人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：3 第2課時 理想氣體、氣體實驗定律的微觀解釋

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第2課時理想氣體、氣體實驗定律的微觀解釋〖學習目標〗1.了解理想氣體的模型，并知道實際氣體看成理想氣體的條件.2.掌握理想氣體狀態(tài)方程的內容和表達式，并能應用方程解決實際問題.3.能用氣體分子動理論解釋三個氣體實驗定律．一、理想氣體1．理想氣體：在任何溫度、任何壓強下都遵從氣體實驗定律的氣體．2．理想氣體與實際氣體實際氣體在溫度不低于零下幾十攝氏度、壓強不超過大氣壓的幾倍時，可以當成理想氣體來處理．二、理想氣體的狀態(tài)方程1．內容：一定質量的某種理想氣體，在從一個狀態(tài)(p1、V1、T1)變化到另一個狀態(tài)(p2、V2、T2)時，壓強p跟體積V的乘積與熱力學溫度T的比值保持不變．2．表達式：eq\f(pV,T)＝C.3．成立條件：一定質量的理想氣體．三、氣體實驗定律的微觀解釋1．玻意耳定律的微觀解釋一定質量的某種理想氣體，溫度保持不變時，分子的平均動能是一定的．體積減小時，分子的數(shù)密度增大(填“增大”或“減小”)，單位時間內、單位面積上碰撞器壁的分子數(shù)就多，氣體的壓強就增大(填“增大”或“減小”)．2．蓋－呂薩克定律的微觀解釋一定質量的某種理想氣體，溫度升高時，分子的平均動能增大(填“增大”或“減小”)，只有氣體的體積同時增大，使分子的數(shù)密度減小，才能保持壓強不變(填“增大”“減小”或“不變”)．3．查理定律的微觀解釋一定質量的某種理想氣體，體積保持不變時，分子的數(shù)密度保持不變，溫度升高時，分子的平均動能增大(填“增大”或“減小”)，氣體的壓強增大(填“增大”或“減小”)．1．判斷下列說法的正誤．(1)理想氣體在超低溫和超高壓時，氣體的實驗定律不適用了．(×)(2)對于不同的理想氣體，其狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C中的常量C相同．(×)(3)一定質量的理想氣體，溫度和體積均增大到原來的2倍時，壓強增大到原來的4倍．(×)(4)一定質量的某種理想氣體，若p不變，V增大，則T增大，是由于分子數(shù)密度減小，要使壓強不變，需使分子的平均動能增大．(√)2．一定質量的某種理想氣體的壓強為p，溫度為27℃時，氣體的密度為ρ，當氣體的壓強增為2p，溫度升為327℃時，氣體的密度是________．〖答案〗ρ一、理想氣體導學探究氣體實驗定律對任何氣體都適用嗎？為什么要引入理想氣體的概念？〖答案〗由于氣體實驗定律只在壓強不太大、溫度不太低的條件下理論結果與實驗結果一致，為了使氣體在任何溫度、任何壓強下都遵從氣體實驗定律，引入了理想氣體的概念．知識深化1．理想氣體嚴格遵守氣體實驗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，分子不占空間，可視為質點．它是對實際氣體的一種科學抽象，是一種理想模型，實際并不存在．3．理想氣體分子除碰撞外，無相互作用的引力和斥力．4．理想氣體分子無分子勢能的變化，內能等于所有分子熱運動的動能之和，只和溫度有關．(多選)下列對理想氣體的理解，正確的有()A．理想氣體實際上并不存在，只是一種理想模型B．只要氣體壓強不是很高就可視為理想氣體C．一定質量的某種理想氣體的內能與溫度、體積都有關D．在任何溫度、任何壓強下，理想氣體都遵從氣體實驗定律〖答案〗AD〖解析〗理想氣體是一種理想模型，溫度不太低、壓強不太大的實際氣體可視為理想氣體；理想氣體在任何溫度、任何壓強下都遵從氣體實驗定律，選項A、D正確，選項B錯誤．一定質量的某種理想氣體的內能只與溫度有關，與體積無關，選項C錯誤．二、理想氣體的狀態(tài)方程導學探究如圖1所示，一定質量的某種理想氣體從狀態(tài)A到B經(jīng)歷了一個等溫過程，又從狀態(tài)B到C經(jīng)歷了一個等容過程，請推導狀態(tài)A的三個參量pA、VA、TA和狀態(tài)C的三個參量pC、VC、TC之間的關系．圖1〖答案〗從A→B為等溫變化過程，根據(jù)玻意耳定律可得pAVA＝pBVB①從B→C為等容變化過程，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).知識深化1．對理想氣體狀態(tài)方程的理解(1)成立條件：一定質量的理想氣體．(2)該方程表示的是氣體三個狀態(tài)參量的關系，與中間的變化過程無關．(3)公式中常量C僅由氣體的種類和質量決定，與狀態(tài)參量(p、V、T)無關．(4)方程中各量的單位：溫度T必須是熱力學溫度，公式兩邊中壓強p和體積V單位必須統(tǒng)一，但不一定是國際單位制中的單位．2．理想氣體狀態(tài)方程與氣體實驗定律eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)?eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(T1＝T2時，p1V1＝p2V2玻意耳定律,V1＝V2時，\f(p1,T1)＝\f(p2,T2)查理定律,p1＝p2時，\f(V1,T1)＝\f(V2,T2)蓋－呂薩克定律))關于氣體的狀態(tài)變化，下列說法正確的是()A．一定質量的理想氣體，當壓強不變而溫度由100℃上升到200℃時，其體積增大為原來的2倍B．任何氣體由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時，一定滿足方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)C．一定質量的理想氣體體積增大到原來的4倍，則氣體可能壓強減半，熱力學溫度加倍D．