第一节 气体的状态（导学案）物理沪科版选择性必修第三册

第一节 气体的状态 导学案 1．了解气体实验定律、理想气体模型，能解释气体压强和气体实验定律。了解液体表面张力和毛细现象、固体的微观结构以及晶体和非晶体的特点，并能正确识别生活中的晶体和非晶体。了解液晶、新材料的初步知识及其应用的实例。完善物质、运动与相互作用等物理观念。 2．认识建构理想气体模型的必要性。能在一定条件下应用理想气体模型分析和研究实际气体的问题，能用等温、等压、等容的理想过程正确认识和分析现实生活中的气体状态变化。用微观结构解释宏观性质与特征，形成多视角观察和分析物理问题的能力。 1．会做“探究等温情况下，一定质量气体压强与体积的关系”实验，能在实验中通过正确的操作减小误差，正确处理实验数据并做出解释，能写出完整的实验报告。知道研究等容、等压变化规律的实验。能通过实验观察并描述固体、液体的宏观特征。 2．了解材料科学技术的发展对人类生活和社会进步的影响，激发学习兴趣，拓展学习视野。 【知识回顾】 一、气体的体积 即盛放气体容器的_容积。 二、气体的温度： 1．热平衡：将两个温度不同的系统互相接触，这两个系统的状态都会变化。经过一段时间后，这两个系统的状态不再变化，达到平衡。处于热平衡状态的两个系统具有相同的温度。 2．温标：用于定量地描述温度。常用的温标有摄氏温标、热力学温标等。 3．热力学温度：用热力学温标表示的温度，用符号T表示，单位是开尔文，简称开，符号是K，它是国际单位制中七个基本量之一。 4．热力学温度T与摄氏温度t之间的关系： T = t + 273.15 K ≈t + 273 K。 ΔT = Δt · 绝对零度 0 K（− 273℃）是自然界的低温极限，只能无限逼近但不能（能/不能）达到。 三、气体的压强 容器壁单位面积上所受的气体分子的压力，用字母p表示，国际单位是帕斯卡（Pa），简称单位面积。气体压强的模拟 1 标准大气压（atm）= 76 厘米汞柱（cmHg）= 1.01×105 Pa 1．产生原因：气体中大量做无规则热运动的分子对容器壁的不断撞击。 2．影响因素：微观——分子运动的速度、分子的质量和单位时间内撞击单位面积器壁的分子数等 宏观——与温度和容器内的分子数密度（单位体积内的分子数）有关。 四、气体的状态参量 体积，温度，压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量。对于一定质量的气体，如果以上三个量都不变，则称气体处于平衡状态（简称平衡态）。只要有状态参量发生变化，我们就说该气体的状态发生了变化。 【自主预习】 1．气体的温度：宏观表现为物体的冷热程度，微观表现为气体分子平均动能的标志． 2．气体的体积：气体的体积不是气体分子自身体积的总和，而是指大量气体分子所能达到的整个空间的体积．封闭在容器内的气体，其体积等于容器的容积． 3．气体的压强：气体作用在器壁单位面积上的压力．数值上等于单位时间内器壁单位面积上受到气体分子的总冲量． ①产生原因：大量气体分子无规则运动碰撞器壁，形成对器壁各处均匀的持续的压力． ②决定因素：一定气体的压强大小，微观上决定于分子的运动速率和分子密度；宏观上决定于气体的温度和体积． Ⅰ、宏观上：决定于气体的温度和体积． Ⅱ、微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度． 思考与讨论： 气体宏观状态的描述 大家谈 对于一瓶封闭的气体，应该如何描述它的状态？ 一定质量的气体是由大量做无规则运动的分子组成的系统，宏观上表现为充满一定的空间，具有热学、力学等物理性质。我们分别用体积、温度和压强来描述气体的这些宏观物理性质。图 11 – 3 气体的体积 气体的体积 组成气体的大量分子总能充满整个容器，如图 11 – 3 所示，因此气体的体积就是盛放气体容器的容积。 气体的温度 将两个温度不同的系统互相接触，这两个系统的状态都会变化，热的变冷，冷的变热。经过一段时间后，这两个系统的状态不再变化，达到平衡，这种平衡叫做热平衡，处于热平衡状态的两个系统具有相同的温度。为了定量地描述温度，就必须建立温标。常用的温标有摄氏温标、热力学温标等。 用热力学温标表示的温度叫做热力学温度，用符号 T 表示，单位是开尔文（K），简称开，它是国际单位制中七个基本量之一。