第二章 第三节 气体实验定律的微观解释-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（粤教版）

第三节　气体实验定律的微观解释 第二章　气体、液体和固体 [学习目标]　1.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义,能从微观角度解释三个气体实验定律。2.了解理想气体的模型,掌握理想气体状态方程的内容和表达式,并能应用方程解决实际问题。 课时作业 巩固提升 要点1　气体压强的微观解释 要点2　气体实验定律的微观解释 要点3　理想气体和理想气体状态方程 内容索引 要点1　气体压强的微观解释 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.从微观分子的运动及统计规律来看,气体的压强是大量气体分子 　　　　　　　　的结果。      2.从分子动理论的观点来看,气体压强是大量气体分子对器壁作用的宏观效果,大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的　　　 　。  频繁碰撞器壁 平均作用力 [思考与讨论] (1)决定气体压强大小的微观因素有什么? (2)封闭气体的容器做自由落体运动时,气体压强为零吗? 提示:(1)气体分子的数密度和平均速率。 (2)不为零。 1.决定气体压强大小的微观因素 (1)与气体分子的数密度有关:气体分子数密度(即单位体积内气体分子的数目)越大,在单位时间内,与单位面积器壁碰撞的分子数就越多,气体压强就越大。 (2)与气体分子的平均速率有关:气体的温度越高,气体分子的平均速率就越大,每个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就越大;从另一方面讲,分子的平均速率越大,在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多,累计冲力就越大,气体压强就越大。 归纳 关键能力 合作探究 2.气体压强与大气压强的区别与联系   气体压强 大气压强 区别 (1)因密闭容器内的气体分子的数密度一般很小,由气体自身重力产生的压强极小,可忽略不计,故气体压强由气体分子碰撞器壁产生 (2)大小由气体分子的数密度和平均速率决定,与地球的引力无关 (3)气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的 (1)由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强。如果没有地球引力作用,地球表面就没有大气,从而也不会有大气压强 (2)地面大气压强的值与地球表面积的乘积,近似等于地球大气层所受的重力值 联系 两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而产生的 [例1]　(多选)(2024·广东茂名高二期末)一位同学为了表演“轻功”,他用打气筒给4只相同的气球充以相等质量的空气,然后将这4只气球以相同的方式放在水平放置的木板上,在气球的上方放置一轻质塑料板,如图所示。则关于气球内气体的压强,下列说法正确的是(　　) A.气球内气体的压强大于大气压强 B.气球内气体的压强是由于气体重 力而产生的 C.气球内气体的压强是由于气体分子之间的斥力而产生的 D.气球内气体的压强是由于大量气体分子对器壁的碰撞而产生的 AD [解析]　气球内气体的压强等于大气压与气球弹力产生的压强之和,所以大于大气压强,A正确;气球内气体的压强不是由于气体的重力产生的,而是由于大量分子都在不停地做无规则热运动,与器壁频繁碰撞,使器壁受到一个平均持续的冲力,致使气体对器壁产生一定的压强,B、C错误,D正确。 [针对训练]　1.(多选)两个相同的密闭容器中分别装有等质量的同种理想气体,已知容器中气体的压强不相同,则下列判断中正确的是(　　) A.压强小的容器中气体的温度比较高 B.压强大的容器中气体单位体积内的分子数比较少 C.压强小的容器中气体分子的平均动能比较小 D.压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大 CD 解析:相同的容器分别装有等质量的同种气体,说明它们所含的分子总数相同,即分子数密度相同,故B错误;压强不同,一定是因为两容器中气体分子平均动能不同造成的,压强小的容器中分子的平均动能一定较小,温度较低,故A错误,C正确;压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大,故D正确。 2.(2024·珠海高二月考)某学生在水瓶中装入半瓶热水盖紧瓶盖,一段时间后,该同学发现瓶盖变紧。其本质原因是瓶内气体压强　　　　(选填“增加”“减少”或“不变”),瓶内气体分子平均速率　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”),单位时间内瓶盖受到瓶内气体分子的撞击次数 　　　　(选填“增加”“减少”或“不变”)。  解析:随着温度降低,内部气体的压强变小,瓶盖变紧。由于温度降低,则分子平均速率减小,则在其他条件不变的情况下,单位时间内瓶盖受到瓶内气体分子的撞击次数减少。 减少　 减小　 减少 二 要点2　气体实验定律的微观解释 14 1.玻意耳定律的微观解释 一定质量的气体,温度保持不变时,气体分子热运动的平均速率　　　,若气体体积减小,分子的密集程度　　　,气体压强　　　　。  2.查理定律的微观解释 一定质量的气体,体积保持不变时,气体分子的密集程度　　　　 ,若气体温度升高,分子的热运动的平均速率　　　　,气体压强　　　　。  梳理 必备知识 自主学习 一定　 增大　 增大 保持不变　 增大　 增大 3.盖-吕萨克定律的微观解释 一定质量的气体,温度升高时,气体分子的平均速率　　　　,而要保持压强不变,只有气体的体积同时　　　　,使分子的密集程度　　　。  增大　 增大　 减小 [例2]　(多选)对一定质量的某种气体,下列说法正确的是(　　) A.体积不变,压强增大时,气体分子的平均速率一定增大 B.温度不变,压强减小时,气体分子的数密度一定减小 C.压强不变,温度降低时,气体分子的数密度一定减小 D.温度升高,压强和体积都可能不变 归纳 关键能力 合作探究 AB [解析]　一定质量的气体,体积不变,压强增大时,温度升高,气体分子的平均速率一定增大,选项A正确;温度不变,压强减小时,气体体积增大,气体分子的数密度减小,选项B正确;压强不变,温度降低时,体积减小,气体分子的数密度增大,选项C错误;温度升高,压强、体积中至少有一个发生改变,选项D错误。 [针对训练]　3.如图所示,一定质量的气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B,则它的状态变化过程是(　　) A.气体的平均速率不变 B.气体的温度升高 C.气体分子的数密度减小 D.气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数不变 B 解析:在p-V图像中气体由状态A到状态B为等容升压变化,根据查理定律,一定质量的气体,当体积不变时,压强跟热力学温度成正比,则由A到B压强增大,温度升高,分子平均速率增加,故A错误,B正确;气体体积不变,气体分子的数密度不变,温度升高,气体分子平均速率增大,则气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数增加,故C、D错误。 三 要点3　理想气体和理想气体状态方程 21 1.理想气体的定义:严格遵循　　　　　　　　的气体称为理想气体。  2.理想气体的理解:理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可忽略不计,分子不占空间,可视为　　　　。它是对实际气体的一种科学抽象,是一种理想模型,实际并不存在。  3.理想气体状态方程:　　　　,式中c是与p、V、T无关的常量。  梳理 必备知识 自主学习 气体实验定律 质点 =c [思考与讨论] (1)气体实验定律对于任何气体都适用吗?为什么要引入理想气体的概念? (2)理想气体状态方程=c中的c是与p、V、T无关的常量,那么它与什么有关? 提示:(1)由于气体实验定律只在压强不太大、温度不太低的条件下理论结果与实验结果一致,为了使气体在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律,引入了理想气体的概念。 (2)与气体的种类和质量有关。 1.理想气体:理想气体分子除碰撞外,无相互作用的引力和斥力。 归纳 关键能力 合作探究 2.对理想气体状态方程的理解 (1)成立条件:一定质量的理想气体。 (2)该方程表示的是气体三个状态参量的关系,与中间的变化过程无关。 (3)公式中常量c仅由气体的种类和质量决定,与状态参量(p、V、T)无关。 (4)方程应用时单位要求:温度T必须是热力学温度,公式两边中压强p和体积V单位必须统一,但不一定是国际单位制中的单位。 3.理想气体状态方程与气体实验定律 [例3]　已知湖水的深度为20 m,湖底的水温为4 ℃,水面的温度为17 ℃,大气压强为1.0×105 Pa。当气泡从湖底缓慢升到水面时,其体积约为原来的(重力加速度g取10 m/s2,水的密度ρ取1.0×103 kg/m3)(　　) A.12.8倍　　　　　　 　 B.8.5倍 C.3.1倍 D.1.1倍 C [解析]　气泡在湖底的压强p1=p0+ρgh=3×105 Pa,气泡在湖底的温度T1=277 K;气泡在水面的压强p2=p0=1.0×105 Pa,气泡在水面的温度 T2=290 K;根据理想气体状态方程有=,解得=·=×≈3.1,故选项C正确。 [针对训练]　4.(2024·广东深圳高二检测)如图所示,U形管 右管横截面积为左管横截面积的2倍,在左管内用水银封闭 一段长为26 cm、温度为273 ℃的空气柱,始终可视为理想 气体。左、右两管水银面高度差为36 cm,外界大气压为 76 cmHg。若给左管的封闭气体加热,使管内气柱长度变 为30 cm,则此时左管内气体的温度为多少K?(计算结果保 留一位小数,T=t+273.15) 答案:724.7 K 解析:以封闭气体为研究对象,设左管横截面积为S,当左管封闭的气柱长度由L1=26 cm变为L2=30 cm时,左管水银柱下降4 cm,右管水银柱上升2 cm,即两侧水银柱高度差为h'=30 cm 由题意得V1=L1S p1=p0-ρgh1=76 cmHg-36 cmHg=40 cmHg T1=(273+273.15)K=546.15 K p2=p0-ρgh'=76 cmHg-30 cmHg=46 cmHg V2=L2S 由理想气体状态方程= 代入数据可得T2≈724.7 K。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [A组　基础巩固练] 1.关于气体的压强,下列说法正确的是(　　) A.气体的压强是由气体分子间的吸引和排斥产生的 B.