2022年高考物理二輪專題復(fù)習(xí) 熱學(xué)教案

《2022年高考物理二輪專題復(fù)習(xí) 熱學(xué)教案》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2022年高考物理二輪專題復(fù)習(xí) 熱學(xué)教案（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022年高考物理二輪專題復(fù)習(xí) 熱學(xué)教案 熱學(xué)研究熱現(xiàn)象的規(guī)律。描述熱現(xiàn)象的一個基本概念是溫度。凡是跟溫度有關(guān)的現(xiàn)象都叫做熱現(xiàn)象。 一、分子動理論 分子動理論是從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的觀點來研究熱現(xiàn)象的理論。它的基本內(nèi)容是：物體是由大量分子組成的；分子永不停息地做無規(guī)則運動；分子間存在著相互作用力。 1．物體是由大量分子組成的 這里的分子是指構(gòu)成物質(zhì)的單元，可以是分子，也可以是原子、離子。在熱運動中它們遵從相同的規(guī)律，所以統(tǒng)稱為分子。 ⑴建立理想化模型：把分子看作小球，求出的數(shù)據(jù)只在數(shù)量級上是有意義的。分子直徑大小的數(shù)量級為10-10m。 ⑵固體、液體被理想化地認為其分子是一個挨一個緊密

2、排列的，每個分子的體積就是每個分子平均占有的空間。分子體積=物體體積÷分子個數(shù)。 ⑶氣體分子仍視為小球，但分子間距離較大，不能看作一個挨一個緊密排列，所以氣體分子的體積遠小于每個分子平均占有的空間。每個氣體分子平均占有的空間可看作以相鄰分子間距離為邊長的正立方體。 ⑷阿伏加德羅常數(shù)NA=6.02×1023mol-1，是聯(lián)系微觀世界和宏觀世界的橋梁。它把物質(zhì)的摩爾質(zhì)量、摩爾體積這些宏觀物理量和分子質(zhì)量、分子體積這些微觀物理量聯(lián)系起來了。 例2．利用阿伏加德羅常數(shù)，估算在標準狀態(tài)下相鄰氣體分子間的平均距離D。 解：在標準狀態(tài)下， 1mol任何氣體的體積都是V=22.4L，除以阿伏加德羅常數(shù)

3、就得每個氣體分子平均占有的空間，該空間的大小是相鄰氣體分子間平均距離D的立方。 ，這個數(shù)值大約是分子直徑的10倍。因此水氣化后的體積大約是液體體積的1000倍。 2．分子的熱運動 組成物體的分子永不停息地做無規(guī)則運動，這種運動跟溫度有關(guān)，所以把分子的這種運動叫做熱運動。 ⑴擴散現(xiàn)象和布朗運動都可以很好地證明分子的熱運動。 ⑵布朗運動是指懸浮在液體中的固體微粒的無規(guī)則運動。關(guān)于布朗運動，要注意以下幾點：①形成條件：只要微粒足夠小；②溫度越高，布朗運動越激烈；③觀察到的是固體微粒（不是液體，不是固體分子）的無規(guī)則運動，反映的是液體分子運動的無規(guī)則性；④實驗中描繪出的是某固體微粒每隔30s

4、的位置的連線，不是該微粒的運動軌跡。 3．分子間的相互作用力 F斥 F引 F合 r r0 O F ⑴分子力有如下幾個特點：①分子間同時存在引力和斥力；②引力和斥力都隨著距離的增大而減??；③斥力比引力變化得快。 根據(jù)以上特點，畫F-r圖象。先從橫坐標r=r0開始（r0是處于平衡狀態(tài)時相鄰分子間的距離），分別畫斥力（設(shè)為正）和引力（設(shè)為負）；然后向右移，對應(yīng)的斥力比引力減小得快；向左移，對應(yīng)的斥力比引力增大得快，畫出斥力、引力隨r而變的圖線，最后再畫出合力（即分子間作用力）隨r而變的圖線。 ⑵分子間作用力（指引力和斥力的合力）隨分子間距離而變的規(guī)律是：①r

5、②r=r0時分子力為零；③r>r0時表現(xiàn)為引力；④r>10r0以后，分子力變得十分微弱，可以忽略不計。記住這些規(guī)律對理解分子勢能有很大的幫助。 ⑶從本質(zhì)上來說，分子力是電場力的表現(xiàn)。因為分子是由原子組成的，原子內(nèi)有帶正電的原子核和帶負電的電子，分子間復(fù)雜的作用力就是由這些帶電粒子間的相互作用而引起的。 例3．下面關(guān)于分子力的說法中正確的是 A．鐵絲很難被拉長，這一事實說明鐵絲分子間只存在引力不存在斥力 B．水很難被壓縮，這一事實說明水分子間存在斥力 C．將打氣管的出口端封住，向下壓活塞，當空氣被壓縮到一定程度后很難再壓縮，這一事實說明這時空氣分子間表現(xiàn)為斥力 D．磁鐵可以吸引鐵屑，