热力学温度 T 与摄氏温度 t 之间的关系是 T = t + 273.15 K ≈ t + 273 K 日常生活中通常用温度计测量气体的温度，工业生产和科学实验中也常用温度传感器测量气体的温度。表 11 – 1 所示是一些典型的温度值。 表 11 – 1 一些典型的温度值 宇宙大爆炸后的 10-43 s 1032 K 月球向阳面 4×102 K 氢弹爆炸中心 108 K 月球背阴面 90 K 太阳中心 1.5×107 K 氮的液化点 77 K 太阳表面 6×103 K 氦的液化点 4.2 K 地球中心 4×103 K 宇宙微波背景辐射 2.7 K 乙炔焰 3×103 K 实验室内获得的最低温度 10-11 K 气体的压强 我们用下面的实验来模拟气体压强的产生。如图 11 – 4 所示，把台秤的托盘翻过来放置，将若干小钢珠（或黄豆）连续倒向托盘。小钢珠与托盘撞击后全部都被反弹开，但由于许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，台秤就会指示这一压力。 类似于钢珠对托盘的撞击会产生持续的压力，容器内大量运动的气体分子对容器器壁的不断撞击也会产生压力。当气体处于平衡状态时，尽管单个分子对器壁的撞击作用是断续的、随机的，但大量分子对容器撞击所产生的压力却是持续的、稳定的。一定质量的气体压强与分子的质量、分子运动的速度和单位时间内撞击单位面积器壁的分子数等有关，即与温度和容器内的分子数密度（单位体积内的分子数）有关。 容器壁单位面积上所受的气体分子压力就是气体的压强，用字母 p 表示，国际单位是帕斯卡（Pa），简称帕。 实际生活中常用指针式或数字式压强计测量气体压强。图 11 – 5 显示的是用指针式压 强计来测量轮胎气压。实验室中，常用压强传感器来测量气体的压强。 体积、温度、压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量，我们称之为气体的状态参量。对于一定质量的气体，如果体积、温度、压强都不变，则称气体处于平衡状态（简称平衡态）。只要有状态参量发生变化，我们就说该气体的状态发生了变化。图 11 – 4 气体压强的模拟 图 11 – 5 指针式压强计测轮胎气压 一、单选题 1．如图的Ｕ形管中装有水银，其中左侧管中有2cm的气柱，气柱上方的水银高10cm，若大气压强为76cmHg，则两边水银面的高度差h为（　　） A．2cm B．8cm C．10cm D．4cm 【答案】A 【详解】如下图所示 由于大气压强为76cmHg，而左侧管中气柱上方的水银高10cm，则左侧管中的气体压强为 又 则气柱底与右侧水银柱的高度差为 所以则两边水银面的高度差为 故选A。 2．如图，开口向下的直玻璃管内封闭有一定量的气体，管内、外水银面高度差为。若大气压强为，水银密度为，重力加速度大小为，则管内气体压强为（    ）    A． B． C． D． 【答案】C 【详解】假设管内气体压强为p，由图可知 解得 故选C。 3．如图，玻璃管竖直放置且开口向下，管内的水银柱封闭了一部分体积的空气柱。假设将此实验装置移至月球表面且保持温度不变，玻璃管内水银柱将（　　） A．上移 B．不动 C．部分流出 D．全部流出 【答案】D 【详解】由于月球上没有大气压强，液体受重力和管内气体压力的作用，玻璃管内水银柱全部流出。 故选D。 4．如图，把一粗细均匀的玻璃管开口端插入到水银中，如果当时大气压强为一个标准大气压（标准大气压强为76cmHg），管内外水银面高度差为，则管内气体的压强为（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】根据管内液面内外压强相等可知 故选B。 5．如图所示，内壁光滑的汽缸竖直放置在地面上，活塞的质量为M，底面积为S，若大气压强为p0，则被封闭气体的压强p等于（  ） A．p0 B．p0- C．p0+ D．条件不够，无法判断 【答案】C 【详解】根据活塞受力平衡，，解得．故选C． 二、多选题 6．如图所示，左右两管水银面一样高，左右两管的水银面分别在管壁A点和B点位置，两管下面用橡皮管连接，则下列说法中正确的是（　　） A．在右管向上提的过程中，右管水银面将高于管壁B点 B．在右管向上提的过程中，右管水银面将低于管壁B点 C．在右管向下移的过程中，右管水银面将高于管壁B点 D．