2020学年高中物理 第八章 气体 第5讲 气体热现象的微观意义学案 新人教版选修3-3

2020学年高中物理 第八章 气体 第5讲 气体热现象的微观意义学案 新人教版选修3-3

第5讲　气体热现象的微观意义 ‎ ‎[目标定位]　1.初步了解统计规律.2.知道气体分子运动的特点.3.理解气体压强的微观意义.4.能对气体实验定律进行微观解释，并能用微观观点解释气体状态变化．‎ 一、随机性与统计规律 ‎1．随机事件：在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件．‎ ‎2．统计规律：大量随机事件整体表现出的规律．‎ 二、气体分子运动的特点 ‎1．气体的微观结构特点 ‎(1)气体分子之间的距离很大，大约是分子直径的10倍左右．‎ ‎(2)气体分子间的相互作用力十分微弱．‎ ‎2．气体分子运动的特点 对个别分子，在某一时刻速度的大小与方向有偶然性，因大量分子频繁碰撞，对大量分子来说，它们向各个方向运动的几率是相等的，分子速率呈现“中间多、两头少”．当温度升高时，对某一分子在某一时刻它的速率不一定增加，但大量分子的平均速率一定增加，而且“中间多”的分子速率值在增加(如图1所示)．‎ 图1‎ ‎3.气体分子的热运动与温度的关系 ‎(1)温度越高，分子的热运动越激烈．‎ ‎(2)理想气体的热力学温度T与分子的平均动能k成正比，即：T＝ak(式中a是比例常数)，这表明，温度是分子平均动能的标志．‎ 三、气体压强的微观意义 ‎1．气体的压强是大量气体分子频繁地对容器的碰撞引起的．‎ ‎2．影响气体压强的两个因素：(1)气体分子的平均动能；‎ ‎(2)分子的密集程度．‎ 一、气体分子运动与统计规律 ‎1．气体分子运动特点的理解 ‎(1)气体分子之间的距离很大，大约是分子直径的10倍，因此除相互碰撞或者跟器壁碰撞外，气体分子不受力而做匀速直线运动，因而气体会充满它能达到的整个空间．‎ ‎(2)分子的运动永不停息，杂乱无章，在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向各个方向运动的气体分子数目都相等．‎ ‎(3)每个气体分子都在做永不停息的运动，常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒，在数量级上相当于子弹的速率．‎ ‎(4)温度是分子平均动能的标志．‎ ‎2．统计规律的理解 ‎(1)个别事物的出现具有偶然性，但大量事物出现的机会，却遵从一定的统计规律．‎ ‎(2)从微观角度看，由于物体是由数量极多的分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独来看，各个分子的运动都是不规则的，带有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动却有一定的规律．‎ 例1‎ ‎　图2(a)为测量分子速率分布的装置示意图．圆筒绕其中心匀速转动，侧面开有狭缝N，内侧贴有记录薄膜，M为正对狭缝的位置．从原子炉R中射出的银原子蒸汽穿过屏上S缝后进入狭缝N，在圆筒转动半个周期的时间内相继到达并沉积在薄膜上．展开的薄膜如图(b)所示，NP和PQ间距相等．则(　　)‎ 图2‎ A．到达M附近的银原子速率较大 B．到达Q附近的银原子速率较大 C．位于PQ区间的分子百分率大于位于NP区间的分子百分率 D．位于PQ区间的分子百分率小于位于NP区间的分子百分率 答案　AC 解析　根据分子速率分布规律“中间多、两头少”的特征可知：M附近的银原子速率较大，故选项A正确，B错误．PQ区间的分子百分率最大，故选项D错误，C正确．‎ 借题发挥　气体分子的运动特点：一是统计规律上看是大量分子的表现出来的“中间多、两头少”的速率分布规律，每个分子因频繁的碰撞，速度的大小和方向不断的改变；二是从温度上看温度是分子平均动能标志，温度升高使分子的平均速率变大，或说速率大的分子占的比例增大，速率小的分子占的比例减少，而不是大部分分子的速率增大了，少数分子的速率减小了．