【物理】2020届一轮复习人教版固体、液体和气体学案 18页

第十三单元选修 3-3 课时 2　固体、液体和气体 见《自学听讲》P227 　　1.固体 (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,物理特性为各向异性。多晶体,整体没有规则的几何外形,物理特性为各向同性。 (3)晶体的微观结构特点:组成晶体的物质微粒有规则的、周期性的空间排列。 (4)用晶体的微观结构解释晶体的特点 ①因为内部微粒有规则的排列,所以晶体有规则的外形。 ②因为内部从任一结点出发在不同方向的相同距离上的微粒数不同,所以晶体具有各向异性。 ③因为组成晶体的微粒可以形成不同的空间点阵,所以晶体具有多形性。 　　【温馨提示】　有的物质在不同条件下能够形成不同的形态,同一物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现,有些非晶 体在一定条件下也可转化为晶体。 　　2.液体 (1)液体的表面张力 ①作用:液体的表面张力使液面具有收缩的趋势。 ②方向:表面张力跟液面相切,跟这部分液面的分界线垂直。 (2)液晶的物理性质 ①具有液体的流动性。 ②具有晶体的光学各向异性。 ③从某个方向看其分子排列比较整齐,但从另一方向看,分子的排列是杂乱无章的。 (3)饱和汽、未饱和汽、饱和汽压和相对湿度 ①饱和汽:与液体处于动态平衡的蒸汽。 ②未饱和汽:没有达到饱和状态的蒸汽。 1.(2018 山西侯马开学考试)(多选)关于晶体、非晶体、液晶,下列说法正确的是(　　)。 A.只有单晶体才表现为各向异性 B.所有的晶体都表现为各向异性 C.晶体一定有规则的几何形状,形状不规则的金属一定是非晶体 D.所有的晶体都有确定的熔点,而非晶体没有确定的熔点 E.液晶的微观结构介于晶体和液体之间,其光学性质会随电压的变化而变化 答案　ADE 2.(2018 安徽芜湖 5 月月考)(多选)关于液体的表面张力,下面说法中正确的是(　　)。 A.表面张力是液体表面层分子间的相互作用 B.液体表面层分子分布比液体内部密集,分子间相互作用表现为引力 C.表面张力的方向总是垂直液面,指向液体内部 D.表面张力的方向总是沿液面分布的 E.湖面上一只小昆虫停在水面上而不会陷入水中是因为水的表面张力作用 　　答案　ADE 3.(2018 湖南衡阳 10 月诊断)(多选)关于饱和汽,下列说法正确的是(　　)。 A.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度不断增大 B.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度不变 C.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度减小 D.将未饱和汽转化成饱和汽可以保持温度不变,减小体积 E.将未饱和汽转化成饱和汽可以保持体积不变,降低温度 答案　BDE 　　③饱和汽压:饱和汽所具有的压强。特点:液体的饱和汽压与温度有关,温度越高,饱和汽压越大,且饱和汽压与饱和汽的体积无 关。 ④相对湿度:空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比,即相对湿度= 水蒸气的实际压强 同温度水的饱和汽压。 　　【温馨提示】　一种液体会湿润某种固体并附着在固体表面上,这种现象叫作浸润。浸润液体在细管中上升的现象以及不浸 润液体在细管中下降的现象,称为毛细现象。 　　3.气体 (1)气体的状态参量:温度、体积和压强。 (2)状态方程: ①玻意耳定律:温度不变,pV=C 或 p1V1=p2V2。 ②查理定律:体积不变, 푝 푇=C 或 푝1 푇1 = 푝2 푇2。 ③盖—吕萨克定律:压强不变, 푉 푇=C 或 푉1 푇1 = 푉2 푇2。 ④理想气体状态方程: 푝푉 푇 =C 或 푝1푉1 푇1 = 푝2푉2 푇2 。 4.(2018 福建龙岩阶段检测)(多选)一定质量的理想气体经历一系列变化过程,如图所示,下列说法正确的是(　　)。 A.b→c 过程中,气体压强不变,体积增大 B.a→b 过程中,气体体积减小,压强减小 C.c→a 过程中,气体压强增大,体积不变 D.b→a 过程中,气体内能不变,体积增大 E.c→b 过程中,气体内能增大,体积变大 答案　CDE 1.