6、這一事實說明分子間存在引力 解：鐵絲分子、水分子間始終同時存在引力和斥力，A不正確，B正確。無論怎樣壓縮，氣體分子間距離一定大于r0，所以氣體分子間一定表現(xiàn)為引力。空氣壓縮到一定程度很難再壓縮不是因為分子斥力的作用，而是氣體分子頻繁撞擊活塞產(chǎn)生壓強的結(jié)果，應(yīng)該用壓強增大解釋，所以C不正確。磁鐵吸引鐵屑是磁場力的作用，不是分子力的作用，所以D也不正確。 4．物體的內(nèi)能 ⑴做熱運動的分子具有的動能叫分子動能。溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志。溫度越高，分子做熱運動的平均動能越大。 ⑵由分子間相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子力做正功時分子勢能減小；分子力作負功時分子勢能增大。（所有勢能

7、都有同樣結(jié)論：重力做正功重力勢能減小、電場力做正功電勢能減小。） r E r0 O 由上面的分子力曲線可以得出：當r=r0即分子處于平衡位置時分子勢能最小。不論r從r0開始增大還是減小，分子勢能都將增大。如果以分子間距離為無窮遠時的分子勢能為零，則分子勢能隨分子間距離而變的圖象如右。可見分子勢能與物體的體積有關(guān)。體積變化，分子勢能也變化（但不能說體積越大分子勢能越大，也不能說體積越大分子勢能越?。?。 ⑶物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內(nèi)能。 物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積都有關(guān)系：溫度升高時物體內(nèi)能增加；體積變化時，物體內(nèi)能變化。 例4．下列說法中正確的

8、是 A．物體自由下落時速度增大，所以物體內(nèi)能也增大 B．物體的機械能為零時內(nèi)能也為零 C．物體的體積減小溫度不變時，物體內(nèi)能一定減小 D．氣體體積增大時氣體分子勢能一定增大 解：物體的機械能和內(nèi)能是兩個完全不同的概念。物體的動能由物體的宏觀速率決定，而物體內(nèi)分子的動能由分子熱運動的速率決定。分子動能不可能為零（溫度不可能達到絕對零度），而物體的動能可能為零。所以A、B不正確。物體體積減小時，分子間距離減小，但分子勢能不一定減小，例如將處于原長的彈簧壓縮，分子勢能將增大，所以C也不正確。由于氣體分子間距離一定大于r0，體積增大時分子間距離增大，分子力做負功，分子勢能增大，所以D正確。

9、 例5．分子動理論較好地解釋了物質(zhì)的宏觀熱學(xué)性質(zhì)。據(jù)此可判斷下列說法中錯誤的是 A．顯微鏡下觀察到墨水中的小碳粒在不停的作無規(guī)則運動，這反映了液體分子運動的無規(guī)則性 B．分子間的相互作用力隨著分子間距離的增大，一定先減小后增大 C．分子勢能隨著分子間距離的增大，可能先減小后增大 D．在真空、高溫條件下，可以利用分子擴散向半導(dǎo)體材料摻入其它元素 解：A正確；當分子間距離為r0時，分子間的相互作用力為零，而分子勢能最小。B錯誤，C正確；D正確。選B。 5．熱力學(xué)第一定律 做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能。也就是說，做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。但從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點看又

10、是有區(qū)別的：做功是其他能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，功是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度；而熱傳遞是內(nèi)能間的轉(zhuǎn)移，熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度。 外界對物體所做的功W加物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加ΔU，即ΔU=Q+W，這在物理學(xué)中叫做熱力學(xué)第一定律。 在這個表達式中，當外界對物體做功時W取正，物體克服外力做功時W取負；當物體從外界吸熱時Q取正，物體向外界放熱時Q取負；ΔU為正表示物體內(nèi)能增加，ΔU為負表示物體內(nèi)能減小。 例6．下列說法中正確的是 A．物體吸熱后溫度一定升高 B．物體溫度升高一定是因為吸收了熱量 C．0℃的冰化為0℃的水的過程中內(nèi)能不變 D．100℃的水變?yōu)?00℃的水汽的過程中內(nèi)能增大

