2024-2025學(xué)年高中物理第八章氣體4氣體熱現(xiàn)象的微觀意義學(xué)案新人教版選修3-31

PAGE11-第四節(jié)氣體熱現(xiàn)象的微觀意義【素養(yǎng)目標(biāo)定位】※知道氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)※※駕馭氣體壓強(qiáng)的微觀意義※了解氣體試驗(yàn)定律的微觀說(shuō)明【素養(yǎng)思維脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋學(xué)問(wèn)點(diǎn)1隨機(jī)性與統(tǒng)計(jì)規(guī)律1．必定事務(wù)在肯定條件下__必定__出現(xiàn)的事務(wù)。2．不行能事務(wù)在肯定條件下__不行能__出現(xiàn)的事務(wù)。3．隨機(jī)事務(wù)在肯定條件下，__可能__出現(xiàn)，也__可能__不出現(xiàn)的事務(wù)。4．統(tǒng)計(jì)規(guī)律大量的__隨機(jī)事務(wù)__整體表現(xiàn)出的規(guī)律。學(xué)問(wèn)點(diǎn)2氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)1．氣體分子運(yùn)動(dòng)的三個(gè)特性：自由性氣體分子間距離比較大，分子間的作用力很弱，除相互碰撞或跟器壁碰撞外，可以認(rèn)為分子不受力而做__勻速直線__運(yùn)動(dòng)，因而氣體能充溢它能達(dá)到的整個(gè)空間無(wú)序性分子之間頻繁地發(fā)生碰撞，使每個(gè)分子的速度大小和方向頻繁地變更，分子的運(yùn)動(dòng)__雜亂無(wú)章__，在某一時(shí)刻，向著任何一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的分子都有，而且向著各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的氣體分子數(shù)目都__相等__規(guī)律性氣體分子的速率分布呈現(xiàn)出“__中間多、兩頭少__”的分布規(guī)律。當(dāng)氣體溫度上升時(shí)，分子的平均速率__增大__2.氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系(1)溫度__越高_(dá)_，分子的熱運(yùn)動(dòng)越猛烈。(2)志向氣體的熱力學(xué)溫度T與分子的平均動(dòng)能eq\x\to(E)K成正比，即：T＝aeq\x\to(E)K(式中a是比例常數(shù))，因此可以說(shuō)，__溫度__是分子平均動(dòng)能的標(biāo)記。學(xué)問(wèn)點(diǎn)3氣體壓強(qiáng)的微觀意義1．氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生緣由氣體的壓強(qiáng)是大量氣體分子頻繁地__碰撞器壁__而產(chǎn)生的。2．影響氣體壓強(qiáng)的兩個(gè)因素(1)氣體分子的__平均動(dòng)能__(2)分子的__密集程度__學(xué)問(wèn)點(diǎn)4對(duì)氣體試驗(yàn)定律的微觀說(shuō)明1．玻意耳定律的微觀說(shuō)明肯定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變時(shí)，分子的__平均動(dòng)能__是肯定的。在這種狀況下，體積減小時(shí)，分子的__密集程度__增大，氣體的壓強(qiáng)就增大。2．查理定律的微觀說(shuō)明肯定質(zhì)量的氣體，體積保持不變時(shí)，分子的__密集程度__保持不變。在這種狀況下，溫度上升時(shí)，分子的__平均動(dòng)能__增大，氣體的壓強(qiáng)就增大。3．蓋·呂薩克定律的微觀說(shuō)明肯定質(zhì)量的氣體，溫度上升時(shí)，分子的__平均動(dòng)能__增大。在這種狀況下只有氣體的__體積__同時(shí)增大，使分子的__密集程度__減小，才能保持壓強(qiáng)不變。辨析思索『判一判』(1)大量隨機(jī)事務(wù)的整體會(huì)表現(xiàn)出肯定的規(guī)律性。(√)(2)密閉氣體的壓強(qiáng)是由氣體受到重力而產(chǎn)生的。(×)(3)氣體的溫度越高，壓強(qiáng)就肯定越大。(×)(4)大氣壓強(qiáng)是由于空氣受重力產(chǎn)生的。(√)(5)氣體分子的速率各不相同，但遵守速率分布規(guī)律，即出現(xiàn)“中間多、兩頭少”的分布規(guī)律。(√)(6)氣體的壓強(qiáng)是大量氣體分子頻繁持續(xù)地碰撞器壁而產(chǎn)生的。(√)『選一選』如圖，橫坐標(biāo)v表示分子速率，縱坐標(biāo)f(v)表示各等間隔速率區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比。