(2018 全国卷Ⅰ,33)如图所示,容积为 V 的汽缸由导热材料制成,面积为 S 的活塞将汽缸分成容积相等的上下两部分,汽缸上部通 过细管与装有某种液体的容器相连,细管上有一阀门 K。开始时,K 关闭,汽缸内上下两部分气体的压强均为 p0,现将 K 打开,容器内 的液体缓慢地流入汽缸,当流入的液体体积为 푉 8时,将 K 关闭,活塞平衡时其下方气体的体积减小了 푉 6,不计活塞的重量和体积,外界 温度保持不变,重力加速度大小为 g。求流入汽缸内液体的质量。 解析　设活塞再次平衡后,活塞上方气体的体积为 V1,压强为 p1;下方气体的体积为 V2,压强为 p2。在活塞下移的过程中,活塞上、 下方气体的温度均保持不变。由玻意耳定律得 p0 푉 2=p1V1 p0 푉 2=p2V2 由已知条件得 V1=푉 2+푉 6-푉 8=13 24V V2=푉 2-푉 6=푉 3 设活塞上方液体的质量为 m,由力的平衡条件得 p2S=p1S+mg 联立解得 m= 15푝0S 26푔 。 答案　 15푝0S 26푔 2.(2018 全国卷Ⅱ,33)如图所示,一竖直放置的汽缸上端开口,汽缸壁内有卡口 a 和 b,a、b 间距为 h,a 距缸底的高度为 H;活塞只能 在 a、b 间移动,其下方密封有一定质量的理想气体。已知活塞质量为 m,面积为 S,厚度可忽略;活塞和汽缸壁均绝热,不计它们之间 的摩擦。开始时活塞处于静止状态,上、下方气体压强均为 p0,温度均为 T0。现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体,直至活塞刚好到 达 b 处。求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功。(重力加速度大小为 g) 解析　开始时活塞位于 a 处,开始加热后,汽缸中的气体先经历等容过程,直至活塞开始运动。设活塞刚要运动时汽缸中气体 的温度为 T1,压强为 p1。根据查理定律有 푝0 푇0 = 푝1 푇1 根据力的平衡条件有 p1S=p0S+mg 联立解得 T1=(1 + 푚푔 푝0S)T0 此后,汽缸中的气体经历等压过程,直至活塞刚好到达 b 处,设此时汽缸中气体的温度为 T2;活塞位于 a 处和 b 处时气体的体积 分别为 V1 和 V2。根据盖—吕萨克定律有 푉1 푇1 = 푉2 푇2 式中 V1=SH,V2=S(H+h) 联立解得 T2=(1 + ℎ 퐻)(1 + 푚푔 푝0S)T0 从开始加热到活塞到达 b 处的过程中,汽缸中的气体对外做的功 W=(푝0S + mg)h。 答案　(1 + ℎ 퐻)(1 + 푚푔 푝0S)T0　 (푝0S + mg)h 见《自学听讲》P229 一 固体和液体性质的理解 　　1.晶体和非晶体 (1)单晶体具有各向异性,但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。 (2)只要是具有各向异性的物体必定是晶体,且是单晶体。 (3)只要具有确定熔点的物体必定是晶体,反之,必是非晶体。 (4)单晶体具有天然规则的几何外形,而多晶体和非晶体没有天然规则的几何外形,所以不能从形状上区分 晶体与非晶体。 (5)晶体和非晶体不是绝对的,在某些条件下可以相互转化。 (6)液晶既不是晶体也不是液体。 2.液体表面张力 (1)形成原因:表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大,分子间作用力表现为引力。 (2)表面特征:表面层中分子间的引力使液面产生了表面张力,使液体表面好像一层张紧的弹性薄膜。 (3)表面张力的方向:和液面相切,垂直于液面内的各条分界线。 (4)表面张力的效果:使液体表面具有收缩的趋势,使液体表面积趋于最小,而在体积相同的条件下,球形表面 积最小。 　　例 1　(多选)下列说法正确的是(　　)。 A.将一块晶体敲碎后,得到的小颗粒是非晶体 B.固体可以分为晶体和非晶体两类,有些晶体在不同方向上有不同的光学性质 C.由同种元素构成的固体,可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体 D.在合适的条件下,某些晶体可以转化为非晶体,某些非晶体也可以转化为晶体 E.