人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 第2課時(shí) 理想氣體、氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第2課時(shí)理想氣體、氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.了解理想氣體的模型，并知道實(shí)際氣體看成理想氣體的條件.2.掌握理想氣體狀態(tài)方程的內(nèi)容和表達(dá)式，并能應(yīng)用方程解決實(shí)際問(wèn)題.3.能用氣體分子動(dòng)理論解釋三個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)定律．一、理想氣體1．理想氣體：在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體．2．理想氣體與實(shí)際氣體實(shí)際氣體在溫度不低于零下幾十?dāng)z氏度、壓強(qiáng)不超過(guò)大氣壓的幾倍時(shí)，可以當(dāng)成理想氣體來(lái)處理．二、理想氣體的狀態(tài)方程1．內(nèi)容：一定質(zhì)量的某種理想氣體，在從一個(gè)狀態(tài)(p1、V1、T1)變化到另一個(gè)狀態(tài)(p2、V2、T2)時(shí)，壓強(qiáng)p跟體積V的乘積與熱力學(xué)溫度T的比值保持不變．2．表達(dá)式：eq\f(pV,T)＝C.3．成立條件：一定質(zhì)量的理想氣體．三、氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋1．玻意耳定律的微觀解釋一定質(zhì)量的某種理想氣體，溫度保持不變時(shí)，分子的平均動(dòng)能是一定的．體積減小時(shí)，分子的數(shù)密度增大(填“增大”或“減小”)，單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上碰撞器壁的分子數(shù)就多，氣體的壓強(qiáng)就增大(填“增大”或“減小”)．2．蓋－呂薩克定律的微觀解釋一定質(zhì)量的某種理想氣體，溫度升高時(shí)，分子的平均動(dòng)能增大(填“增大”或“減小”)，只有氣體的體積同時(shí)增大，使分子的數(shù)密度減小，才能保持壓強(qiáng)不變(填“增大”“減小”或“不變”)．3．查理定律的微觀解釋一定質(zhì)量的某種理想氣體，體積保持不變時(shí)，分子的數(shù)密度保持不變，溫度升高時(shí)，分子的平均動(dòng)能增大(填“增大”或“減小”)，氣體的壓強(qiáng)增大(填“增大”或“減小”)．1．判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)理想氣體在超低溫和超高壓時(shí)，氣體的實(shí)驗(yàn)定律不適用了．(×)(2)對(duì)于不同的理想氣體，其狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C中的常量C相同．(×)(3)一定質(zhì)量的理想氣體，溫度和體積均增大到原來(lái)的2倍時(shí)，壓強(qiáng)增大到原來(lái)的4倍．(×)(4)一定質(zhì)量的某種理想氣體，若p不變，V增大，則T增大，是由于分子數(shù)密度減小，要使壓強(qiáng)不變，需使分子的平均動(dòng)能增大．(√)2．一定質(zhì)量的某種理想氣體的壓強(qiáng)為p，溫度為27℃時(shí)，氣體的密度為ρ，當(dāng)氣體的壓強(qiáng)增為2p，溫度升為327℃時(shí)，氣體的密度是________．〖答案〗ρ一、理想氣體導(dǎo)學(xué)探究氣體實(shí)驗(yàn)定律對(duì)任何氣體都適用嗎？為什么要引入理想氣體的概念？〖答案〗由于氣體實(shí)驗(yàn)定律只在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低的條件下理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，為了使氣體在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律，引入了理想氣體的概念．知識(shí)深化1．理想氣體嚴(yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律及理想氣體狀態(tài)方程．2．理想氣體分子本身的大小與分子間的距離相比可忽略不計(jì)，分子不占空間，可視為質(zhì)點(diǎn)．它是對(duì)實(shí)際氣體的一種科學(xué)抽象，是一種理想模型，實(shí)際并不存在．3．理想氣體分子除碰撞外，無(wú)相互作用的引力和斥力．4．理想氣體分子無(wú)分子勢(shì)能的變化，內(nèi)能等于所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能之和，只和溫度有關(guān)．(多選)下列對(duì)理想氣體的理解，正確的有()A．理想氣體實(shí)際上并不存在，只是一種理想模型B．只要?dú)怏w壓強(qiáng)不是很高就可視為理想氣體C．一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能與溫度、體積都有關(guān)D．在任何溫度、任何壓強(qiáng)下，理想氣體都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律〖答案〗AD〖解析〗理想氣體是一種理想模型，溫度不太低、壓強(qiáng)不太大的實(shí)際氣體可視為理想氣體；理想氣體在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律，選項(xiàng)A、D正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．