2.3 气体实验定律的微观解释（Word教参）-【优化指导】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 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道气体压强产生的原因． 2．知道什么是理想气体，了解理想气体状态方程． 3．知道气体实验定律的微观解释． 1.物理观念：气体的压强，理想气体． 2．科学思维：能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义、解释气体实验定律． 3．科学态度与责任：认识理想气体是和质点、点电荷等具有同样意义的理想模型． [对应学生用书P28] 1．气体压强产生的原因： 从分子动理论的观点来看，气体对容器的压强是由于气体分子频繁地碰撞器壁而产生的． 2．决定气体压强大小的因素： (1)容器中气体分子的平均速率越大，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)容器中单位体积气体分子数目越多，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，平均作用力也会越大． [判断] (1)气体与液体产生压强的原因相同．(×) (2)气体的压强是由气体受到重力产生的．(×) (3)气体对容器的压强是大量分子不断撞击器壁产生的．(√) 1．玻意耳定律：一定质量的某种气体，温度保持不变时，分子的平均速率是不变的．在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，单位时间内、单位面积上碰撞器壁的分子数就越多，气体的压强就越大． 2．查理定理：一定质量的某种气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变．在这种情况下，温度升高时，分子的平均速率增大，气体的压强就增大． 3．盖­吕萨克定律：一定质量的某种气体，温度升高时，分子的平均速率增大；只有气体的体积同时增大，使分子的密集程度减小，才能保持压强不变． 1．定义：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体． 2．实际气体当成理想气体的条件 3．理想气体的状态方程 (1)内容：一定质量的某种理想气体，在从一个状态变化到另一个状态时，压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变． (2)公式：＝或＝c. (3)适用条件：一定质量的理想气体． [判断] (1)理想气体也不能严格地遵守气体实验定律．(×) (2)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．(√) (3)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．(×) [对应学生用书P29] 探究点一　气体压强的微观解释 如图，下大雨的时候人们打着的伞为什么会感到明显的加重？ 提示　大量密集的雨滴对伞形成一个持续的压力，就像大量持续撒向托盘秤上的豆子一样，给秤一个持续的压力． 1．气体压强的产生 单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力． 2．决定气体压强大小的因素 (1)微观因素 ①气体分子的密集程度：气体分子密集程度(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气体分子的平均速率：气体的温度高，气体分子的平均速率就大，每个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就大；从另一方面讲，分子的平均速率大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就多，累计冲力就大，气体压强就越大． (2)宏观因素 ①与温度有关：温度越高，气体的压强越大． ②与体积有关：体积越小，气体的压强越大． 一太阳能空气集热器，底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容积为V0，开始时内部封闭气体的压强为p0，经过太阳曝晒，此容器内压强怎样变化？并从微观角度解释压强变化的原因． 解析　空气集热器内的体积不变，温度升高，分子的平均速率增大，气体的压强增大．大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生气体的压强．单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力，所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．气体压强由气体分子的密集程度和平均速率决定．气体分子越密集，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，压强也就越大．分子的数密度不变时，温度越高，气体分子的平均速率越大，气体分子与器壁碰撞时冲力大，次数多，气体的压强就越大． 答案　见解析 [训练1]　把打气筒的出气口堵住，往下压活塞，越往下压越费力，主要原因是往下压活塞时(　　) A．空气分子间的引力变小 B．空气分子间的斥力变大 C．空气与活塞分子间的斥力变大 D．单位时间内空气分子对活塞碰撞次数变多 D　[气体分子间距离大于10r0，分子间的相互作用力可忽略不计，故A、B、C三项错误；越往下压活塞越费力，是因为一定质量的空气，体积减小，压强增大，分子密集程度增大，空气分子在单位时间内对活塞的碰撞次数增多，D项正确．] [训练2]　下列关于气体的说法中，正确的是(　　) A．