第二章 1. 温度和温标-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步学习方案（人教版2019）

第二章 气体、固体和液体 温度和温标 [学业要求] 1.知道什么是状态参量,什么是平衡态。 2.了解热平衡的概念及热平衡定律。 3.了解温标的定义和温度的意义。 4. 了解热力学温标及热力学温度与摄氏温度的数量关系。 预习案必备知识·问题导学 /通教材·理知识·素养初成 一、状态参量与平衡态 三、温度计与温标 1.热力学系统:由大量 组成的研究 1.温度计及制作原理 对象叫作热力学系统,简称系统 名称 原理 2.状态参量:为确定系统的状态,需要用到一 根据水银 的性质 些物理量,常用的状态参量有体积V、压 水银温度计 来测量温度 强、 3.平衡态:在没有外界影响的情况下,系统 根据金属铀的 随温度 金属电阳温度计 稳定 的变化来测量温度 状态。 根据气体 或 随温 二、热平衡与温度 气体温度计 度的变化来测量温度 1.热平衡;两个相互接触的热力学系统的 根据不同导体因 过产生 不再变化。 热电偶温度计 电动势的大小来测量温度 2.热平衡定律;如果两个系统分别与第三个 2.温标:定量描述 系统达到 ,这两个系统彼此之间 的方法。 也必定处于 (1)摄氏温标:一种常用的表示温度的方 3.温度:处于热平衡的两个系统必定具有某 法,规定标准大气压下冰的熔点为 C,水的沸点为 个共同的热学性质,我们将表征这一“共同 C。 热学性质”的物理量定义为温度,温度也可 在0C刻度与100C刻度之间均匀分成 程度。 理解为物体的 等份,每份为1C。 4.热平衡的性质:一切达到热平衡的系统都 (2)热力学温标:现代科学中常用的表示温 具有相同的 度的方法,热力学温标也叫“绝对温标”。 26 第二章 气体、固体和液体· (3)摄氏温度与热力学温度。 B.两个系统处于热平衡时,它们一定具有 相同的热量 摄氏温标表示的温度,用符号t 摄氏温度 C.温度计测温原理就是热平衡定律 表示;单位是 ,符号为C D.0C的温度可以用热力学温度粗略地表 热力学温标表示的温度,用符号 示为273K 热力学温度 T表示;单位是 ___,符号 2.(1)两个系统具有相同的 时,即达 为K 换算关系 T- 到了热平衡。 (2)中央电视台播报天气预报,某地的最高 [自我诊断] 气温是38C,它是 K。中国在研 1.(多选)下列说法正确的是 ( ) 究超导问题方面走在世界前列,中国科学 A.表示系统的状态参量常用的有体积、压 家发现某种超导材料的临界温度是90K *C。 强、阿伏加德罗常数和温度 它是 探究案关键能力·互动探究 /析考点·悟规律·素养提升 探究点一 平衡态和热平衡的比较 1.平衡态的理解 2.热平衡定律的意义 (1)热力学的平衡态与力学的平衡态的意 决定两个系统是否达到了热平衡的最主要 义不同,热力学的平衡态是一种动态平衡, 参量是温度。因为互为热平衡的物体具有 组成系统的分子仍在不停地做无规则运 相同的温度,所以在比较各物体的温度时, 动,只是分子运动的平均效果不随时间变 不需要将各物体直接接触,只需将温度计 化,表现为系统的宏观性质不随时间变化 分别与各物体接触,即可比较温度的高低。 (2)平衡态是一种理想情况,因为任何系统 【特别提醒】 完全不受外界影响是不可能的 (1)热平衡的特征方面:温度是决定一个 (3)热平衡概念也话用干两个原来没有发 系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物 生过作用的系统,只要两个系统在接触时 理量。 它们的状态不发生变化,那么这两个系统 (2)热平衡的条件方面,达到热平衡的两 原来是处于热平衡的 个系统一定具有相同的温度。 (4)平衡态不是热平衡:平衡态是对某一系 例1 (多选)关于热平衡,下列说法正确 统而言的,是系统的状态,热平衡是对两个 的是 接触的系统之间的关系而言的。分别处于 ) 平衡态的两个系统在相互接触时,它们的 A.系统甲与系统乙达到热平衡就是它们 状态可能会发生变化,直到温度相同时,两 的温度达到相同的数值 个系统便达到了热平衡。达到热平衡的两 B.标准状况下冰水混合物与0C的水未 个系统都处于平衡态 达到热平衡 27 物理·选择性必修 第三册(配RJ版) C.用水银体温计量体温时体温计需和身 C针对训练 体接触几分钟左右是为了让体温计跟 1.(多选)下列关于平衡态与热平衡的说法正 身体达到热平衡 确的是 ( D.冷热程度相同的两系统处于热平衡 ) 状态 A.两个系统在接触时它们的状态不发生 ·核心素养·思维升华 变化,这两个系统原来的温度是相等的 判断系统达到热平衡的两个方法 B.热平衡就是平衡态 (1)根据两个相接触的系统的状态参量是否发生 C.处于热平衡的几个系统的温度一定 变化判断,如果不发生变化,处于热平衡,发生变 相等 化则不处于热平衡; (2)根据两个系统的温度是否相同判断,如果相 D.只要温度不变且处处相等,系统就一定 同,处于热平衡,不相同则不是热平衡。 处于平衡态 探究点二 温度计与温标 1.“温度”含义的两种说法 续表 摄氏温标 热力学温标 温度表示物体的冷热程度,这样的定 宏观 义带有主观性,因为冷热是由人体的 一个标准大气压下冰 零度的规定 -273.15°C 角度 感觉器官比较得到的,往往是不准 水混合物的温度 确的 温度名称 摄氏温度 热力学温度 温度的严格定义是建立在热平衡定律 温度符号 t 基础上的。热平衡定律指出,两个系 T 热平衡 统相互处于热平衡时,存在一个数值 单位名称 摄氏度 角度 开尔文 相等的物理量,这个物理量就是温度, C 单位符号 K 这样的定义更具有科学性 ①T-t+273.15K,粗略表示:T-t+ 2.温度计测量原理 关系 273K; 一切互为热平衡的系统都具有相同的温 ②1K的大小与1C的大小相等 度。使温度计与待测物体接触,达到热平 衡,其温度与待测物体的温度相同。 【特别提醒】 3.温标 温度计所用作为工作物质的材料必须具 (1)常见的温标有摄氏温标、华氏温标、热 备的条件 力学温标。 (1)因冷热而改变的特性要有重复性; (2)比较摄氏温标和热力学温标。 (2)因冷热所产生的效应必须相当 摄氏温标 热力学温标 明显; 英国物理学 提出者 瑞典天文学家摄尔修斯 (3)热容量越小越好,当与其他物体接触 家开尔文 后,能在短时间内达到热平衡。 28 第二章 气体、固体和液体· 例② (多选)下列关于热力学温标的说法 C针对训练 正确的是 ( ) 2.严冬时,湖面上结了厚厚的冰,但冰下面鱼 A.热力学温标是一种更为科学的温标 儿仍在游动。为了测出冰下水的温度,某 B.热力学温标的零度为-273.15C,叫绝 同学在冰上打了一个洞,拿来一支实验室 对零度 温度计,用下列四种方法测水温,其中正确 C.气体温度趋近于绝对零度时其体积 的是 7 ) 为零 A.用线将温度计挫牢从洞中放入水里,待 D.在绝对零度附近气体已液化或凝固 较长时间后从水中提出,读出示数 ·核心素养·思维升华 B.取一塑料饮水瓶,将瓶铨住从洞中放人 水里,水灌满瓶后取出,再用温度计测 热力学温度与摄氏温度关系的理解 (1)T-t十273.15K是解决有关热力学温度与 瓶中水的温度 C. 取一塑料饮水瓶,将温度计悬吊在瓶中 摄氏温度关系问题的基础; (2)摄氏温度变化1C与热力学温度变化1K是 再将瓶挫住从洞中放入水里,水灌满瓶后 等效的,即AT-At,而不是AT一At+273.15K 待较长时间,然后将瓶提出,立即从瓶外 (3)绝对零度是低温的极限,只能接近,永远达不 观察温度计的示数 到,故热力学温度不能出现负值,但摄氏温度可 D.手拿温度计,从洞中将温度计插入水 以出现负值。 