在右管向下移的过程中，左管水银面将低于管壁A点 【答案】BCD 【详解】AB．原来左管上方气体压强等于大气压，在右管向上提的过程中，如果右管水银面仍在B点，取软管最低点分析，则右侧的压强大，则水银向左移动，所以左管的液面上升，右管的水银面将低于管壁B点，故A错误，B正确； CD．在右管下移过程中，如果右管水银面仍在B点，取软管最低点分析，左侧的压强大，则水银向右移动，所以左管液面下降，左管的水银面将低于管壁A点；右管的水银面将高于管壁B点，故CD正确。 故选BCD。 三、解答题 气体状态参量 7．关于温度，下列说法中正确的是（  ） A．0K即0 B．分子运动越剧烈，分子的温度越高 C．温度是大量分子热运动剧烈程度的宏观反映 D．温度越高，物体的动能一定越大 8．如图，由于下落的许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，这个现象可以类比说明（  ） A．气体温度的实质 B．气体体积的可变性 C．气体压强产生的原因 D．气体密度的可变性 9．如图所示，竖直放置的弯曲管A端开口，B端封闭，密度为ρ的液体将两段空气封闭在管内，管内液面高度差分别为、和，则B端气体的压强为（已知大气压强为）（  ） A． B． C． D． 10．如图中正确表示一定质量理想气体的等温变化过程的图线是图（  ） A． B． C． D． 11．用气体压强传感器做“探究气体等温变化的规律”实验，实验装置如图所示。 （1）关于该实验下列说法正确的是( ) A为保证封闭气体的气密性，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油 B为方便推拉活塞，应用手握住注射器 C为节约时间，实验时应快速推拉活塞和读取数据 D实验中气体的压强和体积都可以通过数据采集器获得 （2）实验前是否需要对传感器进行调零？( ) A需要    B不需要 【答案】7．C 8．C 9．B 10．B 11． A A 【解析】7．A．0K即-273.15，故A错误； B．分子不能说温度，只能说温度越高，分子运动越剧烈，故B错误； C．温度是物体内大量分子热运动剧烈程度的宏观表现，故C正确； D．物体的动能与温度无关，故D错误。 故选C。 8．大量气体分子无规则的热运动会不断的碰撞接触面而产生一个持续的压力，单位面积的压力就是压强，故下落的许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力的现象与气体压强产生的原因相类似。 故选C。 9．由题意知 则 故选B。 10．根据 可知 即 所以p-V图像为选项B。 故选B。 11．（1）A．为保证封闭气体的气密性，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油，故A正确； B．推拉活塞时，手不能握住注射器筒，防止对其起到加热作用，故B错误； C．推拉活塞时，动作要慢，使温度与环境温度保持一致，故C错误； D．实验中气体的压强可以通过数据采集器获得，体积可用注射器上刻度直接读出，故D错误。 故选A。 （2）由于图像为过坐标原点的直线，故需要调零，故选A。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第一节 气体的状态 导学案 1．了解气体实验定律、理想气体模型，能解释气体压强和气体实验定律。了解液体表面张力和毛细现象、固体的微观结构以及晶体和非晶体的特点，并能正确识别生活中的晶体和非晶体。了解液晶、新材料的初步知识及其应用的实例。完善物质、运动与相互作用等物理观念。 2．认识建构理想气体模型的必要性。能在一定条件下应用理想气体模型分析和研究实际气体的问题，能用等温、等压、等容的理想过程正确认识和分析现实生活中的气体状态变化。用微观结构解释宏观性质与特征，形成多视角观察和分析物理问题的能力。 1．会做“探究等温情况下，一定质量气体压强与体积的关系”实验，能在实验中通过正确的操作减小误差，正确处理实验数据并做出解释，能写出完整的实验报告。知道研究等容、等压变化规律的实验。能通过实验观察并描述固体、液体的宏观特征。 2．了解材料科学技术的发展对人类生活和社会进步的影响，激发学习兴趣，拓展学习视野。 【知识回顾】 一、气体的体积 即盛放气体容器的__________。 二、气体的温度： 1．