3. 第2课时 理想气体和气体实验定律的微观解释-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义配套课件（人教版）

该高中物理课件聚焦理想气体及状态方程、气体实验定律的微观解释，通过“气体实验定律适用条件”“饮料瓶爆炸”等情境问题导入，衔接前期气体实验定律知识，以自主学习、教材梳理、师生互动推导状态方程等搭建学习支架，引导学生逐步构建知识体系。 其亮点在于以理想气体模型建构（科学思维）和微观机制分析（物理观念）为核心，结合U形管计算、轮胎打气现象解释等实例，通过例题与针对练深化科学探究。学生能提升模型理解与问题解决能力，教师可依托系统资料高效开展教学。

第2课时　理想气体和气体实验定律的微观解释 　　　　 第二章　3.气体的等压变化和等容变化 1.知道什么是理想气体。 2.理解理想气体的状态方程，并会分析相关问题。 3.从微观角度解释气体实验定律和现象。 素养目标 知识点一　理想气体及理想气体的状态方程 1 知识点二　气体实验定律的微观解释 2 课时测评 3 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 知识点一　理想气体及理想气体的状态方程 返回 情境导入　有没有在任何条件下气体实验定律都适用的气体呢？气体实验定律的成立条件是什么？ 提示：没有；气体实验定律要求气体满足压强不太大(相对大气压)、温度不太低(相对室温)的条件。 自主学习 教材梳理 (阅读教材P28—P29完成下列填空) 1.理想气体 (1)定义：在任何______、任何______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。 2.理想气体的状态方程 (1)内容：一定______的某种理想气体，在从某一状态变化到另一状态时，压强p跟体积V的乘积与______________之比保持不变。 (2)表达式：________。 (3)成立条件：一定______的理想气体。 温度 压强 零下几十摄氏度 大气压的几倍 质量 热力学温度T ＝C 质量 师生互动　如图所示，一定质量的某种理想气体从状态A到B经历了一个等温过程，又从状态B到C经历了一个等容过程，请问状态A的三个状态参量pA、VA、TA与状态C的三个状态参量pC、VC、TC之间有什么关系？ 提示：由题意可知TA＝TB，VB＝VC A→B为等温变化过程，根据玻意耳定律可得 pAVA＝pBVB B→C为等容变化过程，根据查理定律可得＝ 联立可得＝。 课堂探究 1.理想气体的特点 (1)严格遵守气体实验定律及理想气体的状态方程。 (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。 (3)理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力。 (4)理想气体分子无分子势能，内能等于所有分子热运动的动能之 和。一定质量的理想气体的内能只与温度有关。 探究归纳 2.理想气体状态方程的理解 (1)对方程＝＝C的理解 ①方程中各物理量：温度T必须是热力学温度，公式两边中压强p和体积V单位必须统一，但不一定是国际单位制中的单位。公式中的常量C仅由气体的种类和质量决定，与状态参量(p、V、T)无关。 ②成立条件：一定质量的理想气体。 探究归纳 (2)理想气体状态方程与气体实验定律的关系 ＝ 探究归纳 角度1 理想气体的理解 (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.在任何温度、任何压强下，理想气体都遵从气体实验定律 例1 √ √ 理想气体是一种理想模型，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、D正确，B错误；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。 角度2 理想气体状态方程的应用 如图所示，粗细均匀、一端封闭一端开口的U形玻璃管，当t1＝31 ℃、大气压p0＝76 cmHg时，两管水银面相平，这时左管被封闭理想气体气柱长l1＝8 cm。(T＝t＋273 K)求： (1)当温度t2等于多少时，左管气柱长l2为9 cm？ 答案：78 ℃ 例2 取左管中气体为研究对象，设玻璃管的横截面积为S，初 状态p1＝p0＝76 cmHg，T1＝t1＋273 K＝304 K，V1＝l1S＝ (8 cm)·S，因为左管水银面下降1 cm，右管水银面一定上 升1 cm，则左管气柱长为l2＝9 cm时，左、右两管高度差为 2 cm，因而末状态p2＝p0＋2 cmHg＝78 cmHg，V2＝(9 cm)·S 由＝代入数据解得T2＝351 K 可知t2＝78 ℃。 (2)当温度达到(1)问中温度t2时，为使左管气柱长l3为8 cm，则应在右管再加多高的水银柱？ 