由于气体分子运动的无规则性，密闭容器的器壁在各个方向上的压强可能会不相等 B．气体的温度升高时，所有的气体分子的速率都增大 C．一定质量的气体体积不变，气体分子的平均速率越大，气体的压强就越大 D．气体的分子数越多，气体的压强就越大 C　[气体分子一直做无规则运动，但是由于在同一时刻，向各个方向运动的概率相同，故对器壁在各个方向上的压强相等，A错误；温度升高时，气体分子的平均速率增大，但不是所有的气体分子速率都增大，B错误；体积不变，分子的平均速率越大说明温度越高，压强越大，C正确；气体压强由气体分子数密度和平均速率共同决定，D错误．] 探究点二　气体实验定律的微观解释 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，氮气分子的数密度增大，使瓶内气体分子频繁、持续碰撞瓶内壁，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． 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 (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． 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 A　[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．故选项A正确，选项B、C、D错误．] [训练3]　(多选)对于一定质量的气体，当它的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是(　　) A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变 B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小 C．压强和体积都增大时，其分子的平均动能一定增大 D．压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变 AC　[质量一定的气体，分子总数不变，体积增大，分子的数密度减小；体积减小，分子的数密度增大，根据气体压强与单位体积内分子数和分子的平均动能这两个因素的关系，可判断A、C正确；B、D错误．] [训练4]　(多选)如图，封闭在汽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 BD　[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．] 探究点三　理想气体 1．对理想气体的理解 (1)在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体叫作理想气体． (2)实际气体可视为理想气体的条件：①温度不太低(不低于零下几十摄氏度). ②压强不太大(不超过大气压的几倍). 2．理想气体状态方程 (1)内容：一定质量的某种理想气体，在从一个状态变化到另一个状态时，压强与体积的乘积与热力学温度的比值保持不变． (2)公式：＝c(c为常量)或＝. (3)适用条件：一定质量的理想气体． (4)常量c与p、V、T都无关，与气体的质量、种类有关． 某种气体的压强为2×105 Pa，体积为1 m3，温度为200 K．它经过等温过程后体积变为2 m3.随后，又经过等容过程，温度变为300 K，求此时气体的压强． 解析　根据玻意耳定律，有 T1＝T，p1V1＝pV 根据查理定律，有 V＝V2，＝ 联立上述各式可得 ＝ p2＝＝ Pa＝1.5×105 Pa 等温和等容变化后气体的压强为1.5×105 Pa. 答案　1.5×105 Pa [训练5]　如图所示为一简易火灾报警装置，其原理是：竖直放置的试管中装有水银，当温度升高时，水银柱上升，使电路导通，蜂鸣器发出报警的响声．已知温度为27 ℃时，封闭空气柱长度L1为20 cm，此时水银柱上表面与导线下端的距离L2为10 cm，水银柱的高度h为5 cm，大气压强为75 cmHg，绝对零度为－273 ℃. (1)当温度达到多少摄氏度时，报警器会报警？ (2)如果要使该装置在90 ℃时报警，则应该再往玻璃管内注入多高的水银柱？ 解析　(1)报警器报警，则空气柱的长度要增大到L1＋L2，根据等压变化 ＝＝ 代入数据得T2＝450 K 即t2＝177 ℃. (2)设试管横截面积为S、加入高为x的水银柱时装置在90 ℃时会报警，根据理想气体状态方程＝ 可得＝ 解得x＝8 cm. 答案　(1)177 ℃　(2)8 cm [对应学生用书P32] 1．(气体压强微观解释)关于气体的压强，下列说法中正确的是(　　) A．气体的压强是由气体分子间的排斥作用产生的 B．温度升高，气体分子的平均速率增大，气体的压强一定增大 C．气体的压强就是大量的气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力 D．当某一密闭容器自由下落时，容器中气体的压强将变为零 C　[气体的压强是气体分子热运动产生的，且压强大小p＝，则A错，C对；压强大小微观上与分子热运动剧烈程度和分子密集程度有关(分子热运动平均速率越大，单位体积分子的密集程度越大，压强越大)，与外界的状态等因素无关，则B、D错．] 2．(压强的微观解释)教室内的气温会受到室外气温的影响，如果教室内上午10时的温度为15 ℃，下午2时的温度为25 ℃，假设大气压强无变化，则下午2时与上午10时相比较，房间内的(　　) A．空气分子密集程度增大 B．空气分子的平均速率增大 C．