2019-2020年高中物理選修（3-3）《飽和汽與飽和汽壓》word教案.doc

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2019-2020年高中物理選修（3-3）《飽和汽與飽和汽壓》word教案 目標(biāo)導(dǎo)航 1．知道汽化及汽化的兩種方式和其特點(diǎn)。 2．理解飽和汽與飽和汽壓，能從分子動(dòng)理論的角度解釋有關(guān)現(xiàn)象。 3．理解空氣的絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。 4．了解濕度計(jì)的原理。 誘思導(dǎo)學(xué) 1．汽化：物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程叫做汽化。 汽化有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰。其比較如下表： 2．飽和汽與飽和汽壓 （1）飽和汽：與液體處于動(dòng)態(tài)平衡的蒸汽叫做飽和汽。沒有達(dá)到飽和狀態(tài)的蒸汽叫做未飽和汽。 （2）飽和汽壓：在一定溫度下，飽和汽的壓強(qiáng)一定，叫做飽和汽壓。未飽和汽的壓強(qiáng)小于飽和汽壓。 友情提示： A:飽和汽壓只是指空氣中這種液體蒸汽的分氣壓，與其他氣體的壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。 B:飽和汽壓與溫度和物質(zhì)種類有關(guān)。 3．空氣的濕度 （1）空氣的絕對(duì)濕度：用空氣中所含水蒸氣的壓強(qiáng)來(lái)表示的濕度叫做空氣的絕對(duì)濕度。 （2）空氣的相對(duì)濕度：空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)（P1）與同一溫度時(shí)水的飽和汽壓(PS)的比值叫做空氣的相對(duì)濕度。即空氣的相對(duì)濕度(B)為： B=(P1/PS)100% 友情提示：空氣的濕度是表示空氣潮濕程度的物理量，但影響蒸發(fā)快慢以及影響人們對(duì)干爽與潮濕感受的因素，不是空氣中水蒸氣的絕對(duì)數(shù)量，而是空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)與同一溫度下水的飽和汽壓的差距。所以與絕對(duì)濕度相比，相對(duì)濕度能更有效的描述空氣的潮濕程度。 4．濕度計(jì) 過(guò)去常用的濕度計(jì)有干濕泡濕度計(jì)和毛發(fā)濕度計(jì)，現(xiàn)代濕度計(jì)多使用傳感器測(cè)量濕度。 課后問(wèn)題與練習(xí)點(diǎn)擊 1．解析：因?yàn)樘鞖獬睗?，空氣中水蒸氣的密度大，水蒸氣接近飽和，蒸發(fā)變慢，所以衣服不容易晾干。 2．解析：液面上部的蒸汽達(dá)到飽和時(shí)，仍然有液體分子從液面飛出，但此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)從液面飛出的液體分子和從蒸汽中回到液體的分子個(gè)數(shù)相同，所以從宏觀上說(shuō)，蒸汽的密度不再增加，蒸發(fā)停止。 3．解析：在飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從液面飛出的液體分子和從蒸汽中回到液體的分子個(gè)數(shù)相同，但溫度降低時(shí)，液體的分子平均動(dòng)能減小，單位時(shí)間內(nèi)從液面飛出的液體分子數(shù)少于從蒸汽中回到液體的分子個(gè)數(shù)，所以蒸汽的分子密度減小，壓強(qiáng)減小，直至達(dá)到新的平衡。 4．解析：霧珠是在玻璃的內(nèi)表面上，因?yàn)槭覂?nèi)空氣的溫度高，但室外的溫度低，所以玻璃的內(nèi)表面處的空氣的溫度較低，若溫度降低使水蒸氣達(dá)到飽和，便會(huì)在玻璃上凝結(jié)成霧珠。 5．解析：查表可知25℃時(shí)水蒸氣的飽和汽壓為PS=3.2103Pa 所以由相對(duì)濕度的公式得B=(P1/PS)100%=100%=93.8% 即空氣的相對(duì)濕度為93.8% 6．解析：查表可知30℃和20℃時(shí)水蒸氣的飽和汽壓分別為p1=4.2103Pa ， p2=2.3103Pa 所以空氣的絕對(duì)濕度為 p= p160%=4.210360%=2.5103Pa 因?yàn)镻大于P2 ,所以空氣中的水蒸氣不會(huì)成為飽和汽。 多維鏈接 1． 