11、 解：吸熱后物體溫度不一定升高，例如冰融化為水或水沸騰時都需要吸熱，而溫度不變，這種情況下，吸熱后物體內(nèi)能的增加表現(xiàn)為分子勢能的增加，所以A不正確。做功也可以使物體溫度升高，例如用力多次來回彎曲鐵絲，彎曲點鐵絲的溫度會明顯升高，這是做功增加了物體的內(nèi)能，使溫度上升，所以B不正確。冰化為水時要吸熱，雖然水分子的動能不未變，但分子勢能增加了，因此內(nèi)能增加，所以C不正確。水沸騰時要吸熱，雖然水分子的動能未變，但分子勢能增加了，所以內(nèi)能增大，D正確。 6．能量守恒定律 能量守恒定律指出：能量即不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的

12、過程中其總量不變。 能量守恒定律是自然界普遍適用的規(guī)律之一，是研究自然科學(xué)的強有力的武器之一。 例7．“奮進號”航天飛機進行過一次太空飛行，其主要任務(wù)是給國際空間站安裝太陽能電池板。該太陽能電池板長L=73m，寬d=12m，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率為η=20%，已知太陽的輻射總功率為P0=3.83×1026W，地日距離為R0=1.5×1011m，國際空間站離地面的高度為h=370km，它繞地球做勻速圓周運動約有一半時間在地球的陰影內(nèi)，所以在它能發(fā)電的時間內(nèi)將把所發(fā)電的一部分儲存在蓄電池內(nèi)。由以上數(shù)據(jù)，估算這個太陽能電池板能對國際空間站提供的平均功率是多少？ 解：由于國際空間站離地面的高

13、度僅為地球半徑的約二十分之一，可認為是近地衛(wèi)星，h遠小于R0，因此它離太陽的距離可認為基本不變，就是地日距離R0。太陽的輻射功率應(yīng)視為均勻分布在以太陽為圓心，地日距離為半徑的球面上，由此可以算出每平方米接收到的太陽能功率I0=P0/4πR02=1.35kW/m2（該數(shù)據(jù)被稱為太陽常數(shù)）。再由電池板的面積和轉(zhuǎn)化率，可求出其發(fā)電時的電功率為P=I0Ldη=2.6×105W，由于每天只有一半時間可以發(fā)電，所以能對國際空間站提供的平均功率只是發(fā)電時電功率的一半，即130kW。 7．熱力學(xué)第二定律 ⑴熱傳導(dǎo)的方向性。熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發(fā)地進行（熱量會自發(fā)地從高溫物體傳

14、給低溫物體），但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行。 ⑵第二類永動機不可能制成。我們把沒有冷凝器，只有單一熱源，從單一熱源吸收熱量全部用來做功，而不引起其它變化的熱機稱為第二類永動機。這表明機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性：機械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能。 ⑶熱力學(xué)第二定律。表述：①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化（按熱傳導(dǎo)的方向性表述）。②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化（按機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述）。③第二類永動機是不可能制成的。 熱力學(xué)第二定律使人們認識到：自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。它

15、揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性，是獨立于熱力學(xué)第一定律的一個重要的自然規(guī)律。 ⑷能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例證明，我們無法把流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。它從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀現(xiàn)象具有方向性。 例8．下列說法中正確的是 A．熱量不可能由低溫物體傳遞到高溫物體 B．熱量不可能由內(nèi)能少的物體傳遞到內(nèi)能多的物體 C．自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性 D．第二類永動機違背了能量守恒定律因此不可能制成 解：只能說“熱量不可能自發(fā)地由低溫物體傳遞到高溫物體”，A錯

16、誤；熱傳遞的方向是由高溫物體傳遞給低溫物體，與物體內(nèi)能的多少沒有必然聯(lián)系，B錯誤；第二類永動機并沒有違背能量守恒定律，而是違背了熱力學(xué)第二定律，因此不可能制成，D錯誤；只有C是正確的。 二、氣體的體積、壓強、溫度間的關(guān)系 1．氣體的狀態(tài)參量 ⑴溫度。溫度在宏觀上表示物體的冷熱程度；在微觀上是分子平均動能的標志。 熱力學(xué)溫度是國際單位制中的基本量之一，符號T，單位K（開爾文）；攝氏溫度是導(dǎo)出單位，符號t，單位℃（攝氏度）。關(guān)系是t=T-T0，其中T0=273.15K，攝氏度不再采用過去的定義。 兩種溫度間的關(guān)系可以表示為：T = t+273.15K和ΔT =Δt，即兩種單位制下每一度表