圖中曲線能正確表示某一溫度下氣體分子麥克斯韋速率分布規(guī)律的是(D)A．曲線① B．曲線②C．曲線③ D．曲線④解析：分子速率分布曲線是正態(tài)分布，肯定溫度下氣體分子速率很大和很小的占總分子數(shù)的比率都很少，呈現(xiàn)“中間多，兩頭少”的規(guī)律，只有曲線④符合實(shí)際狀況。本題易錯(cuò)選B，留意到曲線上速率為零的分子占有總分子數(shù)的比率是某一值，這是不行能的，因?yàn)榉肿釉谧鲇啦煌Ｏ⒌臒o(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)?！合胍幌搿蛔孕熊?chē)的輪胎沒(méi)氣后會(huì)變癟，用打氣筒向里打氣，打進(jìn)去的氣越多，輪胎會(huì)越“硬”。你怎樣用分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明這種現(xiàn)象？(假設(shè)輪胎的容積和氣體的溫度不發(fā)生變更)答案：輪胎的容積不發(fā)生變更，隨著氣體不斷地打入，輪胎內(nèi)氣體分子的密集程度不斷增大，溫度不變意味著氣體分子的平均動(dòng)能沒(méi)有發(fā)生變更，故氣體壓強(qiáng)不斷增大，輪胎會(huì)越來(lái)越“硬”。課內(nèi)互動(dòng)探究探究統(tǒng)計(jì)規(guī)律與氣體分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)┃┃思索探討1__■如圖所示為肯定質(zhì)量的氧氣分子在0℃和100℃兩種不同狀況下的速率分布狀況。(1)溫度上升，全部分子的運(yùn)動(dòng)速率均變大嗎？(2)結(jié)合圖象，你能總結(jié)出氣體分子運(yùn)動(dòng)速率的特點(diǎn)嗎？提示：(1)不是(2)個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)狀況無(wú)法確定，但大量氣體分子的速率分布呈現(xiàn)“中間多、兩頭少”的規(guī)律。┃┃歸納總結(jié)__■1．對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的理解(1)個(gè)別事務(wù)的出現(xiàn)具有偶然因素，但大量事務(wù)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，卻遵從肯定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。(2)從微觀角度看，由于氣體是由數(shù)量極多的分子組成的，這些分子并沒(méi)有統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)步調(diào)，單獨(dú)來(lái)看，各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)都是不規(guī)則的，帶有偶然性，但從總體來(lái)看，大量分子的運(yùn)動(dòng)卻有肯定的規(guī)律。2．如何正確理解氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(1)氣體分子距離大(約為分子直徑的10倍)，分子力特別小(可忽視)，可以自由運(yùn)動(dòng)，所以氣體沒(méi)有肯定的體積和形態(tài)。(2)分子間的碰撞特別頻繁，常見(jiàn)的碰撞使每個(gè)分子速度的大小和方向頻繁地發(fā)生變更，造成氣體分子做雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)，因此氣體分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)(幾率)相等。(3)大量氣體分子的速率分布呈現(xiàn)中間多(占有分子數(shù)目多)兩頭少(速率大或小的分子數(shù)目少)的規(guī)律。(4)當(dāng)溫度上升時(shí)，“中間多”的這一“高峰”向速率大的一方移動(dòng)，即速度大的分子數(shù)目增多，速率小的分子數(shù)目減小，分子的平均速率增大，分子的熱運(yùn)動(dòng)猛烈，定量的分析表明志向氣體的熱力學(xué)溫度T與分子的平均動(dòng)能EK成正比，即T＝aeq\x\to(EK)，因此說(shuō)，溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)記。特殊提示單個(gè)或少量分子的運(yùn)動(dòng)是“特性行為”，具有不確定性。大量分子運(yùn)動(dòng)是“集體行為”，具有規(guī)律性即遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。