2019高中物理第八章4气体热现象的微观意义教学案（含解析）新人教版 9页

4气体热现象的微观意义[学习目标]　1.初步了解什么是“统计规律”．　2.理解气体分子运动的特点．(重点)　3.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义，知道气体的压强、温度、体积与所对应的微观物理量间的联系．(重点)　4.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律．(难点)知识点一统计规律与气体分子运动特点1．随机性与统计规律(1)必然事件：在一定条件下必然出现的事件．(2)不可能事件：在一定条件下不可能出现的事件．(3)随机事件：在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件．(4)统计规律：大量随机事件的整体表现出的规律．2．气体分子运动的特点(1)气体分子运动的三个特性：自由性气体分子间距离比较大，分子间的作用力很弱，除相互碰撞或跟器壁碰撞外，可以认为分子不受力而做匀速直线运动，因而气体能充满它能达到的整个空间无序性分子之间频繁地发生碰撞，使每个分子的速度大小和方向频繁地改变，分子的运动杂乱无章，在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向着各个方向运动的气体分子数目都相等规律性气体分子的速率分布呈现出“中间多、两头少”的分布规律．当气体温度升高时，分子的平均速率增大(2)气体温度的微观意义：①温度越高，分子的热运动越剧烈．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，表明温度是分子平均动能的标志．[思考]气体的温度升高时，所有气体分子的速率都增大吗？【提示】　温度升高时，气体分子的平均速率增大，但有可能个别分子的速率变小．事实上，对于某个气体分子来说，其速率大小是时刻在变化的，并且也是无法确定的．[判断]1．气体分子的速率大小基本上是均匀分布的，每个速率区间的分子数大致相等．(×)n2．气体分子的平均速率基本上不随温度而改变．(×)3．大多数气体分子的速率处于中间值，少数分子的速率较大或较小．(√)知识点二气体压强的微观意义1．产生原因气体的压强是由气体中大量做无规则热运动的分子对器壁频繁持续的碰撞产生的．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．从微观角度来看，气体压强的决定因素一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度．[思考]能否用雨滴撞击伞面时影响压力(压强)大小的因素来比拟说明影响气体压强的因素？【提示】　能．雨滴撞击伞面时压力(压强)大小与单位时间内落在伞面上的雨滴数有关，雨滴数越多，压力(压强)越大；另外还与雨滴质量大小、速度大小即与雨滴动能大小有关，动能越大，压力(压强)越大；气体压强同上面的原理相似，压强大小与分子平均动能和密集程度有关．[判断]1．气体的分子密集程度越大，气体的压强就越大．(×)2．气体的压强是由气体分子间的相互作用(引力和斥力)产生的．(×)3．气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁产生的．(√)知识点三气体压强的微观意义用分子动理论可以很好地解释气体的实验定律．1．玻意耳定律一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的．在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强就增大．这就是玻意耳定律的微观解释．2．查理定律一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变．在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大．这就是查理定律的微观解释．3．盖—吕萨克定律一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能增大．只有气体的体积同时增大，使分子的密集程度减小，才能保持压强不变．这就是盖—吕萨克定律的微观解释．[思考]中央电视台在“科技之光”栏目中曾播放过这样一个节目，把液氮倒入饮料瓶中，马上盖上盖子并拧紧，人立即离开现场．一会儿饮料瓶就爆炸了．你能解释一下原因吗？【提示】　饮料瓶内液氮吸热后变成氮气，分子运动加剧，氮气分n子密度增大，使瓶内气体分子频繁、持续碰撞瓶内壁产生的压强逐渐增大，当瓶内外的压强差大于瓶子所承受限度时，饮料瓶发生爆炸．[判断]1．气体温度不变，则气体分子平均动能不变，故气体压强一定保持不变．(×)2．气体体积保持不变时，气体压强一定保持不变．(×)3．气体温度升高时，气体压强可能减小．(√)考点一　气体分子运动的统计规律(深化理解)1．大量分子运动的统计规律(1)个别事物的出现具有偶然因素，但大量事物出现，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．2．正确理解气体分子运动的特点(1)气体分子距离大(约为分子直径的10倍)，分子力小(可忽略)，可以自由运动，所以气体没有一定的体积和形状．(2)气体分子间的碰撞十分频繁，频繁的碰撞使每个分子速度的大小和方向频繁地发生改变，造成气体分子做杂乱无章的热运动，因此气体分子沿各个方向运动的机会(概率)相等．3．气体分子速率分布特点(1)大量气体分子的速率分布呈现“中间多(占有的分子数目多)、两头少(速率大或小的分子数目少)”的规律．(2)当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动，即速率大的分子数目增多，速率小的分子数目减少，分子的平均速率增大，分子的热运动剧烈．如图所示：【例题1】　(2011·上海高考)某种气体在不同温度下的气体分子速率分布曲线如图843所示，图中f(v)表示v处单位速率区间内的分子数百分率，所对应的温度为TⅠ、TⅡ、TⅢ，则(　　)A．TⅠ＞TⅡ＞TⅢB．TⅢ＞TⅡ＞TⅠC．TⅡ＞TⅠ，TⅡ＞TⅢD．TⅠ＝TⅡ＝TⅢ【答案】　B【规律总结】气体分子速率分布规律n1．在一定温度下，所有气体分子的速率都呈“中间多、两头少”的分布；2．温度越高，速率大的分子所占比例越大；3．温度升高，气体分子的平均速率变大，但具体到某一个气体分子，速率可能变大也可能变小，无法确定．【及时训练】1．(多选)关于气体分子的运动情况，下列说法中正确的是(　　)A．某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的B．某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的C．某一时刻向任意一个方向运动的分子数目相等D．某一温度下大多数气体分子的速率不会发生变化【答案】　BC2．1859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．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考点二　气体压强的微观因素(深化理解)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：气体的温度高，气体分子的平均动能就大，每个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)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．【例题2】　(多选)如图844所示，一个与外界绝热的汽缸有一个绝热的活塞，中间n有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两部分气体A和B，活塞处于静止平衡状态，现通过电热丝对A气体加热一段时间，后来活塞达到新的静止平衡状态，不计气体分子势能，不计活塞与汽缸壁的摩擦，大气压强保持不变，则(　　)A．气体A吸热，内能增加B．气体B吸热，B压强增大C．气体A分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数增多D．