17、示的溫度變化是相同的。 0K是低溫的極限，它表示所有分子都停止了熱運動。可以無限接近，但永遠不能達到。 ⑵體積。氣體總是充滿它所在的容器，所以氣體的體積總是等于盛裝氣體的容器的容積。 ⑶壓強。氣體的壓強是由于氣體分子頻繁碰撞器壁而產(chǎn)生的。（絕不能用氣體分子間的斥力解釋?。? 一般情況下不考慮氣體本身的重量，所以同一容器內(nèi)氣體的壓強處處相等。但大氣壓在宏觀上可以看成是大氣受地球吸引而產(chǎn)生的重力而引起的。（在估算地球大氣的總重量時可以用標準大氣壓乘以地球表面積。） 壓強的國際單位是帕，符號Pa，常用的單位還有標準大氣壓（atm）和毫米汞柱(mmHg)。它們間的關(guān)系是：1atm=1.013×

18、105Pa=760 mmHg；1mmHg=133.3Pa。 2．氣體的體積、壓強、溫度間的關(guān)系 ⑴一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，體積減小時，壓強增大，體積增大時，壓強減小。 ⑵一定質(zhì)量的氣體，在壓強不變的情況下，溫度升高，體積增大，溫度降低，體積減小。 ⑶一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，溫度升高，壓強增大，溫度降低，壓強減小。 以上關(guān)系可歸納為克拉帕龍方程：pV=nRT（n為物質(zhì)的量）或（C為常數(shù)）。這個關(guān)系式經(jīng)常和ΔU=Q+W結(jié)合使用，判定一定質(zhì)量氣體的某個狀態(tài)變化過程是否可能發(fā)生。 3．氣體壓強的計算 氣體壓強的確定要根據(jù)氣體所處的外部條件，往往需要利用跟氣體接觸的

19、液柱或活塞等物體的受力情況和運動情況計算。 h1 h3 h2 a b 例9．豎直平面內(nèi)有右圖所示的均勻玻璃管，內(nèi)用兩段水銀柱封閉兩段空氣柱a、b，各段水銀柱高度如圖所示。大氣壓為p0，求空氣柱a、b的壓強各多大？ 解：從開口端開始計算：右端為大氣壓p0，同種液體同一水平面上的壓強相同，所以b氣柱的壓強為pb= p0+ρg（h2-h1），而a氣柱的壓強為pa= pb-ρgh3= p0+ρg（h2-h1-h3）。 求液柱封閉的氣體壓強的方法是：從開口端算起（一般為大氣壓），在豎直方向上，沿著液柱，向下加ρgh，向上減ρgh即可（h為高度差）。 A B 例10．右圖中兩個氣缸的

20、質(zhì)量均為M，內(nèi)部橫截面積均為S，兩個活塞的質(zhì)量均為m，左邊的氣缸靜止在水平面上，右邊的活塞和氣缸豎直懸掛在天花板下。兩個氣缸內(nèi)分別封閉有一定質(zhì)量的空氣A、B，大氣壓為p0，求封閉氣體A、B的壓強各多大？ 解：求氣體壓強要以跟氣體接觸的物體為對象進行受力分析，在本題中，可取的研究對象有活塞和氣缸。兩種情況下活塞和氣缸的受力情況的復(fù)雜程度是不同的：第一種情況下，活塞受重力、大氣壓力和封閉氣體壓力三個力作用，而且只有氣體壓力是未知的；氣缸受重力、大氣壓力、封閉氣體壓力和地面支持力四個力，地面支持力和氣體壓力都是未知的，要求地面壓力還得以整體為對象才能得出。因此應(yīng)選活塞為對象求pA。同理第二

21、種情況下應(yīng)以氣缸為對象求pB。得出的結(jié)論是： 4．熱力學(xué)第一定律在氣體中的應(yīng)用 對一定質(zhì)量的理想氣體（除碰撞外忽略分子間的相互作用力，因此沒有分子勢能），熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W中：⑴ΔU僅由溫度決定，升溫時為正，降溫時為負；⑵W僅由體積決定，壓縮時為正，膨脹時為負；⑶Q由ΔU和W共同決定；⑷在絕熱情況下Q=0，因此有ΔU= W（氣體的容器“絕熱”，或容器雖然導(dǎo)熱，但狀態(tài)變化“迅速”，來不及交換熱量，都屬于絕熱） 例13．鋼瓶內(nèi)裝有高壓氧氣（看作理想氣體）。打開閥門氧氣迅速從瓶口噴出，當內(nèi)外氣壓相等時立即關(guān)閉閥門。過一段時間后再打開閥門，會不會再有氧氣逸出？ 解：第一次打開閥門氧氣“

