2.3 第2课时 理想气体 气体实验定律的微观解释（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

气体、固体和液体 第3节　气体的等压变化和等容变化 第2课时　理想气体　气体实验定律的微观解释 第二章 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 一、理想气体 1．理想气体：在____温度、____压强下都遵从气体实验定律的气体。 2．理想气体与实际气体：实际气体在温度不低于______________、压强不超过____________时，可以当成理想气体来处理。 必备知识 自主学习 任何 任何 零下几十摄氏度 大气压的几倍 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 质量 热力学温度T 质量 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 温度 增大 增大 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 增大 增大 减小 不变 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 增大 增大 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 √ √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 × √ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 1．理想气体严格遵守气体实验定律及理想气体状态方程。 2．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，可视为质点。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．理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力。 4．理想气体无分子势能，内能等于所有分子热运动的动能之和，只和温度有关。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 AB 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 1．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)方程中各量的单位：温度T必须用热力学温度的单位，公式两边中压强p的单位和体积V的单位必须统一，但不一定是国际单位制中的单位。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 【例3】 (多选)一定质量的理想气体，经等温压缩，气体的压强增大，用分子动理论的观点分析，这是因为(　　) A．气体分子每次碰撞器壁的平均冲力增大 B．单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多 C．气体分子的总数增加 D．单位体积内的分子数目增加 关键能力 互动探究 BD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 AC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 　　了解理想气体的模型，并知道实际气体看成理想气体的条件。 1.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。 2.能用分子动理论和统计观点解释气体实验定律。 认识到气体的变化规律可以从微观角度解释，也可以从宏观角度来感受，从而感悟自然界的统一、和谐之美。 二、理想气体的状态方程 1．内容：一定____的某种理想气体，在从一个状态(p1、V1、T1)变化到另一个状态(p2、V2、T2)时，压强p跟体积V的乘积与____________的比值保持不变。 2．表达式：______。 3．成立条件：一定____的理想气体。 ＝C 三、气体实验定律的微观解释 1．玻意耳定律的微观解释 一定质量的某种理想气体，____保持不变时，分子的平均动能是一定的。在这种情况下，体积减小时，分子的数密度____，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____。 2.盖－吕萨克定律的微观解释,一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能____，只有气体的体积同时____，使分子的数密度____，才能保持压强____。 　　 ↓ 由分子的平均撞击力和撞击单位面积器壁的分子个数决定 3.查理定律的微观解释 一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的数密度保持不变。在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能____，气体的压强就____。 (实验情境)在带有活塞的有机玻璃筒底放置少量硝化棉，内部密封一定质量的空气，迅速压下活塞，观察到硝化棉燃烧起来。 判断下列说法的正误(对的画“√”，错的画“×”)。 (1)实际气体在常温常压下可看作理想气体。(　　 　　) (2)理想气体是为了研究问题的方便提出的一种理想化模型。(　　 　　) (3)在下压过程中内部密封的空气，其状态方程＝C中的常量C不变，且对于不同的理想气体，常量C均相同。(　 　　) (4)在下压过程中由于V减小，则T增大，分子的数密度增大，分子的平均动能增大，所以压强增大。(　　 　　) 探究点一___理想气体 【例1】 (多选)关于理想气体的认识，下列说法正确的是(　　) A．它是一种能够在任何条件下都能严格遵守气体实验定律的气体 B．它是实际气体忽略次要因素，简化抽象出来的理想模型 C．一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关 D．被压缩的气体，不能视为理想气体 理想气体是实际气体忽略次要因素，抽象出来的一种理想模型，温度不太低、压强不太大的实际气体可视为理想气体，理想气体在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律，A、B正确；一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关，与体积无关，C错误；被压缩的气体，也可视为理想气体，D错误。 [练1] (2024·江苏盐城高二统考期中)关于理想气体，下列说法正确的是(　　) A．温度极低的气体也是理想气体 B．压强极大的气体也遵从气体实验定律 C．理想气体是对实际气体的抽象化模型 D．理想气体分子间的相互作用力不可忽略 只要实际气体的压强不是很高，温度不是很大，都可以近似的当成理想气体来处理，理想气体是物理学上为了简化问题而引入的一个理想化模型，在现实生活中不存在；通常状况下，严格遵从气态方程的气体，叫作理想气体，理想气体分子间的相互作用力可忽略，A、B、D错误，C正确。 探究点二___理想气体的状态方程 2．理想气体状态方程与气体实验定律 ＝⇒ 【例2】 关于气体的状态变化，下列说法正确的是(　　) A．一定质量的理想气体，当压强不变而温度由100 ℃上升到200 ℃时，其体积增大为原来的2倍 B．任何气体由状态1变化到状态2时，一定满足方程＝ C．一定质量的理想气体体积增大到原来的4倍，则气体可能压强减半，热力学温度加倍 D．一定质量的理想气体压强增大到原来的4倍，则气体可能体积加倍，热力学温度减半 一定质量的理想气体压强不变，体积与热力学温度成正比，温度由100 ℃上升到200 ℃时，体积增大为原来的1.27倍，A错误；理想气体状态方程成立的条件为气体可看作理想气体且质量不变，B错误；由理想气体状态方程＝C可知，C正确，D错误。 [练2] (2024·辽宁辽阳模拟)如图所示，粗细均匀的连通器左端用水银封闭长L＝15 cm的理想气柱，左、右两管水银面高度差H＝15 cm。已知外界大气压强p0＝75 cmHg，环境的热力学温度T0＝300 K，现要使左、右两管内的水银面相平。 (1)若仅在右管开口中缓慢注入水银，求需要注入的水银高度h； (2)若仅缓慢升高左端气柱的温度，求左端气柱最终的热力学温度T。 答案：(1)21 cm　(2)562.5 K (1)左端气柱初态压强 p＝(75－15)cmHg＝60 cmHg 左、右两管内的水银面相平时，右端气柱末态压强 p0＝75 cmHg 根据题意可知封闭气体做等温变化，根据玻意耳定律则有pLS＝p0L0S 解得L0＝12 cm 需要注入的水银高度h＝H＋2(L－L0)＝21 cm。 (2)仅缓慢升高左端气柱的温度，左、右两管内的水银面相平时，左端管中气体长度 L1＝L＋＝22.5 cm 根据一定质量的理想气体状态方程有 ＝ 解得T＝562.5 K。 应用理想气体状态方程解题的一般步骤 (1)明确研究对象，即一定质量的理想气体； (2)确定气体在初、末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2； (3)由理想气体状态方程列式求解； (4)必要时讨论结果的合理性。 探究点三___气体实验定律的微观解释 1．玻意耳定律 (1)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。 (2)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 (1)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。 (2)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，分子撞击器壁的平均作用力变大，所以气体的压强增大，如图所示。 3．盖－吕萨克定律 (1)宏观表现：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。 (2)微观解释：温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的平均作用力变大，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。 