专题18 宏观与微观 课件 -2026届高考物理二轮复习备考

物理清北班——涅槃阶段 真题解码 专题18 宏观 与微观 1 分子是微观的舞者,热学是宏观的译者。用宏观的眼光与微观的思维解码世界看不见的一面! 真题解码 　  (2024山东,6,3分)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程,a→b过程是等压过程,b→c过程中气体与 外界无热量交换,c→a过程是等温过程。下列说法正确的是 (　　　) C 真题试练 A.a→b过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 B.b→c过程,气体对外做功,内能增加 C.a→b→c过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 D.a→b过程,气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量 目 录 解析　a→b过程,由pV=CT可知气体温度升高,内能增加,气体体积增大,对外做功,故从外界吸收的热量 一部分用来增加内能,另一部分用来对外做功,A错误;b→c过程绝热,气体体积增大,对外做功,内能减少, B错误;c→a为等温过程,a、c两状态气体温度相同,内能相同,故a→b→c过程气体内能变化量ΔU=0,则Q 吸=W,C正确;c→a过程放出的热量等于外界对气体做的功,且做的功的绝对值等于c→a图线与横坐标轴 所围的面积,而气体在a→b→c过程吸收的热量与在a→b过程吸收的热量相等(点拨:b→c绝热),该 热量也与W相等,W大小等于a→b→c图线与横坐标轴所围的面积,D错误。 目 录 　  探究1　情境还原 很多同学在做这个题的时候,都会产生一个疑问:这是命题者设计的情境还是真实存在的情境?题述的 三个变化,在生活中都有实例,但把三个变化过程集中在一起,实现起来确实需要较多条件。现就本题 进行一个简化的情境还原,如图所示,用带手柄的活塞和水在导热性良好的容器中封闭一定质量的理想 气体(密闭性良好),现对容器缓慢加热,随着容器内气体温度的上升,活塞缓慢上升,此过程可与a→b过 程对应;当水开始向外溢出时,停止加热,活塞继续缓慢上升,水缓慢溢出,直至活塞不再上升,此过程可与 b→c过程对应;水停止外溢,气体体积也恰好不再发生改变,表明气体与外界达成热平衡,此后施加外力 缓慢向下挤压活塞,此过程可与c→a过程对应。   思维探秘 目 录 探究2　拓展设问 对题干中的三个变化过程,还可以研究的问题有哪些? 答案　通过题给图像及理想气体状态方程(或气体实验定律)分别判断气体的压强、体积和温度的变 化情况;通过气体温度的变化情况判断对应过程中气体内能的变化;通过气体体积变化情况判断外界对 气体做功的正、负;结合热力学第一定律,综合上述分析来判断气体吸热、放热情况。上述问题自由组 合,均可设为研究问题。 目 录 1.情境与考向变异·宏观→微观　(2025江苏,8,4分)一定质量的理想气体,体积保持不变。在甲、乙两个 状态下,该气体分子速率分布图像如图所示。与状态甲相比,该气体在状态乙时(　　　) A.分子的数密度较大 B.分子间平均距离较小 C 探究3　同类竞探 C.分子的平均动能较大 D.单位时间内分子碰撞单位面积器壁的次数较少 目 录 解析　分子的数密度n= ,因为气体分子的个数和体积不变,故甲、乙两个状态下分子的数密度相同,A 错误;分子间平均距离d= ,两个状态下分子间平均距离一样大,B错误;乙状态的速率分布峰值在甲状 态的速率分布峰值右侧,表明该气体在状态乙时分子的平均动能较大,且温度是理想气体分子平均动能 的标志,故T乙>T甲,体积不变时,气体的温度升高,分子热运动更剧烈,则该气体在状态乙时单位时间内分 子碰撞单位面积器壁的次数较多,C正确,D错误。 目 录 2.情境变异·理论→实际　(2025安徽,3,4分)在恒温容器内的水中,让一个导热良好的气球缓慢 上升。若气球无漏气,球内气体(可视为理想气体)温度不变,则气球上升过程中,球内气体(　　　) A.对外做功,内能不变 B.向外放热,内能减少 C.分子的平均动能变小 D.