气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数不变【答案】　AC【规律总结】气体压强的分析技巧1．明确气体压强产生的原因——大量做无规则运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞．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．明确气体压强的决定因素——气体分子的密集程度与平均动能．3．只有知道了两个因素的变化，才能确定压强的变化，任何单个因素的变化都不能决定压强是否变化．【及时训练】1．有关气体压强，下列说法正确的是(　　)A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大B．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大C．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大D．气体分子的平均动能增大，气体的压强有可能减小【答案】　D2．(2015·济南高二检测)教室内的气温会受到室外气温的影响，如果教室内上午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．空气分子密集程度增大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【学法指导】三个气体实验定律的微观解释1．玻意耳定律：n(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，如图．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．3．盖一吕萨克定律：(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，即分子的密集程度减小，所以气体的体积增大，如图．【例题3】　(多选)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，压强和体积可能都不变【答案】　AB【规律总结】要知道宏观量温度的变化对应着微观量分子动能平均值的变化．宏观量体积的变化对应着气体分子密集程度的变化．而压强的变化可能由两个因素引起，即分子热运动的平均动能和分子的密集程度，可以根据气体变化情况选择相应的实验定律加以判断．【及时训练】(多选)(2015·大同高二检测)封闭在汽缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，下列说法正确的是(　　)A．气体的密度变大B．气体的压强增大C．分子的平均动能减小D．气体在单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数增多n【答案】　BD【课后训练】[基础练]1．(多选)(2015·沧州高二检测)大量气体分子运动的特点是(　　)A．分子除相互碰撞或跟容器壁碰撞外，可在空间里自由移动B．分子的频繁碰撞致使它做杂乱无章的热运动C．分子沿各方向运动的机会相等D．分子的速率分布毫无规律【答案】　ABC2．(2014·济宁高二检测)对于一定质量的理想气体，下列四项论述中正确的是(　　)A．当分子热运动变剧烈时，压强必变大B．当分子热运动变剧烈时，压强可能不变C．当分子间的平均距离变大时，压强必变小D．当分子间的平均距离变大时，压强必变大【答案】　B3．(2014·福建高考)如图，横坐标v表示分子速率，纵坐标f(v)表示各等间隔速率区间的分子数占总分子数的百分比．图中曲线能正确表示某一温度下气体分子麦克斯韦速率分布规律的是________．A．曲线①　　　　　　　B．曲线②C．曲线③D．曲线④【答案】　D4．(2015·长春检测)关于一定质量的气体，下列叙述中正确的是(　　)A．如果体积减小，气体分子在单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数一定增多B．如果压强增大，气体分子在单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数一定增多C．如果温度升高，气体分子在单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数一定增多D．如果分子密度增大，气体分子在单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数一定增多【答案】　B5．(多选)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n【答案】　AD6．(2014·海口高二检测)如图849所示，是描述一定质量的某种气体的状态变化的V－T图线，对图线上的a、b两个状态比较，下列说法不正确的是(　　)A．从a到b的状态变化过程是等压变化B．a状态的压强、体积、温度均比b状态要小C．a状态比b状态分子平均动能要小D．在相同时间内撞到器壁单位面积上的分子数a比b多【答案】　B7．对一定质量的气体，若用N表示单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数，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．当体积不变而压强和温度变化时，N可能不变【答案】　C8．(2015·岳阳高二检测)有一空的薄金属筒开口向下静止于恒温透明液体中，筒中液面与A点齐平．现缓慢将其压到更深处，筒中液面与B点齐平，此时筒中气体长度减为原来的.若测得A点压强为1.2×105Pa.不计气体分子间相互作用，且筒内气体无泄漏．(1)求液体中B点的压强．(2)从微观上解释气体压强变化的原因．【解析】　(1)由题意知气体做等温变化则有pAV＝pBV代入数据得pB＝1.8×105Pa.(2)在缓慢下压过程中，温度不变，气体分子的平均动能不变；但单位体积内的气体分子数增多，单位时间内气体分子碰撞器壁的次数增多，气体的压强变大．【答案】　(1)1.8×105Pa　(2)见解析[提升练]9．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．气体的温度不变B．气体的内能增加C．气体分子的平均速率减小nD．气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数不变【答案】　B10．如图所示，绝热隔板K把绝热汽缸分隔成两部分，K与汽缸的接触是光滑的，隔板K用销钉固定，两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种理想气体a、b，a的体积大于b的体积．现拔去销钉(不漏气)，当a、b各自达到新的平衡时(　　)A．a的体积小于b的体积B．a的体积等于b的体积C．在相同时间内两边与隔板碰撞的分子数相同D．a的温度比b的温度高【答案】　D11.(2012·江苏高考)密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大，从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的________增大了．该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图8413所示，则T1________(填“大于”或“小于”)T2【解析】　温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子热运动的平均动能增大，气体温度升高时气体分子的平均速率增大，分子速率分布曲线的峰值向速率大的一方移动，可知T1＜T2.【答案】　平均动能　小于12．(2015·青岛检测)一定质量的理想气体由状态A经状态B变成状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝0.3m3，TA＝TC＝300K，TB＝400K.(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．