高二物理第二、三、四章 固体、液体、气体鲁教版知识精讲

高二物理第二、三、四章 固体、液体、气体鲁教版知识精讲

高二物理第二、三、四章 固体、液体、气体鲁教版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ ‎§3－3第二、三、四章 固体、液体、气体 二. 知识重点：‎ ‎1. 固体的微观结构，晶体和非晶体 ‎2. 液晶的微观结构 ‎3. 液体的表面张力现象 ‎4. 气体实验定律（气体三定律和气体状态方程）‎ ‎5. 理想气体 三. 知识难点：‎ ‎1. 熟练掌握气体三定律和状态方程，能够应用公式计算。‎ ‎2. 掌握P－V；P－1/V；P－T；V－T图像的性质，明确气体状态变化过程。‎ ‎3. 对液体表面张力的理解，对晶体微观结构的理解。‎ ‎（一）固体的微观结构，晶体和非晶体 固体分为晶体和非晶体，晶体又可分为单晶体和多晶体 ‎１. 晶体和非晶体的区别：‎ 晶 体：有固定的熔点，晶体内部物质微粒的排列有一定的规律。‎ 非晶体：没有固定的熔点，内部物质微粒的排列没有一定的规律。‎ ‎2. 单晶体和多晶体的区别：‎ 单晶体：具有规则的几何外形，物理特性各向异性。‎ 多晶体：整体没有规则的几何外形，物理特性各向同性。‎ ‎3. 晶体的结合类型：‎ 离子晶体——离子键——NaCl 6Na－6Cl 原子晶体——共价键——SiO2 正四面体，Si－4O 金属晶体——金属键——Cu 正方体各个顶角和对角线交点，1Cu—12Cu ‎4. 同一种物质微粒在不同条件下可能生成不同的晶体：‎ 例如：金刚石，石墨，C60‎ 例1. 在两片质料不同的均匀的薄片上涂一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针分别接触两薄片的中心，结果薄片a上熔化的石蜡呈圆形，薄片b上熔化的石蜡呈椭圆形，由此可以断定（ ）‎ A. a一定是晶体 B. b一定是晶体 C. a一定不是晶体 D. a一定不是单晶体 答案：BD ‎（二）液晶的微观结构 ‎1. 液晶：物理学中把这种既具有像液体那样的流动性和连续性，又具有晶体那样的各向物理异性特点的流体，叫做液晶。‎ ‎2. 液晶的分类和特点：‎ 向列型－－分子呈长棒型――长度相同但无规律排放――液晶显示器 胆甾型――分层排布――呈螺旋型结构――测温（温度升高，由红变紫）‎ 近晶型――分层排布――每层有序排列 例2. 关于液晶的结构和性质下列说法正确的是（ ）‎ A. 液晶分子空间排列是稳定的 B. 向列型液晶是分层呈旋转结构排列的，胆甾型液晶是无规律排列的 C. 向列型液晶多用于液晶显示器，胆甾型液晶可以用来测量温度 D. 液晶的化学性质可以随温度，所加的电压变化而变化 答案：CD ‎（三）液体的表面张力现象 ‎1. 表面张力：液体表面各部分相互吸引的力叫做表面张力。‎ ‎2. 表面张力的微观解释：‎ ‎3. 表面张力的作用使液体表面具有收缩的趋势，液体就像被绷紧的弹性膜覆盖着。‎ ‎4. 液滴在表面张力的作用下呈球形这是因为在体积相同的各种形状中，球形的表面积最小。若液滴过大，在重力的作用下往往呈椭球形。‎ 例3. 下列现象中，表面张力起作用的是（ ）‎ A. 小缝衣针漂浮在水面上 B. 池塘里的小昆虫在水面上自由的行走 C. 树叶晶莹的露珠 D. 吹出来的肥皂泡 答案：ABCD ‎（四）气体的实验定律，理想气体 ‎1. 理想气体的状态参量：‎ 理想气体：始终遵循三个实验定律（玻意耳定律、查理定律、盖·吕萨克定律）的气体。