第2章 3. 温度和温标-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

3．温度和温标 [核心素养定位]　1.知道气体的状态参量，知道热力学系统。2.知道温度的微观含义和宏观含义，明确热平衡的概念，理解热平衡定律及热平衡与温度的关系。3.知道什么是温标，知道摄氏温标和热力学温标，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系。 一　热平衡定律和温度 1．气体的状态参量 在研究气体的热学性质时，可用体积、温度、压强等宏观物理量来描述气体的状态，这几个量叫作气体的状态参量。 2．温度 (1)从微观上看，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。 (2)从宏观上看，温度是系统的一个状态参量，是系统自身分子热运动性质的宏观表现。 3．系统与外界 热力学系统是指由大量分子组成，并与周围环境发生相互作用的宏观客体，它是热力学的研究对象，简称系统。系统的周围环境简称外界。 4．热平衡 假设有两个热力学系统，原来各自处在一定的平衡态。在没有外界影响的情况下，让这两个系统互相接触，使它们之间发生热传递，这种接触叫作热接触。实验表明，热接触后两个系统的状态都将发生变化，热的变冷，冷的变热。经过一段时间后，两个系统的状态不再变化。这表明最后对热传递来说，两个系统已经达到平衡，我们把这种平衡叫作热平衡。这时这两个系统的温度相同。 5．热平衡定律 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必定处于热平衡。这个规律称为热平衡定律。 二　温标 1．温标：温度数值的标定方法称为温标。国际通用的温标主要有摄氏温标和热力学温标。 2．摄氏温标 以水银为测温物质；以冰的正常熔点为一个固定点，水的正常沸点为另一个固定点；以冰的正常熔点为0__℃，水的正常沸点为100__℃，二者之间等分为100小格。 这种温度数值表示法就叫作摄氏温标，在摄氏温标中，温度的单位是℃，读作“摄氏度”。 3．热力学温标 1848年，英国物理学家开尔文从理论上建立了一种不依赖于任何测温物质及测温属性的温标，称为热力学温标或绝对温标。由它所确定的温度叫作热力学温度或绝对温度，热力学温度的单位是开尔文，简称开，符号是K。 4．摄氏温度与热力学温度的数值关系：如果以t表示摄氏温度的数值，T表示绝对温度的数值，则有t/℃＝T/K－273.15。 1．判一判 (1)温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡的物理量。(　　) (2)温度升高了1 ℃就是升高了1 K。(　　) (3)物体的温度由本身决定，数值与所选温标无关。(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)× 2．想一想 平衡态与热平衡有什么不同？ 提示：平衡态是对一个热力学系统来说的，是一个系统内各部分的状态参量不再变化时的状态，而热平衡是对两个相互接触的热力学系统来说的。 探究　热平衡定律和温度 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：在力学中，我们用位置和速度描述物体的运动状态。在热学中，为了确定如图甲氢气球内氢气的状态，需要哪些物理量？ 提示：为了确定氢气的空间范围，需要用到体积V；为了确定氢气与外界大气间力的作用，需要用到压强p；为了确定氢气的冷热程度，需要用到温度T。 活动2：我们在日常生活中都有这样的经验：打足气的自行车在烈日下曝晒，常常会爆胎；压瘪了的乒乓球浸没在热水中，会重新鼓起来……。这些现象表明什么？ 提示：这些现象都表明气体的压强、体积、温度三个状态参量之间存在着一定的关系。 活动3：温度是描述热现象时最常用到的概念。那么什么是温度？有一种通俗的说法，温度就是物体冷热的程度。但是，凭人的冷热感觉来判断物体温度的高低，有可能是不准确的，甚至可能是错误的(图乙)。从测量出发，也可以说，温度就是某种温度计的读数。我们在物理学上，需要对温度的概念给出科学的定义，对温度的测量给出客观的依据。请分别从微观和宏观角度说说温度是什么？ 