第1章 第三节 气体分子运动的统计规律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第三节　气体分子运动的统计规律 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 能从宏观和微观的视角综合分析物理问题。 科学态度与责任 感受常规方式认识微观世界的微妙，渗透通过现象看本质的哲学思维方法。 1 一、分子沿各个方向运动的概率相等 1．统计规律 (1)现象：个别事件的出现具有________，但大量的偶然事件却会表现出必然的规律。 (2)定义：大量事件出现的_____遵从一定的统计规律。 随机性 概率 2．气体分子运动的特点 自由性 气体分子间距离比较大，分子间的作用力很弱，除相互碰撞或跟器壁碰撞外，可以认为分子不受力而做___________运动，因而气体能充满它能达到的整个空间 随机性 分子之间频繁地发生碰撞，使每个分子的速度大小和方向频繁地改变，分子的运动杂乱无章 规律性 某一时刻某个分子的速度大小和方向完全是随机的，但是对由大量分子组成的气体整体来说，气体中任何一个方向运动的分子数目几乎_____，在宏观上表现为均衡性 匀速直线 相等 二、分子速率按一定的统计规律分布 1．气体分子速率分布图像，如图所示。 2．分布规律：气体分子速率呈现“________________”的分布规律。 中间多、两头少 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。 ( ) × × √ 6 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，选项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，选项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，选项C错误，D正确。 答案：D　 [任务驱动] 新知学习(二)|对气体分子运动规律的理解 (1)气体分子间的作用力很小，若没有分子力作用，气体分子将处于怎样的自由状态？ 提示：无碰撞时气体分子将做直线运动，但由于分子之间的频繁碰撞，使得气体分子的速度大小和方向频繁改变，运动变得杂乱无章。 (2)温度不变时，每个分子的速率都相同吗？ 提示：不相同。分子在做无规则运动，造成其速率有大有小。　　　　 [重点释解] 1．气体的微观结构特点 (1)气体分子间的距离较大，大于10r0(10－9 m)，气体分子可看成无大小的质点。 (2)气体分子间的分子力很微弱，通常认为气体分子除了相互碰撞或与器壁碰撞外，不受其他力的作用。 2．气体分子运动的特点 (1)标准状态下1 cm3气体中的分子数比地球上的人口总数还要多上许多亿倍。大量气体分子做无规则热运动，因此，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。 (2)正是“频繁碰撞”，造成气体分子不断地改变运动方向，使得每个气体分子可自由运动的行程极短(理论研究指出通常情况下气体分子自由运动行程的数量级仅为10－8 m)，整体上呈现为杂乱无章的运动。 (3)分子运动的杂乱无章，使得分子向各个方向运动的机会均等。 (4)大量气体分子的速率分布呈现“中间多，两头少”的规律，当温度升高时，“中间多”这一高峰向速率大的一方移动，分子的平均速率增大，分子的热运动更剧烈。 [典例体验] [典例]　 (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 /方法技巧/ 正确理解气体分子的速率分布曲线 (1)不同的气体在不同的温度下，分布曲线是不同的，但“中间多，两头少”的分布规律是相同的。 (2)对一定质量的同种气体，温度不同，曲线也不同，当温度升高时，速率大的分子数目一定增加，因此曲线的峰值向速率大的方向移动，且峰值变小。 [针对训练] 1．(2024·中山高二调研)下列关于分子热运动的说法，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．随着温度的升高，所有分子的速率都增大 C．某一时刻向任意方向运动的分子数目基本相等 D．某一温度下每个气体分子的速率不会发生变化 解析：某一时刻具有任一速率的分子数目并不相等，且分子平均速率分布呈现“中间多、两头少”的统计分布规律，故A错误；温度升高，分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，故B错误；大量分子的整体存在着统计规律，某一时刻向任意方向运动的分子数目只有很小的差别，可认为基本相等，故C正确；分子之间频繁地碰撞，分子随时都会因为碰撞而改变速度的大小，因此某一温度下每个气体分子的速率完全是偶然的，故D错误。 答案：C　 2．(多选)如图在烧瓶内充满NO2气体，关于NO2气体分子的运动情况，下列说法中正确的是 (　 ) 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．温度升高，所有NO2气体分子的速率都会发生变化 解析：具有任一速率的分子数目并不是相等的，而是呈“中间多，两头少”的统计分布规律，A错误；由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都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；温度升高，NO2气体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增加，某个分子的速率可能不变，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．(选自鲁科版新教材课后练习)(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. (选自沪科版新教材“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．(多选)如图甲为测量分子速率分布的装置示意图，圆筒绕其中心匀速转动，侧面开有狭缝N，内侧贴有记录薄膜，M为正对狭缝的位置。从原子炉R中射出的银原子蒸气穿过屏上S缝后进入狭缝N，在圆筒转动半个周期的时间内相继到达并沉积在薄膜上。展开的薄膜如图乙所示，NP、PQ间距相等，则(　 ) A．到达M附近的银原子速率较大 B．到达Q附近的银原子速率较大 C．到达Q附近的银原子速率为“中等”速率 D．位于PQ区间的分子数量大于位于NP区间的分子数量 解析：银原子进入圆筒后做匀速直线运动，打到圆筒上越靠近M点的位置用时越短，速率越大，越靠近N点的位置用时越长，速率越小，A正确，B错误；根据分子速率分布规律的“中间多、两头少”特征可知：PQ区间的分子数量最大，故C、D正确。 答案：ACD 2．生命茁壮成长的地球，有水行星之称。液态水覆盖地球表面的三分之二，重量约15×1017 t，地球表面最高气温为60 ℃，而此时水蒸气分子的平均速率达2 000 m/s，地球的第一宇宙速度为7.9 km/s。月球的半径为1 738 km，月球表面的重力加速度约为地球表面重力加速度的，月球在阳光照射下的温度可以达到127 ℃。 (1)随着温度的升高，水分子的平均速率怎样变化？ (2)为什么地球表面含有水？ 提示：(1)随着温度的升高，水分子热运动更剧烈，水分子运动的平均速率增大。 (2)在地球表面温度低于60 ℃，而此时水蒸气分子的平均速率也小于2 000 m/s，地球的第一宇宙速度为7.9 km/s，因此地球表面的水分子不可能脱离地球表面。 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （三） (单击进入电子文档) 28 实验者 抛掷次数m 出现正面的次数n 出现正面的频率 棣莫弗 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 $$