不燙手的“開水” “開水”常常與“燙手”聯(lián)系在一起，這是由于在通常情況下開水的溫度高達(dá)100℃，遠(yuǎn)比皮膚的溫度高。但是，當(dāng)你在高山上燒水時(shí)，明明看到水沸騰了，卻不一定燙手。在海拔3km的高原，水的沸點(diǎn)為91℃；在海拔6km的山上，水的沸點(diǎn)為80℃；而在海拔8848m的珠穆朗瑪峰，水的沸點(diǎn)只有72℃。在幾萬(wàn)米的高空，水的沸點(diǎn)居然會(huì)低到11～18℃，那里“開水”的溫度，比地面上冷水的溫度還要低。因此，在高山會(huì)出現(xiàn)許多怪現(xiàn)象：“開水”不燙手、雞蛋煮不熟、“開水”不消毒。 　　探究思考：（1）水的沸點(diǎn)隨高度的升高而降低，請(qǐng)你針對(duì)這一變化情況，提出一種猜想。 （2）按你的猜想推理，在比地面低得多的礦井底部，水的沸點(diǎn)將會(huì)怎樣變化？ （3）想一想，生活中什么餐具利用了這一道理。 ２．“飲水小鴨” 有一種中國(guó)的兒童玩具，誰(shuí)見了都覺得奇怪。它的名字叫“飲水小鴨”。把這小鴨放在一杯水前面，小鴨就會(huì)俯下身去把嘴浸到杯里，“喝”完一口水，又直立起來(lái)?？墒侵绷⒁粫?huì)兒，又會(huì)慢慢俯下身去，等到鴨嘴夠到了水，“喝”了一口，又會(huì)直立起來(lái)。這種玩具是“不花錢”的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)典型。它的活動(dòng)的機(jī)構(gòu)是很巧妙的，請(qǐng)看圖9.3-1和圖9.3-2，小鴨的“身體”是一根玻璃管，管的上端是一個(gè)小球，做成鴨頭的樣子，連著扁嘴。管的下端連一個(gè)較大的玻璃球，也是密封的。球里面裝有液體，玻璃管下端浸沒在液面下。 要使小鴨能夠活動(dòng)，必須用水打濕鴨頭。鴨頭打濕以后，有一段時(shí)間小鴨還能保持直立的姿勢(shì)，因?yàn)橄露说牟Ａ蚝屠锩娴囊后w比鴨頭重。現(xiàn)在看它會(huì)發(fā)生什么變化？我們看到液體開始沿著玻璃管上升（圖9.3-2）。當(dāng)液面升到玻璃管上口的時(shí)候，上部就變得比下部重，于是小鴨就嘴向前把身子俯到杯子上。當(dāng)小鴨的身子俯到水平位置的時(shí)候，下端玻璃管的開口就會(huì)露出液面來(lái)，玻璃管里的液體也就流回下端的大玻璃球。于是小鴨的“尾部”又變得比頭部重，使小鴨恢復(fù)直立的位置?，F(xiàn)在我們明白了這個(gè)問(wèn)題的力學(xué)方面的原理：液體的升降改變了重力的分布情況，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是改變了重心?？墒鞘挂后w上升的，又是什么力呢？ 小鴨內(nèi)部的液體是醚。醚在室溫里很容易蒸發(fā)，而醚的飽和蒸汽所產(chǎn)生的壓力又會(huì)隨溫度的改變而劇烈改變。在小鴨直立著的時(shí)候，可以看出有兩個(gè)獨(dú)立的醚蒸汽區(qū)域：一個(gè)在頭部，一個(gè)在尾部。鴨子的頭部有一種奇妙的性能：只要用水把它打濕，那里的溫度就會(huì)變得比周圍溫度稍微低一些。要做到這一點(diǎn)也不困難，只要把鴨頭的表面用善于吸水又容易讓水分蒸發(fā)的多孔材料來(lái)做就行了。水分急劇蒸發(fā)的時(shí)候，鴨頭上的溫度會(huì)變得比下面玻璃管和大玻璃球里的溫度低。這又轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)會(huì)使頭部那個(gè)小玻璃球里的飽和蒸汽冷凝，壓力也就隨著降低。于是下部那個(gè)大玻璃球里的比較大的壓力就會(huì)擠壓液體，使它順著玻璃管上升。重心位置移動(dòng)了，小鴨就慢慢俯下身子一直到水平的位置。在這個(gè)位置里，有兩個(gè)過(guò)程各自獨(dú)立地進(jìn)行著。第一，小鴨的嘴浸了一下水，這樣就又把自己頭上的棉套子打濕。第二，上下兩部分的飽和蒸汽混合了，壓力也變得一樣了（由于吸收了周圍空氣的熱量，蒸汽的溫度略有上升），同時(shí)玻璃管里的液體，也在本身的重力作用下流入下端的大玻璃球。于是小鴨又直立了起來(lái)。 這個(gè)玩具會(huì)不斷地自動(dòng)活動(dòng)下去，只要讓它頭上的棉套子繼續(xù)被打濕，而周圍空氣的濕度又不太大，能夠保證正常的蒸發(fā)，也就是保證頭部的溫度能夠相對(duì)地降低。這樣看來(lái)，小鴨頭部的水不斷蒸發(fā)所吸取的周圍空氣的熱量，就是使這種奇妙的小鴨能夠活動(dòng)的原動(dòng)力。