答案：11.75 cm 在78 ℃情况下，气柱长从9 cm减小到8 cm，有＝，且V1＝V3，T2＝T3 代入数据解得p3＝87.75 cmHg。 故应在右管加水银柱的高度为 (87.75－76) cm＝11.75 cm。 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。 探究归纳 针对练.如图所示，一汽缸倒置悬挂，汽缸的横截面积S＝10 cm2，高度为H＝16 cm，汽缸壁的厚度忽略不计，活塞质量 为m＝2 kg，厚度忽略不计，其中密封一定质量的理想气体， 汽缸与活塞之间用一轻弹簧连接，弹簧的劲度系数k＝5 N/cm。 已知汽缸和活塞由绝热材料制成，密封性良好，汽缸内壁光滑，弹簧始终处于弹性限度内。外界大气压p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2。开始时气体的温度为27 ℃，弹簧处于原长，活塞处于汽缸的中间位置。T＝t＋273 K。求： (1)开始时汽缸内密封气体的压强； 答案：8.0×104 Pa　 开始时，对活塞，根据平衡条件有 p1S＋mg＝p0S 解得p1＝8.0×104 Pa。 (2)对汽缸内气体缓慢加热，使活塞与汽缸口平齐，此时汽缸内密封气体的热力学温度。 答案：900 K 活塞与汽缸口平齐时，对活塞，根据平衡条件有p2S＋mg＝p0S＋k· 解得p2＝1.2×105 Pa 根据理想气体状态方程得＝ 由题意知T1＝300 K，V2＝2V1 解得T2＝900 K。 返回 知识点二　气体实验定律的微观解释 返回 情境导入　某电视台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，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能承受的限度时，饮料瓶发生爆炸。 自主学习 教材梳理 (阅读教材P29完成下列填空) 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增大，使分子的数密度减小，才能保持压强不变。 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______。 温度 增大 增大 增大 增大 增大 师生互动　自行车的轮胎没气后会变瘪，用打气筒向里打气，打进去的气越多，轮胎会越“硬”。 任务1.怎样用分子动理论的观点来解释这种现象？ 提示：随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的数密度不断增大，故气体的压强不断增大，轮胎会越来越“硬”。 课堂探究 任务2.微观上气体的压强与什么因素有关？ 提示：分子的数密度和分子的平均动能。 气体实验定律的宏观表现及微观解释 探究归纳 气体实 验定律 宏观表现 微观解释 玻意耳 定律 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 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 内撞击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 探究归纳 气体实 验定律 宏观表现 微观解释 盖－吕萨 克定律 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 温度升高，分子的平 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  探究归纳 气体实 验定律 宏观表现 微观解释 查理 定律 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 体积不变，则分子的 数密度不变，温度升 高，分子的平均动能 增大，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  (多选)一定质量的理想气体从状态A开始，经历状 态B、C、D回到状态A的p-T图像如图所示，其中BA的延 长线经过原点O，BC、AD与横轴平行，CD与纵轴平行， 下列说法正确的是 A.A到B过程中，气体的体积变大 B.B到C过程中，气体分子单位时间内撞击单位面积器壁的次数减少 C.C到D过程中，气体分子热运动的剧烈程度不变 D.D到A过程中，气体内能减小，体积增大 解题指导：(1)AB段为等容线。 (2)BC段和DA段均为等压线。 (3)CD段为等温线。 例3 √ √ 由于AB段所在直线过原点，故AB段为等容线，A到B 过程中，气体的体积不变，A错误；BC段为等压线， B到C过程中压强不变，温度升高，体积增大，分子平 均动能增大，气体分子单位时间内撞击单位面积器壁 的次数减少，B正确；CD段为等温线，C到D过程中，温度不变，气体分子热运动的剧烈程度不变，C正确；DA段为等压线，D到A过程中压强不变，温度降低，气体内能减小，体积减小，D错误。 