一定質(zhì)量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與體積無(wú)關(guān)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．二、理想氣體的狀態(tài)方程導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，一定質(zhì)量的某種理想氣體從狀態(tài)A到B經(jīng)歷了一個(gè)等溫過(guò)程，又從狀態(tài)B到C經(jīng)歷了一個(gè)等容過(guò)程，請(qǐng)推導(dǎo)狀態(tài)A的三個(gè)參量pA、VA、TA和狀態(tài)C的三個(gè)參量pC、VC、TC之間的關(guān)系．圖1〖答案〗從A→B為等溫變化過(guò)程，根據(jù)玻意耳定律可得pAVA＝pBVB①?gòu)腂→C為等容變化過(guò)程，根據(jù)查理定律可得eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)②由題意可知：TA＝TB③VB＝VC④聯(lián)立①②③④式可得eq\f(pAVA,TA)＝eq\f(pCVC,TC).知識(shí)深化1．對(duì)理想氣體狀態(tài)方程的理解(1)成立條件：一定質(zhì)量的理想氣體．(2)該方程表示的是氣體三個(gè)狀態(tài)參量的關(guān)系，與中間的變化過(guò)程無(wú)關(guān)．(3)公式中常量C僅由氣體的種類(lèi)和質(zhì)量決定，與狀態(tài)參量(p、V、T)無(wú)關(guān)．(4)方程中各量的單位：溫度T必須是熱力學(xué)溫度，公式兩邊中壓強(qiáng)p和體積V單位必須統(tǒng)一，但不一定是國(guó)際單位制中的單位．2．理想氣體狀態(tài)方程與氣體實(shí)驗(yàn)定律eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)?eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(T1＝T2時(shí)，p1V1＝p2V2玻意耳定律,V1＝V2時(shí)，\f(p1,T1)＝\f(p2,T2)查理定律,p1＝p2時(shí)，\f(V1,T1)＝\f(V2,T2)蓋－呂薩克定律))關(guān)于氣體的狀態(tài)變化，下列說(shuō)法正確的是()A．一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)壓強(qiáng)不變而溫度由100℃上升到200℃時(shí)，其體積增大為原來(lái)的2倍B．任何氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)，一定滿(mǎn)足方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)C．一定質(zhì)量的理想氣體體積增大到原來(lái)的4倍，則氣體可能壓強(qiáng)減半，熱力學(xué)溫度加倍D．一定質(zhì)量的理想氣體壓強(qiáng)增大到原來(lái)的4倍，則氣體可能體積加倍，熱力學(xué)溫度減半〖答案〗C〖解析〗一定質(zhì)量的理想氣體壓強(qiáng)不變，體積與熱力學(xué)溫度成正比，溫度由100℃上升到200℃時(shí)，體積增大為原來(lái)的1.27倍，故A錯(cuò)誤；理想氣體狀態(tài)方程成立的條件為氣體可看作理想氣體且質(zhì)量不變，故B錯(cuò)誤；由理想氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C可知，C正確，D錯(cuò)誤．如圖2所示為上端開(kāi)口的“凸”形玻璃管，管內(nèi)有一部分水銀柱密封一定量的理想氣體，細(xì)管足夠長(zhǎng)，粗、細(xì)管的橫截面積分別為S1＝4cm2、S2＝2cm2，密封的氣體柱長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝20cm，水銀柱長(zhǎng)度h1＝h2＝5cm，封閉氣體初始溫度為67℃，大氣壓強(qiáng)p0＝75cmHg.圖2(1)求封閉氣體初始狀態(tài)的壓強(qiáng)．(2)若緩慢升高氣體溫度，升高至多少K方可將所有水銀全部壓入細(xì)管內(nèi)？〖答案〗(1)85cmHg(2)450K〖解析〗(1)封閉氣體初始狀態(tài)的壓強(qiáng)p＝p0＋ρg(h1＋h2)＝85cmHg(2)封閉氣體初始狀態(tài)的體積為V＝LS1＝80cm3溫度T＝(67＋273)K＝340K水銀剛?cè)繅喝爰?xì)管時(shí)水銀柱高度為15cm，此時(shí)封閉氣體壓強(qiáng)p1＝p0＋15cmHg＝90cmHg體積為V1＝(L＋h1)S1＝100cm3由理想氣體狀態(tài)方程得eq\f(pV,T)＝eq\f(p1V1,T1)解得T1＝450K.應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程解題的一般步驟1．明確研究對(duì)象，即一定質(zhì)量的理想氣體；2．確定氣體在初、末狀態(tài)的參量p1、V1、T1及p2、V2、T2；3．由理想氣體狀態(tài)方程列式求解；4．必要時(shí)討論結(jié)果的合理性．三、氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋導(dǎo)學(xué)探究(1)氣體實(shí)驗(yàn)定律中溫度、體積、壓強(qiáng)在微觀上分別與什么相關(guān)？(2)自行車(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”．怎樣從微觀角度來(lái)解釋這種現(xiàn)象？(假設(shè)輪胎的容積和氣體的溫度不發(fā)生變化)〖答案〗(1)在微觀上，氣體的溫度決定氣體分子的平均動(dòng)能，體積決定分子的數(shù)密度，而分子的平均動(dòng)能和分子數(shù)密度決定氣體的壓強(qiáng)．