這種小鴨是“不花錢”的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)極其明顯的例子，但它并不是什么“永動(dòng)機(jī)”。 思考探究 1、飲水小鴨中的液體為什么要用醚呢？這里用了醚的什么性質(zhì)？ 2、看了上面的講解，你明白飲水小鴨的原理了嗎？你難道不想自己做一個(gè)飲水小鴨嗎？ 3．太空中古怪的沸騰 液體沸騰是地球上司空見慣的現(xiàn)象，但它卻是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過(guò)程。當(dāng)裝有液體的容器被加熱后，由于重力的影響，液體中比較熱的部分上升，而比較冷的部分則下降──這就是“對(duì)流”。浮力使氣泡急速上升，因此產(chǎn)生劇烈的“沸騰”。那么太空中的沸騰又是怎樣的呢？ 　　實(shí)際上，物理學(xué)家一直被地球上沸騰液體的復(fù)雜行為所困惑。而弄清沸騰的機(jī)理對(duì)工程技術(shù)人員是很重要的，這不僅僅關(guān)系到咖啡壺，更關(guān)系到宇宙飛船中的動(dòng)力和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 一個(gè)由密歇根大學(xué)和美國(guó)國(guó)家航空航天局的研究人員組成的科學(xué)家小組決定弄清這些問(wèn)題。從1992到l996年，在航天飛機(jī)所進(jìn)行的5次飛行使命中，他們使用液體氟里昂進(jìn)行了一系列的沸騰實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了液體在地球與太空軌道上沸騰時(shí)所發(fā)生的一些令人迷惑的不同之處。例如在太空中，液體在無(wú)重力條件下沸騰時(shí)不是生成了上萬(wàn)的升騰的小氣泡，而是產(chǎn)生一個(gè)在液體中起伏的巨大的氣泡，且不斷奪下其他的小氣泡。多虧了美國(guó)航空航天局對(duì)這一過(guò)程的錄像，現(xiàn)在我們?cè)诘厍蛏暇涂梢杂^察到液體這種令人迷惑的古怪的沸騰行為了。如圖9.3-3所示： 弗朗西斯基亞拉蒙特博士說(shuō)：“想想看，在這些實(shí)驗(yàn)以前，世界上有誰(shuí)看到過(guò)太空中的沸騰呢？這真是不可思議！”基亞拉蒙特是美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)液體沸騰實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，他說(shuō)這一系列太空沸騰實(shí)驗(yàn)已被研究人員視為“經(jīng)典”了。 這些錄像的確十分有趣，但是科學(xué)家研究沸騰問(wèn)題的熱情絕不僅僅是出于簡(jiǎn)單的好奇。因?yàn)橐坏┝私饬艘后w在太空中是怎樣沸騰的，科學(xué)家就可以制造出更有效的太空 圖9.3-3 艙制冷系統(tǒng)，例如國(guó)際太空站上使用的就是利用氨在液態(tài)和氣態(tài)間轉(zhuǎn)化的空調(diào)系統(tǒng)。太空中的沸騰知識(shí)也將在某一天被用來(lái)制造太空站上的發(fā)電站，它用太陽(yáng)光使液體沸騰產(chǎn)生蒸汽，然后通過(guò)推動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生電力，這樣的研究同樣也將在地球上得到應(yīng)用。因?yàn)槭е丨h(huán)境給科學(xué)家打開了一個(gè)觀察沸騰現(xiàn)象的嶄新窗口，他們可以借此更好地理解沸騰這個(gè)基本的物理現(xiàn)象。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 “沸騰現(xiàn)象是如此復(fù)雜，以至于我們對(duì)它的大部分理解是基于經(jīng)驗(yàn)，而不是建立在基本的物理方程之上的。”基亞拉蒙特說(shuō)，“可是，在失重的太空軌道上，沸騰遠(yuǎn)比在地球上簡(jiǎn)單。失重環(huán)境使對(duì)流和浮力的影響消失，這個(gè)差異可以解釋為什么地球上的沸騰液體的行為與太空中如此不同。它為想解決棘手物理問(wèn)題的科學(xué)家提供了有力的工具。比如說(shuō)，如果你試圖研究地球這樣一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，你就需要先研究一個(gè)變量少一些的比地球簡(jiǎn)單的對(duì)象。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，太空就可以將研究的問(wèn)題簡(jiǎn)化?！? 