在熔化过程中,晶体要吸收热量,但温度保持不变,内能也保持不变 解析　晶体有固定的熔点,并不会因为颗粒的大小而改变,即使敲碎为小颗粒,仍旧是晶体,A 项错误;固体分为晶体和非晶体两 类,有些晶体在不同方向上光学性质不同,表现为晶体具有各向异性,B 项正确;同种元素构成的固体可能由于原子的排列方式不同 而形成不同的晶体,如金刚石和石墨,C 项正确;晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体,反之亦然,D 项正确;熔化过程 中,晶体要吸热,温度不变,但是内能增大,E 项错误。 答案　BCD 　　变式 1　(多选)下列说法正确的是(　　)。 A.悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动 B.空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果 C.彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点 D.高原地区水的沸点较低,这是高原地区温度较低的缘故 E.干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度,这是湿泡外纱布中的水蒸发吸热的结果 解析　悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了水分子的无规则热运动,A项错误;空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结 果,B 项正确;彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点,C 项正确;高原地区水的沸点较低,是由于高原地区气压 低,D 项错误;干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度,是由于湿泡外纱布中的水蒸发吸收热量,从而温度降低,E 项正 确。 答案　BCE 二 气体实验定律的应用 　　气体实验定律的应用技巧 1.用气体实验定律解题的关键是恰当地选取研究对象(必须是一定质量的气体),搞清气体初、末状态的状 态参量,正确判断出气体状态变化的过程是属于等温、等压还是等容过程,然后列方程求解。 2.分析气体状态变化过程的特征要注意以下两个方面:一是根据题目的条件进行论证(比如从力学的角度 分析压强的情况,判断是否属于等压过程);二是注意挖掘题目的隐含条件(比如缓慢压缩导热良好的汽缸中的气 体,意味着气体温度与环境温度保持相等)。 　　【温馨提示】　描述一定质量气体的状态参量有: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、 器壁单位面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和分子势能的总和,理想气体的 内能仅与温度有关。 　　例2 　如图所示,两个截面积均为S的圆柱形容器,左右两边容器的高均为H,右边容器上端封闭,左边容器上端是一个可以在容 器内无摩擦滑动的轻活塞(重力不计),两容器由装有阀门的极细管道(体积忽略不计)相连通。开始时阀门关闭,左边容器中装有热 力学温度为 T0 的理想气体,平衡时活塞到容器底的距离为 H,右边容器内为真空。现将阀门缓慢打开,活塞便缓慢下降,直至系统达 到平衡,此时被封闭气体的热力学温度为 T,且 T>T0。求此过程中外界对气体所做的功。已知大气压强为 p0。 解析　打开阀门后,气体通过细管进入右边容器,活塞缓慢向下移动,气体作用于活塞的压强仍为p0。活塞对气体的压强也是 p0。设达到平衡时活塞的高度为 x,气体的温度为 T,根据理想气体状态方程得 푝0SH 푇0 = 푝0S(H + x) 푇 解得 x=( 푇 푇0 - 1)H 此过程中外界对气体所做的功 W=p0S(H-x)=p0SH(2 ― 푇 푇0)。 答案　p0SH(2 ― 푇 푇0) 分析清楚气体的状态参量,有利于列出气态方程。外界大气压不变,根据力学知识求解外界对气体做的功。等压(压强为 p)变化 过程中,气体膨胀(体积增加 ΔV),外界对气体做负功 W=-pΔV;等压(压强为p)变化过程中,气体压缩(体积减小 ΔV),外界对气体 做正功 W=pΔV。 　　变式 2　如图所示,上、下都与大气相通的直立圆筒竖直放置,中间用横截面积 S=0.01 m2、质量不计的两个活塞 A、B 封闭着 一定质量的理想气体,活塞 B 与一劲度系数 k=1000 N/m 的弹簧相连,平衡时两活塞相距 l0=0.6 m。现用力 F 向下压活塞 A,使其缓 慢下移一段距离后再次平衡,此时力 F=500 N。已知外界大气压强 p0=1.0×105 Pa,假定气体温度始终保持不变,不计一切摩擦,求: (1)活塞 A 向下移动的距离 h。 (2)大气压强对活塞 A 和活塞 B 做的总功 W。 解析　(1)设活塞 B 向下移动的距离为 x,由平衡条件得 F=kx 设活塞 A 向下移动的距离为 h,则由玻意耳定律得 p0l0S=(푝0 + 퐹 푆)(l0-h+x)S 解得 h=0.7 m。 (2)大气压强对活塞 A 和活塞 B 做的总功 W=p0(h-x)S 解得 W=200 J。 答案　(1)0.7 m　(2)200 J 　　变式 3　一定质量的理想气体被活塞封闭在竖直放置的圆柱形汽缸内。汽缸壁导热良好,活塞可沿汽缸壁无摩擦地滑动。开 始时气体压强为 p,活塞下表面相对于汽缸底部的高度为 h,外界的温度为 T0。现取质量为 m 的沙子缓慢地倒在活塞的上表面,沙子 倒完时,活塞下降了 ℎ 4。若此后外界的温度变为 T,求重新达到平衡后气体的体积。已知外界大气的压强始终保持不变,重力加速度 大小为 g。 解析　设汽缸的横截面积为 S,沙子倒在活塞上后,对气体产生的压强为 Δp,由玻意耳定律得 phS=(p+Δp)(ℎ - 1 4h)S 解得 Δp=1 3p 外界的温度变为 T 后,设活塞距底面的高度为 h',根据盖—吕萨克定律,得 (ℎ - 1 4h)S 푇0 =ℎ'푆 푇 解得 h'= 3푇 4푇0 h 据题意可得 Δp=푚푔 푆 气体最后的体积 V=Sh' 联立解得 V=9푚푔ℎ푇 4푝푇0 。 答案　 9푚푔ℎ푇 4푝푇0 三 气体状态变化的图象问题 　　1.气体状态变化的图象问题 　　类别 图线　　 特点 举例 p-V pV=CT(其中 C 为恒量),即pV 之 积越大的等温线,温度越高,线 离原点越远 p- 1 V p=CT 1 V,斜率 k=CT,即斜率越大, 温度越高 p-T p= C VT,斜率 k= C V,即斜率越大,体 积越小 V-T V= C pT,斜率 k= C p,即斜率越大,压 强越小 　　2.气体状态变化图象的应用技巧 (1)明确点、线的物理意义:求解气体状态变化的图象问题,应当明确图象上的点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态,它 对应着三个状态参量;图象上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程。 (2)明确斜率的物理意义:在 V-T 图象(或 p-T 图象)中,比较两个状态的压强(或体积)大小,可以比较这两个状态到原点连线的斜 率的大小,其规律是斜率越大,压强(或体积)越小;斜率越小,压强(或体积)越大。 　　【温馨提示】　利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析同质量、不同温度的两条等温线,不同体积的两条等容线,不同压强的 两条等压线的关系。例如上表中的举例。 　　例 3　如图甲所示,在一个密闭的汽缸内有一定质量的理想气体,如图乙所示是它从状态 A 变化到状态 B 的 V-T 图象,已知 AB 的反向延长线通过坐标原点O,气体在A状态的压强p=1.0×105 Pa,在从状态A变化到状态B的过程中,气体吸收的热量Q=7.0×102 J,求此过程中气体内能的增量 ΔU。 解析　由 V-T 图象的图线经过坐标原点可以判断,理想气体经历的是等压变化 由盖—吕萨克定律得 푉퐴 푇퐴 = 푉퐵 푇퐵 气体对外做的功 W=-p(VB-VA) 解得 W=-200 J 根据热力学第一定律 ΔU=W+Q 解得 ΔU=5.0×102 J。 答案　5.0×102 J 根据图象判断气体发生的变化是等压变化、等容变化还是等温变化,由相应规律(盖—吕萨克定律、查理定律和玻意耳定律),得 到气体体积(温度)、温度(压强)和气体压强(体积)的变化,然后求出气体所做的功,吸收或放出的热量,最后由热力学第一定律求 出气体内能的增减,注意理想气体的内能与热力学温度成正比。 　　