‎ 二、正确理解气体压强的微观意义 ‎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)大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就多，气体压强就越大；‎ ‎②气体分子的平均动能：气体的温度高，气体分子的平均动能就大，每个气体分子与器壁的碰撞给器壁的冲力就大；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多，累计冲力就大，气体压强就越大．‎ ‎(2)宏观因素 ‎①与温度有关：温度越高，气体的压强越大；‎ ‎②与体积有关：体积越小，气体的压强越大．‎ ‎3．大气压强的理解 大气压强可以从宏观和微观两个方面理解：宏观上，可以看作由大气的重力引起的；微观上，可以认为是大气分子对地面或对某一平面无规则的碰撞引起的．‎ 例2　下列说法正确的是(　　)‎ A．气体对器壁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 B．气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用在器壁上的平均作用力 C．气体分子热运动的平均动能减小，气体的压强一定减小 D．单位体积的气体分子数增加，气体的压强一定增大 答案　A 解析　气体压强为气体分子对器壁单位面积的撞击力，故A正确；平均作用力不是压强，B错误；气体压强的大小与气体分子的平均动能和气体分子密集程度有关，故C、D错．‎ 三、三个气体实验定律的微观解释 ‎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，分子越密集，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．‎ ‎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，则分子密集程度不变．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．‎ ‎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分子密度减小，所以气体的体积增大．‎ 例3　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，气体的密度一定减小 C．压强不变，温度降低时，气体的密度一定减小 D．温度升高，压强和体积都可能不变 答案　AB 解析　根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，温度升高，气体分子的平均动能一定增大，选项A正确；温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密度减小．压强不变，温度降低时，体积减小，气体密度增大．温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变．综上所述，正确答案为A、B.‎ 针对训练　对于一定质量的气体，当它的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是(　　)‎ A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变 B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小 C．压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变 D．压强减小，体积增大时，其分子平均动能可能增大 答案　AD 气体分子运动的特点 ‎1．1859年麦克斯韦从理论上推导出了气体分子速率的分布规律，后来有许多实验验证了这一规律．若以横坐标v表示分子速率，纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比．如图所示的四幅图中能正确表示某一温度下气体分子速率分布规律的是(　　)‎ 答案　D 解析　气体分子速率分布规律是中间多、两头少，且分子不停地做无规则运动，没有速度为零的分子，故选D.‎ 气体压强的微观解释 ‎2．封闭在汽缸内一定质量的理想气体，如果保持体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是(　　)‎ A．