热平衡：将两个温度___________的系统互相接触，这两个系统的状态都会变化。经过一段时间后，这两个系统的状态不再变化，达到平衡。处于热平衡状态的两个系统具有相同的__________。 2．温标：用于定量地描述温度。常用的温标有摄氏温标、___________温标等。 3．热力学温度：用热力学温标表示的温度，用符号T表示，单位是开尔文，简称_______，符号是________，它是国际单位制中七个基本量之一。 4．热力学温度T与摄氏温度t之间的关系： T = t + 273.15 K ≈ _________。 ΔT = Δt · 绝对零度 0 K（_______℃）是自然界的低温极限，只能无限逼近但___________（能/不能）达到。 三、气体的压强 容器壁______________上所受的气体分子的_________，用字母p表示，国际单位是帕斯卡（Pa），简称______。气体压强的模拟 1 标准大气压（atm）= 76 厘米汞柱（cmHg）= 1.01×105 Pa 1．产生原因：气体中大量做________________________对容器壁的不断撞击。 2．影响因素：微观——分子运动的_________、分子的________和单位时间内撞击单位面积器壁的________等 宏观——与___________和容器内的______________（单位体积内的分子数）有关。 四、气体的状态参量 体积，温度，压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量。对于一定质量的气体，如果以上三个量都不变，则称气体处于平衡状态（简称___________）。只要有__________发生变化，我们就说该气体的状态发生了变化。 【自主预习】 1．气体的温度：宏观表现为物体的冷热程度，微观表现为气体分子平均动能的标志． 2．气体的体积：气体的体积不是气体分子自身体积的总和，而是指大量气体分子所能达到的整个空间的体积．封闭在容器内的气体，其体积等于容器的容积． 3．气体的压强：气体作用在器壁单位面积上的压力．数值上等于单位时间内器壁单位面积上受到气体分子的总冲量． ①产生原因：大量气体分子无规则运动碰撞器壁，形成对器壁各处均匀的持续的压力． ②决定因素：一定气体的压强大小，微观上决定于分子的运动速率和分子密度；宏观上决定于气体的温度和体积． Ⅰ、宏观上：决定于气体的温度和体积． Ⅱ、微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度． 思考与讨论： 气体宏观状态的描述 大家谈 对于一瓶封闭的气体，应该如何描述它的状态？ 一定质量的气体是由大量做无规则运动的分子组成的系统，宏观上表现为充满一定的空间，具有热学、力学等物理性质。我们分别用体积、温度和压强来描述气体的这些宏观物理性质。图 11 – 3 气体的体积 气体的体积 组成气体的大量分子总能充满整个容器，如图 11 – 3 所示，因此气体的体积就是盛放气体容器的容积。 气体的温度 将两个温度不同的系统互相接触，这两个系统的状态都会变化，热的变冷，冷的变热。经过一段时间后，这两个系统的状态不再变化，达到平衡，这种平衡叫做热平衡，处于热平衡状态的两个系统具有相同的温度。为了定量地描述温度，就必须建立温标。常用的温标有摄氏温标、热力学温标等。 用热力学温标表示的温度叫做热力学温度，用符号 T 表示，单位是开尔文（K），简称开，它是国际单位制中七个基本量之一。热力学温度 T 与摄氏温度 t 之间的关系是 T = t + 273.15 K ≈ t + 273 K 日常生活中通常用温度计测量气体的温度，工业生产和科学实验中也常用温度传感器测量气体的温度。表 11 – 1 所示是一些典型的温度值。 表 11 – 1 一些典型的温度值 宇宙大爆炸后的 10-43 s 1032 K 月球向阳面 4×102 K 氢弹爆炸中心 108 K 月球背阴面 90 K 太阳中心 1.5×107 K 氮的液化点 77 K 太阳表面 6×103 K 氦的液化点 4.2 K 地球中心 4×103 K 宇宙微波背景辐射 2.7 K 乙炔焰 3×103 K 实验室内获得的最低温度 10-11 K 气体的压强 我们用下面的实验来模拟气体压强的产生。如图 11 – 4 所示，把台秤的托盘翻过来放置，将若干小钢珠（或黄豆）连续倒向托盘。