吸收的热量等于内能的增加量 A 解析　球内气体温度不变,可得球内气体的内能和分子热运动的平均动能均不变,C错误。气球缓慢上 升,由液体压强与深度的关系可知,气球外部压强减小,可得球内气体的压强减小,由玻意耳定律pV=C可 得球内气体的体积变大,故球内气体对外做功,A正确。由热力学第一定律ΔU=Q+W可得,当ΔU=0、W< 0时,Q>0,故球内气体从外部吸热,B、D错误。 目 录 3.情境变异·单气体→多气体　如图所示,汽缸开口向上置于水平面上,活塞与汽缸之间有一个 气球,气球内、外有质量相等的同种气体,活塞静止,此时气球外部气体甲的压强小于气球内部气体乙 的压强。现缓慢向下推动活塞,使其下降一段距离,气体甲的压强仍小于气体乙的压强。已知汽缸内气 球内、外的气体均可视为理想气体,活塞与汽缸均绝热,活塞与汽缸壁之间密闭性良好且无摩擦,气球 导热性良好。则此过程 (　　　)   A.气体甲的内能增加量大于气体乙的内能增加量 B.气体甲的每个气体分子做热运动的速率均加快 C.活塞对气体甲做的功等于气体甲的内能增加量 D D.活塞对气体甲做的功小于甲、乙两部分气体的内能增加量之和 目 录 解析　气球导热性良好,则气球内、外的气体温度总相等,一定质量的理想气体的内能只与温度有关, 且气体甲和气体乙的质量相等,故气体甲的内能增加量等于气体乙的内能增加量,A错误。活塞对气体 甲做正功,气体甲内能增大,温度升高,气体分子平均速率增大,但不是每个气体分子做无规则热运动的 速率均增大,B错误。活塞与汽缸均绝热,气体与外界无热量交换,活塞对气体甲做功的同时,气球收缩, 气体甲对气体乙做功,故活塞对气体甲做的功大于气体甲内能的增加量,C错误。活塞对气体甲做功的 同时,气球收缩,由功能关系和能量守恒可知活塞对气体甲做的功与气球收缩所减少的弹性势能之和等 于甲、乙两部分气体内能增加量之和,故活塞对气体甲做的功小于甲、乙两部分气体的内能增加量之 和,D正确。 目 录 素能进阶 　　从本单元起,我们开始按照分子→原子→原子核的顺序从微观的视角认识物质世界。建议老师和 同学们按照热学→光学→原子物理的知识顺序进行学习。 　　分子动理论是研究物质热运动性质和规律的经典微观统计理论:物体是由大量分子组成的,分子在 做永不停息的无规则运动,分子间存在着相互作用力。分子动理论通过对大量分子的统计规律的总结, 建立了宏观量与相应的微观量之间的关系,说明了扩散、气体的压强和内能等的微观本质。在此基础 上,热力学定律是描述热力学现象本质和规律的物理学原理。 　　分子的不同聚集状态决定了物质的结构。当分子的无规则运动起主要作用时,物质将呈气体状态; 当分子力起主要作用时,物质将呈固体状态;当分子无规则运动与分子力“旗鼓相当”时,物质将呈液 体状态。这也是我们研究冰和水的时候,将分子间距离视为在r0(平衡位置)附近的依据。理想气体的研 究也是建立在分子间距大于10r0基础上的量化分析:遵循理想气体实验定律、分子势能等于0等。要会 目 录 将所学内容建立属于自己的知识网络,如真题解码中例题所需的基础知识可归纳为:   目 录 专题18　宏观与微观 目 录 目 录 (2022江苏,6,4分)自主学习活动中,同学们对密闭容器中的氢气性质进行讨论,下列说法中正确的是 (　 　) A.体积增大时,氢气分子的密集程度保持不变 B.压强增大是因为氢气分子之间斥力增大 C.因为氢气分子很小,所以氢气在任何情况下均可看成理想气体 D.温度变化时,氢气分子速率分布中各速率区间的分子数占总分子数的百分比会变化 解法探秘 真题试练:宏观与微观 D 目 录 解析　密闭容器中的氢气在状态变化过程中质量不变、分子数目不变,故体积增大时氢气分子的密集 程度减小,A错误。气体压强产生的原因是大量气体分子对容器壁持续无规则撞击,从微观角度来看其 大小取决于单位时间内气体分子对单位面积的容器壁产生的冲击力,与分子间作用力无关,B错误。实 际气体在温度不太低、压强不太大的情况下才可看作理想气体,C错误。温度是气体分子平均动能的 标志,大量气体分子的速率呈现“中间多,两边少”的规律,温度变化时,大量分子的平均速率会变化,即 分子速率分布中各速率区间的分子数占总分子数的百分比会变化,D正确。 