┃┃典例剖析__■典例1(2024·黑龍江哈爾濱六中高二下學(xué)期期中)如圖1所示，在斯特林循環(huán)的p－V圖象中，肯定質(zhì)量志向氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過(guò)狀態(tài)B、C和D后再回到狀態(tài)A，整個(gè)過(guò)程由兩個(gè)等溫柔兩個(gè)等容過(guò)程組成，B→C的過(guò)程中，單位體積中的氣體分子數(shù)目__不變__(選填“增大”“減小”或“不變”)，狀態(tài)A和狀態(tài)D的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率的統(tǒng)計(jì)分布圖象如圖2所示，則狀態(tài)A對(duì)應(yīng)的是__①__(選填“①”或“②”)。解題指導(dǎo)：依據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)求解。解析：從B→C的過(guò)程中，氣體的體積不變，因此單位體積中氣體分子數(shù)目不變，從狀態(tài)D到狀態(tài)A，氣體的體積不變，壓強(qiáng)減小，溫度降低，分子平均動(dòng)能減小，因此A狀態(tài)對(duì)應(yīng)的是①。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■1．(多選)下列關(guān)于氣體分子運(yùn)動(dòng)的說(shuō)法正確的是(ABC)A．分子除相互碰撞或跟容器碰撞外，可在空間自由移動(dòng)B．分子的頻繁碰撞致使它做雜亂無(wú)章的熱運(yùn)動(dòng)C．分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)相等D．分子的速率分布毫無(wú)規(guī)律解析：分子的頻繁碰撞使其做雜亂無(wú)章的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，除碰撞外，分子可做勻速直線運(yùn)動(dòng)，A、B對(duì)。大量分子的運(yùn)動(dòng)遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如分子向各方向運(yùn)動(dòng)機(jī)會(huì)均等，分子速率分布呈“中間多，兩頭少”的規(guī)律，C對(duì)，D錯(cuò)。探究氣體壓強(qiáng)的微觀意義┃┃思索探討2__■試用氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)說(shuō)明：在燥熱的夏天，打足了氣的汽車(chē)輪胎在日光的曝曬下簡(jiǎn)單脹破。提示：在日光曝曬下，胎內(nèi)氣體溫度顯著上升，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子的平均動(dòng)能增大，使氣體壓強(qiáng)進(jìn)一步加大，這樣氣體的壓強(qiáng)一旦超過(guò)輪胎的承受實(shí)力，輪胎便脹破。┃┃歸納總結(jié)__■1．產(chǎn)生緣由單個(gè)分子碰撞器壁的沖力是短暫的，但是大量分子頻繁地碰撞器壁，就對(duì)器壁產(chǎn)生持續(xù)、勻稱(chēng)的壓力。氣體的壓強(qiáng)等于大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力。2．確定氣體壓強(qiáng)大小的因素(1)微觀因素①氣體分子的密集程度：氣體分子密集程度(即單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目)大，在單位時(shí)間內(nèi)，與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)就多，氣體壓強(qiáng)就越大；②氣體分子的平均動(dòng)能：氣體的溫度高，氣體分子的平均動(dòng)能就大，每個(gè)氣體分子與器壁的碰撞(可視為彈性碰撞)給器壁的沖力就大；從另一方面講，分子的平均速率大，在單位時(shí)間內(nèi)器壁受氣體分子撞擊的次數(shù)就多，累計(jì)沖力就大，氣體壓強(qiáng)就越大。(2)宏觀因素①與溫度有關(guān)：溫度越高，氣體的壓強(qiáng)越大；②與體積有關(guān)：體積越小，氣體的壓強(qiáng)越大。(3)氣體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)不同大氣壓強(qiáng)由重力而產(chǎn)生，隨高度增大而減小。氣體壓強(qiáng)是由大量分子撞擊器壁產(chǎn)生的，大小不隨高度而變更。┃┃典例剖析__■典例2如圖所示，兩個(gè)完全相同的圓柱形密閉容器，(甲)中恰好裝滿(mǎn)水，(乙)中充溢空氣，則下列說(shuō)法中正確的是(容器容積恒定)(C)A．兩容器中器壁的壓強(qiáng)都是由于分子撞擊器壁而產(chǎn)生的B．兩容器中器壁的壓強(qiáng)都是由所裝物質(zhì)的重力而產(chǎn)生的C．(甲)容器中pA>pB，(乙)容器中pC＝pDD．