22、迅速”噴出，是絕熱過程Q=0，同時氧氣體積膨脹對外做功W<0，由熱力學(xué)第一定律，ΔU<0，即關(guān)閉閥門時瓶內(nèi)氧氣溫度必然低于外界溫度，而壓強等于外界大氣壓；鋼瓶是導(dǎo)熱的，“過一段時間”經(jīng)過熱交換，鋼瓶內(nèi)氧氣的溫度又和外界溫度相同了，由于體積未變，所以瓶內(nèi)氧氣壓強將增大，即大于大氣壓，因此再次打開閥門，將會有氧氣逸出。 例14．如圖所示，絕熱氣缸中央用固定栓將可無摩擦移動的導(dǎo)熱隔板固定，隔板質(zhì)量不計，左右兩室分別充有一定量的氫氣和氧氣（視為理想氣體）。初始時，兩室氣體的溫度相等，氫氣的壓強大于氧氣的壓強，松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡。下列說法中正確的是 氧氣 氫氣 A．初始時氫分

23、子的平均動能大于氧分子的平均動能 B．系統(tǒng)重新達到平衡時，氫氣的內(nèi)能比初始時的小 C．松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中有熱量從氧氣傳遞到氫氣 D．松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中，氧氣的內(nèi)能始終增大 解：溫度是分子平均動能的標志，初始兩室溫度相同，分子平均動能也相同，A錯；以兩氣體整體為對象，由于氣缸絕熱，系統(tǒng)不吸熱不放熱，外界對氣體，氣體對外界又都不做功，由熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)內(nèi)能保持不變；由于隔板導(dǎo)熱，因此末狀態(tài)兩氣體溫度相同，而且都等于初始溫度，因此系統(tǒng)重新達到平衡時氧氣、氫氣的內(nèi)能都和初始時相同，B錯；初狀態(tài)VO=VH，TO=TH，pO

24、p′O=p′H，T′O=T′H，因此必有V′O0，因此Q<0，即放熱，只有C正確。 O V p A B C 例15．一定質(zhì)量理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)過A→B→C→A的循環(huán)過程的p-V圖象如圖所示（A→B為等溫線）。試分析其中那些階段氣體是吸熱的，那些階段氣體是放熱的？整個過程氣體是吸熱還是放熱？ ΔU W Q A→B 0 － + B→C + 0 + C→A － + － 全過程 0 + － 解：首先可以判定C狀態(tài)下氣體溫度較高。根據(jù)

25、熱力學(xué)第一定律分階段列表進行分析如下：各階段都應(yīng)先根據(jù)溫度和體積的變化確定ΔU和W的正負，再根據(jù)ΔU=Q+W確定Q的正負。全過程始末溫度相同，所以內(nèi)能相同。由圖知：W=FS=pΔV（氣體做功等于p-V曲線下到橫軸間的面積），因此A→B階段氣體對外界做功少，C→A階段外界對氣體做功多，B→C階段氣體體積不變W=0，因此全過程外界對氣體作正功，氣體必然放熱。結(jié)論是A→B、B→C氣體吸熱；C→A和全過程氣體放熱。 5．氣體分子動理論 ⑴氣體分子運動的特點是：①氣體分子間的距離大約是分子直徑的10倍，分子間的作用力十分微弱。通常認為，氣體分子除了相互碰撞或碰撞器壁外，不受力的作用。②每個氣體分子的

26、運動是雜亂無章的，但對大量分子的整體來說，分子的運動是有規(guī)律的。研究的方法是統(tǒng)計方法。氣體分子的速率分布規(guī)律遵從統(tǒng)計規(guī)律。在一定溫度下，某種氣體的分子速率分布是確定的，可以求出該溫度下該種氣體分子的平均速率。 ⑵用分子動理論解釋氣體壓強的產(chǎn)生（氣體壓強的微觀意義）。氣體的壓強是大量分子頻繁碰撞器壁產(chǎn)生的。壓強的大小跟兩個因素有關(guān)：①氣體分子的平均動能，②分子的密集程度。 設(shè)氣體分子與器壁的碰撞是彈性的，每個氣體分子的動量大小為p0，每次碰撞氣體分子的動量變化是Δp=2p0。設(shè)氣體的壓強為p，以時間t內(nèi)撞擊容器某一面積為S的器壁的所有氣體分子（個數(shù)為N）為研究對象，用動量定理pS?t=N?Δp得，因此也可以說，壓強由單位時間、單位面積撞擊器壁的氣體分子個數(shù)和氣體分子的平均動能決定。