第1章 第4节 第1课时 气体的状态参量（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版）

本高中物理讲义聚焦气体状态参量这一核心知识点，系统梳理体积、温度、压强三个状态参量的定义及关系，从平衡态、热平衡概念切入，延伸至气体压强的微观解释（分子碰撞）及计算方法，构建完整的知识脉络作为学习支架。 资料通过实验探究（如豆粒撞击模拟分子碰撞）、判断辨析题及例题分析，强化物理观念（分子运动与压强关系）和科学思维（力平衡、牛顿定律应用）。课中辅助教师演示与讲解，课后助力学生通过练习题巩固，有效查漏补缺。

第4节　科学探究：气体压强与体积的关系 1．知道描述气体状态的三个状态参量。　2.知道气压是如何产生的，知道决定气体压强大小的因素。　3.会计算封闭气体的压强。　4.通过实验，探究气体压强与体积的关系。 第1课时　气体的状态参量 一、气体的状态参量 1．气体的状态参量：体积、温度、压强。 2．气体的体积：气体总能充满整个容器，因此气体的体积通常就等于容器的容积。 3．气体的温度 (1)温度是描述物体冷热程度的物理量，也是物体内分子平均动能的标志。气体温度的高低，取决于气体分子无规则运动的剧烈程度。气体分子无规则运动加剧，分子平均动能增大，气体温度升高；气体分子无规则运动减弱，分子平均动能减小，气体温度降低。 (2)温度的表示：用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位是摄氏度，符号是 ℃；在物理学中温度的国际单位是热力学温度的单位开尔文，符号为K，热力学温度与摄氏温度的关系是T＝t＋273.15__K。 4．气体的压强 (1)气体的压强：气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为气体压强，简称气压。 (2)气体压强的产生：容器内的气体分子在做无规则运动时，容器壁受到分子的频繁撞击，每个分子撞击容器壁产生的力是短暂的、不连续的，但大量分子频繁地撞击，就会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。 (3)气体压强的微观解释：当气体的温度升高时，高速率的气体分子数增多，整体上分子运动更加剧烈，分子对容器壁的撞击力加大且撞击更加频繁，使得气体的压强增大。 (4)气体压强的相关因素：气体的压强与气体温度和单位体积的分子数有关，温度越高，单位体积内的分子数越多，气体的压强越大。 二、探究气体压强与体积的关系 通过实验探究一定质量的气体在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系。 判断下列说法是否正确。 (1)密闭容器中气体的压强是由气体的重力产生的。(　　) (2)密闭容器中气体的压强是由分子间的相互作用力产生的。(　　) (3)温度越高，气体的压强越大。(　　) (4)气体压强由气体的体积和气体的密度决定。(　　) (5)气体分子的平均动能越大，分子越密集，气体压强越大。　(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√ 知识点一　气体的状态参量 1．对一定质量的气体，其宏观状态通常可用体积V、温度T和压强p这三个物理量来描述，这些描述系统状态的物理量称为系统的状态参量。 (1)气体的体积通常就等于容器的容积。 (2)气体的温度 ①气体温度的高低，取决于气体分子无规则运动的剧烈程度。气体分子无规则运动加剧，分子平均动能增大，气体温度升高；气体分子无规则运动减弱，分子平均动能减小，气体温度降低。 ②用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度，用符号t表示，单位是摄氏度，符号为℃。热力学温度与摄氏温度的关系是T＝t＋273.15 K。 (3)气体的压强：气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为气体压强，简称气压。 2．平衡态 系统温度、压强、体积不发生变化。当系统处于平衡态时，系统所有状态参量都不随时间变化，我们就能比较准确地描述系统的状态。在中学阶段，我们主要处理平衡态的问题。 3．热平衡 相互接触的两个系统，各自的状态参量将会相互影响而分别改变，经过一段时间，两个系统的状态参量将不再变化，我们就说两个系统达到了热平衡。 4．热平衡定律 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律。 角度1　平衡态和热平衡 　下列说法正确的是(　　) A．处于热平衡的两个物体内能一定相等 B．