‎ 描述一定质量理想气体在平衡态的状态参量为：‎ 温度：气体分子平均动能的标志。‎ 体积：气体分子所占据的空间。许多情况下等于容器的容积。‎ 压强：大量气体分子无规则运动碰撞器壁所产生的。其大小等于单位时间内、器壁单位积上所受气体分子碰撞的总冲量。‎ 内能：气体分子无规则运动的动能. 理想气体的内能仅与温度有关。‎ 求解下面各种状态下的压强大小 ‎（1）pa=p0，‎ ‎（2）pb=p0+ph，‎ ‎（3）pc=p0－ph。‎ 强调处理上述问题的思路方法：‎ ‎（1）等压面法（取小“液片”平衡），‎ ‎（2）液柱（活塞）平衡法：pxS=p0S±（mg）。‎ 例4. 在一端封闭粗细均匀的竖直放置的U形管内，有密度为ρ的液体封闭着两段气柱A、B，大气压强为p0，各部分尺寸如所示，求A、B气体的压强？‎ 解法1：取液柱h1为研究对象. 设管的横截面积为S，h1受到向下的重力ρgSh1，A气体向下的压力pAS，大气向上的压力p0S，因为h1静止，所以 再取液柱h2为研究对象，由帕斯卡定律，h2上端受到A气体通过液体传递过来的向下的压力pAS，B气体向上的压力pBS，液柱自身重力ρgSh2，由于液柱静止，则 解法2：求pB时，由连通器的知识可知，同种液体在同一水平面上的压强处处相等，取同一水平面CD，则 ‎2. 玻－马定律及其相关计算：‎ ‎（1）玻－马定律的内容是：一定质量的某种气体，在温度不变时，压强和体积的乘积是恒量。‎ ‎（2）表达式： p1V1=p2V2=k ‎（3）图像：‎ 讨论：上面的p—V图中，A、B表示一定质量的某种气体的两条等温线，则TATB（填＞、=、＜＝，一定质量的某种气体的p—V图像上的等温线越向右上方，温度越高，即pV的乘积越大。‎ 气体性质计算题基本解题思路可概括为四句话：‎ ‎1. 选取研究对象. 它可以是由两个或几个物体组成的系统或全部气体和某一部分气体。（状态变化时质量必须一定。）‎ ‎2. 确定状态参量. 对功热转换问题，即找出相互作用前后的状态量，对气体即找出状态变化前后的p、V、T数值或表达式。‎ ‎3. 认识变化过程. 除题设条件已指明外，常需通过研究对象跟周围环境的相互关系确定。‎ ‎4. 列出相关方程.‎ 例5. 一根长度为1m，一端封闭的内径均匀的细直玻璃管，管内用20cm长的水银柱封住一部分空气. 当管口向上竖直放置时，被封住的空气柱长49cm. 问缓慢将玻璃旋转，当管口向下倒置时，被封住的空气柱长度是多少？假设p0=76cmHg，气体温度不变.‎ 错解：对例题5大多数学生做出如下解答：‎ p1=p0+h=76+20=96（cmHg）‎ V1=49S p2=p0－h=76－20=56（cmHg）‎ V2=HS p1V1=p2V2‎ 所以H=84（cm）‎ 正确解析：解答到此，有部分同学意识到此时空气柱加水银柱的长度H+h=84+20=104（cm）已大于玻璃管的长度1m了，‎ 说明水银早已经溢出！‎ 所以，管倒置后，‎ p2=p0－h′‎ V2=HS，H+h′=L 所以h=18.5（cm），H=81.5（cm）‎ ‎3. 等容过程——查理定律 ‎（1）内容：一定质量的气体，在体积不变的情况下，温度每升高（或降低） 1℃，增加（或减少）的压强等于它0℃时压强的1/273. 一定质量的气体，在体积不变的情况下，它的压强和热力学温标成正比。‎ ‎（2）表达式：数学表达式是：‎ ‎4. 