目 录 　  探究1　拓展设问 ①设问1:物体是由大量分子组成的,如何求解物体所含分子数? ②设问2:何为分子热运动?哪些现象能体现分子热运动? ③设问3:假如全世界82亿人同时数1 g水所含的分子个数,每人每小时可以数5 000个,不间断地数,则数 完所有分子所需时间最接近(阿伏加德罗常数NA取6×1023 mol)(　　　) A.10年　　　　　B.1 000年 C.10万年　　　　　D.1 000万年 A 解法重构 目 录 答案　①物体是由大量分子组成的,阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁。 a.分子的数目很多。分子数N=物质的量×阿伏加德罗常数NA,1 mol物质含有的分子个数即阿伏加德罗 常数NA=6.02×1023 mol-1。   对于某物质的摩尔体积与分子体积之比等于NA,不适用于气体。 b.分子的体积很小。多数分子直径的数量级在10-10 m。 ②a.分子的热运动:分子永不停息的无规则运动叫作热运动。温度越高,分子热运动越剧烈。 b.扩散现象:不同种物质能够彼此进入对方的现象。温度越高,扩散越快。 c.布朗运动:悬浮微粒的无规则运动。微粒越小,布朗运动越剧烈;温度越高,布朗运动越剧烈(注意:布 目 录 朗运动不是分子热运动,而是分子热运动的间接反映,是微观分子热运动造成的宏观现象)。 ③ 年≈9.3×104年,最接近10万年。 目 录 1.分子直径　通过“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验可推测油酸分子的直径约为(　 　) A.10-15 m　B.10-12 m　C.10-9 m　D.10-6 m 探究2　同源异流 C 解析　分子直径约为10-10 m,但油酸这些有机大分子的直径的数量级一般为10-9 m,与用油膜法估测油酸 分子的大小实验结果相吻合,C正确。 目 录 2.分子间作用力与分子势能　(2023海南,5,3分)如图为两分子靠近过程中的示意图,r0为分子 间平衡距离,下列关于分子力和分子势能的说法正确的是 (　　　)   A.分子间距离大于r0时,分子间表现为斥力 B.分子从无限远靠近到距离r0处的过程中分子势能变大 C.分子势能在r0处最小 D.分子间距离在小于r0且减小时,分子势能在减小 C 解析　分子间距离大于r0时,分子间表现为引力,A错误;分子从无限远靠近到距离r0处的过程中,引力做 正功,分子势能减小,在r0处分子势能最小,继续减小分子间距离,分子间表现为斥力,分子力做负功,分子 势能增大,C正确,B、D错误。 目 录 1.温度与内能　(2022山东,5,3分)如图所示,内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量 的理想气体,初始时汽缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将汽缸缓慢转动90°过程中,缸内气体 (　 　) A.内能增加,外界对气体做正功 B.内能减小,所有分子热运动速率都减小 C.温度降低,速率大的分子数占总分子数比例减少 探究3　拓展综合 C D.温度升高,速率大的分子数占总分子数比例增加 目 录 解析　设活塞质量为m,大气压强为p0,题图中左侧缸内气体压强为p1,右侧缸内气体压强为p2,活塞的横 截面积为S,则对左侧汽缸的活塞有p1S=mg+p0S,即p1= +p0,对右侧汽缸的活塞有p2S=p0S,即p2=p0,可知 在该过程中气体压强变小,体积增大,气体膨胀对外界做功,故外界对气体做的功W<0,由于是绝热容器, 即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知ΔU<0,即理想气体内能减小,气体温度降低,A错误。理想气 体的温度降低,分子平均动能减小,但并不是所有气体分子的运动速率都会减小,B错误。根据理想气体 的分子运动速率分布规律,当温度降低时,速率大的分子占总分子数比例将会减小,C正确,D错误。 目 录 2.