针对练1.(2025·石家庄高二检测)下列关于气体压强的说法，正确的是 A.气体压强是由于气体分子之间的相互碰撞而产生的，而不是气体分子对器壁的碰撞 B.一定质量的理想气体，只要体积减小，单位体积内气体的分子数就增多，气体分子对器壁的碰撞就更加频繁，压强就增大 C.一定质量的理想气体，只要温度升高，气体分子的平均速率就增大，在单位时间内对单位面积器壁的平均撞击力就增大 D.容器内的大量气体分子对器壁的碰撞满足统计规律，机会均等，故器壁各部分气体压强相等 √ 由气体实验定律的微观解释可知，气体压强是由于气体分子对器壁的碰撞而产生的，A错误；一定质量的理想气体，从宏观上看，压强与气体的体积及温度有关，从微观上看，压强与单位体积内的分子数及分子的平均动能有关，故体积减小，压强不一定增大，B错误；一定质量的理想气体，温度升高，气体分子的平均速率增大，对器壁的平均撞击力增大，由于体积的变化不确定，所以气体分子在单位时间内对单位面积器壁的平均撞击力不一定增大，C错误；容器内的大量气体分子对器壁的碰撞满足统计规律，机会均等，故器壁各部分气体压强相等，D正确。 针对练2.如图所示，一定质量的理想气体，从状态A经 等温变化到状态B，再经等容变化到状态C，A、C压强 相等，则下列说法正确的是 A.从A到B气体分子平均动能增加 B.从B到C气体分子平均动能不变 C.A、C状态气体压强相等的原因是分子撞击器壁的平均作用力相等 D.从A到B气体压强变小的原因是分子的数密度减小 √ 从A到B气体温度不变，分子平均动能不变，故A错误； 从B到C为等容变化，根据查理定律＝可知，气体 压强增大，温度升高，则气体分子平均动能增大，故 B错误；A、C状态压强相等，VC＞VA，根据盖－吕萨 克定律＝可知TC＞TA，则状态C气体分子平均动能大于状态A气体分子的平均动能，则A、C状态分子撞击器壁的平均作用力不相等，故C错误；从A到B气体温度不变，分子撞击器壁的平均作用力不变，压强变小的原因是气体体积增大，分子数密度减小，故D正确。 返回 课堂回眸 课时测评 返回 1.(多选)关于理想气体的认识，下列说法正确的是 A.它是一种在任何条件下都能严格遵守气体实验定律的气体 B.它是一种从实际气体中忽略次要因素，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 √ √ 理想气体是从实际气体中忽略次要因素，简化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，也能视为理想气体，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2.对一定质量的理想气体，下列说法正确的是 A.体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大 B.温度不变，压强减小时，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数增多 C.压强不变，温度降低时，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减少 D.温度升高，压强和体积可能都不变 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 理想气体的质量一定，分子的总数是一定的，体积不变，分子的数密度不变，故要使压强增大，分子的平均动能一定增大，A正确；当温度不变时，分子的平均动能不变，要使压强减小，则分子的数密度一定减小，即单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减少，B错误；当温度降低时，分子的平均动能减小，要保证压强不变，则分子的数密度一定增大，即单位时间内撞击单位面积器壁的气体分子数增多，C错误；温度升高，气体的压强和体积至少有一个要发生变化，不可能都不变，D 错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3.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 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 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V2＝V1＝V1≈1.27V1，故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，故B错误；由理想气体状态方程＝C可知，C正确，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4.