中,可待较长时间后读出示数 提升案随堂演练·基础落实 /夯基础·提技能·素养达成 1.如果一个系统达到了平衡态,那么这个系 3.有关热平衡的下列说法正确的是 ) 统各处的 C A.如果两个系统在某时刻处于热平衡状 A.温度、压强、体积都一定达到了稳定的 态,则这两个系统永远处于热平衡状态 状态不再变化 B.热平衡定律只能研究三个系统的问题 B.温度一定达到了某一稳定值,但压强和 C.两个系统在接触时,它们的状态不发生 体积仍是可以变化的 变化,则这两个系统原来的温度是相 C.温度一定达到了某一稳定值,并且分子 等的 不再运动,达到了“凝固”状态 D.两个处于热平衡状态的系统,温度可以 D.温度、压强变得一样,但体积仍可变化 有微小的差别 2.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,系 4.(多选)关于热力学温度,下列说法正确 的是 ( 统处于非平衡状态时各部分的参量不 ) 发生变化 A.-33C-240.15K B. 当系统不受外界影响,且经过足够长的 B.温度变化1C,也就是温度变化1K 时间,其内部各部分状态参量将会相同 C.摄氏温度与热力学温度都可能取负值 C.只有处于平衡状态的系统才有状态 D.温度由;升至2t,对应的热力学温度升 参量 高了273.15K+ D.两物体发生热传递时,它们组成的系统 提T 处于平衡状态 请完成[知能达标训练]作业(四) 29章末整合提升 200.5×10-3 【体系构建】 V=18.6x10x6.02X10m3≈2.4X109m. 10-10 答案3.3×10-2g2.4×10-29m3 6.02×1023扩散现象 布朗运动 [例2][解析]由题图可知，当分子间距离为T0时，分 永不停息，无规则温度越高，运动越剧烈引力和斥力 子力和分子势能均达到最小，但此时分子力为零，而分 的合力斥力零引力零中间多、两头少平均速 子势能不为零，为负值：当分子间距离>r。时，分子力 率数密度平均动能增大零增大热运动动能 随分子间距离的增大先增大后减小，此时分子力做负 与分子势能分子数目温度体积 功，分子势能增大；当分子间距离r<。时，随着分子间 【分项提升】 距离逐渐减小，分子力逐渐增大，而此过程中分子力做 [例1][解析](1)金刚石的质量 负功，分子势能增大。由此知选项C、D正确。 m=pV=3500×5.7×10-8kg=2.0×10-4kg, [答案]CD 碳原子的物质的量 [针对训练] 4=号-28x18m=17X10m 2.BD从T3到门，分子力表现为引力，分子做加速运动， 分子力做正功，分子势能减小：从1向O,分子力表现 金刚石所含碳原子数 为斥力，分子做减速运动，分子力做负功，分子势能增 N=n·NA=1.7×10-2×6.02×1023= 大；A、C错误，B、D正确 1.0×1022(个)。 [例3][解析]气体分子间的距离比较大，甚至可以忽 (2)一个碳原子的体积 略分子间的作用力，分子势能也就不存在了，所以气体 -为-08=57X0d, 在没有容器的约束下散开是分子热运动的结果，选项A 错误；100℃的水变成同温度的水蒸气，分子的平均动 花金刚石中的残原子看成球体，则由公式V。=晋P可 能不变，所以选项B错误；根据内能的定义可知选项C 正确：如果气体的温度升高，分子的平均动能增大，热运 6Vo 得碳原子直径为d=√ /6X5.7×10-30 动的平均速率也增大，这是统计规律，但就每一个分子 3.14 m 来讲，速率不一定都增加，故选项D错误。 2.2×10-10m. [答案](1)1.0×102个(2)2.2×10-10m [答案]C [针对训练] [针对训练] 3.B物体的内能与物体的机械运动无关，故A错误：当 1.