实际应用　[2022湖南,15(1),5分](多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,一 冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向 流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环 形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时, 中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是 (　 　)   ABE A.A端为冷端,B端为热端 B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的 C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的 D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律 E.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二定律 目 录 解析　分子热运动速率较小的气体分子,温度较低,内能较小,在环形管中心部位聚集,与分离挡板碰撞 后反弹,最后从A端流出,则A端为冷端,B端为热端,A、B正确,C错误;装置中气体进出过程,满足能量守 恒定律和热力学第二定律,E正确,D错误。 目 录 3.考向变异·气体压强的微观推导　对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度 进行研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。 (1)光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面。前者表明光子具有能量,后者表明光子除 了具有能量之外还具有动量。我们知道光子的能量E=hν,动量p= ,其中ν为光的频率,h为普朗克常量,λ 为光的波长。由于光子具有动量,当光照射到物体表面时,会对物体表面产生持续均匀的压力,这种压 力会对物体表面产生压强,这就是“光压”,用I表示。一台发光功率为P0的激光器发出一束频率为ν0的 激光,该激光束的横截面积为S。当该激光束垂直照射到某物体表面时,假设光全部被吸收(即光子的末 动量变为0)。求: a.该激光器在单位时间内发出的光子数N; b.该激光束作用在物体表面时产生的光压I。 (2)从微观角度看,气体对容器的压强是大量气体分子不断撞击容器壁的结果。正方体密闭容器中有大 目 录 量运动的分子,每个分子质量为m,单位体积内分子数量为n。为简化问题,我们假定:分子大小可以忽略, 速率均为v,且与容器壁各面碰撞的机会均等;与容器壁碰撞前后瞬间,分子速度方向都与容器壁垂直,且 速率不变。 a.利用所学力学知识,推导容器壁受到的压强p与m、n和v的关系; b.我们知道,理想气体的热力学温度T与分子的平均动能Ek成正比,即T=αEk,式中α为比例常量。请从微 观角度解释说明:一定质量的理想气体,体积一定时,其压强与温度成正比。 目 录 解析　(1)a.该激光器在单位时间发出的能量E'=P0t=NE0,其中t=1 s,激光的光子能量E0=hν0,解得该激光 器在单位时间内发出的光子数N= 。 b.设该激光束作用在物体表面产生的压力大小为F0,根据牛顿第三定律可知物体表面对光子的力大小 也为F0,时间为Δt,由动量定理可知F0Δt=NpΔt,p= ,I= ,解得I= 。 (2)a.在容器壁附近,取面积为S',长度为vΔt的体积内的分子为研究对象。该体积中分子个数N'=nS'vΔt,在 Δt内撞击容器壁该区域的分子数为 N',设一个气体分子撞击容器壁对其产生的压力大小为F,根据牛顿 第三定律可知容器壁对气体分子的力的大小也为F,由动量定理得FΔt=2mv,解得F= ,容器壁受到的 压强p= = nmv2。 答案　(1)a. 　b. 　(2)a.p= nmv2　b.见解析 b.由p= nmv2,T=αEk,Ek= mv2,解得p= T,一定质量的理想气体,体积一定时,其压强与温度成正比。 目 录 　  1.宏观与微观结合 从微观角度解释压强、温度、内能等宏观量。 