等压变化——盖·吕萨克定律 ‎（1）内容：一定质量的气体，在压强不变的情况下，它的体积和热力学温标成正比.‎ ‎（2）‎ ‎5. 气体状态方程：‎ pV/T=恒量 ‎=‎ 说明（1）一定质量理想气体的某个状态，对应于p—V（或p—T、V—T）图上的一个点，从一个状态变化到另一个状态，相当于从图上一个点过渡到另一个点，可以有许多种不同的方法。如从状态A变化到B，可以经过许多不同的过程。为推导状态方程，可结合图象选用任意两个等值过程较为方便。‎ ‎（2）当气体质量发生变化或互有迁移（混合）时，可采用把变质量问题转化为定质量问题，利用密度公式、气态方程分态式等方法求解。‎ 例6. 一根内径均匀，一端封闭，另一端开口的直玻璃管，长l=100cm，用一段长h=25cm的水银柱将一部分空气封在管内，将其开口朝上竖直放置，被封住的气柱长l0=62.5cm。这时外部的大气压p0=75cmHg,环境温度t0=－23℃，见下图，现在使气柱温度缓慢地逐渐升高，外界大气压保持不变，试分析为保持管内被封气体具有稳定的气柱长，温度能升高的最大值，并求出这个温度下气柱的长。‎ 解析：‎ 这是一个关于气体在状态变化过程中，状态参量存在极值的问题，首先，对过程进行分析，当管内气体温度逐渐升高时，管内气体体积要逐渐增大，气体压强不变，pV值在增大。当上水银面升到管口时，水银开始从管内排出，因为=C，当管内水银开始排出后，空气柱体积增大，而压强减小，若pV值增大，则温度T继续升高，当pV值最大时温度最高。如果温度再升高不再满足=C，管内气体将不能保持稳定长度。‎ 选取封闭气体为研究对象，在温度升高过程中，可分成两个过程研究。‎ 第一过程：从气体开始升温到水银升到管口，此时气体温度为T，管的横截面积为S，此过程为等压过程，根据盖·吕萨克定律有：‎ ‎=所以T=T0‎ 其中：T0=t0+273=250K l′=75cm l0=62.5cm。‎ 代入数据解得T=300（K）‎ 第二过程，温度达到300K时，若继续升温，水银开始溢出，设当温度升高到T′时，因水银溢出使水银减短了x，此过程气体的三个状态参量p、V、T均发生了变化。p1=p0+h=75+25=100（cmHg） V1=l′s=7.5S T1=300K p2=（p0+h－x）=（100－x）cmHg V2=（75+x）S T2=?‎ 根据状态方程=则有 ‎=‎ 所以T2=（100－x）（75+x）=－ x2+x+300‎ 根据数学知识得 当x=12.5m时 T2取得最大值，且最大值T2max=306.25K即当管内气体温度升高到T2max=33.25℃时，管内气柱长为87.5cm。‎ ‎　　‎ 例7. 如图所示，两端封闭、粗细均匀的细玻璃管，中间用长为h 的水银柱将其分为两部分，分别充有空气，现将玻璃管竖直放置，两段空气柱长度分别为L1，L2，已知L1＞L2，如同时对它们均匀加热，使之升高相同的温度，这时出现的情况是：（ ）‎ A. 水银柱上升 　　B. 水银柱下降 ‎　　C. 水银柱不动 D. 无法确定 ‎　　错解分析：错解：假设两段空气柱的压强p1，p2保持不变，它们的初温为T当温度升高△T时，空气柱1的体积由V1增至V'1；，增加的体积△V1=V'1－V1，考虑到空气柱的总长度不变，空气柱2的体积从V2增至V'2，且△V2=V'－V2，‎ ‎　　由盖·吕萨克定律得：‎ 在T，△T都同的情况下，因为V1＞V2，所以△V1＞△V2，所以，水银柱应向下移动。选B。‎ ‎　　这道题因为初温一样，又升高相同的温度，所以比较液柱移动，可能有两种假设，一种为设压强不变，另一种是设体积不变。