小钢珠与托盘撞击后全部都被反弹开，但由于许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，台秤就会指示这一压力。 类似于钢珠对托盘的撞击会产生持续的压力，容器内大量运动的气体分子对容器器壁的不断撞击也会产生压力。当气体处于平衡状态时，尽管单个分子对器壁的撞击作用是断续的、随机的，但大量分子对容器撞击所产生的压力却是持续的、稳定的。一定质量的气体压强与分子的质量、分子运动的速度和单位时间内撞击单位面积器壁的分子数等有关，即与温度和容器内的分子数密度（单位体积内的分子数）有关。 容器壁单位面积上所受的气体分子压力就是气体的压强，用字母 p 表示，国际单位是帕斯卡（Pa），简称帕。 实际生活中常用指针式或数字式压强计测量气体压强。图 11 – 5 显示的是用指针式压 强计来测量轮胎气压。实验室中，常用压强传感器来测量气体的压强。 体积、温度、压强都是用来描述一定质量气体状态的物理量，我们称之为气体的状态参量。对于一定质量的气体，如果体积、温度、压强都不变，则称气体处于平衡状态（简称平衡态）。只要有状态参量发生变化，我们就说该气体的状态发生了变化。图 11 – 4 气体压强的模拟 图 11 – 5 指针式压强计测轮胎气压 一、单选题 1．如图的Ｕ形管中装有水银，其中左侧管中有2cm的气柱，气柱上方的水银高10cm，若大气压强为76cmHg，则两边水银面的高度差h为（　　） A．2cm B．8cm C．10cm D．4cm 2．如图，开口向下的直玻璃管内封闭有一定量的气体，管内、外水银面高度差为。若大气压强为，水银密度为，重力加速度大小为，则管内气体压强为（    ）    A． B． C． D． 3．如图，玻璃管竖直放置且开口向下，管内的水银柱封闭了一部分体积的空气柱。假设将此实验装置移至月球表面且保持温度不变，玻璃管内水银柱将（　　） A．上移 B．不动 C．部分流出 D．全部流出 4．如图，把一粗细均匀的玻璃管开口端插入到水银中，如果当时大气压强为一个标准大气压（标准大气压强为76cmHg），管内外水银面高度差为，则管内气体的压强为（　　） A． B． C． D． 5．如图所示，内壁光滑的汽缸竖直放置在地面上，活塞的质量为M，底面积为S，若大气压强为p0，则被封闭气体的压强p等于（  ） A．p0 B．p0- C．p0+ D．条件不够，无法判断 二、多选题 6．如图所示，左右两管水银面一样高，左右两管的水银面分别在管壁A点和B点位置，两管下面用橡皮管连接，则下列说法中正确的是（　　） A．在右管向上提的过程中，右管水银面将高于管壁B点 B．在右管向上提的过程中，右管水银面将低于管壁B点 C．在右管向下移的过程中，右管水银面将高于管壁B点 D．在右管向下移的过程中，左管水银面将低于管壁A点 三、解答题 气体状态参量 7．关于温度，下列说法中正确的是（  ） A．0K即0 B．分子运动越剧烈，分子的温度越高 C．温度是大量分子热运动剧烈程度的宏观反映 D．温度越高，物体的动能一定越大 8．如图，由于下落的许多小钢珠不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，这个现象可以类比说明（  ） A．气体温度的实质 B．气体体积的可变性 C．气体压强产生的原因 D．气体密度的可变性 9．如图所示，竖直放置的弯曲管A端开口，B端封闭，密度为ρ的液体将两段空气封闭在管内，管内液面高度差分别为、和，则B端气体的压强为（已知大气压强为）（  ） A． B． C． D． 10．如图中正确表示一定质量理想气体的等温变化过程的图线是图（  ） A． B． C． D． 11．用气体压强传感器做“探究气体等温变化的规律”实验，实验装置如图所示。 （1）关于该实验下列说法正确的是( ) A为保证封闭气体的气密性，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油 B为方便推拉活塞，应用手握住注射器 C为节约时间，实验时应快速推拉活塞和读取数据 D实验中气体的压强和体积都可以通过数据采集器获得 （2）实验前是否需要对传感器进行调零？( ) A需要    B不需要 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $