高中物理第八章气体第4节气体热现象的微观意义导学案新人教版选修3-31 5页

4　气体热现象的微观意义内容要求统计规律初步了解什么是随机事件，什么是统计规律。气体分子运动的特点理解气体分子运动的特点；能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义，知道气体的温度、压强、体积与所对应的微观物理量间的相互联系；能用气体分子动理论解释三个气体实验定律。如图所示是一条古老的阶梯，它记录着千千万万人次的脚印。虽然脚踏在台阶任何地方的机会是均等的，但如果你仔细观察就会发现，人们在这条阶梯上走上走下时，脚踏在中间的多，踏在两边的少，因此，每一个台阶的中间都要比两边磨损得多，呈现出“中间多，两头少”的分布规律。已知气体分子运动速率较大，到达任一位置的机会也是均等的，那么，气体分子的运动又有怎样的规律呢？提示：气体分子运动总体上的分布规律与上述现象非常相似。一、随机性与统计规律1．必然事件：在一定条件下，若某事件____出现，这个事件叫做必然事件。2．不可能事件：在一定条件下，__________的事件叫做不可能事件。3．随机事件：在一定条件下____出现，也____不出现的事件叫做随机事件。4．统计规律：大量随机事件的____表现出的规律。二、气体分子运动的特点1．气体分子运动的“三性”(1)自由性：由于气体分子间的距离比较大，大约是分子直径的____左右，分子间的作用力很____，因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，不受力而做________运动，因而气体能充满它所达到的整个____。(2)无序性：由于分子之间频繁地____，每个分子的速度大小和方向频繁改变，分子的运动________，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____。(3)规律性：气体分子速率分布呈现出“____________”的分布规律。当温度升高时，速率大的分子数____，速率小的分子数____，分子的平均速率____。反之，分子的平均速率____。2．温度的微观意义(1)温度越高，分子____运动越激烈。(2)温度是分子________的标志。理想气体的热力学温度T与分子的平均动能Ek成____比，即T＝______，式中α是比例常数。三、气体压强的微观意义1．产生原因：大量气体分子频繁地________而产生的。2．决定因素(1)微观上：决定于气体分子的________和分子的________。 (2)宏观上：决定于气体的____和____。四、对气体实验定律的微观解释1．对玻意耳定律的解释一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的________是一定的。在这种情况下，体积减小时，分子的________增大，气体的压强就____。2．对查理定律的解释一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的________保持不变。在这种情况下，温度升高时，分子的________增大，气体的压强就____。3．对盖—吕萨克定律的解释一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的________增大；只有气体的体积同时____，使分子的密集程度____，才能保持压强不变。思考：一定质量的理想气体仅温度升高或仅体积缩小都会使压强增大，从微观上看，这两种情况有没有区别？答案：一、1.必然2．不可能出现3．可能　可能4．整体二、1.(1)10倍　弱　匀速直线　空间　(2)碰撞　杂乱无章　相等　(3)中间多，两头少　增多　减少　增大　减小2．(1)热　(2)平均动能　正　αEk三、1.碰撞器壁2．(1)平均动能　密集程度　(2)温度　体积四、1.平均动能　密集程度　增大2．密集程度　平均动能　增大3．平均动能　增大　减小思考提示：气体的压强等于器壁单位面积受到的压力，一定质量的气体，若仅温度升高，则分子平均动能增大、平均速率增大，不仅每个分子撞击器壁的作用力变大，而且单位时间内气体分子对器壁单位面积的碰撞次数也增多，从而使器壁单位面积受到的压力增大，气体压强变大；若仅减小体积，虽然分子的平均速率不变，每个分子对器壁的撞击力不变，但单位体积内的分子数增加，单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数增加，故压强增大，所以两种情况从微观上看是有区别的。一、气体分子运动的统计规律1．统计规律大量随机事件整体表现出来的规律叫统计规律。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，单独看来，各个分子的运动都是不规则的，具有偶然性的，但从总体来看，大量分子的运动服从一定的统计规律。2．具体表现(1)气体分子沿各个方向运动的机会(几率)相等。(2)大量气体分子的速率分布呈现中间多(占有分子数目多)、两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。(3)温度升高时，所有分子热运动的平均速率增大，即大部分分子的速率增大了，但也有少数分子的速率减小，这也是统计规律的体现。(1)单个或少量分子的运动是“个体行为”，具有不确定性。大量分子运动是“集体行为”，具有规律性，即遵守统计规律。 (2)物体的温度升高了，是物体内所有分子热运动的平均速率增大了，不是每一个分子的速率都增大了，有少数分子的速率可能减小。二、气体压强的产生原因及决定因素1．产生原因大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生了气体的压强。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(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，气体压强越大。确定气体压强是否变化，可从微观上的两个因素是否变化确定，也可以从宏观上的两个量V、T是否变化，用状态方程分析，结论是一致的。三、气体压强与大气压强的区别与联系1．区别(1)气体压强因密闭容器的气体分子的密集程度一般很小，由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，大小由气体分子的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强。地面大气压强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。2．联系两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而实现的。(1)在一个不太高的容器中，可以认为各点气体压强是相等的。(2)容器内气体压强大小与其重力无关，这一点与液体压强不同，液体压强由液体压力产生，在完全失重的环境里，容器中气体的压强不变(要求温度、体积不变)，而液体的压强消失。类型一对气体分子运动特点的理解【例1】(2010·福建高考)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。下面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(　　)。点拨：熟悉一定温度下，气体分子的速率分布规律是正确处理本题的关键。 解析：分子的速率分布遵循“中间多、两头少”的统计规律，即分子平均速率附近的分子最多，与平均速率差距越大的分子越少，所以选项D正确。答案：D题后反思：气体分子速率分布规律：(1)在一定温度下，所有气体分子的速度都呈“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。触类旁通：若本题中图象的横轴不是从0开始变化的，有没有正确选项？类型二对气体压强的理解【例2】如图所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中恰好装满水，乙中充满空气，则下列说法中正确的是(容器容积恒定)(　　)。A．两容器中器壁的压强都是由于分子撞击器壁而产生的B．两容器中器壁的压强都是由所装物质的重力而产生的C．甲容器中pA＞pB，乙容器中pC＝pD百度文库-让每个人平等地提升自我D．当温度升高时，pA、pB变大，pC、pD也要变大点拨：明确气体压强与液体压强的产生原因及大小的决定因素是正确分析本题的关键。解析：甲容器压强产生的原因是液体受到重力的作用，而乙容器压强产生的原因是分子撞击器壁，A、B项错误；液体的压强p＝ρgh，hA＞hB，可知pA＞pB，而密闭容器中气体压强各处均相等，与位置无关，pC＝pD，C项正确；温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD增大，D项错误。答案：C题后反思：(1)千万不要把液体和气体压强混淆，要从产生原因上加以区别。(2)正确解决此类问题的要点有：①了解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碰撞产生的。压强就是大量气体分子在单位时间内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。触类旁通：本题中若让两容器同时竖直上抛(不计空气阻力)，容器侧壁上的压强将怎样变化？答案：触类旁通【例1】答案：有，C。【例2】答案：甲容器侧壁上的压强变为零，乙容器侧壁上的压强不变化。1．(2011·四川理综)气体能够充满密闭容器，说明气体分子除相互碰撞的短暂时间外(　　)。A．气体分子可以做布朗运动B．气体分子的动能都一样大C．相互作用力十分微弱，气体分子可以自由运动D．相互作用力十分微弱，气体分子间的距离都一样大2．在一定温度下，某种理想气体分子的速率分布应该是(　　)。A．每个分子速率都相等 B．每个分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子数目都很少C．每个分子速率一般都不相等，但在不同速率范围内，分子数的分布是均匀的D．每个分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子数目很多3．两个相同的密闭容器分别装有等质量的同种理想气体，已知容器中气体的压强不相同，则下列判断中正确的是(　　)。A．压强小的容器中气体的温度比较高B．压强大的容器中气体单位体积内的分子数比较少C．压强小的容器中气体分子的平均动能比较小D．压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大4．如图所示为一定质量的理想气体在不同体积时的两条等容线，A、B、C、D表示四个不同状态，则(　　)。A．气体由状态A变到状态C，其内能减少B．气体由状态A变到状态D，其内能增加C．气体由状态D变到状态C，其内能增加D．气体由状态B变到状态A，其内能减少答案：1．C　布朗运动是悬浮在液体或气体中的微小颗粒的运动，是分子无规则运动的反映，选项A错误；分子的速率分布是“两头少、中间多”，各个分子的速率并不都相等，选项B错误；气体分子间的距离远大于分子间发生作用的距离，故相互作用力可忽略，故选项C正确；分子间的距离并不一定一样大，平时说的是平均距离，选项D错误。2．B　从气体分子速率分布图象可以看出，分子速率呈“中间多、两头少”的分布规律，故B选项正确。3．CD　相同的容器分别装有等质量的同种气体，说明它们所含的分子总数相同，即分子的密度相同，B项错误；压强不同，一定是因为两容器气体分子平均动能不同造成的，压强小的容器中分子的平均动能一定较小，温度较低，故A项错误，C项正确；压强大的容器中气体分子对器壁单位面积的平均作用力比较大，故D项正确。4．ABD　气体由状态A变到状态C，温度降低，平均动能减小，内能减少，A项正确；气体由状态A变到状态D，温度升高，平均动能增大，内能增加，B项正确；气体由状态D变到状态C，温度降低，平均动能减小，内能减少，C项错误；气体由状态B变到状态A，温度降低，平均动能减小，内能减少，D项正确。