如图为伽利略设计的一种测温装置示意图，玻璃管的上端与导热良好的玻璃泡连通，下端插入水中，玻璃泡中封闭有一定量的空气(视为理想气体)。若玻璃管内水柱上升，则外界大气的变化可能是 A.温度降低，压强增大 B.温度升高，压强不变 C.温度升高，压强减小 D.温度不变，压强减小 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 玻璃泡内气体与外界大气温度相同，液柱上升，则气体 体积减小。对于一定质量的理想气体有＝C，则当外 界大气的温度降低，压强增大时，气体体积减小，故A 正确；当外界大气的温度升高，压强不变时，气体体积 增大，故B错误；当外界大气的温度升高，压强减小时，气体体积增大，故C错误；当外界大气的温度不变，压强减小时，气体体积增大，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5.(2025·江苏南通高二阶段练习)如图所示为汽车的真空轮胎，胎内充入一定质量的理想空气，夜间由于气温降低，胎内的气体压强变低。假设此过程胎内气体的体积不变且不漏气，与白天相比，夜间轮胎内的气体 A.单位体积内分子的个数更少 B.单位时间碰撞胎内壁单位面积的分子数不变 C.分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力更大 D.速率大的分子占比变少，分子平均速率变小 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 轮胎内气体体积不变，气体质量不变，则单位体积 内分子的个数不变，故A错误；轮胎内气体体积不 变，单位体积分子数不变，温度降低，分子平均速 率降低，速率大的分子占比变少，单位时间碰撞胎 内壁单位面积的分子数减少，分子对轮胎内壁单位面积的平均作用力减小，故B、C错误，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6.(2025·江苏盐城市高二期末)密闭的容器中一定质量的理想气体经过一系列过程，如图所示。下列说法中正确的是 A.A→B过程中，气体分子的平均动能增大 B.B→C过程中，气体压强不变，体积增大 C.C→A过程中，单位体积分子数增大 D.C→A过程中，器壁在单位面积上、单位时间内所受气体分子碰撞的次数增多 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A→B过程中，温度不变，所以气体分子的平均动能不 变，A错误；B→C过程中，气体压强不变，温度降低， 根据＝C可知，体积减小，B错误；C→A过程中，根 据＝C可知，气体体积不变，而气体分子的总数不变，所以单位体积分子数不变，由于压强变大，温度升高，分子热运动剧烈，器壁在单位面积上、单位时间内所受气体分子碰撞的次数增多，C错误，D正确。故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 7.湖底温度为7 ℃，有一球形气泡从湖底升到水面时(气体质量恒定)，其直径扩大为原来的2倍。已知水面温度为27 ℃，大气压p0＝1×105 Pa，水的密度ρ水＝1×103 kg/m3，T＝t＋273 K，重力加速度g＝10 m/s2，气泡内气体为理想气体，则湖水深度约为 A.65 m B.55 m C.45 m D.25 m √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 以气泡内的气体为研究对象，初状态p1＝p0＋ρ水gh，V1＝π，T1＝(7＋273) K＝280 K，末状态p2＝p0，V2＝π＝8V1，T2＝(27＋273) K＝300 K，由理想气体状态方程得＝，代入数据解得h≈65 m。故选A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 8.(多选)一定质量的理想气体，处于某一初态，现要使它经过一些状态变化后回到初始温度，下列过程可能实现上述要求的是 A.先等压压缩，后等容增压 B.先等容增压，后等压膨胀 C.先等压膨胀，后等容减压 D.先等容减压，后等压膨胀 √ √ √ 根据理想气体状态方程＝C可知，等压压缩过程中温度降低，等容增压过程中温度升高，可能回到初始温度，A正确；等容增压过程中温度升高，等压膨胀过程中温度升高，不可能回到初始温度，B错误；等压膨胀过程中温度升高，等容减压过程中温度降低，可能回到初始温度，C正确；等容减压过程中温度降低，等压膨胀过程中温度升高，可能回到初始温度，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9.