(2)輪胎的容積不發(fā)生變化，隨著氣體不斷地打入，輪胎內(nèi)氣體分子的數(shù)密度不斷增大，溫度不變意味著氣體分子的平均動(dòng)能沒(méi)有發(fā)生變化，單位時(shí)間內(nèi)單位面積上碰撞次數(shù)增多，故氣體壓強(qiáng)不斷增大，輪胎會(huì)越來(lái)越“硬”．知識(shí)深化1．玻意耳定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質(zhì)量的某種理想氣體，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?。?2)微觀解釋?zhuān)簻囟炔蛔?，分子的平均?dòng)能不變．體積越小，分子的數(shù)密度增大，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3.圖32．查理定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質(zhì)量的某種理想氣體，在體積保持不變時(shí)，溫度升高，壓強(qiáng)增大；溫度降低，壓強(qiáng)減?。?2)微觀解釋?zhuān)后w積不變，則分子數(shù)密度不變，溫度升高，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4.圖43．蓋－呂薩克定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質(zhì)量的某種理想氣體，在壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度升高，體積增大，溫度降低，體積減?。?2)微觀解釋?zhuān)簻囟壬撸肿悠骄鶆?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，即分子的數(shù)密度減小，所以氣體的體積增大，如圖5.圖5如圖6所示，一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A沿平行于縱軸的直線(xiàn)變化到狀態(tài)B，則它的狀態(tài)變化過(guò)程是()圖6A．氣體的平均動(dòng)能不變B．氣體的內(nèi)能增加C．氣體分子的數(shù)密度減小D．氣體分子在單位時(shí)間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的次數(shù)不變〖答案〗B〖解析〗從p－V圖像中的AB圖線(xiàn)看，氣體由狀態(tài)A到狀態(tài)B為等容升壓變化，根據(jù)查理定律，一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)體積不變時(shí)，壓強(qiáng)跟熱力學(xué)溫度成正比，由A到B是壓強(qiáng)增大，溫度升高，分子平均動(dòng)能增加，故A錯(cuò)誤；理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，氣體的溫度升高，內(nèi)能增加，故B正確；氣體體積不變，氣體分子的數(shù)密度不變，溫度升高，氣體分子平均速率增大，則氣體分子在單位時(shí)間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的次數(shù)增加，故C、D錯(cuò)誤．對(duì)氣體實(shí)驗(yàn)定律的解釋?zhuān)⒁鈴膬蓚€(gè)途徑進(jìn)行分析：一是從微觀角度分析，二是從理想氣體狀態(tài)方程分析.1．(理想氣體)(多選)關(guān)于理想氣體的認(rèn)識(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．它是一種能夠在任何條件下都能?chē)?yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體B．它是一種從實(shí)際氣體中忽略次要因素，簡(jiǎn)化抽象出來(lái)的理想模型C．在溫度不太高、壓強(qiáng)不太小的情況下，氣體可視為理想氣體D．被壓縮的氣體，不能視為理想氣體〖答案〗AB2．(氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋)(多選)關(guān)于一定質(zhì)量的理想氣體，下列說(shuō)法正確的是()A．體積不變，壓強(qiáng)增大時(shí)，氣體分子的平均動(dòng)能一定增大B．溫度不變，壓強(qiáng)減小時(shí)，氣體分子的數(shù)密度一定減小C．壓強(qiáng)不變，溫度降低時(shí)，氣體分子的數(shù)密度一定減小D．溫度升高，壓強(qiáng)和體積可能都不變〖答案〗AB〖解析〗體積不變，分子的數(shù)密度就保持不變，壓強(qiáng)增大，說(shuō)明分子的平均撞擊力變大了，即分子的平均動(dòng)能增大了，A正確．溫度不變，分子平均動(dòng)能不變，壓強(qiáng)減小，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)撞擊器壁的分子數(shù)在減小，表明氣體分子的數(shù)密度減小了，B正確．溫度降低，分子平均動(dòng)能減小，分子撞擊器壁的作用力減小，要保持壓強(qiáng)不變，則要增大單位時(shí)間內(nèi)撞擊器壁的分子數(shù)，即氣體分子的數(shù)密度要增大，C錯(cuò)誤．溫度升高，壓強(qiáng)、體積中至少有一個(gè)發(fā)生改變，D錯(cuò)誤．3．(理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B、C變?yōu)闋顟B(tài)D，其有關(guān)數(shù)據(jù)如圖7甲所示，若狀態(tài)D的壓強(qiáng)是2×104Pa.圖7(1)求狀態(tài)A的壓強(qiáng)；(2)請(qǐng)?jiān)谝覉D中畫(huà)出該狀態(tài)變化過(guò)程的p－T