变式 4　(多选)如图所示是一定质量的理想气体的 p-T 图线(p 为气体压强,T 为气体温度),当气体状态发生沿图线 A 到 B 的变 化时,下列说法中正确的是(　　)。 A.气体体积不变 B.外界对气体做功 C.气体内能增加 D.气体分子平均动能减少 E.气体分子平均速率增大 解析　根据查理定律可知,当气体状态发生沿图线 A 到 B 的变化时,气体的体积保持不变,所以 A 项正确;气体的体积不变化,外 界对气体不做功,所以 B 项错误;理想气体的温度升高,气体分子的平均动能增加,气体内能增加,所以 C 项正确,D 项错误;气体温度升 高,热运动加剧,分子平均速率增加,E 项正确。 答案　ACE 　　变式 5　(多选)一定质量的理想气体从状态 A 经过状态 B 变化到状态 C,其 V-T 图象如图所示。下列说法正确的有(　　)。 A.A→B 的过程中,气体对外界做功 B.A→B 的过程中,气体放出热量 C.B→C 的过程中,气体压强不变 D.C→B 的过程中,气体对外界做负功 E.A→B→C 的过程中,气体内能先不变后减小 解析　A→B 的过程中,由于温度不变,体积变小,故外界对气体做功,系统内能不变,气体放出热量,A 项错误,B 项正确。B→C 过 程中,由于 V-T 图象延长线经过原点,故压强不变,C 项正确;C→B 的过程中,气体体积增大,对外界做正功,D 项错误;A→B 过程中内能 不变,B→C 过程中内能减小,故 E 项正确。 答案　BCE 四 理想气体状态方程的应用 　　1.弄清气体的体积、压强、温度间的关系 (1)一定质量的气体,在温度不变的情况下,体积减小时,压强增大,体积增大时,压强减小。 (2)一定质量的气体,在压强不变的情况下,温度升高,体积增大。 (3)一定质量的气体,在体积不变的情况下,温度升高,压强增大。 (4)一定质量的气体,当体积、压强、温度均变化时,其关系为 푝푉 푇 =常数。 2.运用理想气体状态方程解题的步骤 (1)明确研究对象:从实际问题中选出发生状态变化的这部分气体,且要求它的质量一定。当有小孔与外界连 通或发生气体的迁移等情况时,可采用“假设法”,必须保证研究对象的质量一定。 (2)列出状态参量:写出研究对象状态变化前后的一组 p、V、T 值(或表达式)。这是研究气体问题关键的一 步。在列出状态参量的同时把各相应量的单位统一。 (3)建立状态方程:根据状态变化的特征,用三条实验定律或理想气体状态方程,把状态参量联系起来。 (4)求解、计算、检验:通常可先根据状态方程得出待求量的表达式,然后代入数值。 　　例 4　如图所示,足够长的圆柱形汽缸竖直放置,其横截面积为 1×10-3 m2,汽缸内有质量 m=2 kg 的活塞,活塞与汽缸壁封闭良 好,不计摩擦。开始时活塞被销子 K 销于如图所示位置,离缸底 12 cm,此时汽缸内被封闭气体的压强为 1.5×105 Pa,温度为 300 K。外界大气压强 p0=1.0×105 Pa,g=10 m/s2。 (1)现对密闭气体加热,当温度升到 400 K 时,其压强为多大? (2)若在(1)的条件下拔去销子 K,活塞开始向上运动,当它最后静止在某一位置时,汽缸内气体的温度为 360 K,则这时活塞离缸 底的距离为多少? 解析　(1)根据查理定律,得 푝1 푇1 = 푝2 푇2 解得 p2=2×105 Pa。 (2)活塞静止时,缸内气体的压强 p3=p0+푚푔 푆 =1.2×105 Pa 根据气体的状态方程,得 푝2S푙2 푇2 = 푝3S푙3 푇3 解得 l3=18 cm。 答案　(1)2×105 Pa　(2)18 cm 本题主要考查了理想气体状态方程的应用,解答此类问题的关键就是正确确定气体的状态,找出状态参量。对活塞分析受力,得到 封闭气体压强不变,应用查理定律列方程求解。三个状态参量都发生变化,应用理想气体状态方程求解。 　　变式 6　(多选)图示为一定质量理想气体的压强 p 与体积 V 的关系图象,它由状态 A 经等容过程到状态 B,再经等压过程到状 态 C。设 A、B、C 状态对应的温度分别为 TA、TB、TC, 对应的内能分别为 EA、EB、EC,则下列关系式中正确的是(　　)。 A.TATB,TBEC D.EA>EB,EC>EB E.TA>TB,EBTB,TBEB,EB