一定質量的理想氣體壓強增大到原來的4倍，則氣體可能體積加倍，熱力學溫度減半〖答案〗C〖解析〗一定質量的理想氣體壓強不變，體積與熱力學溫度成正比，溫度由100℃上升到200℃時，體積增大為原來的1.27倍，故A錯誤；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量不變，故B錯誤；由理想氣體狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C可知，C正確，D錯誤．如圖2所示為上端開口的“凸”形玻璃管，管內有一部分水銀柱密封一定量的理想氣體，細管足夠長，粗、細管的橫截面積分別為S1＝4cm2、S2＝2cm2，密封的氣體柱長度為L＝20cm，水銀柱長度h1＝h2＝5cm，封閉氣體初始溫度為67℃，大氣壓強p0＝75cmHg.圖2(1)求封閉氣體初始狀態(tài)的壓強．(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管內？〖答案〗(1)85cmHg(2)450K〖解析〗(1)封閉氣體初始狀態(tài)的壓強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水銀剛全部壓入細管時水銀柱高度為15cm，此時封閉氣體壓強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.應用理想氣體狀態(tài)方程解題的一般步驟1．明確研究對象，即一定質量的理想氣體；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．必要時討論結果的合理性．三、氣體實驗定律的微觀解釋導學探究(1)氣體實驗定律中溫度、體積、壓強在微觀上分別與什么相關？(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”．怎樣從微觀角度來解釋這種現(xiàn)象？(假設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能，體積決定分子的數(shù)密度，而分子的平均動能和分子數(shù)密度決定氣體的壓強．(2)輪胎的容積不發(fā)生變化，隨著氣體不斷地打入，輪胎內氣體分子的數(shù)密度不斷增大，溫度不變意味著氣體分子的平均動能沒有發(fā)生變化，單位時間內單位面積上碰撞次數(shù)增多，故氣體壓強不斷增大，輪胎會越來越“硬”．知識深化1．玻意耳定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質量的某種理想氣體，在溫度保持不變時，體積減小，壓強增大；體積增大，壓強減小．(2)微觀解釋：溫度不變，分子的平均動能不變．體積越小，分子的數(shù)密度增大，單位時間內撞到單位面積器壁上的分子數(shù)就越多，氣體的壓強就越大，如圖3.圖32．查理定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質量的某種理想氣體，在體積保持不變時，溫度升高，壓強增大；溫度降低，壓強減小．(2)微觀解釋：體積不變，則分子數(shù)密度不變，溫度升高，分子平均動能增大，分子撞擊器壁的作用力變大，所以氣體的壓強增大，如圖4.圖43．蓋－呂薩克定律(1)宏觀表現(xiàn)：一定質量的某種理想氣體，在壓強不變時，溫度升高，體積增大，溫度降低，體積減?。?2)微觀解釋：溫度升高，分子平均動能增大，撞擊器壁的作用力變大，而要使壓強不變，則需影響壓強的另一個因素，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6A．氣體的平均動能不變B．氣體的內能增加C．氣體分子的數(shù)密度減小D．氣體分子在單位時間內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，一定質量的理想氣體，當體積不變時，壓強跟熱力學溫度成正比，由A到B是壓強增大，溫度升高，分子平均動能增加，故A錯誤；理想氣體的內能只與溫度有關，氣體的溫度升高，內能增加，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間內與單位面積器壁碰撞的次數(shù)增加，故C、D錯誤．對氣體實驗定律的解釋，注意從兩個途徑進行分析：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)關于理想氣體的認識，下列說法正確的是()A．它是一種能夠在任何條件下都能嚴格遵守氣體實驗定律的氣體B．它是一種從實際氣體中忽略次要因素，簡化抽象出來的理想模型C．在溫度不太高、壓強不太小的情況下，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．(氣體實驗定律的微觀解釋)(多選)關于一定質量的理想氣體，下列說法正確的是()A．體積不變，壓強增大時，氣體分子的平均動能一定增大B．溫度不變，壓強減小時，氣體分子的數(shù)密度一定減小C．壓強不變，溫度降低時，氣體分子的數(shù)密度一定減小D．溫度升高，壓強和體積可能都不變〖答案〗AB〖解析〗體積不變，分子的數(shù)密度就保持不變，壓強增大，說明分子的平均撞擊力變大了，即分子的平均動能增大了，A正確．溫度不變，分子平均動能不變，壓強減小，說明單位時間內撞擊器壁的分子數(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，分子平均動能減小，分子撞擊器壁的作用力減小，要保持壓強不變，則要增大單位時間內撞擊器壁的分子數(shù)，即氣體分子的數(shù)密度要增大，C錯誤．溫度升高，壓強、體積中至少有一個發(fā)生改變，D錯誤．3．(理想氣體狀態(tài)方程的應用)一定質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，其有關數(shù)據(jù)如圖7甲所示，若狀態(tài)D的壓強是2×104Pa.圖7(1)求狀態(tài)A的壓強；(2)請在乙圖中畫出該狀態(tài)變化過程的p－T