空气分子的速率都增大 D．空气质量增大 B　[温度升高，气体分子的平均速率增大，平均每个分子对器壁的冲力将变大，但气压并未改变，可见单位体积内的分子数一定减小．故A、D两项错误．B项正确；温度升高，并不是所有空气分子的速率都增大，C项错误．] 3．(理想气体)(多选)下列对理想气体的理解，正确的有(　　) A．理想气体实际上并不存在，只是一种理想化模型 B．只要气体压强不是很高就可视为理想气体 C．一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关 D．理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可以忽略不计，分子视为质点 AD　[理想气体是一种理想化模型，温度不太低，压强不太大的实际气体可视为理想气体，只有理想气体才遵循气体的实验定律，选项A正确，选项B错误；理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可以忽略不计，一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，与体积无关，选项C错误，选项D正确．] 4．(压强微观解释)对于一定质量的气体，下列四个论述中正确的是(　　) A．当分子热运动变剧烈时，压强必增大 B．当分子热运动变剧烈时，压强可以不变 C．当分子间平均距离变大时，压强必变大 D．当分子间平均距离变大时，压强必变小 B　[影响气体压强的是分子的平均速率和气体分子的数密度．分子热运动变剧烈，表明气体温度升高，分子平均速率增大，但不知气体分子的数密度怎么变化，故压强的变化趋势不明确，A错误，B正确；分子间平均距离变大，表明气体分子的数密度变小，但因不知此时分子的平均速率怎么变，故气体的压强变化趋势不明确，C、D错误．] 5．(压强微观解释)(多选)一定质量气体，在体积不变的情况下，温度升高，压强增大的原因是(　　) A．温度升高后，气体分子的平均速率变大 B．温度升高后，每一个气体分子的速率变大 C．温度升高后，分子撞击器壁的平均作用力增大 D．温度升高后，单位体积内的分子数增多，撞击到单位面积器壁上的分子数增多了 AC　[体积不变就是分子的数密度不变，温度升高，气体分子的平均速率变大，但不是每一个气体分子的速率都增大，所以气体的压强增大．同时由于气体分子的平均速率变大，分子撞击器壁的平均作用力增大，故A、C正确，B、D错误．] 6.(理想气体状态方程)粗细均匀的U形管中装有水银，左管上端有一活塞P，右管上端有一阀门S，开始时活塞位置与阀门等高，如图所示，阀门打开时，管内两边水银柱等高，两管空气柱长均为l＝20 cm，此时两边空气柱温度均为27 ℃，外界大气压为p0＝76 cmHg，若将阀门S关闭以后，把左边活塞P慢慢下压，直至右边水银上升10 cm，在活塞下压过程中，左管空气柱的温度始终保持在27 ℃，并使右管内温度上升到177 ℃，求此时左管内空气的长度． 解析　设U形管横截面积为S. 左管封闭气体：初状态p1＝76 cmHg，V1＝20 cm×S， T1＝273 K＋27 K＝300 K 末状态p2＝？，V2＝？，T2＝300 K 右管封闭气体：初状态p3＝76 cmHg，V3＝20 cm×S， T3＝273 K＋27 K＝300 K 未状态p4＝p2－20 cmHg，V4＝10 cm×S，T4＝450 K 对右管：由理想气体状态方程得＝ 代入数据得p2＝248 cmHg 对左管：由玻意耳定律p1V1＝p2V2 代入数据解得V2＝×S≈6.1S 所以此时空气柱长度l＝＝6.1 cm 答案　6.1 cm 7．(理想气体状态方程)如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口，卡口距缸底的高度h＝20 cm.汽缸活塞的面积S＝100 cm2，重力G＝100 N，其下方密封有一定质量的理想气体，活塞只能在卡口下方上下移动．活塞和汽缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦，竖直轻弹簧下端与缸底固定连接，上端与活塞固定连接，原长l0＝15 cm，劲度系数k＝2 000 N/m.开始时活塞处于静止状态，汽缸内气体温度T1＝200 K，弹簧的长度l1＝10 cm，现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体(大气压p0＝1.0×105 Pa).求： (1)当弹簧恢复原长时汽缸内气体的温度T2； (2)当汽缸中的气体温度T3＝500 K时汽缸内气体的压强p3. 解析　(1)对活塞受力分析，如图所示 由平衡条件得p1S＋F＝p0S＋G 整理得p1＝p0＋－ 代入数据得p1＝1.0×105 Pa 封闭气体初状态p1＝1.0×105 Pa，T1＝200 K，V1＝l1S＝10S 弹簧恢复原长时，对活塞受力分析，如图所示 由平衡条件得p2S＝p0S＋G 整理得p2＝p0＋， 代入数据得p2＝1.1×105 Pa 所以封闭气体末状态：p2＝1.1×105 Pa，T2＝？，V2＝l0S＝15S 由理想气体状态方程得：＝ 代入数据解得：T2＝330 K. (2)设温度为T时，活塞恰好上移至卡口，此时对活塞受力分析，如图所示． 由平衡条件得pS＝p0S＋G＋F′ 整理得p＝p0＋＋， 代入数据得p＝1.2×105 Pa 而气体体积V＝hS＝20S 由理想气体状态方程得：＝， 代入数据解得：T＝480 K 由于T3＝500 K＞480 K， 活塞上移至卡口，有：V3＝hS＝20S 由理想气体状态方程得：＝ 代入数据解得：p3＝1.25×105 Pa. 答案　(1)330 K　(2)1.25×105 Pa 学科网（北京）股份有限公司 $$