當(dāng)溫度上升時(shí)，pA、pB變大，pC、pD也要變大解題指導(dǎo)：解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵是：(1)了解氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的緣由——大量做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子對(duì)器壁頻繁持續(xù)的碰撞產(chǎn)生的。壓強(qiáng)就是大量氣體分子在單位時(shí)間內(nèi)作用在器壁單位面積上的平均作用力。(2)明確氣體壓強(qiáng)的確定因素——?dú)怏w分子的密集程度與平均動(dòng)能。解析：逐項(xiàng)分析如下：選項(xiàng)診斷結(jié)論A對(duì)(甲)容器壓強(qiáng)產(chǎn)生的緣由是由于液體受到重力作用，而(乙)容器壓強(qiáng)產(chǎn)生的緣由是分子撞擊器壁產(chǎn)生的×B×C液體的壓強(qiáng)p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密閉容器中氣體壓強(qiáng)各處均相等，與位置無(wú)關(guān)，pC＝pD√D溫度上升時(shí)，pA、pB不變，而pC、pD增大×┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■2.(2024·福建省三明市A片區(qū)中學(xué)聯(lián)盟高三上學(xué)期期末)用豆粒模擬氣體分子，可以模擬氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原理。如圖所示，從距秤盤(pán)80cm高度把1000粒的豆粒連續(xù)勻稱(chēng)地倒在秤盤(pán)上，持續(xù)作用時(shí)間為1s，豆粒彈起時(shí)豎直方向的速度變?yōu)榕銮暗囊话?。若每個(gè)豆粒只與秤盤(pán)碰撞一次，且碰撞時(shí)間極短(在豆粒與秤盤(pán)碰撞極短時(shí)間內(nèi)，碰撞力遠(yuǎn)大于豆粒受到的重力)，已知1000粒的豆粒的總質(zhì)量為100g。則在碰撞過(guò)程中秤盤(pán)受到的壓力大小約為(B)A．0.2N B．0.6NC．1.0N D．1.6N解析：由題意知v1＝eq\r(2gh)＝4m/s，v2＝－2m/s依據(jù)動(dòng)量定理F·Δt＝Δp＝mΔv得F＝eq\f(Δp,Δt)＝0.6N，故選B。探究氣體試驗(yàn)定律的微觀說(shuō)明┃┃思索探討3__■肯定質(zhì)量的志向氣體有壓強(qiáng)p、體積V和溫度T三個(gè)狀態(tài)參量，如圖所示。從微觀的角度分析肯定質(zhì)量的志向氣體的壓強(qiáng)、體積和溫度，有沒(méi)有可能只有一個(gè)狀態(tài)參量發(fā)生變更？提示：沒(méi)有┃┃歸納總結(jié)__■1．玻意耳定律(1)宏觀表現(xiàn)：肯定質(zhì)量的氣體，在溫度保持不變時(shí)，體積減小，壓強(qiáng)增大，體積增大，壓強(qiáng)減小。(2)微觀說(shuō)明：溫度不變，分子的平均動(dòng)能不變。體積減小，分子越密集，單位時(shí)間內(nèi)撞到單位面積器壁上的分子數(shù)就越多，氣體的壓強(qiáng)就越大，如圖所示。2．查理定律(1)宏觀表現(xiàn)：肯定質(zhì)量的氣體，在體積保持不變時(shí)，溫度上升，壓強(qiáng)增大，溫度降低，壓強(qiáng)減小。(2)微觀說(shuō)明：體積不變，則分子密度不變，溫度上升，分子平均動(dòng)能增大，分子撞擊器壁的作用力變大，所以氣體的壓強(qiáng)增大，如圖所示。3．蓋·呂薩克定律(1)宏觀表現(xiàn)：肯定質(zhì)量的某種志向氣體，在壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度上升，體積增大，溫度降低，體積減小。(2)微觀說(shuō)明：溫度上升，分子平均動(dòng)能增大，撞擊器壁的作用力變大，而要使壓強(qiáng)不變，則需影響壓強(qiáng)的另一個(gè)因素分子密度減小，所以氣體的體積增大，如圖所示。┃┃典例剖析__■典例3(多選)對(duì)于肯定質(zhì)量的氣體，當(dāng)它們的壓強(qiáng)和體積發(fā)生變更時(shí)，以下說(shuō)法正確的是(AD)A．壓強(qiáng)和體積都增大時(shí)，其分子平均動(dòng)能不行能不變B．壓強(qiáng)和體積都增大時(shí)，其分子平均動(dòng)能有可能減小C．壓強(qiáng)增大，體積減小時(shí)，其分子平均動(dòng)能肯定不變D．壓強(qiáng)減小，體積增大時(shí)，其分子平均動(dòng)能可能增大解題指導(dǎo)：對(duì)于這類(lèi)定性推斷的問(wèn)題，可從兩個(gè)途徑進(jìn)行分析：一是從微觀角度分析；二是用志向氣體狀態(tài)方程分析。