第15章 第2讲 气体、固体和液体(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考物理高三一轮总复习高效讲义

第2讲　气体、固体和液体 ► 对应学生用书P256 【备考目标】 　1.了解固体的微观结构，知道晶体和非晶体的特点。通过实例，了解液晶的主要性质及应用。2.观察液体的表面张力现象，了解表面张力产生的原因。知道毛细现象。3.了解气体实验定律，知道理想气体模型。能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。 考点一　固体、液体的性质　　　　　　　　　　　　　 1．固体 (1)分类及比较 　 晶体 非晶体 单晶体 多晶体 外形 有规则的几何形状 没有确定的几何形状 熔点 确定 不确定 物理性质 各向异性 各向同性 原子排列 有规则，但多晶体每个晶粒间的排列无规则 无规则 转化 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化 典型物质 石英、云母、明矾、食盐 玻璃、橡胶 (2)晶体的微观结构特点：组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列。 2．液体 (1)液体的表面张力 ①作用效果：使液面具有收缩的趋势。 ②方向：表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直。 (2)毛细现象：指浸润液体在细管中上升的现象，以及不浸润液体在细管中下降的现象。毛细管越细，毛细现象越明显。 3．液晶 (1)具有液体的流动性。 (2)具有晶体的光学各向异性。 【教材链接·小练】 (人教版选择性必修第三册改编)如图所示，把玻璃管的裂口放在火焰上烧熔，它的尖端就变钝了。产生这一现象的原因是？ 提示：熔化的玻璃表面分子间表现为引力，使其表面绷紧。 1．对晶体和非晶体的理解 (1)单晶体具有各向异性，但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。 (2)只要是具有各向异性的固体必定是晶体，且是单晶体。 (3)只要是具有确定熔点的固体必定是晶体，反之，必是非晶体。 2．对液体表面张力的理解 形成原因 表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力表现为引力 表面特性 表面层分子间的引力使液面产生了表面张力，使液体表面好像一层绷紧的弹性薄膜，分子势能大于液体内部的分子势能 表面张力 的方向 和液面相切，垂直于液面上的各条分界线 表面张力 的效果 表面张力使液体表面具有收缩的趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小 1．(2023·哈尔滨三中模拟)显微镜下铝­锂­锰合金的断裂面如图所示，它是由许多细小的晶粒组成的，由于这些小的单晶体的取向杂乱无章，我们把金属称为多晶体。多晶体仍保留着与单晶体相同的特征是(　　) A．一定压强下确定的熔点 B．规则的几何形状 C．显示各向异性 D．显示各向同性 解析：选A。晶体分为单晶体和多晶体，只有单晶体具有规则的几何外形，物理性质表现为各向异性，而多晶体是由许多小晶粒杂乱无章的排列构成的，因而多晶体没有规则的几何外形，物理性质表现为各向同性，晶体在一定压强下都有确定的熔点。故A正确。 2．复旦大学物理系课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷，并成功制备了半导体测试材料。已知黑磷是有黑色金属光泽的半导体，是白磷在很高压强和较高温度下转化形成的。黑磷的微观结构如图所示，下列说法正确的是(　　) A．黑磷是晶体材料 B．黑磷和白磷是同位素 C．黑磷没有固定的熔点 D．黑磷的微观各层结构都不同，每层内部结构松散 解析：选A。黑磷的微观结构呈现规则排列，具有空间上的周期性，属于晶体材料，因而具有固定的熔点，故A正确，C错误；质子数(即原子序数)相同，而中子数不同的元素互称同位素，白磷和黑鳞属于同素异形体，不属于同位素，故B错误；黑磷的微观各层结构都相同，每层内部结构紧密，故D错误。 3．两端开口、粗细相同的洁净玻璃管A和塑料管B竖直插入水中，管中液面的高度如图所示，则(　　) A．A中是毛细现象，B中不是毛细现象 B．A中是不浸润现象，B中是浸润现象 C．B壁附近水分子间的作用力表现为引力 D．只减小两管的直径，管中的液面均上升 解析：选C。浸润液体在细管中上升和不浸润液体在细管中下降的现象都是毛细现象，A、B错误；B壁附近水分子间距大，表现为引力，C正确；细管越细，毛细现象越明显，只减小两管的直径，A管液面上升，B管液面下降，D错误。 考点二　气体压强的计算及其微观解释 　　　　　　　　　　　　　　　　 1．气体压强的计算 (1)活塞模型 如图所示是最常见的封闭气体的两种方式。 求气体压强的基本方法：先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程。 图甲中活塞的质量为m，活塞横截面积为S，外界大气压强为p0。由于活塞处于平衡状态，所以p0S＋mg＝pS，则气体的压强为p＝p0＋。 