第5节 分子热运动的统计规律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第5节　分子热运动的统计规律 核心素养导学 物理观念 (1)初步了解什么是统计规律。 (2)了解气体分子运动的特点。 科学思维 学会用图像分析分子运动的速率分布规律。 科学探究 用气体分子动理论解释有关的宏观现象，培养微观想象能力和逻辑思维。 科学态度与责任 通过对宏观现象与微观粒子运动规律的分析，渗透“通过现象看本质”的哲学思维方法。 一、统计规律 1．现象：做热运动的单个分子某一时刻的位置、速度都具有不确定性，但大量分子的整体表现却是有______的。 2．定义：统计规律是大量___________的整体性规律。 规律 偶然事件 二、分子运动速率分布 1．气体分子运动的特点 气体分子都在永不停息地做__________运动，每个分子的运动状态不断变化，每一时刻的运动情况完全是偶然的、不确定的。 2．分子运动速率分布图像 (1)气体分子速率分布图像，如图所示。 无规则 (2)分布规律：气体分子速率呈现“中间多，两头少”的正态分布规律。,1.下表为历史上某些统计学家以相同的方法抛掷硬币，出现正面朝上次数的统计表，从表中数据你能得出什么结论？ 提示：随着抛掷次数的增加，硬币出现正、反面朝上的概率是相等的。 实验者 抛掷次数 出现正面次数 棣莫佛 2 048 1 061 布丰 4 040 2 048 皮尔逊 12 000 6 019 皮尔逊 24 000 12 012 2.如图所示，瓶内装有一定质量的气体，如果环境温度逐渐升高，请对以下说法作出判断： (1)气体分子的速率大小基本上是均匀分布的，每个速率区间的分子数大致相等。 ( ) (2)气体内部所有分子的速率都随温度的升高而增大。 ( ) (3)温度升高时，气体分子的平均速率增大，但并不是每个分子的速率都增大。 ( ) × × √ 新知学习(一)|对统计规律的理解 [重点释解] 1．实验一：抛掷硬币 这些数据说明，某一事件的出现纯粹是偶然的，但大量的偶然事件却会表现出一定的规律。这种大量偶然事件表现出来的整体规律，叫作统计规律。 2．实验二：用伽尔顿板模拟分子的无规则运动 实验过程与现象： (1)从伽尔顿板的入口投入一个小球，该小球在下落过程中先后与许多小钉发生碰撞，最后落入某一个狭槽内，重复几次实验，可以发现小球每次落入的狭槽不完全相同。这表明，在每一次实验中，小球落入某个狭槽内的机会是偶然的(如图甲)。 (2)如果一次投入大量的小球，可以看到，落入每个狭槽内的小球数目是不相同的，在中央处的狭槽内小球分布的最多，离中央越远的狭槽内小球分布得越少，呈现一种“中间多，两头少”的分布规律(如图乙)。 [典例体验] [典例]　(多选)对于气体分子热运动服从统计规律的正确理解是(　 ) A．大量无序运动的气体分子组成的系统在总体上所呈现的规律性，称为统计规律 B．统计规律对所含分子数极少的系统仍然适用 C．统计规律可以由数学方法推导出来 D．对某些量进行统计平均时，分子数越多，出现的涨落现象越明显 [解析]　统计规律是对大量偶然事件而言的整体规律，对于少量的个别的偶然事件是没有意义的。个别的、少量的气体分子的运动规律是不可预知的，对于大量的气体分子的运动呈现出“中间多、两头少”的统计规律，所以选项A、D正确。 [答案]　AD [针对训练] 1．在研究热现象时，我们采用统计方法，这是因为 (　 ) A．每个分子的运动速率随温度的变化是有规律的 B．个别分子的运动也具有规律性，只是它对整体效果的影响不明显罢了 C．在一定温度下，大量分子的速率分布是确定的 D．在一定温度下，大量分子的速率分布也随时间而变化 解析：只有大量气体分子运动的速率分布才是有规律的，即遵守统计规律，而个别气体分子的运动速率在不停地变化，没有一定的规律，故C项正确。 答案：C　 2.伽尔顿板可以演示统计规律。如图，让大量小球从上方漏斗形入口落下，最终小球都落在槽内。重复多次实验后发现 (　 ) A．某个小球落在哪个槽是有规律的 B．大量小球在槽内的分布是无规律的 C．大量小球落入槽内后均匀分布在各槽中 D．越接近漏斗形入口处的槽内，小球聚集越多 解析：根据统计规律可知，某个小球落在哪个槽是无规律的，A错误；大量小球在槽内的分布是有规律的，离入口越近的地方小球分布越多，B错误；大量小球落入槽内后不能均匀分布在各槽中，而是越接近漏斗形入口处的槽内，小球聚集越多，C错误，D正确。 答案：D　 新知学习(二)|气体分子速率的分布规律 [任务驱动] 为什么说分子运动是杂乱无章的，但大量分子的运动会表现出一定的规律性？ 提示：气体分子的密度很大，分子之间频繁地碰撞，每个分子的速度大小和方向频繁地改变，所以分子的运动杂乱无章，在某一时刻，向着各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，所以说大量分子的运动会表现出一定的规律性。　　 [典例体验] [典例]　某种气体在不同温度下的气体分子速率分布曲线如图所示，图中f(v)表示v处单位速率区间内的分子数百分率，所对应的温度分别为TⅠ、TⅡ、TⅢ，则 (　 ) A．TⅠ>TⅡ>TⅢ B．TⅢ>TⅡ>TⅠ C．TⅡ>TⅠ，TⅡ>TⅢ D．TⅠ＝TⅡ＝TⅢ [解析]　对于同种气体，温度越高，气体分子的平均速率就越大。由图像可以看出，大量的分子的平均速率为vⅢ>vⅡ>vⅠ，因为是同种气体，对应的温度TⅢ>TⅡ>TⅠ，所以B正确，A、C、D错误。 [答案]　B /方法技巧/ 气体分子速率分布规律 (1)在一定温度下，所有气体分子的速率都呈“中间多、两头少”的分布规律。 (2)温度越高，速率大的分子所占比例越大。 (3)温度升高，气体分子的平均速率变大，但具体到某一个气体分子，速率可能变大也可能变小，无法确定。 [针对训练] 1．(多选)关于气体分子的运动情况，下列说法正确的是 (　 ) A．某一时刻具有任一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．某一时刻向任意一个方向运动的分子数目相等 D．某一温度下大多数气体分子的速率不会发生变化 解析：具有任一速率的分子数目并不是相等的，而是呈现“中间多、两头少”的分布规律，A错误；由于分子之间频繁地碰撞，分子随时会改变自己运动速度的大小和方向，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，B正确；虽然每个分子的速度瞬息万变，但是大量分子的整体存在着统计规律，由于分子数目巨大，在某一时刻向任意一个方向运动的分子数目只有很小的差别，可以认为是相等的，C正确；某一温度下，每个分子的速率仍然是瞬息万变的，只是分子运动的平均速率不变，D错误。 答案：BC　 2． (多选)某一气体在不同温度下的速率分布图像如图所示，下列判断正确的是 (　 ) A．T1＞T2 B．T1＜T2 C．两条图线和横轴所包围的面积一定相等 D．两条图线和横轴所包围的面积可能不等 解析：温度越高，分子的热运动越激烈，分子运动激烈是指速率大的分子占总分子数的比例大。温度为T2的图线，速率大的分子占总分子数的比例大，温度高；温度为T1的图线，速率大的分子占总分子数的比例小，温度低，故T1<T2，故A错误，B正确；图中两个状态下曲线与横轴包围的面积代表所有速率区间分子数占总分子数的百分率之和，都是1，则两条图线和横轴所包围的面积一定相等，C正确，D错误。 答案：BC　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——气体分子运动规律的理解 1．(选自鲁科版教材课后练习)(多选)下列有关气体分子运动的说法正确的是 (　 ) A．某时刻某一气体分子向左运动，则下一时刻它一定向右运动 B．在一个正方体容器里，任一时刻与容器各侧面碰撞的气体分子数目基本相同 C．当温度升高时，速率大的气体分子数目增多，气体分子的平均动能增大 D．气体分子速率呈现“中间多、两头少”的分布规律 解析：分子运动是杂乱无章的，无法判断分子下一时刻的运动方向，A错误；在任一时刻与正方体容器各侧面碰撞的气体分子数目基本相同，才能保证各侧面气体压强相同，B正确；当温度升高时，速率大的气体分子数目增多，平均速率及平均动能增大，C正确；气体分子速率呈现“中间多、两头少”的分布规律，D正确。 答案：BCD　 科学态度与责任——生活中正态分布的实例 2．(选自沪科版教材“课外活动”)麦克斯韦得出的气体分子速率分布规律并不神秘，它跟你的学习和生活十分接近。 如图所示是一条古老的石阶，它记录着千千万万人次的脚印。人们在这条石阶上走上走下时，脚踏在中间的多，踏在两边的少，因此每一个台阶的中间都比两边磨损得多，显出正态分布的特征。 请寻找其他具有正态分布特征的实际例子。 提示：(1)对年级学生的身高进行统计，会呈现“中间多，两头少”的正态分布规律。 (2)对年级全体同学期末考试成绩进行统计，会呈现“中间多，两头少”的正态分布规律。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．夏天开空调，冷气从空调中吹进室内，则室内气体分子的 (　 ) A．热运动剧烈程度加剧 B．平均动能变大 C．每个分子速率都会相应地减小 D．速率小的分子数所占的比例升高 解析：冷气从空调中吹进室内，室内温度降低，分子热运动剧烈程度减小，分子平均动能减小，即速率小的分子数所占的比例升高，但不是每个分子的速率都减小，D项正确。 答案：D　 2． (多选)如图为一定质量的某种气体在某两个确定的温度下，其分子速率的分布情况。下列说法正确的是 (　 ) A．两种温度下的分子速率都呈“中间多、两头少”的分布 B．分子速率最大的分子数占的比例最大 C．图中的T1＜T2 D．温度越高，分子热运动越剧烈 解析：由图可知，两种温度下的分子速率都呈“中间多、两头少”的分布，故A正确；随着分子速率的增加，分子数占比先增大后减小，故B错误；T1分子速率大的占比比T2小，因此T1＜T2，故C正确；温度升高，分子速率大的占比增加，从而使分子平均动能增加，分子热运动也就越剧烈，故D正确。 答案：ACD　 实验者 抛掷次数m 出现正面的次数n 出现正面的频率 棣莫佛 2 048 1 061 0.518 1 布丰 4 040 2 048 0.506 9 皮尔逊 12 000 6 019 0.501 6 皮尔逊 24 000 12 012 0.500 5 [重点释解] 1．大量气体分子的速率分布呈现中间多(速率中等的分子数目多)、两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。 2．当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动，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，分子的热运动更加剧烈。定量的分析表明：理想气体的热力学温度T与分子的平均动能k成正比，即T＝ak，因此说，温度是分子平均动能的标志。 $$