第2章 1. 温度和温标-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 第二章 气体、 固体和液体 课 标 要 求 １. 了解固体的微观结构。 知道晶体和非晶体 的特点。 能列举生活中的晶体和非晶体。 通过实例， 了解液晶的主要性质及其在显 示技术中的应用。 2. 了解材料科学的有关知识及应用， 体会它 们的发展对人类生活和社会发展的影响。 3. 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。 4. 通过实验， 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。 知 识 结 构 提 纲 挈 领 本章是在 “第一章 分子动理论” 的基 础上， 研究物质在不同物态下的一些规律和 性质。 本章大致可划分为三个单元。 第一单 元是 “第 1 节 温度和温标”， 从宏观角度 研究热现象的相关物理概念 （系统、 系统的 状态参量、 平衡态、 热平衡、 判断热平衡的 物理量温度）、 描述测量温度的方法和工具 （温标和温度计）。 第二单元由 “第 2 节 气 体的等温变化” 和 “第 3 节 气体的等压变 气 体 分子平均动能的标志 物体的冷热程度 宏观表现 温 度 微观表现 一切热平衡的 两个系统具有 相同的温度 温度与热平衡 温度 和温 标 气体 实验 定律 及状 态方 程 T 不 变 ， 分 子 平 均 动能不变 ， V 变 大 ， 单 位 体 积 内 分 子 数 变小， p 变 小 等温 变化 玻意耳 定律 p 1 V 1 =p 2 V 2 微观 解释 零度： 一个标准大 气压下冰水混合物 的温度； 单位： ℃ 摄氏温度 /t -273.15 ℃ 为绝 对零度； 单位： K 热力学温度 /T T=t+273.15 K 两者关系 温 标 V 不 变 ， 单位体积 内分子数 不 变 ， T 变大 ， 分 子平均动 能 变 大 ， p 变大 等容 变化 查理定律 p 1 T 1 = p 2 T 2 微观 解释 T 变大 ， 分 子 平 均 动 能 变 大 ， 若 想 p 不 变 ， 单 位 体 积 内 分 子 数 就 得变小， V 变大 状态 方程 p 1 V 1 T 1 = p 2 V 2 T 2 等压 变化 盖 - 吕萨克 定律 V 1 T 1 = V 2 T 2 微观 解释 固 体 单晶体各向异性 多晶体各向同性 单晶体 多晶体 晶体 晶体有固定熔点， 非晶体无 固定熔点 非晶体 液 体 使液体表面积收缩到最小表面张力 具有液体的流动性 具有晶体的光学各向异性 液晶 22 学 第二章 气体、 固体和液体 化和等容变化” 组成， 研究气体在等温、 等 压和等容的状态下的变化规律， 概括得出了 理想气体的概念， 并通过 “专题二” 学习各 个状态参量都发生变化时的关系式， 即理想 气体的状态方程。 第三单元由 “第 4 节 固 体” 和 “第 5 节 液体” 组成， 从微观角度 研究固体和液体的一些性质， 如晶体及其微 观结构、 液体的表面现象和液晶等。 （ 1 ） 气体实验定律及状态方程的应用是本章 学习的重点也是难点。 突破难点的关键 是正确分析封闭气体初、 末状态的参 量， 准确分析各参量之间的制约关系， 其中求气体压强尤为关键。 学习过程中 要进一步领会力学的解题思路， 解决好 力热综合问题， 要由浅入深， 循序渐 进。 （ 2 ） 对 “固体” “液体” 这部分内容， 结合 实例考查晶体和非晶体特点及液体表面 张力产生的原因， 学会用表面张力解释 生活现象。 23 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 知 识 梳 理 知识点 1 状态参量与平衡态 1. 系统和热力学系统 （ 1 ） 在物理学中， 把所研究的对象称为系 统。 例如： 一瓶气体、 几个相互接触的 物体、 器皿中的液体与它上方蒸气的整 体等。 在热学中， 把某个范围内大量分 子组成的研究对象叫作热力学系统。 （ 2 ） 外界： 指系统之外与系统发生相互作用 的其他物体的统称。 2. 状态参量： 描述系统性质的物理量， 叫作 系统的状态参量。 