图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S，则气体压强为p＝p0－＝p0－ρ液gh。 (2)连通器模型 如图所示，U形管竖直放置。同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和A的压强关系可由图中虚线联系起来。则有pB＋ρgh2＝pA，而pA＝p0＋ρgh1，所以气体B的压强为pB＝p0＋ρg(h1－h2)。 2．气体压强的微观解释 (1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的压力。 (2)决定因素(一定质量的某种理想气体) ①宏观上：决定于气体的温度和体积。 ②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度。 考向1　计算气体的压强 1．如图，汽缸放置在水平地面上，用质量为m1、截面积为S的活塞封闭一定质量的气体。活塞上放置一个质量为m2的重物，不计摩擦，重力加速度为g，大气压强为p0，平衡时缸内气体的压强为(　　) A．p0 B．p0＋ C．p0＋ D．p0＋ 解析：D。设平衡时缸内气体的压强为p，对活塞受力分析，有pS＝p0S＋(m1＋m2)g，解得p＝＝p0＋，故D正确。 2．如图所示，竖直圆筒是固定不动的，粗筒的横截面积是细筒的3倍，细筒足够长，粗筒中A、B两轻质活塞间封有气体，气柱长L＝20 cm；活塞A上方的水银深H＝10 cm，两活塞与筒壁间的摩擦不计，用外力向上托住活塞B，使之处于平衡状态，水银面与粗筒上端相平；现使活塞B缓慢上移，直至水银的一半被推入细筒中。若大气压强p0相当于75 cm高的水银柱产生的压强，则此时封闭气体的压强为(　　) A．95 cmHg B．90 cmHg C．85 cmHg D．100 cmHg 解析：选A。当有一半的水银推入细筒中时，由于粗筒横截面积是细筒横截面积的3倍，因此细筒中水银高度为×3＝15 cm，活塞A上方水银柱的总高度h＝15 cm＋＝20 cm，因为活塞A的重力不计，所以气体的压强p＝p0＋ρgh＝95 cmHg，故A正确。 考向2　气体压强的微观解释 3．(多选)甲、乙两个密闭的容器中分别装有等质量的同种气体，两容器的容积分别为V甲、V乙，两容器中气体的压强分别为p甲、p乙，已知V甲>V乙，p甲＝p乙，则下列说法正确的是(　　 ) A．两容器中气体温度相同 B．甲容器中气体分子的平均速率较大 C.乙容器中气体分子与器壁的平均撞击力较小 D．甲容器中气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数较多 解析：选BC。因为V甲>V乙，p甲＝p乙，根据＝C，可知T甲>T乙，则甲容器中气体分子的平均速率较大，选项A错误，B正确；乙容器中气体温度较低，分子平均速率较小，则分子与器壁的平均撞击力较小，又p甲＝p乙，则乙容器中气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数较多，选项C、D错误。 考点三　气体实验定律与理想气体状态方程 　　　　　　　　　　　　　　　　 1．理想气体 (1)宏观上，理想气体是指在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体。 (2)微观上，理想气体的分子无其他作用力，即分子间无分子势能。 2．气体实验定律 玻意耳定律 查理定律 盖­吕萨克定律 内容 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 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 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 表达式 p1V1＝p2V2 ＝ ＝ 图像 3.理想气体的状态方程 一定质量的理想气体状态方程：＝或 ＝C(常数)。 【真题衍生·小练】 (2022·海南高考改编)足够长的玻璃管水平放置，用长19 cm的水银封闭一段长为25 cm的空气柱，大气压强为76 cmHg，环境温度为300 K，将玻璃管缓慢顺时针旋转到竖直，则： (1)空气柱长度变为________cm。 (2)当气体温度变为360 K时，空气柱长度变为________cm。 提示：(1)以封闭气体为研究对象，气体做等温变化，设玻璃管横截面积为S 玻璃管水平时p1＝76 cmHg，V1＝25S 玻璃管竖起来后 p2＝19 cmHg＋76 cmHg＝95 cmHg，V2＝LS 根据p1V1＝p2V2 解得L＝20 cm。 (2)空气柱长度为20 cm 由等压变化得＝ 其中T1＝300 K，V2＝20S，V3＝LS 解得L＝24 cm。 1．理想气体状态方程与气体实验定律的关系 2．气体实验定律的推论 (1)查理定律的推论：Δp＝ΔT。 (2)盖­吕萨克定律的推论：ΔV＝ΔT。 3．利用气体实验定律解决问题的基本思路 考向1　气体实验定律 1．(2023·湖北高考)如图所示，竖直放置在水平桌面上的左、右两汽缸粗细均匀，内壁光滑，横截面积分别为S、2S，由体积可忽略的细管在底部连通。