素养提升课一 理想气体状态方程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教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦理想气体状态方程及气体实验定律的微观解释，先构建理想气体模型（忽略分子大小及相互作用，内能仅与温度有关），再推导状态方程（pV/T=C）并关联实验定律，最后从分子数密度和平均动能角度解释压强变化，形成完整知识支架。 资料以热气球升空、自行车轮胎打气等生活情境导入，设计科研探究题（如自动温度报警装置计算）培养科学推理能力，通过针对练和练习题巩固。体现科学思维（模型建构、科学推理）与科学探究（基于情境提问题、用证据解释），课中助教师引导宏观微观联系，课后帮助学生查漏补缺，提升知识应用能力。

素养提升课一　理想气体状态方程和气体实验定律的微观解释 提升点一　理想气体状态方程及应用 在电视上同学们或许看到过有人乘坐热气球在蓝天翱翔的画面，燃烧器时而喷出熊熊烈焰，巨大的气球缓慢上升。如果有朝一日你乘坐热气球在蓝天旅行探险，那将是一件有趣而刺激的事情。热气球为什么能升空？请探究其中的原理。 提示：以热气球及其中所含空气整体为研究对象，受重力及周围空气的浮力作用，当燃烧器喷出火焰时，将气球内空气加热，温度升高，但气体压强始终等于外界大气压强，可认为是不变的。由状态方程＝恒量知，p一定，T增大，则V增大，于是气球内热空气体积膨胀，从下面漏出，使气球内所含空气的质量减小，热气球整体的重力减小，当空气的浮力大于重力时，热气球便会上升。 1．理想气体 (1)理解：理想气体是对实际气体的一种科学抽象，就像质点、点电荷模型一样，是一种理想化模型，实际并不存在。 (2)特点 ①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。 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，只和温度有关。 学生用书第28页 2．理想气体状态方程 (1)对理想气体状态方程＝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。 (2)理想气体状态方程与气体实验定律 某科研探究小组为高温操作室设计了一个自动温度报警装置，其原理如图所示。由导热性良好的材料制成的固定汽缸开口向上，用质量m＝0.5 kg、横截面积S＝1 cm2、厚度不计的活塞封闭一定质量的理想气体；劲度系数k＝100 N/m、原长l0＝15 cm的轻质弹簧上端与警报器(压力传感器，刚出现压力时显示蓝色，压力大小为2 N、5 N、10 N分别显示黄色、橙色和红色，其他压力值时仅显示数字)相连。当高温操作室内的热力学温度T0＝300 K时，活塞与汽缸底部的距离H＝20 cm，与弹簧自由端的距离L＝10 cm。已知高温操作室内的空气压强p0＝1.0×105 Pa，活塞与汽缸壁之间摩擦可忽略，汽缸的气密性良好，取g＝10 m/s2。 (1)求使力传感器从显示蓝色到显示红色的热力学温度的范围； (2)若由于某种原因，汽缸内一部分气体漏出，使得本能使力传感器显示红色的温度仅显示橙色，求漏出气体质量与原有气体质量之比。 答案：(1)450～1 000 K　(2)3∶10 解析：(1)力传感器显示蓝色时，活塞刚好与弹簧自由端接触，此过程为等压变化，根据盖—吕萨克定律有＝ 其中有V0＝HS，V1＝(H＋L)S 代入数据联立解得T1＝450 K 显示红色时，活塞将弹簧压缩至弹力F＝10 N，根据理想气体状态方程有＝ 其中p＝p0＋，p2＝p0＋，V2＝(H＋L＋Δx)S，F＝kΔx 联立并代入数据解得T2＝1 000 K 所以使力传感器从显示蓝色到显示红色的热力学温度的范围为450～1 000 K。 (2)对于漏气后剩余的气体，力传感器显示橙色时，活塞将弹簧压缩至弹力F′＝5 N，根据理想气体状态方程有＝，其中有p3＝p0＋，V＝hS，V3＝(H＋L＋Δx3)S，F′＝kΔx3，T3＝T2＝1 000 K 联立并代入数据解得h＝14 cm 则漏出气体质量与原有气体质量之比为m漏∶m原＝(H－h)∶H＝3∶10。 针对练．如图所示，一水平放置的汽缸左端开孔，汽缸内壁的长度为2L，一活塞只能在汽缸内运动，其右边密闭有一定质量的理想气体，不计活塞厚度和所有摩擦，活塞和汽缸均绝热。开始时活塞离汽缸右端的距离为L，外界大气压为1.0×105 Pa，温度为27 ℃，现用电热丝对密闭气体缓慢加热，T＝t＋273 K，求： (1)当加热到227 ℃时，活塞离汽缸右端的距离； (2)当加热到527 ℃时，汽缸内密闭气体的压强。 答案：(1)L　(2)1.33×105Pa(或×105 Pa) 解析：(1)对密闭气体加热，活塞向左运动的过程中，气体做等压变化。设汽缸横截面积为S，活塞恰运动到汽缸左端时气体温度为t ℃， 则T1＝(27＋273) K＝300 K，V1＝LS；T＝(t＋273) K，V＝2LS 由盖—吕萨克定律得＝ 解得t＝327 ℃ 故当加热到227 ℃时，活塞没有运动到汽缸左端处，设此时活塞离汽缸右端距离为x，则密闭气体的温度 T2＝500 K，体积V2＝xS 由盖—吕萨克定律得＝ 解得x＝L。 (2)当加热到527 ℃时，活塞已运动到汽缸左端处，设此时密闭气体的压强为p3，则T3＝800 K，V3＝2LS 由理想气体状态方程得＝ 解得p3≈1.33×105 Pa(或×105 Pa)。 提升点二　气体实验定律的微观解释 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”。 (1)你怎样用分子动理论的观点来解释这种现象？ (2)微观上气体的压强与什么因素有关？ 提示：(1)轮胎的容积不发生变化，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的密集程度不断增大，故气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬”。 (2)分子的数密度和分子的平均动能。 学生用书第29页 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，则分子数密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，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。 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过程气体压强变小的原因是分子的密集程度减小 答案：D 解析：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到C状态为等压变化，根据盖—吕萨克定律＝可知，气体体积增大，温度升高，则气体分子平均动能增大，分子撞击器壁的平均作用力增大，故C错误；从A到B过程气体温度相同，分子撞击器壁的平均作用力相等，压强变小的原因是气体体积增大，分子密集程度减小，故D正确。 针对练1．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 答案：A 解析：理想气体的质量一定，分子的总数是一定的，体积不变，分子的密集程度不变，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，则分子的密集程度一定减小，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，则分子的密集程度一定增大，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。 针对练2．如图所示，一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则它的状态变化过程是(　　) A．气体的平均动能不变 B．气体的内能增加 C．气体分子的数密度减小 D．气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数不变 答案：B 解析：从p-V图像中的AB图线看，气体由状态A到状态B为等容升压变化，根据查理定律，一定质量的理想气体，当体积不变时，压强跟热力学温度成正比，由A到B压强增大，温度升高，分子平均动能增加，故A错误；理想气体的内能只与温度有关，气体的温度升高，内能增加，故B正确；气体体积不变，气体分子的数密度不变，温度升高，气体分子平均速率增大，则气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数增加，故C、D错误。 1．(多选)对于一定质量的理想气体，下列说法中正确的是(　　) A．温度不变时，压强增大n倍，单位体积内的分子数一定也增大n倍 B．体积不变时，压强增大，气体分子热运动的平均速率也一定增大 C．压强不变时，若单位体积内的分子数增大，则气体分子热运动的平均速率一定增大 D．气体体积增大时，气体分子的内能可能增大 答案：ABD 解析：对于一定质量的理想气体，其压强与单位体积内的分子数(n＝)有关，与气体分子热运动的平均速率(由温度决定)有关，因此，根据气体实验定律可知A、B正确，C错误；另外，一定质量的理想气体的内能由温度决定，气体的体积增大时，由＝恒量，知温度有可能增大，因此D正确。 2．(多选)两个相同的密闭容器中分别装有等质量的同种理想气体，已知两容器中气体的压强不相同，则下列判断中正确的是(　　) 学生用书第30页 A．压强小的容器中气体的温度比较高 B．压强大的容器中气体单位体积内的分子数比较少 C．压强小的容器中气体分子的平均动能比较小 D．压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大 答案：CD 解析：相同的密闭容器中分别装有等质量的同种理想气体，说明它们所含的分子总数相同，即分子密度相同，B错误；压强不同，一定是因为两容器气体分子平均动能不同造成的，压强小的容器中分子的平均动能一定较小，温度较低，故A错误，C正确；压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大，故D正确。 3．如图所示，一定量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后到达状态B和C。有关A、B和C三个状态温度TA、TB和TC的关系，正确的是(　　) A．TA＝TB，TB＝TC B．TA＜TB，TB＜TC C．TA＝TC，TB＞TC D．TA＝TC，TB＜TC 答案：C 解析：由题图可知，从状态A到状态B是一个等压变化过程，有＝，因为VB＞VA，则有TB＞TA，而从状态B到状态C是一个等容变化过程，则有＝，因为pB＞pC，有TB＞TC，对状态A和C，根据理想气体状态方程，有＝，解得TA＝TC，综上分析，可知C正确，A、B、D错误。 4．汽车静止时，轮胎的正常胎压范围一般在230～270 kPa之间，正常范围内的胎压对车辆的燃油经济性、行驶安全性、轮胎使用寿命等多方面性能都有重要影响。汽车的轮胎在使用过程中，其内部的气体状态会发生变化。某品牌的家用轿车一条轮胎容积V＝6 L，静止时轮胎内气体压强p＝240 kPa，温度T＝300 K。当汽车高速行驶一段时间后，轮胎内气体温度升高到T1＝330 K(轮胎内气体质量不变，可视为理想气体)。 (1)若轮胎体积不变，求此时轮胎内气体的压强。 (2)若行驶过程中，由于轮胎与地面摩擦等因素，轮胎有一定程度的形变，其容积变为V1＝6.2 L，轮胎内气体温度仍升高到T1＝330 K，求此时气体的压强。(结果保留一位小数) 答案：(1)264 kPa　(2)255.5 kPa 解析：(1)对于等容变化，根据查理定律有＝ 已知p＝240 kPa，T＝300 K，T1＝330 K 解得p1＝264 kPa。 (2)由理想气体状态方程有＝ 解得p1′≈255.5 kPa。 学科网（北京）股份有限公司 $