常用的物理量有几何参 量体积 V 、 力学参量压强 p 、 热学参量温 度 T 。 3. 平衡态： 系统在没有外界影响的情况下， 经过足够长的时间， 各部分的状态参量达 到稳定的状态， 即宏观性质不再随时间变 化的稳定状态叫作平衡态。 知识点 2 热平衡与温度 1. 热平衡： 如果两个系统相互接触而传热， 这两个系统的状态参量将会互相影响而分 别改变。 经过一段时间， 各自的状态就不 再变化了， 这说明两个系统达到了平衡。 这种平衡叫作热平衡。 2. 热平衡定律： 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。 3. 温度： 表征互为热平衡系统的共同热学性 质的物理量。 （ 1 ） 温度的宏观解释： 温度和热平衡状态有 着密切关系， 各自处于热平衡状态的两 个系统， 相互接触时， 它们之间发生了 热量传递， 经过一定时间后， 各自原先 的平衡状态被破坏， 热量从高温系统传 递到低温系统， 并达到一个共同的稳定 状态， 即新的热平衡状态。 （ 2 ） 温度的微观解释： 温度仅由系统内部热 运动的状态来决定。 分子动理论表明， 温度越高， 分子做无规则热运动的程度 越剧烈。 知识点 3 温度计与温标 1. 温度计 用来测量物体 （系统） 温度的仪器叫作 温度计， 温度计的种类很多， 如水银温度 计、 电阻温度计、 气体温度计、 热电偶温度 计、 双金属温度计等。 2. 温标 （ 1 ） 如果要定量描述温度， 就必须有一套方 法， 这套方法就是温标。 （ 2 ） 摄氏温标： 一种常用的表示温度的方法， 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 ℃ 。 （ 3 ） 热力学温标： 现代科学中常用的表示温 度的方法， 规定摄氏温度的 -273.15 ℃ 为零值， 它的 1 度等于摄氏温度的 1 度。 1. 温度和温标 24 学 第二章 气体、 固体和液体 （ 4 ） 摄氏温度与热力学温度 ① 摄氏温度： 摄氏温标表示的温度， 用符号 t 表示， 单位为摄氏度， 符号为 ℃ 。 ② 热力学温度： 热力学温标表示的温度， 用 符号 T 表示， 单位为开尔文， 简称开， 符 号为 K 。 ③ 换算关系： T=t＋273.15 K 。 要 点 突 破 要点 1 平衡态与状态参量 1. 状态参量： 描述系统性质的物理量， 叫作 系统的状态参量。 常用的物理量有几何参 量体积 V 、 力学参量压强 p 、 热学参量温 度 T 。 2. 平衡态 （ 1 ） 定义： 系统在没有外界影响的情况下， 经过足够长的时间， 各部分的状态参量 达到稳定的状态， 即宏观性质不再随时 间变化的稳定状态叫作平衡态。 平衡态 是一种动态平衡， 组成系统的分子仍在 不停地做无规则运动， 只是分子运动的 平均效果不随时间变化， 表现为系统的 宏观性质不随时间变化。 （ 2 ） 特征： 系统所有性质都不随时间变化。 ① 系统内各部分的参量并不相同， 而且可能 正在变化， 然而在没有外界影响的情况 下， 只要经过足够长时间， 系统内各部分 的状态参量都会达到稳定的状态， 即达到 平衡态。 ② 把不同压强、 不同温度的气体混合在一个 容器中， 如果容器和外界没有能量交换， 经过一段时间， 容器内各点的温度、 压强 就会变得一样， 即会达到平衡态。 例 1 （多选） 下列各个状态中处于平衡态 的是 （ ） A. 将冰水混合物放在 0 ℃ 的房间里 B. 将铜块放在沸水中加热足够长时间 C. 电影院开空调 5 min 内放映厅内气体 D. 处于平衡态的系统其内部状态不再改变 解析： 冰水混合物放在 0 ℃ 的房间里， 其温 度、 压强、 体积都不再变化， 是平衡态， A 正确； 将铜块放在沸水中加热足够长时间， 其温度、 压强、 体积也不再变化， 是平衡 态， B 正确； 电影院开空调 5 min 内放映厅 内气体的温度 、 体积都要变化 ， 不是平 衡态 ， C 错误 ； 由平衡态的定义可知 ， D 正确。 