两汽缸中各有一轻质活塞将一定质量的理想气体封闭，左侧汽缸底部与活塞用轻质细弹簧相连。初始时，两汽缸内封闭气柱的高度均为H，弹簧长度恰好为原长。现往右侧活塞上表面缓慢添加一定质量的沙子，直至右侧活塞下降H，左侧活塞上升H。已知大气压强为p0，重力加速度大小为g，汽缸足够长，汽缸内气体温度始终不变，弹簧始终在弹性限度内。求： (1)最终汽缸内气体的压强。 (2)弹簧的劲度系数和添加的沙子质量。 解析：(1)对左、右汽缸内所封的气体 初态压强p1＝p0 体积V1＝SH＋2SH＝3SH 末态压强p2 体积V2＝S·H＋H·2S＝SH 根据玻意耳定律可得p1V1＝p2V2 解得p2＝p0。 (2)对右边活塞受力分析可知 mg＋p0·2S＝p2·2S 解得m＝ 对左侧活塞受力分析可知 p0S＋k·H＝p2·S 解得k＝。 答案：(1)p0　(2)k＝　m＝ 考向2　理想气体状态方程 2．如图所示，一粗细均匀的“山”形管竖直放置，A管上端封闭，B管上端与大气相通，C管内装有带柄的活塞，活塞下方直接与水银接触。A管上方用水银封有长度L＝10 cm的空气柱，温度t1＝27 ℃；B管水银面比A管中高h＝4 cm。已知大气压强p0＝76 cmHg。为了使A、B管中的水银面等高，可以用以下两种方法： (1)固定C管中的活塞，改变A管中气体的温度，使A、B管中的水银面等高，求此时A管中气体的热力学温度T2； (2)在温度不变的条件下，向上抽动活塞，使A、B管中的水银面等高，求活塞上移的距离ΔL。(结果保留一位小数) 解析：(1)设“山”形管的横截面积为S，对A部分气体，初态有 p1＝p0＋h＝76 cmHg＋4 cmHg＝80 cmHg 末态有p2＝76 cmHg 气柱长度为L＝10 cm，L′＝8 cm 根据理想气体状态方程＝ 故有＝ 解得T2＝ 228 K。 (2)由于T不变，对A部分气体根据玻意耳定律可得p1V1＝p3V3 即有p1LS＝p0L3S 解得L3≈10.53 cm 所以C管中水银长度的增加量为 ΔL＝4 cm＋0.53 cm＋0.53 cm≈5.1 cm 即活塞上移的距离为5.1 cm。 答案：(1)228 K　(2)5.1 cm 考点四　气体状态变化的图像问题 　　　　　　　　　　　　　　　 1．四种图像的比较 类别 特点(其中C为常量) 举例 p ­V pV＝CT，即p、V之积越大的等温线温度越高，线离原点越远 p ­ p＝CT，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高 p ­T p＝T，斜率k＝，即斜率越大，体积越小 V­T V＝T，斜率k＝，即斜率越大，压强越小 2.处理气体状态变化图像问题的技巧 (1)明确点、线的物理意义 点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态，它对应着三个状态参量；图像上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程。 (2)明确图像斜率的物理意义 在V­T图像(p ­T图像)中，比较两个状态的压强(或体积)大小，可以比较这两个状态到原点连线的斜率的大小，其规律是斜率越大，压强(或体积)越小；斜率越小，压强(或体积)越大。 (3)明确图像面积的物理意义 在图像中，p ­V图线与V轴所围面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。 考向1　p ­T图像 1．(2023·江苏高考)如图所示，密闭容器内一定质量的理想气体由状态A变化到状态B。该过程中(　　) A．气体分子的数密度增大 B．气体分子的平均动能增大 C．单位时间内气体分子对单位面积器壁的作用力减小 D．单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数减少 解析：选B。理想气体状态方程 ＝C→p＝·T 分子的数密度ρ数＝ ρ数不变，A错误； 考向2　p ­V图像 2．(2023·辽宁高考)“空气充电宝”是一种通过压缩空气实现储能的装置，可在用电低谷时储存能量、用电高峰时释放能量。“空气充电宝”某个工作过程中，一定质量理想气体的p ­T图像如图所示。该过程对应的p ­V图像可能是(　　) 解析：选B。根据题图可知，a到b为等压升温过程，根据＝C可知，压强不变，温度升高，则体积增大，p ­T图像中图线上的点与坐标原点连线的斜率与体积成反比，则b到c的过程，体积增大，则B正确，A、C、D错误。 考向3　V­T图像 3．(多选)如图所示，一定质量的理想气体，从状态A开始，经历了状态B、C，最后到状态D，下列说法正确的是(　　 ) A．A→B过程温度升高，压强不变 B．B→C过程体积不变，压强变小 C．B→C过程体积不变，压强不变 D．C→D过程体积变小，压强变大 解析：选ABD。由题图可知，AB为等压线，A→B的过程中，气体温度升高，压强不变，故选项A正确；在B→C的过程中，气体体积不变，温度降低，由＝C可知，气体压强变小，故选项B正确，C错误；在C→D的过程中，气体温度不变，体积变小，由＝C可知，气体压强变大，故选项D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$