解析：質(zhì)量肯定的氣體，分子總數(shù)不變，體積增大，單位體積內(nèi)的分子數(shù)削減；體積減小，單位體積的分子數(shù)增加。依據(jù)氣體的壓強(qiáng)與單位體積內(nèi)的分子數(shù)和分子的平均動(dòng)能這兩個(gè)因素的關(guān)系，可判知A、D選項(xiàng)正確，B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■3.(多選)(2024·山東省淄川中學(xué)高二下學(xué)期段考)如圖所示是肯定質(zhì)量的志向氣體的p－V圖線，若其狀態(tài)為A→B→C→A，且A→B等容，B→C等壓，C→A等溫，則氣體在A、B、C三個(gè)狀態(tài)時(shí)(CD)A．單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù)nA＝nB＝nCB．氣體分子的平均速率vA＞vB＞vCC．氣體分子在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)器壁單位面積的平均作用力FA＞FB，F(xiàn)B＝FCD．氣體分子在單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)器壁單位面積碰撞的次數(shù)是NA＞NB，NA＞NC解析：由題圖可知B→C，氣體的體積增大，密度減小，A錯(cuò)；C→A為等溫變更，分子平均速率vA＝vC，B錯(cuò)；而氣體分子對(duì)器壁產(chǎn)生作用力，B→C為等壓過(guò)程，pB＝pC，F(xiàn)B＝FC，由題圖知，pA＞pB，則FA＞FB，C正確；A→B為等容降壓過(guò)程，密度不變，溫度降低，NA＞NB，C→A為等溫壓縮過(guò)程，溫度不變，密度增大，應(yīng)有NA＞NC，D正確。核心素養(yǎng)提升密閉容器中氣體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)的差別1．因密閉容器中的氣體密度一般很小，由氣體自身重力產(chǎn)生的壓強(qiáng)微小，可忽視不計(jì)，故氣體壓強(qiáng)由氣體分子碰撞器壁產(chǎn)生，大小由氣體的密度和溫度確定，與地球的引力無(wú)關(guān)，氣體對(duì)上下左右器壁的壓強(qiáng)都是大小相等的。2．大氣壓是由于空氣受到重力作用緊緊包圍地球而對(duì)浸在它里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)。假如沒(méi)有地球引力作用，地球表面就沒(méi)有大氣，從而也不會(huì)有大氣壓。地面大氣壓的值與地球表面積的乘積，近似等于地球大氣層所受的重力值。大氣壓強(qiáng)最終還是通過(guò)分子碰撞實(shí)現(xiàn)對(duì)放入其中的物體產(chǎn)生壓強(qiáng)。案例下面關(guān)于氣體壓強(qiáng)的說(shuō)法正確的是(D)A．氣體壓強(qiáng)是由于氣體受到重力而產(chǎn)生的B．失重狀況下氣體對(duì)器壁不會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)C．氣體對(duì)容器底的壓強(qiáng)比側(cè)壁壓強(qiáng)大 D．氣體的壓強(qiáng)是由于氣體分子不斷地碰撞器壁而產(chǎn)生的解析：氣體的壓強(qiáng)是由于氣體分子不斷對(duì)容器壁碰撞而產(chǎn)生的，而不是由于氣體本身的重力而產(chǎn)生的，所以A錯(cuò)誤，D正確；在失重狀況下氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到影響，對(duì)器壁的壓強(qiáng)不會(huì)變更，B錯(cuò)誤；氣體的密度很小，重力的影響可以忽視不計(jì)，所以氣體對(duì)器壁的壓強(qiáng)各處都是相等的，C錯(cuò)誤。課堂鞏固達(dá)標(biāo)1．(2024·陜西省運(yùn)城市風(fēng)陵渡中學(xué)高二段考)下面的表格是某地區(qū)1～7月份氣溫與氣壓的比照表：月份/月1234567平均最高氣溫/℃1.43.910.719.626.730.230.8平均大氣壓/105Pa1.0211.0191.0141.0081.0030.99840.99607月份與1月份相比較，正確的是(D)A．空氣分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的狀況幾乎不變B．空氣分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)減弱了C．單位時(shí)間內(nèi)空氣分子對(duì)地面的撞擊次數(shù)增多了D．單位時(shí)間內(nèi)空氣分子對(duì)單位面積地面撞擊次數(shù)削減了解析：由表中數(shù)據(jù)知，7月份與1月份相比，溫度上升，壓強(qiáng)減小，溫度上升使氣體分子