答案： ABD 变式训练 1 （多选） 在热学中， 要描述一定质量的 气体的宏观状态， 需要确定下列哪些物理量 （ ） 系统处于平衡态时， 其状态参量稳 定不变， 所以考虑平衡态时， 要看状态 参量有没有稳定， 平衡态是一种动态平 衡， 组成系统的分子仍在不停地做无规 则运动， 只是分子运动的平均效果不随 时间变化， 表现为系统的宏观性质不随 时间变化。 注意与热平衡的区别， 平衡 态不是热平衡， 平衡态是对某一系统而 言的， 是系统的状态， 热平衡是对两个 接触的系统之间的关系而言的。 思路点拨 25 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 A. 每个气体分子的运动速率 B. 压强 C. 体积 D. 温度 要点 2 热平衡与温度 1. 热平衡： 两个相互接触的热力学系统的状 态参量不再变化。 2. 温度： 处于热平衡的两个系统必定具有相 同性质， 我们用温度来表征这个 “共同性 质”， 温度也可理解为物体的冷热程度。 （ 1 ） 一切达到热平衡的系统都具有相同的 温度。 （ 2 ） 若物体与 A 处于热平衡， 它同时也与 B 处于热平衡， 则 A 的温度等于 B 的温 度， 这就是温度计用来测量温度的基本 原理。 3. 平衡态与热平衡的区别 （ 1 ） 平衡态不是热平衡， 平衡态是对某一系 统而言的， 是系统的状态， 热平衡是对 两个接触的系统之间的关系而言的。 （ 2 ） 分别处于平衡态的两个系统在相互接触 时， 它们的状态可能会发生变化， 直到 温度相同时， 两个系统便达到了热平 衡。 温度是否相等是判断两系统是否达 到热平衡的唯一条件， 若温度相等， 则 两个系统已达到热平衡， 否则未达到热 平衡。 例 2 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. 冰水混合物处在 0 ℃ 的环境中处于热平 衡状态 C. 热平衡就是平衡态 D. 处于热平衡的几个系统的压强一定相等 解析： 一般来说， 描述系统的状态参量不止 一个， 根据平衡态的定义可知系统的所有性 质都不随时间变化， 系统才处于平衡态， A 选项仅仅提到温度， Ａ 错误； 冰水混合物的 温度为 0 ℃ ， 和环境的温度相同， 处于热平 衡状态， B 正确； 平衡态是针对某一系统而 言的， 热平衡是两个系统相互影响的最终结 果， C 错误； 根据热平衡的定义可知处于热 平衡的两个系统温度相同， D 错误。 答案： B 变式训练 2 如果两个系统通过相互作用， 实现了热 平衡， 那么这两个系统 （ ） A. 一定具有相同的压强 B. 一定具有相同的温度 C. 一定具有相同的体积 D. 一定具有相同的温度、 压强和体积 要点 3 温度计与温标 1. 常见温度计的测温原理 （ 1 ） 平衡态是指一个系统内部达到一种 动态平衡， 热平衡是指两个系统相 互作用达到某种平衡。 （ 2 ） 两种平衡都必须经过较长时间。 （ 3 ） 一切达到热平衡的系统都具有相同 的温度。 思路点拨 26 学 第二章 气体、 固体和液体 2. 两种温标 （ 1 ） 1848 年， 开尔文建立了热力学温标， 它 不依赖于测温物质的具体性质。 热力学 温标的零度 （ 0 K ） 是低温的极限， 永 远达不到。 它是国际单位制中七个基本 单位之一。 1960 年， 国际计量大会确 定了摄氏温标与热力学温标的关系。 （ 2 ） 摄氏温标和热力学温标的比较 例 3 （多选） 下列关于热力学温度的说法 正确的是 （ ） A. 热力学温度的零点是 -273.15 ℃ B. -136 ℃ 比 136 K 温度高 C. 摄氏温度与热力学温度都可能取负值 D. 温度由 t ℃ 升至 2t ℃ ， 对应的热力学温 度升高了 t+273 K 解析： 热力学温度的零点是 -273.15 ℃ ， A 正确； 由热力学温度与摄氏温度的关系 T=t＋ 273.15 K 可知， -136 ℃ 等于 137.15 K ， B 正 确； 对于摄氏温度可取负值范围为 -273～0 ℃ ， 因绝对零度达不到， 故热力学温度不可能取 负值， C 错误； 初态热力学温度为 t+273 K ， 末态热力学温度为 2t+273 K ， 故温度变化为 t ， D 错误。 答案： AB 变式训练 3 （ 多 选 ） 实 际应用中， 常用 到一种双金属温 度计。 