2.统计思想 理解大量分子热运动的统计规律,如分子速率分布、平均动能等,从微观角度分析宏观现象。 3.能量守恒思想 热力学第一定律:将能量守恒思想应用于热力学过程,分析热量、做功和内能之间的转化关系。 系统与外界的关系:明确研究对象(系统)与外界(环境)的能量交换,分析热力学变化过程中的能量的增 减。 4.理想化模型 理想气体模型:忽略分子间作用力与分子势能,通过理想气体状态方程分析问题,理解实际气体与理想 解法密钥 思维方法 目 录 气体的差异。 　　热学部分的思维方法强调宏观与微观的结合、能量守恒思想、理想化模型、实验与推理相结 合。掌握这些思维方法,能够更深入地理解热学知识,并有效解决高考中的相关问题。 目 录 　  考查形式　 高考物理对热学中的分子动理论及热力学定律的考查主要围绕宏观与微观的结合展开。高考中在选 择题、实验题、计算题中均有可能考查。分子动理论部分侧重微观解释,如分子热运动与宏观量(压 强、温度、内能)的关系。热力学定律重点考查热力学第一定律和热力学第二定律,分析等温、等压、 等容和绝热过程的能量转化。宏观与微观结合方面,能够从微观角度解释气体压强等宏观现象。 思维核心　 备考过程要注重培养物理观念的建构,如:物质观,需理解气体由大量无规则运动的分子构成,分子密度 与体积关系是分析气体状态变化的基础;运动观,需掌握分子热运动与温度的关系(温度越高,分子平均 动能越大),以及宏观参量(p、V、T)变化的运动学本质;相互作用观,需建立气体压强源于分子碰撞容器 壁的微观认知,理解气体压强与分子的数密度、热运动剧烈程度的关联。 考向探秘 目 录 1.(2025山东,2,3分)分子间作用力F与分子间距离r的关系如图所示,若规定两个分子间距离r等于r0时分 子势能Ep为零,则 (　　　)   A.只有r大于r0时,Ep为正 B.只有r小于r0时,Ep为正 C.当r不等于r0时,Ep为正 D.当r不等于r0时,Ep为负 C 解法特训 目 录 解析　根据分子间作用力做功与分子势能变化的关系,分子间作用力做正功,分子势能减少;分子间作 用力做负功,分子势能增加。由题图可知,r=r0时分子间作用力为零,当分子间距离由r0开始增大或减小 时,分子间作用力均做负功,分子势能增大,本题又规定分子间距离r=r0时分子势能Ep=0,故当分子间距离 r>r0或r<r0时,分子势能均为正,C正确。 目 录 2.(2021北京,4,3分)比较45 ℃的热水和100 ℃的水蒸气,下列说法正确的是 (　　　) A.热水分子的平均动能比水蒸气的大 B.热水的内能比相同质量的水蒸气的小 C.热水分子的速率都比水蒸气的小 D.热水分子的热运动比水蒸气的剧烈 B 解析　温度是分子热运动平均动能的标志,温度越高分子平均动能越大,热运动越剧烈;100 ℃的水蒸气 比45 ℃的热水温度高,100 ℃的水蒸气分子热运动的平均动能大,热运动剧烈,A、D错误。物体中分子 运动的速率是不同的,有的大,有的小,故不能认为热水中的分子速率都比水蒸气的小,C错误。100 ℃的 水蒸气比45 ℃的热水温度高,质量相同时100 ℃的水蒸气内能大,B正确。 目 录 3.[2023全国甲,33(1),5分](多选)在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体,发生下列缓慢变化过程, 气体一定与外界有热量交换的过程是 (　 　) A.气体的体积不变,温度升高 B.气体的体积减小,温度降低 C.气体的体积减小,温度升高 D.气体的体积增大,温度不变 E.气体的体积增大,温度降低 ABD 解析　根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体的体积不变,W=0,温度升高,ΔU>0,故Q>0,吸收热量,A正 确。气体的体积减小,W>0,若温度降低,ΔU<0,故Q<0,放出热量;若温度升高,ΔU>0,可能吸收热量,也可 能放出热量,还可能不吸热也不放热,B正确,C错误。气体的体积增大,W<0,若温度不变,ΔU=0,故Q>0,吸 收热量;若温度降低,ΔU<0,可能吸收热量,也可能放出热量,还可能不吸热也不放热,D正确,E错误。 目 录 $