提示：从微观上看，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。从宏观上看，温度是系统的一个状态参量，是系统自身分子热运动性质的宏观表现。 活动4：假设有两个热力学系统，原来各自处在一定的平衡态。在没有外界影响的情况下，让这两个系统互相接触，使它们之间发生热传递(这种接触叫作热接触)。这两个系统的温度有什么变化？最后稳定时有什么特点？ 提示：热接触后两个系统的状态都将发生变化，热的变冷，冷的变热。经过一段时间后，两个系统的状态不再变化。这表明最后对热传递来说，两个系统已经达到平衡。这时这两个系统的温度相同。 活动5：再假设有两个热力学系统A、B，把它们用绝热壁隔开，使它们不发生热接触，如图丙(a)所示。打开顶部的绝热盖，如图丙(b)所示，则A与B都跟外界的大环境发生了热接触。这里所谓外界大环境，包括整个实验室以及室外，它可以看作一个状态不变的热力学系统C。经过一段时间，A、B都与C不再发生热传递了。这时，再盖上顶部的绝热盖，并把中间的绝热壁撤走，使A、B发生热接触，如图丙(c)所示。A、B会发生热传递吗？可得出什么结论？ 提示：A、B不会发生热传递。结论：如果系统A与系统C温度相同，系统B与系统C的温度也相同，则系统A、B的温度必定相同。 1．热力学系统的状态参量 (1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围。 (2)压强p：系统的力学参量，它可以确定外界与系统之间或系统内部各部分之间力的作用。 (3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。 2．对平衡态的理解 热力学的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；而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动的状态。 3．对热平衡的理解 (1)决定系统是否达到热平衡的最主要参量是温度，也就是说只要温度相同，那么这两个系统就达到了热平衡。理解热平衡一定要抓住温度这一状态参量。 (2)平衡态不是热平衡：平衡态是对某一系统而言的，热平衡是对两个接触的系统而言的；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，两系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。 4．对温度的理解 (1)宏观上，是系统的一个状态参量，是系统自身分子热运动的宏观表现。 (2)微观上，是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。 (3)一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。 例1　(多选)有甲、乙、丙三个温度不同的物体，将甲和乙接触足够长时间后分开，再将乙和丙接触足够长时间后分开(发生了热交换)，假设只有在它们相互接触时传热，不接触时与外界没有传热，则(　　) A．甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态 B．只有乙、丙达到了平衡态，甲没有达到平衡态 C．乙、丙两物体都和甲达到了热平衡 D．乙、丙两物体达到了热平衡 (1)热平衡和平衡态都是对一个系统说的吗？ 提示：不是，热平衡是对两个系统说的，平衡态是对一个系统说的。 (2)热平衡的特征是什么？ 提示：两个系统温度相同。 [规范解答]　乙和丙分开后，甲、乙、丙三个物体与外界没有传热，所以甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态，A正确，B错误；甲和乙接触足够长时间后分开，甲和乙达到了热平衡，但乙和丙接触足够长时间后，乙的温度又发生了变化，甲和乙的热平衡被破坏，乙和丙两物体达到了热平衡，C错误，D正确。 [答案]　AD [变式训练1]　关于平衡态和热平衡，下列说法正确的是(　　) A．A、B两系统各自处于平衡态，则两者处于热平衡 B．只要系统的温度不变且处处相等，系统就处于平衡态 C．处于热平衡的两个系统内能一定相同 D．处于热平衡的两个系统分子平均动能一定相同 答案　D 解析　平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个(或多个)系统相互影响的最终结果，A、B各自处于平衡态，但A、B接触可能需要一段时间才能达到热平衡，A错误；一个系统的温度、压强、体积等状态参量都不变化，系统才处于平衡态，仅仅根据温度不变且处处相等不能得出系统一定处于平衡态的结论，B错误；如果两个系统处于热平衡，则它们的温度一定相同，分子平均动能一定相同，但是内能不一定相同，C错误，D正确。 探究　温标 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：由探究1中的活动可知，利用具有确定初始状态的第三个系统C，就可以判定A和B是否处于热平衡之中，即判定它们的温度是否相同。系统C温度的变化通常是通过它某一可观测的性质的变化加以标志的，这个性质需要有什么特点？ 提示：这个性质必须随物体的冷热程度有单调而显著的变化，比如液体的体积、气体的压强、气体的体积、导体的电阻等。 活动2：温度数值的标定方法称为温标。建立一种经验温标需要三个要素：(1)选择某种测温物质；(2)选定固定点；(3)进行分度。请以图中水银温度计为例，说明建立生活中常用的摄氏温度对应的摄氏温标的方法。 提示：选择水银为测温物质；以冰的正常熔点为一个固定点，水的正常沸点为另一个固定点；以冰的正常熔点为0 ℃，水的正常沸点为100 ℃，二者之间等分为100小格。 活动3：不同测温物质的性质随温度变化的规律不同，所以不同温度计测定同一物质的温度时会有偏差，为了克服这个缺点，人们应该怎么做？ 提示：建立不依赖于任何测温物质及测温属性的温标。 1．温度计测量原理 一切处于热平衡的系统都具有相同的温度，温度计与待测物体接触，达到热平衡时，其温度与待测物体相同。 2．摄氏温标与热力学温标的比较 摄氏温标 热力学温标 提出者 瑞典天文学家摄尔修斯 英国物理学家开尔文 零度的规定 冰的正常熔点 －273.15 ℃ 温度名称 摄氏温度 热力学温度 温度符号 t T 单位名称 摄氏度 开尔文 单位符号 ℃ K 关系 t/℃＝T/K－273.15，粗略表示：t/℃＝T/K－273 　(1)热力学温度的零度叫绝对零度，它是低温的极限，可以无限接近但不能到达。 (2)热力学温度是国际单位制中七个基本物理量之一，因此它的单位属于国际单位制中的基本单位。 (3)热力学温标和摄氏温标表示的温差相同，即ΔT＝Δt。 例2　(多选)严冬，湖面上结了厚厚的冰，但冰下鱼儿仍在游动。为了测出冰下水的温度，徐强同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，用下列四种方法测水温，正确的做法是(　　) A．用线将温度计拴牢从洞中放入水里，待较长时间后从水中提出，读出温度计的示数 B．取一空的塑料饮水瓶，将温度计悬吊在瓶中，再将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后待较长时间，然后将瓶提出，立即读出温度计的示数 C．若温度计显示的示数为摄氏温度4 ℃，即热力学温度4 K D．若温度计显示的示数为摄氏温度4 ℃，即热力学温度277.15 K (1)温度计的测量原理是什么？ 提示：达到热平衡的系统具有相同的温度。 (2)摄氏温度与热力学温度的关系是什么？ 提示：t/℃＝T/K－273.15。 [规范解答]　要测量冰下水的温度，必须使温度计与冰下的水达到热平衡时，读出温度计的示数，用线将温度计拴牢从洞中放入水里，待较长时间后，温度计与冰下水达到热平衡，但从水中提出后，温度计与大气发生热交换，与冰下水不再处于热平衡，则温度计此时的示数不是冰下水的温度，A错误；同理可知，将瓶提出，温度计仍在饮水瓶中的冰下水中，且达到了热平衡，则立即读出的温度计示数为冰下水温度，B正确；根据t/℃＝T/K－273.15，摄氏温度4 ℃即热力学温度277.15 K，C错误，D正确。 [答案]　BD [变式训练2]　小明自定义了一种新温标，其单位为p，他将冰熔点与水沸点之间的温度等分为200小格，且将冰熔点的温度定为50 p(上述皆为标准大气压下)，今小明测量一杯水的温度为150 p，则该温度用摄氏温标表示时应为(　　) A．30 ℃ B．40 ℃ C．50 ℃ D．60 ℃ 答案　C 解析　由题意知，变化1 p即为变化＝0.5 ℃，150 p比冰熔点高出的温度为(150－50)×0.5 ℃＝50 ℃，故150 p用摄氏温标表示时为50 ℃，故选C。 1．(状态参量)(多选)在热学中，要描述一定气体的宏观状态，需要确定下列哪些物理量(　　) A．每个气体分子的运动速率 B．压强 C．体积 D．温度 答案　BCD 解析　描述系统的宏观状态，其参量是宏观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不是气体的宏观状态参量，A错误。气体的压强、体积、温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观状态的三个状态参量，故B、C、D正确。 2．(热平衡定律和温度)(多选)下列说法正确的是(　　) A．两个系统达到热平衡时，它们一定具有相同的热量 B．如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡 C．温度相同是判定两个系统是否达到热平衡的唯一标准 D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理 答案　BCD 解析　达到热平衡的两个系统都具有相同的状态参量——温度，故A错误，C正确；由热平衡定律可知，三个热力学系统A、B、C，若C与A达到热平衡，同时C也与B达到热平衡，则A与B也必定达到热平衡，即A的温度等于B的温度，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故B、D正确。 3．(温标)世界上最大的强子对撞机位于法国和瑞士的边境，于2012年发现了希格斯玻色子，这是半个世纪来粒子物理领域最重要的发现。加速器工作时，需要注入约1万吨液氦对电路进行冷却，冷却的最低温度可达到零下271摄氏度，这时该温度用热力学温标来表示约为(　　) A．2 K B．271 K C．4 K D．0.1 K 答案　A 解析　已知t＝－271 ℃，根据摄氏温度与热力学温度的关系t/℃＝T/K－273，得T＝(－271＋273) K＝2 K，A正确。 4．(状态参量、平衡态和热平衡)下列说法中正确的是(　　) A．状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变 B．处于热平衡的几个系统的压强一定相等 C．两个系统处于热平衡时，它们一定具有某一相同的状态参量 D．处于平衡态的热力学系统，所有分子的速率都相同 答案　C 解析　描述系统的各种物理状态需要不同的物理量，只要其中某一个物理量发生变化，系统的状态就会发生变化，不一定各个状态参量都发生变化，A错误；处于热平衡的几个系统温度一定相同，但压强可能不相等，B错误；两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的温度，而压强和体积可能不同，C正确；处于平衡态的热力学系统，分子仍在不停地做无规则热运动，速率的分布呈“中间多、两头少”，D错误。 5．(热平衡、温度计与温标)(多选)关于热平衡与温标，下列说法中正确的是(　　) A．具有相同内能的两物体达到热平衡 B．体温计测量体温时需与身体接触一段时间是为了达到热平衡 C．1 K就是1 ℃ D．冷热程度相同的鸡蛋和石头处于热平衡 答案　BD 解析　两物体达到热平衡的标志是它们的温度相同，即它们的冷热程度相同，内能相同的物体不一定有相同的温度，A错误，D正确；体温计测量体温时与身体接触一段时间是为了达到热平衡，从而显示身体的温度，B正确；1 K约等于－272 ℃，C错误。 6．(温度计)(多选)伽利略在1593年制造了世界上第一个温度计——空气温度计。如图所示，一个有细长管的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，细管中的液面清晰可见，如果不考虑外界大气压的变化，就能根据液面的变化测出温度的变化，则(　　) A．该温度计的测温物质是槽中的红色液体 B．该温度计的测温物质是细管中的红色液体 C．该温度计的测温物质是球形瓶中的空气 D．该温度计是利用测温物质的热胀冷缩性质制造的 答案　CD 解析　细管中的红色液体用来显示球形瓶中空气的体积随温度的变化情况，测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用空气的热胀冷缩的性质制造的，故A、B错误，C、D正确。 7．(温标)(多选)下列关于温度的说法正确的是(　　) A．27 ℃相当于301.15 K B．水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 K C．水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到373.15 K D．温度由摄氏温度t升至2t(t>0 ℃)，对应的热力学温度由T升至2T 答案　BC 解析　根据摄氏温度与热力学温度的关系t/℃＝T/K－273.15可知，27 ℃相当于T＝(27＋273.15) K＝300.15 K，0 ℃用热力学温度表示为T＝(0＋273.5) K＝273.15 K，100 ℃用热力学温度表示为T＝(100＋273.15) K＝373.15 K，故A错误，B、C正确；温度由摄氏温度t升至2t(t＞0 ℃)，对应的热力学温度由T＝(t/℃＋273.15) K升至T′＝(2t/℃＋273.15) K≠2T，D错误。 8．(温度计)两支内径不同、下端玻璃泡内水银量相等的合格的温度计，同时插入一杯热水中，过一会儿则会看到(　　) A．两支温度计水银柱上升的高度相同，示数相同 B．内径细的温度计水银柱升得较高，示数较大 C．内径粗的温度计水银柱升得较高，示数较大 D．内径粗的温度计水银柱升得较低，两支温度计示数相同 答案　D 解析　同一杯热水，用两支不同的合格的温度计测量，温度计示数相同；玻璃泡中水银量相等，水银受热情况相同时膨胀程度相同，即增大的体积是相同的，则内径粗的温度计水银柱升得较低，内径细的温度计水银柱升得较高。综上所述，A、B、C错误，D正确。 9．(温度计)根据下图判断，人们选择的温度计中的测温物质及其依据是(　　) A．水，水的密度小 B．水，水的密度出现异常现象 C．汞，汞的密度大 D．汞，汞的密度与温度呈规则的线性关系 答案　D 解析　由于水的密度和温度关系的图线是不规则曲线，如果选水为测温物质，则温度计刻度不均匀；由于汞的密度与温度呈线性关系，选汞为测温物质，温度计刻度均匀。故D正确。 10．(温标)在美国的日常生活中多用华氏温度。华氏温标是1714年德国物理学家华伦海特提出的，而摄氏温标是瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯于1742年提出的。华氏温度规定水凝固时的温度为32华氏度，标准大气压下水沸腾的温度为212华氏度，中间分为180等份，每一等份代表1华氏度(华氏度单位符号为)。2021年2月美国遭遇了罕见的寒潮风暴，美国南部德克萨斯州有名的热带城市休斯敦突降暴风雪，2021年2月16日气温降到12.2 ，换算成摄氏温度为(　　) A．53.96 ℃ B．10.04 ℃ C．11 ℃ D．－11 ℃ 答案　D 解析　设华氏温度用F表示，摄氏温度用t表示，根据题述有F＝(1.8t/℃＋32) ，将F＝12.2 代入，得t＝－11 ℃，故D正确。 11．(热平衡与状态参量)(多选)如图所示，一绝热气缸由导热隔板分为左右两部分，隔板可沿气缸内壁无摩擦滑动，隔板两侧充有同种气体。缓慢推动绝热活塞压缩右侧气体，当左右两侧气体达到新的热平衡时，以下说法正确的是(　　) A．两侧气体的温度相等 B．右侧气体分子的平均速率等于左侧气体分子的平均速率 C．右侧气体压强大于左侧气体压强 D．气缸内每个气体分子的动能均相等 答案　AB 解析　处于热平衡的两系统温度相等，故A正确；温度是分子平均动能的标志，所以两侧气体分子的平均动能相等，由于气缸两侧充有同种气体，则两侧气体分子的平均速率相等，故B正确；当左右两侧气体达到新的热平衡时，右侧气体压强等于左侧气体压强，故C错误；两侧气体分子的平均动能相等，但不是气缸内每个气体分子的动能均相等，故D错误。 7 学科网（北京）股份有限公司 $$