當(dāng)液體在太空中被加熱時(shí)，由于沒有重力的作用，液體中比較熱的部分不再上升，而是緊靠著加熱器的表面停留并被繼續(xù)變熱，而遠(yuǎn)離加熱器的區(qū)域則相對(duì)較冷。因?yàn)橹挥幸恍〔糠忠后w被加熱，因此它會(huì)更快地沸騰。但是，由蒸汽形成的氣泡不會(huì)沖出液面，而是結(jié)合成一個(gè)在液體內(nèi)部晃動(dòng)的巨大的氣泡。雖然這些現(xiàn)象用現(xiàn)有的理論就可以預(yù)測(cè)，但要想真正了解整個(gè)過(guò)程的細(xì)節(jié)，并尋找未預(yù)測(cè)到的現(xiàn)象，則需要進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。 　　實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人赫爾曼默特被人們視為微重力沸騰實(shí)驗(yàn)之父，正是他發(fā)明了記錄在錄像帶上的實(shí)驗(yàn)。他說(shuō)：“我們對(duì)許多問(wèn)題還沒有很好地理解?！蹦睾推渌茖W(xué)家曾利用“下降塔”進(jìn)行無(wú)重力沸騰的早期研究，即通過(guò)讓高塔上的樣品自由下落來(lái)實(shí)現(xiàn)幾秒鐘的零重力條件。這些早期實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)在航天飛機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供了指南，但這匆忙的一瞥實(shí)在不能與在航天飛機(jī)上長(zhǎng)達(dá)幾分鐘的觀察相比。 　　這些早期研究的一項(xiàng)重要成果就是制造實(shí)驗(yàn)用的沸騰室的方法，它使科學(xué)家可以看清加熱器的表面以及在那里與加熱器接觸的液體。默特解釋說(shuō)：“這種相互作用就發(fā)生在加熱器的固體與液體的接觸面上，因?yàn)橐后w表面折射的影響，從下面是無(wú)法看清楚的?！彼阅赜檬⒅谱髁艘粋€(gè)底面平滑、堅(jiān)硬透明的沸騰室，然后又給石英覆蓋上一層厚度不到400埃的極薄的金層。這樣它既能夠讓可見光自由穿過(guò)，又能像一大塊金子一樣導(dǎo)電。 　　默特與合作者使用這種裝置得到了一些非常有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不同，那個(gè)巨大的氣泡有時(shí)漂浮在液體的中心，有時(shí)則附著在與加熱器相鄰的表面。當(dāng)出現(xiàn)后一種情況時(shí)，氣泡將有效地將液體與加熱器隔離起來(lái)，使液體不再進(jìn)一步沸騰并導(dǎo)致加熱器的溫度急速升高。而確切地了解發(fā)生這種情形的條件，對(duì)設(shè)計(jì)太空艙系統(tǒng)中依靠沸騰工作的裝置是至關(guān)重要的。默特說(shuō)：“如果比較好地理解了這個(gè)現(xiàn)象，我們就能做出最佳的設(shè)計(jì)。假如還有一些不確定的因素，那就應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計(jì)出更好的實(shí)驗(yàn)去弄清楚它。” 今天，科學(xué)家們還在繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以了解更多的知識(shí)。隨著科學(xué)家對(duì)液體沸騰現(xiàn)象更深入的了解，工程師將會(huì)對(duì)制冷和動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以便更好地服務(wù)于人類，這不只包括在太空中工作的人，而且也包括生活在地球上的人。 思考探究：對(duì)常見現(xiàn)象的研究可以使我們獲得很多的知識(shí)，而這些知識(shí)有可能應(yīng)用在尖端科技領(lǐng)域中。那就請(qǐng)同學(xué)們保持你的好奇心吧，好好想想周圍的一些哪怕司空見慣的現(xiàn)象，有可能你會(huì)改變?nèi)祟惖纳睿? 4．課本P51“說(shuō)一說(shuō)” 提示：向外抽氣后，瓶中的氣壓降低，水的沸點(diǎn)降低，當(dāng)氣壓降低到使得沸點(diǎn)達(dá)到80℃，水就會(huì)沸騰。 5．課本P52“說(shuō)一說(shuō)” 提示：由圖可知在100℃時(shí)，水的飽和汽壓等于一個(gè)大氣壓，所以水的沸點(diǎn)就是水的飽和汽壓等于外界壓強(qiáng)時(shí)的溫度。