气体的密度增大 B．气体的压强增大 C．气体分子的平均动能减小 D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多 答案　BD 解析　由理想气体状态方程＝C(常量)可知，当体积不变时，＝常量，T升高时，压强增大，B正确；由于质量不变，体积不变，分子密度不变，而温度升高，分子的平均动能增加，所以单位时间内气体分子对容器壁碰撞次数增多，D正确，A、C错误．‎ 气体实验定律的微观解释 ‎3．对于一定质量的某种理想气体，若用N表示单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数，则(　　)‎ A．当体积减小时，N必定增加 B．当温度升高时，N必定增加 C．当压强不变而体积和温度变化时，N必定变化 D．当压强不变而体积和温度变化时，N可能不变 答案　C 解析　由于气体压强是由大量气体分子对器壁的碰撞作用而产生的，其值与分子密度及分子平均速率有关；对于一定质量的气体，压强与温度和体积有关．若压强不变而温度和体积发生变化(即分子密度发生变化时)，N一定变化，故C正确，D错误；若体积减小且温度也减小，N不一定增加，A错误；当温度升高，同时体积增大时，N也不一定增加，故B错误．‎ ‎4．如图3所示，c、d表示一定质量的某种气体的两个状态，则关于c、d两状态的下列说法中正确的是(　　)‎ 图3‎ A．压强pd>pc B．温度TdVc D．d状态时分子运动剧烈，分子密度大 答案　AB 解析　由题中图象可直观看出pd>pc，TdVd，分子密度增大，C、D错．‎ ‎(时间：60分钟)‎ 题组一　气体分子运动的特点 ‎1．关于气体分子，下列说法中正确的是(　　)‎ A．由于气体分子间的距离很大，气体分子可以视为质点 B．气体分子除了碰撞以外，可以自由地运动 C．气体分子之间存在相互斥力，所以气体对容器壁有压强 D．在常温常压下，气体分子的相互作用力可以忽略 答案　BD 解析　通常情况下，分子间距离较大，相互作用力可以忽略，气体分子能否视为质点应视具体问题而定，A错，D对；气体分子间除相互碰撞及与器壁的碰撞外，不受任何力的作用，可自由移动，B对；气体对器壁的压强是由大量分子碰撞器壁产生，C错．‎ ‎2．对一定质量的气体，通过一定的方法得到了分子数目f与速率v的两条关系图线，如图1所示，下列说法正确的是(　　)‎ 图1‎ A．曲线Ⅰ对应的温度T1高于曲线Ⅱ对应的温度T2‎ B．曲线Ⅰ对应的温度T1可能等于曲线Ⅱ对应的温度T2‎ C．曲线Ⅰ对应的温度T1低于曲线Ⅱ对应的温度T2‎ D．无法判断两曲线对应的温度关系 答案　C 解析　对一定质量的气体，当温度升高时，速率大的分子数目一定增加，因此曲线的峰值向速率增大的方向移动，且峰值变小，由此可知曲线Ⅱ对应的温度T2一定高于曲线Ⅰ所对应的温度T1.‎ ‎3．下列关于气体分子运动的特点，正确的说法是(　　)‎ A．气体分子运动的平均速率与温度有关 B．当温度升高时，气体分子的速率分布不再是“中间多，两头少”‎ C．气体分子的运动速率可由牛顿运动定律求得 D．气体分子的平均速度随温度升高而增大 答案　A 解析　气体分子的运动与温度有关，温度升高时，平均速率变大，但仍遵循“中间多、两头少”的统计规律，A对，B错；分子运动无规则，而且牛顿运动定律是宏观定律，不能用它来求微观分子的运动速率，C错；大量分子向各个方向运动的概率相等，所以稳定时，平均速度几乎为零，与温度无关，D错．‎ 题组二　压强的微观解释 ‎4．在一定温度下，当一定质量气体的体积增大时，气体的压强减小，这是由于(　　)‎ A．单位体积内的分子数变少，单位时间内对单位面积器壁碰撞的次数减少 B．气体分子的密集程度变小，分子对器壁的吸引力变小 C．每个分子对器壁的平均撞击力都变小 D．气体分子的密集程度变小，单位体积内分子的重量变小 答案　A 解析　温度不变，一定质量气体分子的平均动能、平均速率不变，每次碰撞分子对器壁的平均作用力不变，但体积增大后，单位体积内的分子数减少，因此单位时间内碰撞次数减少，气体的压强减小，A正确，B、C、D错误．‎ ‎5．下面关于气体压强的说法正确的是(　　)‎ ‎①气体对器壁产生的压强是由于大量气体分子频繁碰撞器壁而产生的　②气体对器壁产生的压强等于作用在器壁单位面积上的平均作用力　③从微观角度看，气体压强的大小跟气体分子的平均动能和分子密集程度有关　④从宏观角度看，气体压强的大小跟气体的温度和体积有关 A．只有①③对 B．只有②④对 C．只有①②③对 D．①②③④都对 答案　D 解析　大量气体分子对容器壁撞击产生了压强，①选项正确；气体分子的速率不尽相同，因此气体分子对容器壁的作用力不尽相同，应取平均值，②选项正确；气体压强与单位时间内分子撞击容器壁单位面积上的分子数有关，即跟体积有关；气体压强也与分子撞击容器壁的压力有关，即与气体分子的平均动能有关，也就是与气体的温度有关，③④选项正确．故选D项．‎ 题组三　对气体实验定律的解释 ‎6．一房间内，上午10时的温度为‎15 ℃‎，下午2时的温度为‎25 ℃‎，假设大气压强无变化，则下午2时与上午10时相比较，房间内的(　　)‎ A．空气密度增大 B．空气分子的平均动能增大 C．空气分子的速率都增大 D．空气质量增大 答案　B 解析　温度升高，气体分子的平均动能增大，平均每个分子对器壁的作用力将变大，但气压并未改变，可见单位体积内的分子数一定减小，所以有ρ空减小，m空＝ρ空·V随之减小．‎ ‎7．一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，体积增大，则(　　)‎ A．气体分子的平均动能增大 B．气体分子的平均动能减小 C．气体分子的平均动能不变 D．分子密度减小，平均速率增大 答案　AD 解析　一定质量的理想气体，在压强不变时，由盖—吕萨克定律＝C可知，体积增大，温度升高，所以气体分子的平均动能增大，平均速率增大，分子密度减小，A、D对，B、C错．‎ ‎8．根据分子动理论，下列关于气体的说法中正确的是(　　)‎ A．气体的温度越高，气体分子无规则运动越剧烈 B．气体的压强越大，气体分子的平均动能越大 C．气体分子的平均动能越大，气体的温度越高 D．气体的体积越大，气体分子之间的相互作用力越大 答案　AC 解析　由分子动理论知：气体的温度越高，气体分子无规则的热运动就越剧烈，所以选项A正确；而气体压强越大，只能反映出单位面积的器壁上受到的撞击力越大，可能是分子平均动能大的原因，也可能是单位时间内撞击的分子数目多的原因，所以选项B错误；温度是分子平均动能的标志，所以平均动能越大，则表明温度越高，所以选项C正确；气体分子间的距离基本上已超出了分子作用力的作用范围，所以选项D错误．‎ 题组四　综合应用 ‎9．对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)‎ A．温度升高，气体中每个分子的动能都增大 B．在任一温度下，气体分子的速率分布呈现“中间多、两头少”的分布规律 C．从微观角度看，气体的压强取决于气体分子的平均动能和分子的密集程度 D．温度不变时，气体的体积减小，压强一定增大 E．气体的压强由分子密度、分子平均动能、重力共同决定 答案　BCD 解析　温度升高时，分子平均动能增大，但每个分子的动能不一定增大，A错；气体分子的速率分布规律是“中间多、两头少”，B对；气体的压强由分子密度和分子平均动能决定，与重力无关，C对，E错；温度不变，体积减小时，由玻意耳定律可知，压强一定增大，D对．‎ ‎10．一定质量的某种理想气体的压强为p，热力学温度为T，单位体积内的气体分子数为n，则(　　)‎ A．p增大，n一定增大 B．T减小，n一定增大 C.增大时，n一定增大 D.增大时，n一定减小 答案　C 解析　只有p或T增大，不能得出体积的变化情况，A、B错误；增大，V一定减小，单位体积内的分子数一定增加，C正确，D错误．‎ ‎11．一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝‎0.3 m3‎，TA＝TC＝300 K，TB＝400 K.‎ ‎(1)求气体在状态B时的体积．‎ ‎(2)说明B→C过程压强变化的微观原因．‎ 答案　(1)‎0.4 m3‎　(2)气体体积不变，分子密集程度不变，温度变小，气体分子平均动能减小，导致气体压强减小 解析　(1)设气体在B状态时的体积为VB，由盖—吕萨克定律得，＝，代入数据得VB＝‎0.4 m3‎.‎ ‎(2)微观原因：气体体积不变，分子密集程度不变，温度变小，气体分子平均动能减小，导致气体压强减小.‎