第2章 第三节 气体实验定律的微观解释（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　气体实验定律的微观解释 核心素养导学 1 一、气体压强的微观解释 1．大量气体分子频繁碰撞器壁，产生持续均匀的压力，而单位面积上的平均作用力等于气体的_____。 2．微观角度看压强变化规律 (1)某容器中气体分子的_________越大，单位时间内、单位面积上气体分子与器壁的碰撞对器壁的作用力就越大。 (2)若容器中气体分子的_______大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就多，平均作用力也会较大。 压强 平均速率 数密度 二、气体实验定律的微观解释　理想气体 1．气体实验定律的微观解释 玻意耳定律 一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，气体分子热运动的________是一定的。在这种情况下，体积减小时，分子的__________增大，单位时间内、单位面积上碰撞器壁的分子数就多，气体的压强就增大 盖-吕萨克定律 一定质量的某种理想气体，温度升高时，气体分子热运动的________增大。只有气体的体积同时增大，使分子的_________减小，才能保持____不变 查理定律 一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的_________保持不变。在这种情况下，温度升高时，气体分子热运动的_________增大，气体的______就增大 平均速率 密集程度 平均速率 密集程度 压强 密集程度 平均速率 压强 2．理想气体 (1)定义：严格遵循______________的气体。 (2)理想气体与实际气体： 气体实验定律 1. 中央电视台在“科技之光”栏目中曾播放过这样一个节目，把液氮倒入饮料瓶中，马上盖上盖子并拧紧，人立即离开现场。一会儿饮料瓶就爆炸了，你能解释一下原因吗？ 提示：饮料瓶内液氮吸热后变成氮气，分子运动加剧，氮气分子密度增大，温度持续升高，瓶内壁产生的压强逐渐增大，当瓶内外的压强差大于瓶子所承受限度时，饮料瓶发生爆炸。 2. 如图所示，为一存有高压气体的储气罐，请对以下说法作出判断。 (1)储气罐内的高压气体可看作理想气体。( ) (2)储气罐内的高压气体状态发生变化时，遵守气体实验定律。 ( ) (3)储气罐在放气过程中，若温度不变，则罐内气体数密度减小，压强减小。( ) (4)储气罐内的高压气体，在温度很低的情况下可能变为液态。 ( ) × × √ √ 新知学习(一)|气体实验定律的微观解释 [重点释解] 1．玻意耳定律 宏观表现 一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小 微观解释 温度不变，分子的平均动能不变，体积越小， 分子的数密度越大，单位时间内撞到单位面积 器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大， 如图所示 2．查理定律 宏观表现 一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小 微观解释 体积不变，则分子的数密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁单位面积的作用力变大，所以气体的压强增大，如图所示 3．盖-吕萨克定律 宏观表观 一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大；温度降低，体积减小 微观解释 温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的数密度减小，所以气体的体积增大，如图所示 [针对训练] 1．在一定的温度下，一定质量的气体体积减小时，气体的压强增大，下列说法正确的是 (　 ) A．单位体积内的分子数增多，单位时间内分子对器壁碰撞的次数增多 B．气体分子的数密度变大，分子对器壁的吸引力变大 C．每个气体分子对器壁的平均撞击力都变大 D．气体密度增大，单位体积内分子重量变大 解析：气体压强的微观表现是气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞而产生的作用力，是由分子的平均动能和分子的数密度共同决定的。温度不变说明气体分子的平均动能不变，气体体积减小时，分子的数密度变大，故气体的压强增大。故A正确，B、C、D错误。 答案：A 2．(多选)如图，封闭在气缸内一定质量的理想气体，如果保持体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是 (　 ) A．