如图所示，一定质量的理想气体用质量为M的活塞封闭在容器中，活塞与容器间光滑接触，在图中三种稳定状态下的温度和体积分别为T1、T2、T3和V1、V2、V3，已知V1＜V2＝V3，则T1、T2、T3的大小关系为 A.T1＝T2＝T3 B.T1＜T2＜T3 C.T1＞T2＞T3 D.T1＜T2＝T3 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 以活塞为研究对象，对T1、T2状态下的活塞有p0S＋Mg＝p1S，p0S＋Mg＝p2S，对T3状态下的活塞和小物块整体有p0S＋Mg＋mg＝p3S，可得p1＝p2＜p3；根据理想气体状态方程有＝＝，因V1＜V2，p1＝p2，则T1＜T2，因V2＝V3，p2＜p3，则T2＜T3，即T1＜T2＜T3。故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10.(12分)(2025·江西吉安高二期末)如图所示，粗细均匀的玻璃 管放置在水平面上，右端开口左端封闭，一段理想气体被水银 柱封闭在左端上方，稳定时理想气体的温度为T0＝300 K，左右 液面的高度差为h＝19 cm，理想气体的高度也为h＝19 cm，已 知大气压为p0＝76 cmHg。 (1)若缓慢升高封闭气体的温度，当左右液面的高度相同时，气体的温度为多少？ 答案：600 K 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 对于封闭气体，设U形玻璃管横截面积为S，初始状态，p1＝p0－ph＝57 cmHg，V1＝hS，T1＝T0＝300 K 温度升高到两液面恰相平时，末状态，p2＝p0＝76 cmHg， V2＝S 根据理想气体状态方程有＝ 解得T2＝600 K。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (2)若从开口端向管内添加一定量的水银，稳定后左右液面的高度相同，气体的温度仍为T0＝300 K，则添加的水银柱的高度为多少？ 答案：28.5 cm 右管缓慢注入水银，左右两玻璃管水银面恰相平时，此时p3＝p0＝76 cmHg，V3＝LS 根据玻意耳定律有p1V1＝p3V3 所需要加入的水银柱的长度为H＝2(h－L)＋h 解得H＝28.5 cm。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 11.(12分)(2025·黑龙江大庆高二期末)一汽缸竖直放在水平地面 上，缸体质量M＝10 kg，活塞质量m＝4 kg，活塞横截面积S＝ 2×10－3 m2，活塞上面的汽缸内封闭了一定质量的理想气体， 下面有气孔O与外界相通，大气压p0＝1.0×105 Pa，活塞下面 与劲度系数k＝2×103 N/m的轻弹簧相连，当汽缸内气体温度为127 ℃时弹簧为自然长度，此时缸内气柱长度L1＝20 cm，已知缸体总深度L2＝ 32 cm，重力加速度g取10 m/s2，活塞不漏气且与缸壁无摩擦，T＝t＋ 273 K。则： (1)此时缸内气体的压强为多少？ 答案：8×104 Pa 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 设此时缸内气体的压强为p1，对活塞受力分析有p1S＋mg＝p0S 解得p1＝8×104 Pa。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (2)缓慢升高缸内气体温度，当缸体对地面压力刚好为0时，缸内气体的温度为多少开尔文？ 答案：1 012.5 K 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 当缸体对地面压力刚好为0时，设此时缸内气体的压强为p2，对缸体受力分析有p0S＋Mg＝p2S 解得p2＝1.5×105 Pa 设此时弹簧的压缩量为Δx，对活塞受力分析可得p2S＋mg＝p0S＋kΔx 解得Δx＝7 cm 则此时汽缸内气体的体积V2＝(L1＋Δx)S 气体初始状态时p1＝8×104Pa，V1＝L1S，T1＝400 K 末状态时p2＝1.5×105 Pa，V2＝(L1＋Δx)S 根据理想气体状态方程可知＝ 解得T2＝1 012.5 K。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (3)要使开尔文活塞与汽缸不分离，缸内气体温度不超过多少开尔文？ 答案：1 200 K 以封闭气体为研究对象，初始时p1＝8×104 Pa，V1＝L1S，T1＝400 K 当缸体缓慢离开地面，缸内气柱长度L2＝32 cm时，此时缸内气体的压强为p3＝p2＝1.5×105 Pa 同时有V3＝L2S 根据理想气体状态方程有＝ 代入数据解得缸内气体温度为T3＝1 200 K。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 谢 谢 观 看 第2课时　理想气体和气体实验定律 的微观解释 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $