（江蘇專版）2018版高中物理 第八章 氣體 4 氣體熱現(xiàn)象的微觀意義學案 新人教版選修3-3

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1、 4　氣體熱現(xiàn)象的微觀意義 [學習目標] 1.理解氣體分子運動的特點及氣體分子運動速率的統(tǒng)計分布規(guī)律.2.能用氣體分子動理論解釋氣體壓強的微觀意義；知道氣體的壓強、溫度、體積與所對應的微觀物理量間的相關(guān)聯(lián)系.3.能用氣體分子動理論解釋三個氣體實驗定律． 一、氣體分子運動的特點和氣體溫度的微觀意義 [導學探究] 1．把4枚硬幣投擲10次并記錄正面朝上的個數(shù)．比較個人、小組、大組、全班的數(shù)據(jù)，你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律嗎？ 答案　隨著投擲次數(shù)的增多，2枚硬幣正面朝上的次數(shù)比例最多，約占總數(shù)的；1枚和3枚硬幣正面朝上的比例略少，分別約占總數(shù)的，全部朝上或全部朝下的次數(shù)最少，各約占總數(shù)的.說明

2、大量隨機事件的整體會表現(xiàn)出一定的規(guī)律性． 2．氣體分子間的作用力很小，若沒有分子力作用，氣體分子將處于怎樣的自由狀態(tài)？ 答案　無碰撞時氣體分子將做直線運動，但由于分子之間的頻繁碰撞，使得氣體分子的速度大小和方向頻繁改變，運動變得雜亂無章． 3．溫度不變時，每個分子的速率都相同嗎？溫度升高，所有分子運動速率都增大嗎？ 答案　分子在做無規(guī)則運動，造成其速率有大有小．溫度升高時，所有分子熱運動的平均速率增大，即大部分分子的速率增大了，但也有少數(shù)分子的速率減?。? [知識梳理] 1．統(tǒng)計規(guī)律 在一定條件下可能出現(xiàn)，也可能不出現(xiàn)的事件叫隨機事件；大量隨機事件整體表現(xiàn)出的規(guī)律叫統(tǒng)計規(guī)律． 2

3、．氣體分子運動的特點 (1)氣體分子之間的距離很大，大約是分子直徑的10倍左右，因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，氣體分子不受力的作用，在空間自由移動． (2)分子的運動雜亂無章，在某一時刻，向著任何一個方向運動的分子都有，而且向各個方向運動的氣體分子數(shù)目都相等． (3)每個氣體分子都在做永不停息的無規(guī)則運動． (4)大量氣體分子的速率分布呈“中間多、兩頭少”的規(guī)律． 3．氣體溫度的微觀意義 (1)溫度越高，分子的熱運動越激烈．當溫度升高時，“中間多”的這一“高峰”向速率大的方向移動，即速率大的分子數(shù)目增多，速率小的分子數(shù)目減少，分子的平均速率增大． (2)溫度是分子平均動能的標

4、志．理想氣體的熱力學溫度T與分子的平均動能k成正比，即T＝ak. 二、氣體壓強的微觀意義 [導學探究]　 把一顆豆粒拿到臺秤上方約10 cm的位置，放手后使它落在秤盤上，觀察秤的指針的擺動情況．如圖1所示，再從相同高度把100?；蚋嗟亩沽＿B續(xù)地倒在秤盤上，觀察指針的擺動情況．使這些豆粒從更高的位置落在秤盤上，觀察指針的擺動情況．用豆粒做氣體分子的模型，試說明氣體壓強產(chǎn)生的原理． 圖1 答案　說明氣體壓強的大小跟兩個因素有關(guān)：一個是氣體分子的平均動能，一個是分子的密集程度． [知識梳理] 1．氣體壓強的大小等于氣體作用在器壁單位面積上的壓力． 2．產(chǎn)生原因：大量氣體分子對器壁

5、的碰撞引起的． 3．決定因素：(1)微觀上決定于分子的平均動能和分子的密集程度，(2)宏觀上決定于氣體的溫度T和體積V. 三、對氣體實驗定律的微觀解釋 [導學探究]　(1)如何從微觀角度來解釋氣體實驗定律？ (2)自行車的輪胎沒氣后會變癟，用打氣筒向里打氣，打進去的氣越多，輪胎會越“硬”．你怎樣用分子動理論的觀點來解釋這種現(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)從決定氣體壓強的微觀因素上來解釋，即氣體分子的平均動能和氣體分子的密集程度． (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)氣體分子的密集程度不斷增大，溫度不變意味著氣體分子的平均動能沒有發(fā)生變化

6、，故氣體壓強不斷增大，輪胎會越來越“硬”． [知識梳理] 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，分子的平均動能不變．體積減小時，分子的密集程度增大(填“增大”或“減小”)，單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)就增多，氣體的壓強就增大(填“增大”或“減小”)． 2．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，分子的密集程度保持不變，溫度升高時，分子的平均動能增大(填“增大”或“減小”)，分子撞擊器壁的作用力變大，所以氣體的壓強增大(填“增大”或“減小”)． 3．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，分子的平均動能增大

7、(填“增大”或“減小”)，分子撞擊器壁的作用力變大，而要使壓強不變，則需使影響壓強的另一個因素分子的密集程度減小，所以氣體的體積增大(填“增大”或“減小”). 一、氣體分子運動的特點和氣體溫度的微觀意義 例1　在一定溫度下，某種理想氣體的分子速率分布應該是(　　) A．每個氣體分子速率都相等 B．每個氣體分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子數(shù)目很少 C．每個氣體分子速率一般都不相等，但在不同速率范圍內(nèi)，分子數(shù)目的分布是均勻的 D．每個氣體分子速率一般都不相等，速率很大和速率很小的分子數(shù)目很多 答案　B 解析　氣體分子做無規(guī)則運動，速率大小各不相同，但分子的速率遵循

8、一定的分布規(guī)律．氣體的大多數(shù)分子速率在某個數(shù)值附近，離這個數(shù)值越近，分子數(shù)目越多，離這個數(shù)值越遠，分子數(shù)目越少，總體表現(xiàn)出“中間多、兩頭少”的分布規(guī)律． 氣體分子的運動是雜亂無章、無規(guī)則的，研究單個的分子無實際意義，我們研究的是大量分子的統(tǒng)計規(guī)律． 例2　如圖2是氧氣分子在不同溫度(0 ℃和100 ℃)下的速率分布圖，由圖可得信息(　　) 圖2 A．同一溫度下，氧氣分子呈現(xiàn)出“中間多、兩頭少”的分布規(guī)律 B．隨著溫度的升高，每一個氧氣分子的速率都增大 C．隨著溫度的升高，氧氣分子中速率小的分子所占的比例高 D．隨著溫度的升高，氧氣分子的平均速率變大 答案　AD 解析　

9、溫度升高后，并不是每一個氧氣分子的速率都增大，而是氧氣分子的平均速率變大，并且速率小的分子所占的比例減小，則B、C錯誤，D正確；同一溫度下，氧氣分子呈現(xiàn)出“中間多、兩頭少”的分布規(guī)律，A正確． 二、氣體壓強的微觀意義 例3　下列說法正確的是(　　) A．氣體對器壁的壓強就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力 B．氣體對器壁的壓強就是大量氣體分子單位時間作用在器壁上的平均作用力 C．氣體分子熱運動的平均動能減小，氣體的壓強一定減小 D．單位體積的氣體分子數(shù)增加，氣體的壓強一定增大 答案　A 解析　氣體壓強為氣體分子對器壁單位面積的撞擊力，故A正確；平均作用力不是壓強，B

10、錯誤；氣體壓強的大小與氣體分子的平均動能和氣體分子密集程度有關(guān)，故C、D錯誤． 氣體壓強問題的解題思路 (1)明確氣體壓強產(chǎn)生的原因——大量做無規(guī)則運動的分子對器壁頻繁持續(xù)的碰撞.壓強就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力； (2)明確氣體壓強的決定因素——氣體分子的密集程度與平均動能； (3)只有知道了這兩個因素的變化，才能確定壓強的變化，任何單個因素的變化都不能決定壓強是否變化. 三、對氣體實驗定律的微觀解釋 例4　一定質(zhì)量的理想氣體，在壓強不變的條件下，溫度升高，體積增大，從分子動理論的觀點來分析，正確的是(　　) A．此過程中分子的平均速率不變，所以壓強保持

11、不變 B．此過程中每個氣體分子碰撞器壁的平均沖擊力不變，所以壓強保持不變 C．此過程中單位時間內(nèi)氣體分子對單位面積器壁的碰撞次數(shù)不變，所以壓強保持不變 D．以上說法都不對 答案　D 解析　壓強與單位時間內(nèi)碰撞到器壁單位面積的分子數(shù)和每個分子的沖擊力有關(guān)，溫度升高，分子與器壁的平均沖擊力增大，單位時間內(nèi)碰撞到器壁單位面積的分子數(shù)應減小，壓強才可能保持不變． 理解氣體實驗定律的微觀解釋關(guān)鍵在于理解壓強的微觀意義. 1．(氣體分子的運動特點)下列對氣體分子運動的描述正確的是(　　) A．氣體分子的運動是雜亂無章的沒有一定的規(guī)律 B．氣體分子間除相互碰撞外，幾乎無相互作用

12、C．大量氣體分子的運動符合統(tǒng)計規(guī)律 D．氣體之所以能充滿整個空間，是因為氣體分子間相互作用的引力和斥力十分微弱，氣體分子可以在空間自由運動 答案　BCD 解析　氣體分子間距離很大，相互作用的引力和斥力很弱，能自由運動；氣體分子的運動是雜亂無章的，但大量氣體分子的運動符合統(tǒng)計規(guī)律，故A錯，B、C、D正確． 2．(氣體分子速率的分布規(guī)律)如圖3所示，橫坐標v表示分子速率，縱坐標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(　　) 圖3 A．曲線① B．曲線② C．曲線③ D．曲線④ 答案　D 解析　根

13、據(jù)麥克斯韋氣體分子速率分布規(guī)律可知，某一速率范圍內(nèi)分子數(shù)量最大，速率過大或過小的數(shù)量較小，曲線向兩側(cè)逐漸減小，曲線④符合題意．選項D正確． 題組一　對氣體分子運動的特點和溫度的理解 1．關(guān)于氣體分子的運動情況，下列說法中正確的是(　　) A．某一時刻具有任意速率的分子數(shù)目是相等的 B．某一時刻一個分子速度的大小和方向是偶然的 C．某一溫度下，大多數(shù)氣體分子的速率不會發(fā)生變化 D．分子的速率分布毫無規(guī)律 答案　B 解析　具有某一速率的分子數(shù)目并不是相等的，呈“中間多、兩頭少”的統(tǒng)計規(guī)律分布，故A、D項錯誤．由于分子之間頻繁地碰撞，分子隨時都會改變自己的運動情況，因此在某一時刻

14、，一個分子速度的大小和方向完全是偶然的，故B項正確．某一溫度下，每個分子的速率仍然是隨時變化的，只是分子運動的平均速率不變，故C項錯誤．故正確答案為B. 2. 圖1是氧氣分子在不同溫度下的速率分布規(guī)律圖，橫坐標表示分子速率v，縱坐標表示速率v處單位速率區(qū)間內(nèi)的分子數(shù)百分率，圖線1、2對應的溫度分別為t1、t2，由圖可知(　　) 圖1 A．溫度t1低于溫度t2 B．圖線中的峰值對應的橫坐標數(shù)值為氧氣分子平均速率 C．溫度升高，每一個氧氣分子的速率都增大 D．溫度升高，氧氣分子中速率小于400 m/s的分子所占的比例減小 答案　AD 解析　溫度越高，分子熱運動越激烈，分子運動激

15、烈是指速率大的分子所占的比例大，根據(jù)題圖，圖線2中速率大的分子所占比例大，對應溫度高；圖線1中速率大的分子所占比例小，對應溫度低，故A正確．圖線中的峰值對應的是該速率的分子數(shù)百分率的最大值，不表示分子的平均速率，故B錯誤．溫度是分子平均動能的標志，是大量分子運動的統(tǒng)計規(guī)律，對個別的分子沒有意義，所以溫度升高，不是每一個氧氣分子的速率都增大，故C錯誤．溫度升高，分子的平均動能增大，平均速率增大，氧氣分子中速率小于400 m/s的分子所占的比例減小，故D正確． 題組二　氣體壓強和氣體實驗定律的微觀解釋 3．如圖2所示，兩個完全相同的圓柱形密閉容器，甲中恰好裝滿水，乙中充滿空氣，則下列說法中正確

16、的是(容器容積恒定)(　　) 圖2 A．兩容器中器壁的壓強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＝pD D．當溫度升高時，pA、pB變大，pC、pD也要變大 答案　C 解析　甲容器壓強產(chǎn)生的原因是水受到重力的作用，而乙容器壓強產(chǎn)生的原因是分子撞擊器壁，A、B錯；水的壓強p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密閉容器中氣體壓強各處均相等，與位置無關(guān)，pC＝pD，C對；溫度升高時，pA、pB不變，而pC、pD變大，D錯． 4．關(guān)于氣體的壓強，下列說法正確的是(　　) A．氣體的壓強是由氣體分子

17、間的斥力產(chǎn)生的 B．從微觀角度看，氣體壓強的大小跟氣體分子的平均動能和氣體分子的密集程度有關(guān) C．氣體的壓強在數(shù)值上等于大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力的大小 D．氣體分子的平均動能增大，氣體的壓強也增大 答案　BC 解析　氣體壓強是由于分子熱運動時氣體分子不斷撞擊容器壁形成持續(xù)壓力而形成的，與氣體分子間的斥力無關(guān)，故A錯誤．氣體分子的密集程度大，在單位時間內(nèi)，與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)就多；氣體的溫度高，氣體分子的平均動能大，氣體分子碰撞器壁的平均沖力就大，則氣體壓強的大小跟氣體分子的平均動能和氣體分子的密集程度有關(guān)，故B正確，D錯誤．由壓強的定義可知，氣體的壓強等于壓

18、力與面積的比值，即為大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力的大小，故C正確． 5．如圖3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變化到狀態(tài)B，則它的狀態(tài)變化過程是(　　) 圖3 A．氣體的溫度不變 B．氣體的內(nèi)能增加 C．氣體的分子平均速率減少 D．氣體分子在單位時間內(nèi)與器壁單位面積上碰撞的次數(shù)不變 答案　B 解析　從p－V圖象中的AB圖線看，氣體由狀態(tài)A變到狀態(tài)B為等容變化，根據(jù)查理定律，一定質(zhì)量的氣體，當體積不變時，壓強跟熱力學溫度成正比，所以壓強增大溫度升高，故A錯誤；一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅由溫度決定，氣體的溫度升高，內(nèi)能增加，故B正確；氣體的溫度

19、升高，分子平均速率增大，故C錯誤；氣體壓強增大，則氣體分子在單位時間內(nèi)與器壁單位面積上碰撞的次數(shù)增加，故D錯誤． 6．下列說法正確的是(　　) A．氣體的壓強等于器壁單位面積上所受氣體分子平均作用力的大小 B．當某一容器自由下落時，容器中氣體的壓強不會變?yōu)榱? C．氣體的溫度升高時，分子的熱運動變得劇烈，分子的平均動能增大，撞擊器壁時對器壁的作用力增大，從而氣體的壓強一定增大 D．氣體的體積變小時，單位體積的分子數(shù)增多，單位時間內(nèi)打到器壁單位面積上的分子數(shù)增多，從而氣體的壓強一定增大 答案　AB 解析　氣體的壓強是氣體分子對器壁的頻繁碰撞產(chǎn)生的，等于器壁單位面積上所受氣體分子平均作

20、用力的大小，A正確；當某一密閉容器自由下落時，氣體分子仍然在碰撞器壁，則氣體壓強不為零，B正確；氣體的溫度升高時，分子的熱運動變得劇烈，分子的平均動能增大，撞擊器壁時對器壁的作用力增大，但是氣體的壓強不一定增大，還與氣體分子的密集程度有關(guān)，C錯誤；氣體的體積變小時，單位體積的分子數(shù)增多，單位時間內(nèi)打到器壁單位面積上的分子數(shù)增多，氣體的壓強不一定增大，還與分子的平均動能有關(guān)，D錯誤． 7．x、y兩容器中裝有相同質(zhì)量的氦氣，已知x容器中氦氣的溫度高于y容器中氦氣的溫度，但壓強卻低于y容器中氦氣的壓強．由此可知(　　) A．x中氦氣分子的平均動能一定大于y中氦氣分子的平均動能 B．x中每個氦氣

21、分子的動能一定都大于y中每個氦氣分子的動能 C．x中動能大的氦氣分子數(shù)一定多于y中動能大的氦氣分子數(shù) D．x中氦氣分子的熱運動一定比y中氦氣分子的熱運動劇烈 答案　ACD 解析　分子的平均動能取決于溫度，溫度越高，分子的平均動能越大，但對于任一個氦氣分子來說并不一定成立，故A項正確，B項錯誤；分子的動能也應遵從統(tǒng)計規(guī)律，即“中間多、兩頭少”，溫度較高時動能大的分子數(shù)一定多于溫度較低時動能大的分子數(shù)，C項正確；溫度越高，分子的無規(guī)則熱運動越劇烈，D項正確． 題組三　綜合應用 8．封閉在汽缸內(nèi)一定質(zhì)量的氣體，如果保持氣體體積不變，當溫度升高時，以下說法正確的是(　　) A．氣體的密度

22、增大 B．氣體的壓強增大 C．氣體分子的平均動能減小 D．每秒撞擊單位面積器壁的氣體分子數(shù)增多 答案　BD 解析　由理想氣體狀態(tài)方程＝C(常量)可知，當體積不變時，＝常量，T升高，壓強增大，B對．由于質(zhì)量不變，體積不變，分子密度不變，而溫度升高，分子的平均動能增大，所以單位時間內(nèi)，氣體分子對容器單位面積器壁碰撞次數(shù)增多，D對，A、C錯． 9．對于一定質(zhì)量的理想氣體，下列說法中正確的是(　　) A．氣體的體積是所有氣體分子的體積之和 B．氣體溫度越高，氣體分子的熱運動就越劇烈 C．氣體對器壁的壓強是由大量氣體分子對器壁不斷碰撞而產(chǎn)生的 D．當氣體膨脹時，氣體分子之間的勢能減小

23、，因而氣體的內(nèi)能減小 答案　BC 解析　氣體分子間有較大空隙，氣體分子的體積之和遠小于氣體的體積，所以選項A錯誤．氣體溫度越高，分子平均動能越大，分子熱運動越劇烈，則選項B正確．由壓強的定義可知：單位面積上的壓力叫壓強，器壁內(nèi)側(cè)受到的壓力就是氣體分子對器壁不斷碰撞而產(chǎn)生的，所以選項C正確．當氣體膨脹時，氣體的溫度如何變化無法確定，故內(nèi)能如何變化也無法確定，所以選項D錯誤． 10．圖4中的實線表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化的p－T圖象，變化過程如圖中箭頭所示，則下列說法中正確的是(　　) 圖4 A．a(chǎn)b過程中氣體內(nèi)能增加，密度不變 B．bc過程中氣體內(nèi)能增加，密度也增大 C．c

24、d過程中，氣體分子的平均動能不變 D．da過程中，氣體內(nèi)能增加，密度不變 答案　AC 11．若一定質(zhì)量的理想氣體分別按下圖所示的三種不同過程變化，其中表示等壓變化的是________(填“A”“B”或“C”)，該過程中氣體的內(nèi)能________(填“增加”“減少”或“不變”)． 答案　C　增加 解析　由理想氣體狀態(tài)方程＝C，得V＝T，在V－T圖象中等壓線是一條過原點的直線，故C正確．C中1→2過程，理想氣體溫度升高，平均動能增大，內(nèi)能增加． 12．一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其中A→B過程為等壓變化，B→C過程為等容變化．已知VA＝0.3 m3，TA＝TC＝300 K，TB＝400 K. (1)求氣體在狀態(tài)B時的體積； (2)說明B→C過程壓強變化的微觀原因． 答案　(1)0.4 m3　(2)見解析 解析　(1)A→B過程，由蓋—呂薩克定律， ＝　VB＝VA＝×0.3 m3＝0.4 m3 (2)B→C過程，氣體體積不變，分子數(shù)密度不變，溫度降低，分子平均動能減小，平均每個分子對器壁的沖擊力減小，壓強減?。? 10