理想气体经等温压缩，体积减小，单位体积内的分子数目增加，则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多，压强增大，但气体分子每次碰撞器壁的平均冲力不变，气体分子的总数不变，B、D正确，A、C错误。 [练3] (多选)对于一定质量的理想气体，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 单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数和碰撞的平均力都增大，因此气体压强一定增大，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，C正确，D错误。 探究点四___解决实际问题 [练4] (生活情境)(2024·广东广州高二期末)如图是泡茶常用的茶杯，某次茶艺展示中往杯中倒入适量热水，水温为87 ℃，盖上杯盖，杯内气体与茶水温度始终相同。已知室温为27 ℃，杯盖的质量m＝0.1 kg，杯身与茶水的总质量M＝0.5 kg。杯盖的面积约为S＝50 cm2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，忽略汽化、液化现象，杯中气体可视为理想气体，重力加速度g取10 m/s2，若杯盖和杯身间气密性很好，在温度下降时，试从微观角度分析说明杯内的气体压强的变化。 答案：见解析 若杯盖和杯身间气密性很好，杯内气体的体积不变，气体分子数密度不变；温度下降时，分子的平均动能减小，分子对器壁的压力减小，杯内的气体压强减小。 1．关于理想气体，下列说法正确的是(　　) A．理想气体也不能严格地遵守气体实验定律 B．实际气体在温度不太高、压强不太小的情况下，可看成理想气体 C．实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下，可看成理想气体 D．所有的实际气体在任何情况下，都可以看成理想气体 理想气体是在任何温度、任何压强下都能遵守气体实验定律的气体，A错误；实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下可看成理想气体，C正确，B、D错误。 2．对于一定质量的理想气体，下列状态变化中可能实现的是(　　) A．使气体体积增加，温度降低 B．使气体温度升高，体积不变，压强减小 C．使气体温度不变，压强、体积同时增大 D．使气体温度升高，压强减小，体积减小 由理想气体状态方程＝C得，A项中若使压强减小就有可能，A正确；体积不变，温度与压强应同时变大或同时变小，B错误；温度不变，压强与体积成反比，故不能同时增大，C错误；温度升高，压强减小，体积不可能减小，D错误。 3．一定质量的理想气体，经历了如图所示的状态变化过程，则此三个状态的温度之比是(　　) A．1∶3∶5 B．3∶6∶5 C．3∶2∶1 D．5∶6∶3 由理想气体状态方程得＝C(C为常量)，可见pV＝TC，即pV的乘积与温度T成正比，因此 T1∶T2∶T3＝p1V1∶p2V2∶p3V3＝3∶6∶5，B正确。 4．如图所示，导热良好的固定直立圆筒内用面积S＝100 cm2，质量m＝1 kg的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。圆筒与温度300 K的热源接触，平衡时圆筒内气体处于状态A，其体积VA＝600 cm3。缓慢推动活塞使气体达到状态B，此时体积VB＝500 cm3。固定活塞，升高热源温度，气体达到状态C，此时压强pC＝1.4×105 Pa。已知大气压p0＝1.01×105 Pa。重力加速度g取10 m/s2。 (1) 求气体在状态B的压强pB； (2) 求气体在状态C的温度TC； (3) 请用微观解释从状态B到状态C的过程中压强增大的原因。 答案：(1) 1.2×105 Pa　(2) 350 K　(3)见解析 (1) 气体处于状态A时，对活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S 解得pA＝1×105 Pa 气体从状态A到状态B发生等温压缩变化，由玻意耳定律有pAVA＝pBVB 解得pB＝1.2pA＝1.2×105 Pa。 (2) 气体从状态B到状态C，做等容变化，由查理定律有＝ 解得TC＝350 K。 (3) 分子的密集程度不变，温度升高，分子平均动能增大，单位面积圆筒上单位时间内的作用力增大，压强增大。 5．(2024·贵州遵义模拟)如图所示的减震垫上布满了12个完全相同的圆柱状薄膜气泡，每个薄膜气泡中充满体积为V0，压强为p0的理想气体。在减震垫上放上质量分布均匀的平板状物品，物品始终保持水平，稳定后每个薄膜气泡的体积均为。若薄膜气泡内气体的温度为22 ℃，不计薄膜的重力和弹力，重力加速度为g。 (1)放上物品稳定后，若气体温度不变，则每个薄膜气泡内气体的压强为多少？ (2)取走物品稳定后，每个气泡中气体压强均恢复到p0，体积均增大为V0，则气泡中气体的温度改变了多少？ 答案：(1)p0　(2)5 K (1)由玻意耳定律可得 p0×V0＝p1×V0 解得p1＝p0。 (2)放上物品后气体温度为T1＝(273＋22)K 则由理想气体状态方程可得 ＝ 解得T2＝300 K 则气泡中气体的温度改变量为 ΔT＝T2－T1＝5 K。 $$