)伽利略在1593年制造了世界上第一个温度计——空气温度计，如图2所示，一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，细管中的液面清晰可见，如果不考虑外界大气压的变化，就能根据液面的变化测出温度的变化，则 A.该温度计的测温物质是槽中的液体 B.该温度计的测温物质是细管中的红色液体 C.该温度计的测温物质是球形瓶中的空气 D.该温度计是利用测温物质的热胀冷缩的性质制造的 图2 √ √ 1 2 3 4 解析　细管中的红色液体是用来显示球形瓶中空气的体积随温度变化情况的，测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用空气的热胀冷缩的性质制造的，故A、B错误，C、D正确. 考点一　平衡态与热平衡 1.(多选)下列说法正确的是 A.只有处于平衡态的系统才有状态参量 B.状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统状态变化时，其各个 　状态参量都会改变 C.两物体发生热传递时，两系统处于非平衡态 D.0 ℃的冰水混合物放入0 ℃的环境中，冰水混合物处于平衡态 基础对点练 课时对点练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析　状态参量是描述系统状态的物理量，与系统是否处于平衡态无关，且系统状态变化时，不一定各个状态参量都改变，A、B错误； 处于热传递过程中的两系统处于非平衡态，C正确； 0 ℃的冰水混合物放入0 ℃的环境中，其温度、压强、体积都不再变化，冰水混合物处于平衡态，D正确. 2.(多选)关于平衡态和热平衡，下列说法正确的是 A.只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态 B.两个系统在接触时它们的状态不发生变化，说明这两个系统原来的温 　度是相等的 C.热平衡就是平衡态 D.处于热平衡的几个系统的温度一定相等 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 解析　描述系统的状态参量不止一个，仅仅根据温度不变且处处相等，不能得出系统一定处于平衡态的结论，A错误； 根据热平衡的定义可知，B、D正确； 平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个接触的系统相互影响的最终结果，C错误. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3.(多选)两个原来处于热平衡状态的系统，分开后，由于受外界的影响，其中一个系统的温度升高了5 K，另一个系统的温度升高了5 ℃，则下列说法正确的是 A.两个系统不再是热平衡状态 B.两个系统此时仍是热平衡状态 C.两个系统的状态都发生了变化 D.两个系统的状态都没有发生变化 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析　由于两个系统原来处于热平衡状态，温度相同，当分别升高5 ℃和5 K后，温度仍相同，两个系统仍为热平衡状态，故A错误，B正确； 由于温度发生了变化，系统的状态也发生了变化，故C正确，D错误. 考点二　温度、温度计与温标 4.(多选)关于温度的物理意义，下列说法中正确的是 A.温度是物体冷热程度的客观反映 B.人如果感觉到某个物体很凉，就说明这个物体的温度很低 C.人如果感觉到某个物体很热，就说明这个物体的温度很高 D.达到热平衡的两个系统温度相同 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析　温度是表示物体冷热程度的物理量，但人们对物体冷热程度的感觉具有相对性，A正确，B、C错误； 温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量，两系统达到热平衡，则温度相同，D正确. 5.(2020·南京市中华中学高二月考)强子对撞机加速器工作时，需要注入约1万吨液氮对电路进行冷却，冷却的最低温度可达到零下271摄氏度，这时该温度用热力学温标来表示为 A.2 K B.271 K C.4 K D.0.1 K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 解析　由热力学温标与摄氏温标的关系式T＝t＋273 K和t＝－271 ℃得T＝2 K，A正确. 6.冬天，内蒙古的气温最低可达－42 ℃，为了测量那里的气温应选用(已知水银的熔点是－39.3 ℃；酒精的熔点是－114 ℃) A.水银温度计 B.酒精温度计 C.水温度计 D.体温计 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 解析　水银的熔点是－39.3 ℃，低于－39.3 ℃时水银会凝固. 而酒精的熔点是－114 ℃. 水在零度就结冰，而体温计的测量范围为35～42 ℃，所以只能选B. 7.(多选)下列关于热力学温度的说法中，正确的是 A.热力学温度的零度是－273.15 ℃ B.热力学温度的每一度的大小和摄氏度是相同的 C.绝对零度是低温的极限，永远达不到 D.1 ℃就是1 K √ 解析　热力学温度的零度是所能无限接近的绝对零度，此温度不可达到，为－273.15 ℃，故A、C正确； 摄氏温度与热力学温度的差别为所选的零值的起点不同，单位不同，但每一度表示的冷热差别是相同的(ΔT＝Δt)，故B正确； 在数值上T＝t＋273.15 K，所以1 ℃对应274.15 K，故D错误. √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8.(多选)严冬，湖面上结了厚厚的冰，但冰下鱼儿仍在游动.为了测出冰下水的温度，徐强同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，用下列四种方法测水温，正确的做法是 A.用线将温度计拴牢从洞中放入水里，待较长时间后从水中提出，读出温度 计的示数 B.取一空的塑料饮水瓶，将温度计悬吊在瓶中，再将瓶拴住从洞中放入水里， 水灌满瓶后待较长时间，然后将瓶提出，立即读出温度计的示数 C.若温度计显示的示数为摄氏温度4 ℃，即热力学温度4 K D.若温度计显示的示数为摄氏温度4 ℃，即热力学温度277.15 K √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 能力综合练 解析　要测量冰下水的温度，必须使温度计与冰下的水达到热平衡时，再读出温度计的示数，但因隔着冰无法直接读数，把温度计取出来，显示的也不再是原热平衡状态下的温度，故选项A错误，B正确. T＝t＋273.15 K＝277.15 K，故选项C错误，D正确. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9.(多选)实际应用中，常用到一种双金属温度计，它是利用铜片与铁片压合在一起的双金属片的弯曲程度随温度的变化而变化的原理制成的，如图1甲中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有 A.该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系 　数不同的金属 B.双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性 　质来工作的 C.由图甲可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数 D.由图乙可知，双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图1 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 解析　双金属温度计是利用热膨胀系数不同的铜、 铁两种金属制成的，双金属片的弯曲程度随温度 变化而变化，A、B正确； 题图甲中，加热时，双金属片弯曲程度增大，即 进一步向上弯曲，说明双金属片下层热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数较大，C正确； 题图乙中，温度计示数是沿顺时针方向增大的，说明当温度升高时温度计指针沿顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D错误. 课堂总结 温度和温标 热力学概念 热平衡 状态参量 热力学概念 热平衡定律 温度 温度计 温标 $