而上述解法中假定压强不变而导出水银柱下降这本身就是自相矛盾的。水银柱的移动情况是由水银柱的受力情况决定的，而受力情况是由两边压强的大小决定的，因此不能假设压强不变。‎ 正确解析：假定两段空气柱的体积不变，即V1，V2不变，初始温度为T，当温度升高△T时，空气柱1的压强由p1增至p'1，△p1=p'1－p1，空气柱2的压强由p2增至p'2，△p2= p'2－p2。‎ ‎　　由查理定律得：‎ ‎　　因为p2=p1+h＞p1，所以△p1＜△p2，即水银柱应向上移动。所以正确答案应选 A。‎ ‎　　小结：（1）这类题目只能按等容过程求解。因为水银柱的移动是由于受力不平衡而引起的，而它的受力改变又是两段空气柱压强增量的不同造成的，所以必须从压强变化入手。‎ ‎　　压强的变化由压强基数（即原来气体的压强）决定，压强基数大，升高相同的温度，压强增量就大。同理，若两段空气柱同时降低相同的温度，则压强基数大的，压强减少量大。就本题而言，水银柱将向下移动。‎ ‎（五）图像问题：‎ 利用图象研究气体性质是一个重要的方法。利用图象常可使物理过程得到直观、形象的反映，往往使对问题的求解更为简便。对物理图象的要求，不仅是识图、用图，而且还应变图——即作图象变换。如图p—V图变换成p—T图或V—T图等 例8. 一定质量的理想气体的三个状态在V－T图上用A，B，C三个点表示，如图所示。试比较气体在这三个状态时的压强pA，pB，pC的大小关系有： [ 　　]‎ ‎　　A. pC＞pB＞pA ‎　　B. pA＜pC＜pB ‎　　C. pC＞pA＞pB ‎　　D. 无法判断。‎ 错解分析：错解一：因为一定质量的理想气体压强与温度成正比，哪个状态对应的温度高，在那个状态时，气体的压强就大，即TC＞TA＞TB，所以有pC＞pA＞pB，应选C。‎ ‎　　错解二：因为一定质量的理想气体的压强与体积成反比，体积越大，压强越小，从图上可以看出：VA＞VC＞VB，所以pA＜pC＜pB，应选B。‎ ‎　　以上两种错解，从分析思路上讲都错了，都没有了解到气体状态的三个参量（p，V，T）之间两两定量关系是有条件的。如压强与温度（当然应为热力学温度T）成正比的条件是体积不变，而压强与体积成反比的条件应是温度不变。如果不考虑第三个参量，而单纯只讲两个参量之间的关系，显然只能导致错误的结果，同时也培养了错误的思考问题方式，是不可取的。当第三个参量不是定量时，三者之间的关系只能是：，要综合分析考虑。‎ 正确解答：因为所给的是V－T图，A，B，C三点的温度体积都不一样，要想比较三个状态的压强，可以利用V－T图上的等压线辅助分析。‎ ‎　　在V－T图上，等压线是一条延长线过原点的直线，可以通过A，B，C三点做三条等压线分别表示三个等压过程，如下图所示。一定质量的理想气体在等压过程中压强保持不变，体积与温度成正比，为了比较三个等压线所代表的压强的大小，可以做一条等温线（亦可作一条等容线，方法大同小异，以下略），使一个等温过程与三个等压过程联系起来，等温线（温度为T'）与等压线分别交于A'，B'，C'，在等温过程中，压强与体积成反比（玻意耳定律），从图上可以看出：VA'＞VB'＞VC'，所以可以得出结论：pA'＜pB'＜pC，而A与A'，B与B'，C与C分别在各自的等压线上，即pA=pA'，pB=pB'，pC=pC'，所以可以得出结论，即pA

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