气体的密度增大 B．气体的压强增大 C．气体分子的平均动能减小 D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多 2．理想气体状态方程的推导 一定质量的某种理想气体由初态(p1、V1、T1)变化到末态(p2、V2、T2)，因气体遵从三个气体实验定律，我们可以从三个定律中任意选取其中两个，通过一个中间状态，建立两个方程，解方程消去中间状态参量便可得到理想气体状态方程，组合方式有6种，如图所示。 4．气体的三个实验定律是理想气体状态方程的特例 /方法技巧/ 应用理想气体状态方程解题的一般思路 (1)确定研究对象(某一部分气体)，明确气体所处系统的力学状态。 (2)弄清气体状态的变化过程。 (3)确定气体的初、末状态及其状态参量，并注意单位的统一。 (4)根据题意，选用理想气体状态方程求解。若非纯热学问题，还要综合应用力学等有关知识列辅助方程。 (5)分析讨论所得结果的合理性及其物理意义。 [针对训练] 1．一定质量的理想气体，由状态A(1,3)沿直线AB变化到C(3,1)，如图所示，气体在A、B、C三个状态中的温度之比是 (　 )   A．1∶1∶1 B．1∶2∶3 C．3∶4∶3 D．4∶3∶1 2．(2024·广州高二阶段练习)如图所示，一粗细均匀且足够长 的导热U形管竖直放置在烘烤箱中，右侧上端封闭，左侧上端与大 气相通，右侧顶端密封空气柱A的长度为L1＝24 cm，左侧密封空 气柱B的长度为L2＝30 cm，上方水银柱长h2＝4 cm，左右两侧水 银面高度差h1＝12 cm。已知大气压强p0＝76.0 cmHg，大气温度T1＝300 K。 现开启烘烤箱缓慢加热U形管，直到空气柱A、B下方水银面等高。加热过程中大气压保持不变。求： (1)加热前空气柱A、B的压强各为多少； (2)空气柱A、B下方水银面等高时烘烤箱的温度T2(结果保留1位小数)； (3)加热后，空气柱B上方水银柱上升高度L。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——气体压强的微观解释 1．(选自人教版新教材课后练习)有甲、乙、丙、丁四瓶氢气。甲的体积为V，质量为m，温度为t，压强为p。乙、丙、丁的体积、质量、温度如下所述。 (1)乙的体积大于V，质量、温度和甲相同。 (2)丙的温度高于t，体积、质量和甲相同。 (3)丁的质量大于m、温度高于t，体积和甲相同。 试问：乙、丙、丁的压强是大于p还是小于p？或等于p？请用气体压强的微观解释来说明。 26 提示：(1)p乙<p，因为V乙>V，乙中气体分子数密度较小。 (2)p丙>p，因为丙的温度t丙>t，丙中气体分子平均速率较大。 (3)p丁>p，因为丁中的分子数密度和分子平均速率较大。 科学思维——理想气体的实际应用 2．(选自人教版新教材课后练习)一个足球的容积是2.5 L。用打气筒给这个足球打气，每打一次都把体积为125 mL、压强与大气压相同的气体打进足球内。如果在打气前足球就已经是球形并且里面的压强与大气压相同，打了20次后足球内部空气的压强是大气压的多少倍？你在得出结论时考虑到了什么前提？实际打气时的情况能够满足你的前提吗？ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．“拔火罐”是我国传统医学的一种治疗手段。操作时，医生用点燃的酒精棉球加热一个小罐内的空气，随后迅速把小罐倒扣在需要治疗的部位，冷却后小罐便紧贴在皮肤上(如图)。设加热后小罐内的空气温度为80 ℃，当时的室温为20 ℃，大气压为标准大气压，小罐开口部位的直径大约为5 cm。当罐内空气变为室温时，小罐内气体对皮肤的压力大概有多大？不考虑因皮肤被吸入罐内导致空气体积变化的影响。 2. 体积为100 cm3的空心球带有一根有刻度的均匀玻璃长管，管上共有N＝101个刻度线，设长管与球连接处为第一个刻度线，以后顺次往上排列，相邻两刻度间管的容积为0.2 cm3，水银液滴将球内空气与大气隔开，如图所示，当温度t＝5 ℃时，水银液滴底端在刻度为n＝20的地方，在此大气压下，求其测量温度的范围。(不计玻璃管的热膨胀) “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （六） (单击进入电子文档) 34 物理观念 (1)知道气体压强的微观解释。 (2)知道气体实验定律的微观解释。 (3)了解理想气体的概念，知道理想气体状态方程＝c。 科学思维 理解气体状态参量与气体分子状态的对应关系，学会运用气体分子与器壁碰撞模型解释压强的变化，会从微观角度来理解宏观规律，并能分析实际问题。 (3)理想气体状态方程：_______或___________。 ＝c ＝ 解析：由查理定律＝c可知，当温度T升高时，压强增大，B正确；由于质量不变，体积不变，则分子的数密度不变，而温度升高，分子的平均动能增大，所以单位时间内气体分子对器壁碰撞次数增多，D正确，A、C错误。 答案：BD　 新知学习(二)|理想气体状态方程及其应用 [重点释解] 1．理想气体的状态方程 ＝或＝c(常量) 常量c仅由气体的种类和质量决定，与其他参量无关。适用条件：该方程是在理想气体质量不变的条件下才适用，是一定质量的理想气体三个状态参量的关系，与变化过程无关。 我们选“先等温、后等压”证明。 从初态→中间态，由玻意耳定律得p1V1＝p2V′， 从中间态→末态，由盖-吕萨克定律得＝， 由以上两式消去V′得＝。 3．对理想气体状态方程的理解 (1)适用对象：一定质量的理想气体。 (2)应用理想气体状态方程的关键 对气体状态变化过程的分析和状态参量的确定，即“一过程六参量”。 (3)注意方程中各物理量的单位 T必须是热力学温度，公式两边中p和V单位必须统一，但不一定是国际单位制中的单位。 T1＝T2 p1V1＝p2V2(玻意耳定律) V1＝V2 ＝(查理定律) p1＝p2 ＝(盖-吕萨克定律) [典例体验] [典例]　质量M＝10 kg的缸体与质量m＝4 kg的活塞，封闭一定质量的理想气体(气体的重力可以忽略)，不漏气的活塞被一劲度系数k＝20 N/cm的轻弹簧竖直向上举起立于空中，如图所示。环境温度为T1＝1 500 K时被封气柱长度L1＝30 cm，缸口离地的高度为h＝5 cm，若环境温度变化时，缸体有良好的导热性能。已知活塞与缸壁间无摩擦，弹簧原长L0＝27 cm，活塞横截面积S＝2×10－3 m2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，当地重力加速度g取10 m/s2，求环境温度降到多少时气缸着地，温度降到多少时能使弹簧恢复原长。 [解析]　因气缸悬空，先降温时，气体做等压变化，压强恒为p1＝p0＋＝1.5p0， 由盖-吕萨克定律知＝， 代入数据得T2＝1 250 K， 待缸口着地后，再降温时活塞上移，弹簧逐渐恢复原长，由kx＝(M＋m)g知弹簧的压缩量为x＝7 cm， 设弹簧恢复原长时的环境温度为T3，气体压强为p3，气柱长度为L3，由活塞的平衡条件知p3＝p0－＝0.8p0，由几何关系知L3＝L1－x－h＝18 cm， 由理想气体状态方程＝， 知＝， 整理可得T3＝480 K。 [答案]　1 250 K　480 K 解析：根据理想气体状态方程，可得 ＝＝，由题图可知pAVA∶pBVB∶pCVC＝3∶4∶3，则TA∶TB∶TC＝3∶4∶3，C正确。 答案：C　 解析：(1)加热前有pB＝p0＋ρgh2＝80 cmHg，pA＝pB－ρgh1＝68 cmHg。 (2)空气柱B压强保持不变，则有pA2＝pB＝80 cmHg，对空气柱A，根据理想气体状态方程 ＝，解得T2≈441.2 K。 (3)以空气柱B为研究对象，加热前温度T1＝300 K，体积VB1＝L2S，加热后温度T2＝441.2 K，体积VB2＝(L2＋ΔL)S，由盖­吕萨克定律得＝ 联立可得ΔL＝14.12 cm 空气柱B上方水银柱上升高度L＝ΔL＋＝20.12 cm。 答案：(1)68 cmHg　80 cmHg　(2)441.2 K　(3)20.12 cm 解析：已知足球的容积V0＝2.5 L，每打一次能把V1＝0.125 L、压强与大气压相同的气体打入足球内 根据玻意耳定律得 p0(V0＋20V1)＝pV0 解得p＝＝2p0。 应用以上方法得出结论的前提是打气时气体的温度保持不变。 实际打气时气体的温度要升高。 答案：见解析 解析：“拔火罐”时气体发生等容变化 初态：p1＝p0，T1＝(80＋273)K＝353 K 末态：T2＝(20＋273)K＝293 K 根据查理定律有＝ 解得p2＝＝ Pa＝0.83×105 Pa 则F＝p2S＝p2·π2＝0.83×105×3.14×2×10－4N≈163 N。 答案：163 N 解析：气体的体积从V1＝100 cm3等压变化到V2＝100 cm3＋100×0.2 cm3＝120 cm3，这个范围所对应的气体温度为T1～T2即为可测量温度范围。根据题意，当T0＝273 K＋5 K＝278 K时，气体的体积 V0＝100 cm3＋20×0.2 cm3＝104 cm3 根据盖-吕萨克定律有：＝ 得T1＝＝ K＝267.3 K 同理有，＝ 得T2＝＝ K＝320.8 K 因t1＝T1－273 ℃＝－5.7 ℃， t2＝T2－273＝47.8 ℃，所以利用该装置能测量温度的范围是－5.7～47.8 ℃。 答案：－5.7～47.8 ℃ $$