它是利用 铜片和铁片压合 在一起的双金属片的弯曲程度随温度变化的 原理制成的， 已知甲图中双金属片被加热 时， 其弯曲程度增大， 则下列各种相关叙述 正确的是 （ ） 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. 由甲图可知， 铜的热膨胀系数大于铁的 热膨胀系数 D. 由乙图可知， 双金属片的内层一定为铜， 外层一定为铁 名称 测温原理 水银温度计 根据水银的热胀冷缩的性质来测 量温度 电阻温度计 根据金属的电阻随温度的变化来 测量温度 气体温度计 根据气体压强随温度的变化来测 量温度 热电偶温度计 根据不同导体因温差产生电动势 的大小不同来测量温度 双金属温度计 利用热膨胀系数不同的铜和铁制 成的双金属片的弯曲程度随温度变 化的原理测量温度 摄氏温标 热力学温标 名称 / 符号 摄氏温度 /t 热力学温度 /T 单位 / 符号 摄氏度 /℃ 开尔文 /K 零度的规定 一个标准大气 压下冰水混合 物的温度 －273.15 ℃ ， 这个温度 又叫绝对零度， 是低 温的极限 两者关系 ①T＝t＋273.15 K ， 粗略表示为 T＝t＋273 K ②ΔT＝Δt ， 即升高或降低 1 K 与升高 或降低 1 ℃ 是相同的 摄氏温标和热力学温标是温度的两 种表示法， 定量关系为 T=t＋273 K ， 升高 或降低 1 K 与升高或降低 1 ℃ 是相同的。 思路点拨 变式训练 3 题图 铁 铜 甲 乙 固定点 双金 属片 27 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 拓 展 创 新 温 标 温标是为了保证温度量值的统一和准确 而建立的一个用来衡量温度的标准尺度， 温 标是用数值来表示温度的一套规则。 分华氏 温标、 摄氏温标、 热力学温标。 华氏温标： 华伦海特最初所制的水银温 度计是在北爱尔兰最冷的某个冬日， 水银柱 降到最低的高度定为 0 度。 他把妻子的体温 定为 100 度， 然后再把这段区间的长度均分 为 100 份， 每一份叫 1 度。 这就是最初的华 氏温标。 显然， 认定气温和人的体温作为测 温质的标准点并在此基础上分度是不妥当 的。 后来， 华伦海特改进了他创立的温标， 把冰、 水、 氯化铵和氯化钠的混合物的熔点 定为 0 度， 用 0 °F 表示， 把冰的熔点定为 32 °F ， 把水的沸点定为 212 °F ， 在 32~212 的间隔内均分 180 等份， 这样， 参考点就有 了较为准确的客观依据。 这就是现在仍在许 多国家使用的华氏温标。 摄氏温标： 后来安德斯·摄耳修斯也用 水银作测温质， 以冰的熔点为 0 度 （标以 0 ℃ ）， 以水的沸点为 100 度 （标以 100 ℃ ）。 他认定水银柱的长度随温度作线性变化， 在 0 度和 100 度之间均分成 100 等份， 每一份 也就是每一个单位叫 1 摄氏度。 这种规定办 法就叫摄氏温标。 华氏温度计和摄氏温度计使用的是同种 测温质 （水银 ）， 利用了同样的测温特性 （水银柱热胀冷缩）。 但由于规定的标准点和 分度单位不同， 就造成了两种不同的温标， 从而产生了两种不同的温度的数值。 热力学温标： 为了结束温标上的混乱局 面， 开尔文 （即威廉·汤姆孙） ——这位热 力学第二定律的创始人， 创立了一种不依赖 任何测温质 （当然也就不依赖任何测温质的 任何物理性质） 的绝对真实的绝对温标， 也 叫开氏温标或热力学温标。 开氏温标是根据 卡诺循环定出来的， 以卡诺循环的热量作为 测定温度的工具， 即热量起着测温质的作 用。 正因为如此， 我们又把开氏温标叫作热 力学温标。 卡诺循环描绘了理想热机的基本 图案， 具有巨大的理论意义。 卡诺循环像迷 雾中的灯塔， 给出了热机效率的上限。 变式训练答案 1. BCD 2. B 3. ABC 2. 气体的等温变化 知 识 梳 理 知识点 1 实验： 探究气体等温变化的 规律 1. 实验目的 探究一定质量气体的等温变化的规律。 2. 实验原理 针对气体的研究， 先选定一个热力学系 统， 比如一定质量的空气， 在温度不变的情 况下， 测量气体在不同体积时的压强， 再分 析气体压强与体积的关系。 本实验利用如图所示的装置 （气体定律 28