气体分子的平均速率增大,气体的压强一定增大 C.气体的压强等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力 D.当某一容器自由下落时,容器中气体的压强将变为零 C 11 解析:气体的压强是由于大量气体分子频繁撞击器壁产生的,大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力,A错误,C正确;气体分子的平均速率增大,若气体体积增大,气体的压强不一定增大,B错误;当某一容器自由下落时,容器中气体分子的运动不受影响,气体的压强不为零,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 2.(多选)如图所示,封闭在气缸内的一定质量的某种气体,如果保持气体体积不变,当温度升高时,以下说法正确的是(　　) A.气体的密度增大 B.所有气体分子的运动速率一定增大 C.气体的压强增大 D.每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 CD 11 解析:质量一定,体积一定,所以气体的密度不变,故A错误;温度升高,气体分子的平均速率增加,但不一定每个分子的运动速率都增大,故B错误;质量一定的气体,体积不变,当温度升高时,气体发生等容变化,压强变大,故C正确;体积不变,温度升高,分子密度不变但分子平均速率增大,故每秒撞击单位面积器壁的分子数增多,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 3.(多选)(2024·广东中山高二月考)关于一定质量的理想气体的状态变化,下列说法中正确的是(　　) A.当气体压强不变而温度由100 ℃上升到200 ℃时,其体积增大为原来的2倍 B.气体由状态1变到状态2时,一定满足方程= C.气体体积增大到原来的4倍,可能是压强减半,热力学温度加倍 D.气体压强增大到原来的4倍,可能是体积加倍,热力学温度减半 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 BC 11 解析:一定质量的理想气体,压强不变,体积与热力学温度成正比,不与摄氏温度成正比,故A错误;一定质量的理想气体由状态1变到状态2时,一定满足方程=,故B正确;由理想气体状态方程=c,可知一定质量的理想气体,体积增大到原来的4倍,可能是压强减半,热力学温度加倍,故C正确;同C选项的分析可知一定质量的理想气体,压强增大到原来的4倍,可能是体积减半,热力学温度加倍,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 4.(多选)对于一定质量的某种气体,下列论述正确的是(　　) A.若单位体积内分子个数不变,当分子热运动加剧时,压强一定变大 B.若单位体积内分子个数不变,当分子热运动加剧时,压强可能不变 C.若气体的压强不变而温度降低,则单位体积内分子个数一定增加 D.若气体的压强不变而温度降低,则单位体积内分子个数可能不变 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 AC 11 解析:单位体积内分子个数不变,当分子热运动加剧时,单位面积上的碰撞次数和碰撞的平均力都增大,因此气体压强一定增大,故选项A正确,B错误;若气体的压强不变而温度降低,则气体的体积减小,单位体积内分子个数一定增加,故选项C正确,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 5.图为伽利略设计的一种测温装置示意图,玻璃管的上端与导热良好的玻璃泡连通,下端插入水中,玻璃泡中封闭有一定量的理想气体。若玻璃管内水柱上升,则外界大气的变化可能是(　　) A.温度降低,压强增大 B.温度升高,压强不变 C.温度升高,压强减小 D.温度不变,压强减小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A 11 解析:设玻璃泡中气体压强为p,外界大气压强为p',则p'=p+ρgh,且玻璃泡中气体与外界大气温度相同,液柱上升,气体体积减小,由理想气体的状态方程=c可知,在V减小时,若p增大,则T可能增大、减小或不变,故A正确;若p不变,则T减小,故B错误;若p减小,则T减小,故C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 6.一定质量的理想气体,经历了如图所示的状态变化过程,则1、2、3三个状态的热力学温度之比是(　　)   A.1∶3∶5　　　　　　 B.3∶6∶5 C.3∶2∶1 D.5∶6∶3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B 11 解析:由理想气体状态方程得=c(c为常量),可知pV=Tc,即pV的乘积与热力学温度T成正比,故B项正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 7.浮筒气囊打捞法是打捞沉船的一种方法,是用若 干浮筒气囊与沉船拴住,在水下充气后,借浮力将沉 船浮出水面。已知某个打捞浮筒气囊的最大容积 为5 m3,沉船位置离水面约为20 m,该处水温为-3 ℃。 打捞船上打气装置可持续产生4倍大气压强的高压气 体,气体温度为27 ℃。现将高压气体充入浮筒气囊中,当气囊内气体压强和外部水压相等时停止充气,此过程需要打气装置充入多少体积的高压气体?假定高压气体充入浮筒气囊前,气囊内的气体可忽略不计,计算气体压强时不考虑气囊的高度,气囊导热性良好,大气压强p0=1×105 Pa,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度g取10 m/s2(结果保留三位有效数字)。 答案:4.17 m3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 解析:设气囊内气体初态、末态的压强分别为p1、p2,由题意得初态:p1=4p0,T1=(27+273)K=300 K 末态:p2=p0+ρgh2=3p0,V2=5 m3,T2=(-3+273)K=270 K 由理想气体状态方程得 = 联立解得V1= m3≈4.17 m3。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [B组　综合强化练] 8.(多选)(2024·深圳高二校考期中)一定质量的理想气体,处在某一状态,经下列哪个过程后可能会回到原来的温度(　　) A.先保持压强不变而使它的体积膨胀,接着保持体积不变而减小压强 B.先保持压强不变而使它的体积减小,接着保持体积不变而减小压强 C.先保持体积不变而增大压强,接着保持压强不变而使它的体积膨胀 D.先保持体积不变而减小压强,接着保持压强不变而使它的体积膨胀 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 AD 11 解析:理想气体状态方程为=c。由理想气体状态方程可知,保持压强不变而使它的体积膨胀,温度升高,接着保持体积不变而减小压强,温度降低,可能回到原来的温度,故A正确;由理想气体状态方程可知,先保持压强不变而使它的体积减小,温度降低,接着保持体积不变而减小压强,温度继续降低,不可能回到原来的温度,故B错误;由理想气体状态方程可知,先保持体积不变而增大压强,温度升高,接着保持压强不变而使它的体积膨胀,温度继续升高,不可能回到原来的温度,故C错误;由理想气体状态方程可知,先保持体积不变而减小压强,温度降低,接着保持压强不变而使它的体积膨胀,温度升高,可能回到原来的温度,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 9.(2024·广州高二期中)下面的表格是某地区1~7月份平均气温与平均气压的对照表: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 月份/月 平均最高气温/℃ 平均大气压/(×105 Pa) 1 1.4 1.021 2 3.9 1.019 3 10.7 1.014 4 19.6 1.008 5 26.7 1.003 6 30.2 0.998 4 7 30.8 0.996 0 11 7月份与1月份相比较,正确的是(　　) A.空气分子无规则运动的情况几乎不变 B.空气分子无规则热运动减弱了 C.单位时间内空气分子对单位面积地面的撞击次数增多了 D.单位时间内空气分子对单位面积地面撞击次数减少了 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 11 解析:温度越高,分子无规则运动越强,7月份与1月份相比较,平均气温升高了,所以空气分子无规则热运动加强,故A、B错误;温度升高,分子的平均速率变大,但是压强减小,可知气体分子的密集程度减小,则单位时间内空气分子对单位面积地面撞击次数减少,故C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 10.如图所示为一圆筒形真空容器,在筒顶系着的轻弹簧下挂一质量不计的活塞,弹簧处于自然长度时,活塞正好触及筒底,当在活塞下方注入一定质量的理想气体后,温度为T时,气柱高为h,则温度为T'时,气柱高为(活塞与圆筒间摩擦不计)(　　) A. B. C.h D.h 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 解析:设弹簧的劲度系数为k,当气柱高为h时,弹簧弹力F=kh,产生的压强为=(S为容器的横截面积)。取封闭的气体为研究对象,初状态为(T,hS,),末状态为(T',h'S,),由理想气体状态方程得=,则h'=h,故C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [C组　培优选做练] 11.(2024·江门高二期中)如图所示,长31 cm内径均匀的细玻璃 管,开口向上竖直放置,齐口水银柱封住10 cm长的空气柱,此时 气温为27 ℃。若把玻璃管在竖直平面内顺时针缓慢转动半周, 发现水银柱长度变为15 cm,继续转动半周,然后对封闭空气柱 加热使水银柱刚好与管口相平。求: (1)大气压强的值; (2)回到原处加热到水银柱刚好与管口相平时气体的温度。 答案:(1)75 cmHg　(2)450 K 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:(1)在玻璃管由开口向上转到开口竖直向下的过程中,由等温变化可得p1V1=p2V2 由压强关系可得p1=p0+21 cmHg,p2=p0-15 cmHg 联立解得p0=75 cmHg。 (2)加热至水银与管口相平时 p3=p0+15 cmHg=90 cmHg T1=300 K 由理想气体状态方程得= 代入数据解得T3=450 K。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 =⇒ $$