处于热平衡的两个物体分子平均动能一定相等 C.处于平衡态的系统所受外力的合力为零 D．处于平衡态的系统内所有分子的动能相同 [解析]　处于热平衡的两个物体的温度相等，因此分子平均动能相等，但内能不一定相同，故A错误，B正确；系统内各部分状态参量，包括温度、压强、体积等，能够达到稳定的状态叫做平衡态，是热力学范畴，当系统所受合外力不为零时，只要系统内各部分状态参量能够达到稳定的状态，也能处于平衡态，故C错误；处于平衡态的系统内分子的平均动能不变，但分子的热运动是无规则的，并不是所有的分子的动能都相同，故D错误。 [答案]　B 　关于热平衡，下列说法错误的是(　　) A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量 B．如果两个系统分别同时与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡 C．温度是反映两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量 D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理 [解析]　温度是反映两个系统是否达到热平衡的唯一物理量，两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的温度，热量是热传递过程中传递的能量，是过程量，不能说它们具有相同的热量，A错误，C正确；根据热平衡定律知，当两个系统分别同时和第三个系统达到热平衡时，这两个系统必定处于热平衡，这是温度计的测温原理，B、D正确。 [答案]　A 角度2　温度和温标 　关于温度和分子动能，下列说法正确的是　(　　) A．物体的温度升高，物体内每个分子热运动的速率都增大 B．物体的温度越高，其内部分子的平均动能就一定越大 C.15 ℃的水蒸发成15 ℃的水蒸气后，内能不变，分子的平均动能也不变 D．达到热平衡的两个系统，其内部分子的平均动能可以不同 [解析]　分子热运动的速率规律是一个统计规律，物体的温度升高，物体内分子热运动的平均速率增大，而不是物体内每个分子热运动的速率都增大，A错误；温度是物体内部分子平均动能大小的标志，物体的温度越高，其内部分子的平均动能就一定越大，B正确；15 ℃的水蒸发成15 ℃的水蒸气后，温度不变，分子的平均动能不变，该物态变化是吸热过程，分子势能增大，即内能增大，C错误；温度是系统达到热平衡的标志，达到热平衡的两个系统温度一定相等，则其内部分子的平均动能一定相同，D错误。 [答案]　B 　常用的两种表示温度的方法就是摄氏温标和热力学温标，关于温度和温标，下列说法正确的是(　　) A．摄氏温度升高1 ℃小于热力学温度升高1 K B.某物体热力学温度是20 K，摄氏温度就是293.15 ℃ C．热力学温标亦称“绝对温标”，是由玻意耳首先引入的 D．摄氏温度有负值，热力学温度不可能取负值 [解析]　摄氏温度升高1 ℃等于热力学温度升高1 K，故A错误；某物体摄氏温度为20 ℃，即热力学温度T＝(20＋273.15) K＝293.15 K，故B错误；热力学温标亦称“绝对温标”，是由开尔文首先引入的，故C错误；摄氏温度有负值，热力学温度最小是零，不可能为负值，故D正确。 [答案]　D 角度3　温度计 　(多选)下列说法正确的是(　　) A．温度计测温原理就是热平衡定律 B．温度计与被测系统的温度不相同时，读不出示数 C．温度计读出的示数是它自身这个系统的温度，若它与被测系统达到热平衡，这一示数也是被测系统的温度 D．温度计读出的示数总是被测系统的温度，无论是否达到热平衡 [解析]　温度计能测出被测系统的温度的原理就是热平衡定律，即温度计与被测系统达到热平衡时温度相同，其示数也就是被测系统的温度，故A、C正确，D错误；温度计与被测系统的温度不相同时，仍有示数，故B错误。 [答案]　AC 知识点二　气体压强的微观解释 1．如图甲所示，密闭容器内封闭一定质量的气体，气体的压强是由气体分子间的斥力产生的吗？ 2．把一颗豆粒拿到台秤上方约10 cm的位置，放手后使它落在秤盘上，观察秤的指针的摆动情况。如图乙所示，再从相同高度把100粒或更多的豆粒连续地倒在秤盘上，观察指针的摆动情况。使这些豆粒从更高的位置落在秤盘上，观察指针的摆动情况。用豆粒做气体分子的模型，试说明气体压强产生的原理。 [提示]　1.不是，是分子撞击器壁产生的。 2．气体压强是由于大量气体分子频繁撞击器壁而产生的，等于大量气体分子在器壁单位面积上的平均作用力，气体压强的大小跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度。 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，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。 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气体分子的平均动能：气体的温度越高，气体分子的平均动能就越大，每个气体分子与器壁碰撞时给器壁的冲力就越大；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越多，累计冲力就越大，气体压强就越大。 (2)宏观因素 ①与温度有关：体积一定时，温度越高，气体的压强越大； ②与体积有关：温度一定时，体积越小，气体的压强越大。 3．密闭气体压强与大气压强不同 (1)密闭气体压强 因密闭容器中的气体密度一般很小，由于气体自身重力产生的压强极小，可忽略不计，故气体压强由气体分子碰撞器壁产生，大小由气体的分子密集程度和温度决定，与地球的引力无关，气体对上下左右器壁单位面积的压强大小都是相等的。 (2)大气压强 大气压强是由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强。如果没有地球引力作用，地球表面就没有大气，从而也不会有大气压。地面大气压的值与地球表面积的乘积，近似等于地球大气层所受的重力值，大气压强最终还是通过分子碰撞实现对放入其中的物体产生压强。 　从分子动理论的观点来看，气体分子间距离比较大，分子间的作用力很弱，气体对容器的压强源于气体分子的热运动。当它们飞到器壁时，就会跟器壁发生碰撞(可视为弹性碰撞)，对器壁产生作用力从而产生压强，如图所示。设气体分子的质量为m，气体分子热运动的平均速率为v。下列说法正确的是(　　) A．气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，可视为做匀速直线运动 B．在某一时刻，向各个方向运动的气体分子数目差距很大 C．每个气体分子跟器壁发生碰撞过程中，施加给器壁的冲量大小为2mv D．若增大气体体积，则气体压强一定减小 [解析]　由于气体分子间的距离较大，分子间的作用力很弱，所以气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，可视为做匀速直线运动，故A正确；气体分子的运动是无规则的，但在某一时刻，向各个方向运动的气体分子数目几乎相等，故B错误；速度为v的气体分子跟器壁发生碰撞过程中，根据动量定理－mv－mv＝，可知＝－2mv，但并不是每一个分子的速度都是v，则每个气体分子跟器壁发生碰撞过程中，施加给器壁的冲量大小不一定为2mv，故C错误；气体的压强由体积和温度共同决定，所以增大气体体积，气体压强不一定减小，故D错误。 [答案]　A 　下列说法错误的是(　　) A．大气压强是由地球表面空气所受重力产生的，因此将开口瓶密闭后，瓶内气体脱离大气，它自身所受重力太小，会使瓶内气体压强远小于外界大气压强 B．气体压强是由气体分子不断撞击器壁产生的 C．气体压强取决于单位体积内的分子数和分子的平均速率 D．单位面积器壁受到气体分子碰撞的平均压力就是气体对器壁的压强 [解析]　大气压强是由地球表面空气所受重力产生的，而被密封在某种容器中的气体，其压强是大量做无规则运动的气体分子对容器壁不断碰撞产生的，它的大小不是由被封闭气体所受重力决定的，故A错误，B正确；气体压强取决于分子的数密度与分子的平均速率，即为单位体积内的分子数和分子的平均速率，故C正确；根据公式p＝可知单位面积器壁受到气体分子碰撞的平均压力在数值上就等于气体压强的大小，故D正确。 [答案]　A 知识点三　封闭气体压强的计算 1．静止或匀速运动系统中压强的计算 (1)力平衡法：选取与封闭气体接触的液柱(或活塞、气缸)为研究对象进行受力分析，由F合＝0列式求气体压强。 (2)连通器原理：在连通器中，同一种液体(中间液体不间断)的同一水平液面上的压强相等。图甲中同一液面C、D处压强相等，因此pA＝p0＋ph。 (3)参考液片法：选取假想的液体薄片(自身所受重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立受力平衡方程消去面积，得到液片两侧压强相等，进而求得气体压强。例如，图甲中粗细均匀的U形管中封闭了一定质量的气体A，在其最低处取一液片B，由其两侧受力平衡可知(pA＋ph0)S＝(p0＋ph＋ph0)S，即pA＝p0＋ph。 　　　　 2．容器加速运动时封闭气体压强的计算 当容器加速运动时，通常选与气体相关联的液柱、气缸或活塞为研究对象，并对其进行受力分析，然后根据牛顿第二定律列方程，求出封闭气体的压强。 如图乙，当竖直放置的玻璃管向上加速运动时，对液柱受力分析有： pS－p0S－mg＝ma 得p＝p0＋。 　(2025·湖南长沙市期末)竖直平面内有一粗细均匀的玻璃管，管内有两段水银柱封闭的两段空气柱a、b，各段水银柱高度如图所示，大气压强p0＝76 cmHg，h1＝12 cm，h2＝15 cm，h3＝6 cm，下列说法正确的是(　　) A．空气柱b的压强pb＝80 cmHg B．空气柱b的压强pb＝78 cmHg C．空气柱a的压强pa＝75 cmHg D．空气柱a的压强pa＝73 cmHg [解析]　根据等液面法求压强得pb＝p0＋p(h2－h1)＝(76＋3)cmHg＝79 cmHg，故A、B错误；根据pa＋ph3＝pb，得pa＝(79－6)cmHg＝73 cmHg，故C错误，D正确。 [答案]　D 　根据下列情境，分析相关问题： (1)两个内壁光滑的气缸质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，图甲中气缸静止在水平面上，图乙中活塞和气缸竖直悬挂在天花板下。两个气缸内分别封闭有一定质量的气体A、B，大气压为p0，求封闭气体A、B的压强。(重力加速度为g) (2)如图丙所示，光滑水平面上放有一质量为M的气缸，气缸内放有一质量为m的可在气缸内无摩擦滑动的活塞，活塞横截面积为S。现用水平恒力F向右推气缸，最后气缸和活塞达到相对静止状态，求此时缸内封闭气体的压强p。(已知外界大气压为p0) [解析]　(1)题图甲中选活塞为研究对象，受力分析如图1所示，由受力平衡知pAS＝p0S＋mg 得pA＝p0＋ 题图乙中选气缸为研究对象，受力分析如图2所示，由受力平衡知p0S＝pBS＋Mg 得pB＝p0－。 (2)选取题图丙中气缸和活塞整体为研究对象，相对静止时有F＝(M＋m)a 再选活塞为研究对象，根据牛顿第二定律有 pS－p0S＝ma 解得p＝p0＋。 [答案]　(1)p0＋　p0－ (2)p0＋ 1．(气体的状态参量)下列说法正确的是(　　) A．只有处于平衡态的系统才有状态参量 B．状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统状态变化时，其各个状态参量都会改变 C．两物体发生热传递时，它们组成的系统处于非平衡态 D．0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中，冰水混合物处于平衡态 解析：选C。状态参量是描述系统状态的物理量，与系统是否处于平衡态无关，且系统状态变化时，不一定各个状态参量都改变，A、B错误；处于热传递过程中的两系统因温度不同发生热传递，故处于非平衡态，C正确；0 ℃ 的冰水混合物放入1 ℃的环境中，其温度、压强、体积都会变化，冰水混合物处于非平衡态，D错误。 2．(气体压强的微观解释)(多选)有关气体压强，下列说法不正确的是(　　) A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大 B．气体分子的平均速率增大，则气体的压强有可能减小 C．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大 D．气体分子的密集程度增大，则气体的压强有可能减小 解析：选AC。气体的压强与两个因素有关：一是气体分子的平均速率，二是气体分子的密集程度。气体分子的平均速率或密集程度增大，气体的压强不一定增大。 3．(封闭气体压强的计算)如图所示，两端开口的弯折的玻璃管竖直放置，三段竖直管内各有一段水银柱，两段空气封闭在三段水银柱之间，若左、右两管内水银柱长度分别为h1、h2，且水银柱均静止，则中间管内水银柱的长度为(　　) A．h1－h2　　　　 　　 B．h1＋h2 C． D． 解析：选B。设大气压强为p0，中间管内水银柱长度为h，故左边封闭空气的压强p左＝p0－ρgh1，右边封闭空气的压强p右＝p0＋ρgh2＝p左＋ρgh，则h＝h1＋h2，故B正确。 4.(封闭气体压强的计算)如图所示，一个横截面积为S的圆筒形容器竖直放置，容器上端放一金属圆板，金属圆板的上表面是水平的，下表面是倾斜的，下表面与水平面的夹角为θ，圆板的质量为M，不计圆板与容器内壁的摩擦。若大气压强为p0，则被圆板封闭在容器中的气体的压强等于(　　) A． B．＋ C．p0＋ D．p0＋ 解析： 选D。圆板的下表面是倾斜的，气体对其产生的压力应与该面垂直。为求气体的压强，应以封闭气体的金属圆板为研究对象，其受力分析如图所示，由物体的平衡条件得p·cos θ＝Mg＋p0S，解得p＝p0＋。 学科网（北京）股份有限公司 $