解析由m=4得 NA 气体的体积不变而温度降低时，气体的分子势能不变， 200.5 分子的平均动能减小，气体的内能减小，故B正确：物体 m= 6.02X10g≈3.3×10-2g. 的温度和体积均发生变化时，物体内的分子势能和分子 由v总释 的平均动能都发生变化，其内能可能不变，故C错误：任 何物体都有内能，故D错误。 第二章 气体、固体和液体 1温度和温标 是否达到热平衡的唯一物理量，故A、C正确；平衡态是 预习案必备知识·问题导学 对一个系统而言，热平衡是两个系统相互影响的结果， 一、1.分子2.温度T3.各部分的状态参量能够达到 B错误：描述系统的状态参量不止一个，根据平衡态的 二、1.状态参量 定义可知，D错误。 2.热平衡热平衡 探究点二 3.冷热 [例2][解析]热力学温标在科学计算中特别是在热力 4.温度 学方程中，使计算更简单、更科学，故A正确：绝对零度是 三、1.热膨胀电阻压强体积温差 热力学温标的常识，B正确：气体趋近于绝对零度时，已液 2.温度(1)0100100(3)摄氏度开尔文 化，但有体积，C错误，D正确。 t+273.15 [答案]ABD [自我诊断] [针对训练] 1.CD 2.C要测量冰下水的温度，必须使温度计与冰下的水达 2.(1)温度(2)311.15-183.15 到热平衡，再读出温度计的示数，但隔着冰无法直接读 探究案关键能力·互动探究 数，把温度计取出来，显示的又不是原平衡态下的温度， 探究点一 所以A、D不正确，B做法也失去了原来的热平衡，水瓶 [例1门[解析]两系统达到热平衡时的标志是它们的 提出后，再用温度计测，这时周围空气也参与了热交换， 温度相同，或者说它们的冷热程度相同，所以选项A、C、 测出的温度不再是冰下水的温度了，只有C正确。 D正确，B错误。 提升案随堂演练·基础落实 [答案]ACD 1,A如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态 [针对训练] 参量如温度、压强和体积等不再随时间发生变化，温度 1.AC只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化， 达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝 这两个系统原来就处于热平衡，而温度是决定两个系统 固”状态。 6 2.B系统处于非平衡状态时状态参量会发生变化，两物体 [变式] 发生热传递表示温度在发生变化，故A、D错误：当系统不 1.解析 (1)开始时，左管中气体压强1=77cmHg,气柱长 受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参 L1=10cm,右管中气体的压强为2=81cmHg,气柱长为 量将会相同，达到平衡态，故B正确：状态参量是描迷系统 L2=10cm,当左、右两管中水银液面相平时，设两管中气体 状态的物理量，无论系统处于何种状态都具有状态参量， ! 的压强均为p,右管中气柱的长为L2'=9cm,右管中气体 故C错误。 发生等温变化，则有p2L2S2=L2'S2,解得p=90cmHg。 3.C处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状 (2)设两管中水银液面相平时，左管中气柱长为L]',左 态参量会随之改变，温度也会变化，故A错误；热平衡 管中气体发生等温变化，则有1L1S1=L'S1,解得 定律适用于多个系统，B错误：根据热平衡定义知，C正 L1'- 9cm,活塞向下移动的距离h=13cm-7? 9 cm= 确，D错误。 4 4.ABT=t+273.15K,由此可知：-33℃=240.15K, 9 cm. A正确，同时B正确；D中初态热力学温度为t十273.15K, 末态为273.15K+2t,温度变化t,故D错误；对于摄氏 答案(1)90 emHg(2)9cm 温度可取负值的范围为一273.15℃一0℃，因绝对零度 :2.解析(1)设左侧空气柱长度L=10.0cm时压强为p, 达不到，故热力学温度不可能取负值，C错误。 当两侧的水银面的高度差为h1=10.0cm时，空气柱的 2气体的等温变化 长度为L1,压强为p1,由玻意耳定律有SL=p1SL1, p=p0十h:打开开关放出水银的过程中，右侧水银面处 预习案必备知识·问题导学 的压强始终为0，而左侧水银面处的压强随空气柱长 一、1.体积V2.压强 度的增加逐渐减小，右、左两侧水银面的高度差也随着 二、答案：(1)保证气体的质量一定。 减小，直至右侧水银面低于左侧水银面1为止，由力学 (2)使温度保持不变，温度会变化。 平衡条件p1=0一h1,由以上几式联立计算得 (3)没有。 L1=12cm. (4)不能。 (2)当左、右两侧的水银面达到同一高度时，设左侧空气 [概念·规律] 柱的长度为L2,压强为p2,由玻意耳定律pSL= 注射器空气柱刻度尺直线正比反比 p2SL2,p2=po:联立并代入题目数据有L2=10.4cm时 三、1.反比2.pV2V23.质量 设注入水银在管内的长度为△h,依题意有△M= 四、1.双曲线2.不同 2(L1一L2)十h1:联立并代入题目数据，有△h= [自我诊断] 13.2cm。 1.ABC 答案(1)12cm(2)13.2cm [针对训练] 2品 2.解析设B管在上方时上部分气压为B,则此时下方 探究案 关键能力·互动探究 气压为pA,此时有pA=pB十20cmHg 倒置后A管气体压强变小，即空气柱长度增加1cm: 探究点一 A管中水银柱减小1cm,A管的内径是B管的2倍，则 [例1门[解析]对汽缸整体受力分析，由平衡条件有 SA=4SB Po(2S-S)+(2m+m)g=p(2S-S),PoS=10mg 可知B管水银柱增加4cm,空气柱减小4cm;设此时两 联立求得p=13mg。 管的压强分别为A'、pB',所以有 PA'+23 cmHg=P8' [答案]13mg 倒置前后温度不变，根据玻意耳定律对A管有 PASALA=PA SALA [针对训练] 对B管有PBSBLB=pB'SBLB' 1.B选右边最低液面为研究对象，右边液面受到向下的 其中La'=10cm+1cm=11cm 大气压强p0,在相同高度的左边液面受到液柱1向下 LB'=10 cm-4 cm=6 cm 的压强和液柱上面气体向下的压强p,根据连通器 联立以上各式解得 原理可知：p十ph1=0,所以p=p0一ph1,B正确。 PA=74.36 cmHg 探究点二 pB=54.36cmHg。 [例2][解析](1)开始时，左管中封闭气体的压强 答案pA=74.36cmHg,pB=54.36cmHg p1=75cmHg十5cmHg=80cmHg,当左右两管中水银：[例3][解析]解法一设打气n次，足球体积为V1, 液面相平时，气体的压强为p0,设气柱的长为L,LS= 末态压强为p2,根据玻意耳定律 poL1S,解得L1=10.67cm,活塞上移的距离h1= p1V1+npoV0=p2V1,解得n=15,故需要打气15次。 10.67cm+2.5cm-10cm=3.17cm。 解法二在压强为p1=5×10Pa时， (2)若右管管口封闭，当左右管中水银液面相平两管中 打气筒打一次气的气体对应的体积V。' 气体压强为p,则，×2LS=p:×(2L+L)S, PoVo=P1Vo',Vo'=200 cm3 又p1(V1十nV,)=p2V1,解得n=15。 p1LS=p2L2S,解得L2=12cm,则活塞上移的距离 解法三足球内原有气体在压强为p0=1×105Pa时， h2=12cm+2.5cm-10cm=4.5cm。 对应的体积V',p1V1=poV1' [答案](1)3.17cm(2)4.5cm 又o(nVo+V1')=p2V1,解得n=15.